（自然地理学专业论文）东南极lambert冰川盆地上游物质平衡的时空变化研究.pdf

摘要 南极冰盖物质平衡对全球海平面变化有重要影响，是极地研究的热点和优先 研究领域。东南极l a m b e r t 冰川流域是南极洲最大冰流系统之一，其内陆着地冰 区 栅b e r t 冰川盆地在整个南极冰盖物质平衡中占有重要地位。 本文首次综合分量法和整体法，结合i c e s a t 、南极d e m 、v a u g h a n 和 g i o v i n e t t o 等编撰的积累率、前人得出的冰通量及d a v i sd h d t 数据，以小流域 为单元，依托g 1 s 技术，展开东南极l a m b e r t 冰川盆地上游物质平衡的时空变化 研究。主要研究内容及结论包括： ( 1 ) 通过将i c e s a t 激光高度计数据与南极4 个d e m 比较，选取 b a m b e r - d e m 划分小流域。将研究区域共划分为1 7 个小流域，计算得出整个研 究区域砸积约9 4 1 9 8 9 0k m2 ； ( 2 ) 分量法量算小流域物质平衡量，再转为冰面高程变化值( d 日肋) 。整 个上游区域的物质平衡量为5 4 - + 6 4g ta - 1 ；d h d t 为1 6 2 _ + 1 9 6m ma - 1 。 ( 3 ) 整体法量算小流域d h d t ，再转为物质平衡量。1 9 9 2 2 0 0 3 年，整个上 游区域d h d t 为2 5 6 3 7 伽a 1 ；物质平衡量为8 2 l 2o ta l 。 ( 4 ) 分量法与整体法的量算结果存在较小差异。物质平衡量相差2 8 6 5 g ta 1 ，d h d t 相差9 4 _ + 1 9 9 r a ma - 1 。 ( 5 ) 整个研究区域为物质正平衡状态，但存在空间差异。分量法结果显示 小流域1 、2 、9 、i 0 、1 4 、1 5 、1 6 为物质负平衡，可分为三个区域，总物质平衡 量为4 。5 1 - + 0 9 9 g ta - 1 ；而其他小流域为物质正平衡，也可分为三个区域，物质平 衡量为1 0 2 - _ 1 3 0 ta - 1 。整体法结果显示1 7 个小流域都为物质正平衡，物质平衡 量为8 2 1 2 0 ta _ 1 ；其中小流域1 5 的物质平衡量最大，1 2 4 _ + 0 1 9g ta - 1 ，小流域 3 最小，0 0 6 o 0 0 9 g ta 1 。 ( 6 ) 近些年整个研究区域的冰面高程在上升。分量法结果显示整个上游 d h d t 为1 6 2 _ + 1 9 6m ma 1 。整体法结果为从1 9 9 2 - 2 0 0 3 年，整个上游d h d t 为 2 5 6 3 7m ma l 。 关键词：分量法：整体法；物质平衡；l a m b e r t 冰川盆地；南极 a b s t r a c t a n t a r c t i ci c es b e c tm a s sb a l a n c ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo ng l o b a ls e al e v e l c h a n g e i ti so fg r e a tc o n c e r na n do n eo ft h et o pp r i o r i t i e si np o l a rr e s e a r c hf i e l d l a m b e r tg l a c i e r - a m e r yl e es h e l fs y s t e mi so n eo ft h el a r g e s tg l a c i e r - i c e s h e l fs y s t e m i na n t a r c t i c a 1a m b e r tg l a c i e rb a s i n , t h ei n t e r i o rg r o u n d e di c er e g i o n ，i sa ni m p o r t a n t d r a i n a g eb a s i n i nt e r m so ft h eo v e r a l lm a s sb a l a n c eo f a n t a r c t i c a b a s e do ns m a l ld r a i n a g eb a s i n s ，i nt h i st h e s i s ，ia n a l y z et h et e m p o r a la n ds p a t i a l v a r i a t i o n si nt h em a s sb a l a n c eo fla m b e r tg l a c i e rb a s i na th i g he l e v a t i o n si ng i s e n v i r o n m e n t ，u s i n gi c e s a tg l a sd a t a 、a n t a r c t i cd e m s 、v a u g h a na n dg i o v i n e t t o a c c u m u l a t i o nc o m p i l a t i o n s 、i c ef l u x e so b t a i n e db yp r e v i o u ss t u d i e sa n dd a v i sd h d t d a t a m a j o rc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b yc o m p a r i n g i c e s a tg l a sd a t aw i t hf o u ra n t a r c t i cd e m s ，b a m b e r - d e m i su s e dt od i v i d ela m b e r tg l a c i e rb a s i ni n t o1 7d r a i n a g eb a s i n s t h et o t a lr e s e a r c h a r e ai s9 4 1 9 8 9 0k m2 ： ( 2 ) m a s sb u d g e t so ft h es m a l ld r a i n a g eb a s i n sa r ea s s e s s e du s i n gc o m p o n e n t a p p r o a c h ，a n dt h e nc o n v e r t e dt od h d t t h em a s sb u d g e tf o rt h ew h o l el a m b e r t g l a c i e rb a s i na th i g he l e v a t i o n si s5 4 6 4c aa 1 ：d h d ti s1 6 2 1 9 6 r a ma 1 。 ( 3 ) d h d tf o rt h es m a l ld r a i n a g eb a s i n si se s t i m a t e du s i n gi n t e g r a t e da p p r o a c h ， a n dt h e nc o n v e n e dt om a s sb u d g e t s t h ed h d tf o rt h ew h o l el a m b e r tg l a c i e rb a s i n a th i g he l e v a t i o n si s2 5 6 3 7m mf 1 ：t h em a s sb u d g e ti s8 2 1 2 c aa 1 ( 4 ) t h er e s u l t so fm a s sb a l a n c eb e t w e e nc o m p o n e n ta n di n t e g r a t e da p p r o a c h e s h a v er e l a t i v e l ys m a l l e rd i f f e r e n c e s f r o m1 9 9 2t o2 0 0 3 ，t h ed i f f e r e n c ei s9 4 1 9 9 r a m a - 1i nd h d t ，a n d2 8 6 5qa 1i nm a s sb u d g e t ( 5 ) i ti sf o u n dt h a tt h ee n t k er e s e a r c hr e g i o nh a sap o s i t i v ei m b a l a n c ew i t h l a r g e rs p a t i a lv a r i a b i l i t y t h er e s u l t so b t a i n e du s i n gc o m p o n e n ta p p r o a c hs h o wt h a t t h e1 “，2 哆蛾1 0 m ，1 4 l h ，1 5 血a n d1 6 t hs m a l ld r a i n a g eb a s i nh a san e g a t i v ei m b a l a n c e ， t h e i rt o t a lm a s sb u d g e ti s - 4 5 1 _ + 0 9 9 g t 矿1 ；t h eo t h e r sh a v eap o s i t i v ei m b a l a n c e ，w i t h at o t a lm a s sb u d g e to f1 0 2 1 3 g ta 1 t h er e s u l t sb yi n t e g r a t e dm e t h o ds h o wa l ls m a l l i i d r a i n a g eb a s i n sh a sap o s i t i v ei m b a l a n c e ，w i t hat o t a lm a s sb u d g e to f8 2 1 2g ta - 1 ； a n dt h e1 5 恤s m a l ld r a i n a g eb a s i nh a st h el a r g e s tp o s i t i v ei m b a l a n c eo f1 2 4 _ + 0 1 9 g t a - 1 ，t h e3 mi st h el e a s t , 0 0 6 _ + 0 0 0 9 g ta - 1 ( 6 ) r e c e n t l y , t h ee n t i r es t u d yr e g i o ni st h i c k e n i n g t h er e s u l t sb yc o m p o n e n t a p p r o a c hs h o wi ti st h i c k e n i n ga ta r a t eo f1 6 2 _ + 1 9 6m ma - i ti st h i c k e n i n ga tar a t e 0 f2 5 6 + - 3 7 衄a 1f r o m1 9 9 2t o2 0 0 3b yi n t e g r a t e da p p r o a c h k e yw o r d s ：c o m p o n e n ta p p r o a c h ；i n t e g r a t e da p p r o a c h ；m a s sb a l a n c e ；l a m b e r t g l a c i e rb a s i n ；a n t a r c t i c a i l l 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究 成果其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表 示了谢意 作者签名：圣她葜日期：训 舞蛉昏习宫 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以采用影印缩印或其它手段保存论文保密的论文在解密后遵守此规定 作者签名：季北袭? 师签名： 7 撕期： i 川冬i 骨i 缈 东南极l a m b e r 冰川盆地上游物质平衡的时空变化研究 1 1 背景 第一章绪论 南极冰盖是长期覆盖在南极大陆上的巨大、连续冰体，总面积( 着地冰与边 缘冰架的总和) 约1 3 8 x 1 0 7 k m2 ，是地球表面最大的冰川和淡水资源，冰储量占 全球冰川的9 0 ，占全球淡水总量的7 0 左右( 秦大河和任贾文，2 0 0 1 ) 。南极 冰盖冰量的增减对全球海平面变化、水分循环等有巨大影响。每年南极冰盖与海 洋交换的水量相当于全球海平面波动6 衄( h o u g h t o ne t a l ，1 9 9 6 ；h u y b r e c h t s e t a 1 ，2 0 0 0 ；s c a r ，2 0 0 3 ) 。一旦其全部融化，将引起全球海平面上升5 7 m ，其 中东南极冰盖贡献5 2m ( l y t h ee t4 f ，2 0 0 1 ) 。然而，目前对南极冰盖这一影响 的估算存在很大的不确定性，并已成为预测未来海平面变化的主要障碍( 温家洪 等，2 0 0 4 ) 。因此，南极冰盖的物质平衡研究具有重要的社会、经济意义。 当前，南极冰盖的物质平衡研究是极地研究的热点和优先研究领域。国际科 联南极科学委员会( s c a r ) 发起的全球变化研究项目( s c a r g u 3 c h a n t ) 单 独设立了“冰盖物质平衡与海平面0 s m a s s ) ”计划( t h ei s m a s sc o m m i t t e e ， 2 0 0 4 ) ，同时s o 讯和过去全球变化计划( p a g e s ) 发起的“国际横穿南极科学 考察计划( i t a s e ) ”( m a y e w s k ia n dg o o d w i n ，1 9 9 7 ) ，以及世界气候研究计划 ( w c r p ) 在本世纪最新推行的“气候与冷冻圈计划( a i c ) ”都将南极冰盖的 物质平衡研究列为核心研究内容( a l l i s o n e t a l ，2 0 0 1 ) 。 东南极冰盖l a m b e r t 冰n - a m e r y 冰架系统( 简称l a m b e r t 冰川流域) 是南 极冰盖最大冰流系统之一，其物质平衡状态对整个南极冰盖有举足轻重的影响。 l a m b e r t 冰川流域发源于东南极冰盖最高点d o m ea ，位于6 8 5 。8 1 1 5 。s ， 4 0 。一9 5 。e 之间( 图1 1 ) ，总面积达1 5 5 1 0 6 k m 2 ，约占东南极冰盖总面积的1 6 ， 南极冰盖总面积的1 8 ( 任贾文等，2 0 0 2 a ；f r i c k e re ta l 。，2 0 0 0 a ；2 0 0 2 b ；2 0 0 2 ) 。 l a m b e r t 冰川盆地( l g d b ) 是l a m b e r t 冰川流域的内陆着地冰区，可分为3 个 亚区( 图1 - 1 ) ，即中部盆地区( 包含l a m b e r t 冰川、m e l l o r 和f i s h e r 冰川) 、a m e r y 冰架西部盆地x e ( d r a i n a g e9 ) ，冰架东部盆地区( d r a i n a g e1 1 ) ( g i o v i n e t t oa n d 东南极l a m t m r t 冰川盆地上游物质平衡的时空变化研究 b e n t l e y ，1 9 8 5 ；g i o v i n e t t oa n dz w a l l y ，2 0 0 0 ) 。该系统的冰流都经过a m e r y 冰架 前端不到2 0 0k m 的狭窄出口排出，该出口宽度仅为南极洲海岸线长度的1 6 0 ( 王 清华和宁律生，2 0 0 2 ) ，这使得该冰流系统活动性强，对全球气候和海平面变化 极为敏感。 图1 - 1 东南极l a m b e r t 冰川流域图 ( 蓝色为l a m b e r t 冰川盆地上游区域。红色圆点为l g b 考察路线上的g p s 观测站。) 本文展开的东南极l a m b e r t 冰川盆地上游物质平衡的时空变化研究，是基于 国家自然科学基金面上项目( 4 0 4 7 1 0 2 8 ) 及上海市教委曙光计翅j 项目( 0 5 s g 4 6 ) 等课题进行的，将首次综合两种物质平衡量算方法分量法和整体法，以小流 域为单元研究冰盖的物质平衡。前人只是在格陵兰冰盖曾使用上述方法量算物质 平衡( t h o m a s e t a l ，1 9 9 8 ；2 0 0 0 ：2 0 0 1 ) ，但在南极无人做过相同工作，本文将 做这方面的尝试。首先利用i c e s a tg l a s 激光高度计数据和前人建立的多个南 极数字高程模型( d e m ) 数据，运用a r c g i s 、a r c v i e w 等软件，以标准差( s t d ) 为指标，选择划分研究区域内部小流域的d e m ；再运用冰川学的若干理论和方 法，参照d e m ，结合澳大利亚l g b 考察路线上的g p s 站点，对研究区域进行 较为细致的流域划分，揭示流域分布特征；最后分别采用分量法和整体法，结合 2 东南极l a m b e r t 冰川盆地上游物质平衡的时空变化研究 两组冰盖表面积累率数据、冰通量数据及冰面高程变化率( d 日协) 数据，对各 个小流域内的物质平衡做出评估，最终确定整个l a m b e r t 冰川盆地上游的物质平 衡状态、空间分布特征及时问变化特征；同时将分量法与整体法的结果作对比， 得出结果差异，揭示这两种冰盖物质平衡量算方法的互补性。该分析工作的开展 可为l a m b e r t 冰川流域及整个南极冰盖的物质平衡研究提供诸多基础数据，填补 研究空白，减小l a m b e r t 冰川流域及南极冰盖物质平衡估算中的不确定性，对全 面了解南极冰盖物质平衡变化特征做出贡献。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 南极冰盖物质平衡研究现状 通过几十年的努力，国内外冰川学者结合卫星遥感技术提供的观测数据和野 外实地考察获取的数据，对南极冰盖物质平衡的变化研究取得了很多进展，基本 掌握了冰盖及冰川的物质积累速率的地理分布和近期变化趋势。b e n t l e ya n d g i o v i n e t t o ( 1 9 9 1 ) 利用少量靠近冰盖边缘断面的冰通量估算值和雪积累量，估计 南极洲为正物质平衡。j a c o b s e t a l ( 1 9 9 2 ) 利用1 9 7 8 年以来的卫星影像进行的大 冰山体积估算和国际冰山统计计划的结果，以及冰架融水流量的海洋化学观测数 据，分别对冰盖消融的各分量进行了估算，得出完全相反的结果，估计南极冰盖 的净平衡为4 6 9k m 3a 一。此后，采用分量法量算南极冰盖物质平衡，结果显示2 0 世纪其冰量平衡接近于零或略为负值( r i g n o ta n dt h o m a s ，2 0 0 2 ；t h ei s m a s s c o m m i t t e e ，2 0 0 4 ) ，东南极冰盖的物质平衡状态还无法确定( r i g n o ta n dt h o m a s ， 2 0 0 2 ) 。d a v i s e t a l ( 2 0 0 5 ) 利用e r s 1 2 卫星雷达测高数据检测了南极冰盖 1 9 9 2 2 0 0 3 年的冰面高程变化，得出东南极冰盖内陆8 1 酽s 以北地区物质每年增加 4 5 + 7k m 3 。总的来说，还无法准确确定南极冰盖的物质平衡状态。 1 2 2l a m b e r t 冰川流域物质平衡研究现状 针对l a m b e r t 冰川流域的物质平衡研究，冰川学者也开展了大量的现场考察 和研究，取得了许多有价值的结果。a l l i s o n ( 1 9 7 9 ) 利用断面考察实测资料估算 3 东南援1 a m b e t t 冰川盆地上游物质平衡的时空变化研究 了la m b e r t 冰川流域的物质平衡，考察资料主要集中在冰川谷地中央海拔1 5 0 0 2 0 0 0 m 的一个断面上，得出g l 线以上内陆盆地部分总的物质平衡约为3 0 g t a 一， 即处于正平衡状态。m c i n t y r e ( 1 9 8 5 ) 年参照卫星影像资料对此曾提出质疑，利 用资辩重新确定l g d b 界线。并重新估算了表面积累。以此重新计算了该内陆 盆地的物质平衡，认为那里可能只存在一个很小的正物质平衡口6 ta 4 ) ，并且其 误差极限已降到零以下。m o r g a n a n dj a c k a ( 1 9 8 1 ) 对m a w s o n 站向内陆至2 0 0 0 m 高度2 0 世纪7 0 年代的积累速率和运动速度的测量结果进行了分析，认为内陆的 积累速率高于流动输出的冰量。b e n t l e ya n dg i o v i n e t t o ( 1 9 9 1 ) 估算了整个南极 冰盖的物质平衡，其中包括了l a m b e r t 冰川流域。结果显示该流域着地冰部分的 积累量为3 9g ta 一，相当于全部净积累量的7 8 ，即处于很强的正平衡状态。澳 大利亚南极考察队( a n a k e ) 从1 9 8 9 1 9 9 5 年对l a m b e r t 冰川流域1 0 0 0 3 0 0 0m 海拔高度内进行了一系列冰川学路线考察，获得了大量冰川学资料。不过其重点 研究区域在西弼，中国冰j l 学家也应邀参加了考察。f r i c k e r e 以( 2 0 0 0 h ) 讨论了 澳大利亚考察断面冰体流动通量和物质平衡，对沿l g b 考察路线的冰通量进行 了分段计算，分为东侧、西侧和中间三个区域，并假定表面冰流速率系数( 冰层 平均速率，表面速率) 为0 8 7 。计算得出穿过l g b 考察路线的冰通量总计4 4g t a - 1 。r i g n o t ( 2 0 0 2 ) 的结果和上述前人的研究结果明显不同，中部盆地区冰流穿过 着地线的冰通量为5 7 5 5k m 3a 1 ，超过上游物质输入量5 5 2 + 4k m 3a 1 的9 ，略 成负平衡。d a v i s e t a l ( 2 0 0 5 ) 分析得出a m e r y 冰架以南和以东的l a m b e r t 冰川 盆地区冰面高程正以中等速率增厚。z w a l l ye ta 1 ( 2 0 0 5 ) 依据1 9 9 2 - 2 0 0 1 年的 同一数据集得出l a m b e r t 冰川盆地的冰面高程在下降。 2 d 世纪9 0 年代初，中国冰j l ；学家积极参与了t a s e 计划的铡定，并承担了 在l a m b e r t 冰川流域东侧开展的中山站至d o m e a 内陆冰盖考察。d o m e a 是东 南极冰益最高冰穹，是南极冰盖冰芯钻探理想地点和现代雪冰气候环境观测、大 气与气象观测等独一无二的科学观测点。从1 9 9 6 年起，我国已经成功组织了5 次南极冰盖内陆考察，考察路线长度分别为3 3 0i m ( 康建成和汪大立。1 9 9 7 ) 、 4 6 5i m 、1 1 0 6j 皿( 任贾文，1 9 9 9 ) 、1 1 2 8l l l 和1 3 0 0 】a n 。其中第5 次考察抵达d o m e a 最高点。沿考察路线开展了冰盖表面物质平衡的实地观测，采集数千个表面雪 样和雪坑样品，对中山站至d o m e a 考察断面的浅表层物质平衡的时空分布已有 了迸一步的认识( 任贾文等。2 0 0 1 ；q i n e t a l ，2 0 0 0 ：x i a o “a 1 ，2 0 0 1 ；w e n e t 4 东南极l a m b e r t 冰川盆地上游物质平衡的时空变化研究 a l ，2 0 0 1 ；2 0 0 6 ) 。任贾文和秦大河( 1 9 9 5 ) 对l a m b e r t 冰川流域西部区域进行 了研究，认为西部在靠近海岸地带的积累速率很低，近5 0 年来积累速率呈现减 小的总趋势。任贾文等( 2 0 0 2 a ；2 0 0 2 b ) 又对l a m b e r t 冰川流域的现场考察资料 和浅冰芯进行了研究，结果显示该流域东侧平均积累速率比西侧高；近5 0 年东 侧处于增加状态：冰量平衡计算结果表明，该冰川流域目前处于物质正平衡状态， l g b 考察断面上游的积累大于输出约1 3 ，如果保持目前气候状态，冰盖将会 增厚。王清华和宁津生( 2 0 0 2 ) 计算了l a m b e r t 冰川流域的平衡通量分布，得出 该流域的表面净物质平衡总量约为9 0g ta 一，即整个冰流盆地均处于物质正平衡 状态。w e ne ta l ( 2 0 0 7 ) 计算了澳大利亚l g b 考察路线之上l a m b e r t 、m e l l o r 和f i s h e r 冰川的物质平衡，得出l a m b e r t 和m e l l o r 冰川可能为正平衡，其值分 别为3 9 + 2 1g ta 。1 和2 1 2 4g ta ，而f i s h e r 冰川约处于平衡状态。3 条冰川穿 过考察路线的总冰通量与上游地区总积累量的差为5 9 4 9g ta 一，说明上游区总 体为正平衡。 1 2 3 主要问题与不足 当前，国内外冰川学者在l a m b e r t 冰川流域物质平衡的研究方面做了很多工 作，取得了许多成果，并且将冰川学、遥感与地理信息系统的原理和方法成功地 运用于物质平衡的研究之中，促使南极冰盖物质平衡研究方法趋于成熟。但是也 存在如下一些问题亟待解决： 1 ) 研究区域覆盖不全。国内外冰川学者在l a m b e r t 冰川盆地所做的物质平 衡研究工作，主要集中在中部，结果也存在较大差异；并且针对整个盆地上游的 物质平衡研究还很少。难以实现对整个l a m b e r t 冰川盆地物质平衡状态的准确认 识。 2 ) 研究尺度大。前人研究l a m b e r t 冰川盆地上游物质平衡时，只对研究区 域进行简单的流域划分，不能更为详尽的显示物质平衡的分布特征。 3 ) 方法上的不足。目前。国际上对物质平衡的研究趋势是将各种研究方法 ( 野外考察、卫星观测和大气模拟等) 获得的数据与结果进行综合，以减少估算 误差，分析变化机制和趋势。但国内外冰川学者对南极冰盖物质平衡的估算多单 独采用分量法或整体法，而无人综合两种方法，也无人对结果作详细对比。 5 东南极l a m b e r t 冰川盆地上游物质平衡的时空变化研究 1 3 研究内容 为弥补前人在l a m b e r t 冰川盆地物质平衡研究工作中存在的不足，本文将围 绕l a m b e r t 冰川盆地上游区域，开展下列研究： 1 ) 基于a r c g i s 对l a m b e r t 冰川盆地上游区域进行流域划分。首先从前人建 立的南极d e m 中选择划分小流域的d e m ；然后基于a r c g i s 软件，结合l g b 考察路线上的g p s 站点，在d e m 上划分小流域。确定小流域的范围，面积。 2 ) 以小流域为单元，采用分量法和整体法分别量算l a m b e r t 冰川盆地上游 的物质平衡。分量法需分别量算小流域内的物质积累量和输出量，最终确定每个 小流域及整个研究区域的物质平衡量，通过公式再将其转为d h d t ：整体法是直 接提取小流域的d h d t ，再转化为物质平衡量。 3 ) 比较分量法与整体法的计算结果。将结果从物质平衡、冰面高程及时空 变化三个方面加以比较，分析差异。 4 ) 确定l a m b e r t 冰川盆地上游物质平衡的时空变化特征。分析物质平衡状 态在研究区域内的空间位置差异，找出最大和最小的物质增加区( 或物质损失 区) 。结合d h d t 数据，分析近十年来整个研究区域及每个小流域的冰面高程变 化情况。 1 4 研究区域概况 本文研究区域是东南极l a m b e r t 冰川盆地上游，即l g b 考察路线以上区域， 包括l a m b e r t 冰川、m e l l o r 冰川和f i s h e r 冰川的上游区域以及a m e r y 冰架东西 两侧盆地的上游区域( 即d r a i n a g e 9 、d r a i n a g e l l 上游) ( 图1 - 1 ) 。l g b 考察路 线是澳大利亚南极考察队( a n a r e ) 于1 9 8 9 1 9 9 0 和1 9 9 4 1 9 9 5 年度进行l a m b e r t 冰川盆地考察所走的路线( 王清华和宁津生，2 0 0 2 ) ，大致沿着2 5 0 0m 等高线分 布，其上的g p s 观测点共有7 3 个( l g b 0 0 l g b 7 2 ) ，大部分沿着考察路线每隔 3 0j n l l 布设。跨越l a m b e r t 地堑，观测点的间距为1 5k m ，以便在该地区进行更详 细的冰流速测量( f r i c k e r e t a l ，2 0 0 0 b ：k i e m a n ，2 0 0 1 ；m a n s o ne t a l ，2 0 0 0 ) 。 6 东南掇l a m b e r t 冰川盆地上游物质平衡的时空变化研究 l g b 考察路线的起点为l a m b e r t 冰川流域西侧m a w s o n 站向内陆1 3 0k m 、海拔 1 8 3 0 m 的l g b 0 0 ；终点为流域东侧中山站向内陆7 0 k m 、海拔为1 0 3 8 m 的l g b 7 2 ， 路线总距离2 0 1 4k m 。l a m b e r t 冰川盆地上游主要位于l g b 0 5 l g b 6 8 断面以上， 面积约为9 4 1 9 8 8 9 6 虹2 ( 见第四章的表4 2 ) ，约占整个l a m b e r t 冰川流域面积 的6 1 。l a m b e r t 冰川盆地上游的冰通过l g b 0 5 l g b 6 9 剖面流经a r n e r y 冰架排 入海洋，剖面长约1 7 0 0k m ，冰体体积约为4 79 2 84 0 4 7 0 0m 3a 1 ( 王清华和宁津 生，2 0 0 2 ) 。 1 5 技术路线 本文以a r c g i s 为平台，运用冰川学原理与方法，对l a m b e r t 冰川盆地上游 进行了流域划分，并以小流域为单元采用分量法和整体法分析了研究区域的物质 平衡时空变化特征，具体技术路线如图1 2 所示。 7 东南极l a m b e r t 冰盆地上游物质平衡的对空变化研究 第二章数据集 本项研究采用的数据集主要有：i c e s a t 数据：全称i c e s a t ( i c e ，c l o u da n d l a n de l e v a t i o ns a t e l l i t e ) g l a s ( g e o s c i e n c el a s e ra l t i m e t e rs y s t e m ) 激光高度计数 据；南极d e m 数据；冰盖表面积累率数据：v a u g l l a ne ta l 0 9 9 9 ) 编撰的表 面积累率数据，以及g i o v i n e t t o 最新修正g i o v i n e t t oa n dz w a l l y ( 2 0 0 0 ) 编撰的积累 率数据( 以下分别简称v a u g h a n 和g i o v i n e t t o 积累率数据) ；冰通量数据( w e n “a 1 ，2 0 0 6 ) ：( 萤d h d t 数据( d a v i s e t a l ，2 0 q 5 ) ( 简称d a v i s d h d t 数据) 。 本章将对上述数据集进行重点介绍。 2 1i c e s a t 数据 i c e s a t 是美国n a s a 于2 0 0 3 年1 月1 3 日发射的世界首颗激光高度计卫星， 飞行高度约6 0 0k m ，轨道重复期为8 天和1 8 3 天( 文汉江和程鹏飞，2 0 0 5 ) ，轨道 覆盖到8 6 。s ( 温家洪等，2 0 0 4 ) 。搭载的高精度g l a s 是新型的星载激光高度 计，可用于长期精确测量极地冰盖高度及其时问变化特征，其数据可用于制作较 大比例尺的冰盖地形图( s c h u t z ，2 0 0 2 ) 。 i c e s a tg l a s 的工作频率比雷达高度计要高得多，数据测量密度也比雷达测 高仪的密度大，地面激光光斑较小，分辨率较高，并且对于坡度和缓的所有表面 都能进行较好的测量( 范春波等，2 0 0 5 ；b a c ke ta l ，2 0 0 5 ) 。z w a l l ya n d s h u m a n ( 2 0 0 2 ) 经计算得知i c e s a t 激光高度计的垂直精度小于5 c m 珊s ，光斑的水 平精度为1 0 m 以内。最初的研究表明i c e s a tg l 蟠的地面垂直分辨率可达1 0 锄( b r a u n e t a l ，2 0 0 4 ：m a g r u d e r e t a l ，2 0 0 3 ) 。 本文所用的i c e s a t 激光高度计数据由美国国家航空和航天局戈达德空间飞 行中心w a n gw e i l i 博士提供，包括l a m b e r t 冰j l l 盆地上游区域8 条t r a c k 数据( 图 2 - 1 ) ：t r a c k 4 、1 2 、4 9 、5 7 、7 9 、8 7 、1 0 9 、1 1 7 。数据格式为文本。 8 东南撮l a m b e r t 冰川盆地上游物质平衡的时空变化研究 图2 - 1l a m b e r t 冰川盆地上游的i c e s a t 激光高度计数据测量轨迹 2 2 南极d e m 数据 2 2 1 概述 2 2 1 1d e m ( 1 ) 概念 不同学者对d e m 的理解不同，汤国安等( 2 0 0 5 ) 基于d e m 的研究对象与 应用范围，认为d e m 是区域地表面海拔高程的数字化表达，或是地理空间中地 理对象表面海拔高度的数字化表达，二者描述范畴略有不同。d e m 作为数字地 面模型( d t m ) 中最基本的部分，是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表 达( 李志林和朱庆，2 0 0 0 ) ，结合地理信息系统软件，可按用户需求进行统计， 并转换为等高线图、坡度图等各种专题图( 鲍英华和刘学会，1 9 9 8 ) 。 ( 2 ) 分类 广义的图形方式d e m 通常有规则格网模型、不规则三角网模型( 1 f 1 n ) 和等 高线模型三种( 汤国安等，2 0 0 5 邬伦，2 0 0 1 ) 。由于规则格网模型很容易计算 坡度坡向、地表曲率和自动提取流域地形等( m o o r ee t a l ，1 9 9 1 ) ，成为d e m 最 9 东南撮l a m b e r t 冰川盆地上游物质平衡的时空变化研究 广泛的使用类型。本文所使用的d e m 及建立的d e m 都为规则格网d e m ，又因本 文d e m 基于点单元，又称散点d e m 。 ( 3 ) 误差和精度 内插方法以及d e m 结构是d e n 误差的主要来源之一。从结构来说，栅格结 构的d e m 对相对平坦、起伏不大的区域的描述精度相对较高，而对于地形复杂 的区域不规则三角网的d e m 会有较高的精度。本文d e m 属栅格结构。d e m 误差 大小是衡量d e m 精确性的标准( 汤国安等，2 0 0 5 ) 。均值和方差是描述d e m 精度 的有效参数( l i ，1 9 8 8 ) 。 ( 4 ) 特点 与传统的模拟数据如等高线地形图比较，d e m 具有精度恒定性、表达多样 性、更新实时性、尺度综合性( 汤国安等，2 0 0 5 ) 。 2 2 12 雷达高度计 南极d e m 数据主要是利用欧洲遥感卫星( e r s ) 、美国g e o s a t 雷达高度计、 南极数字数据库( a d d ) 数据建立的。从1 9 7 8 年起，卫星雷达测高仪s e a s a t 、 g e o s a t 和欧洲遥感卫星e r s 一1 、e r s 2 被用于计算南极冰盖的高程变化速率 ( 1 _ i n g l ea n d c o v e y ，1 9 9 8 ；w i n g h a l n e t a l ，1 9 9 8 ) 。雷达高度计受测量条件的限 制，地面垂直分辨率可达5 1 0 ，水平分辨率通常为1 0h 量级，一般利用雷 达高度计数据制作小比例尺的冰盖地形图( 范春波等，2 0 0 5 ) 。 海洋卫星s e a s a t 是美国宇航局于1 9 7 8 年6 月发射的，大地测量卫星g e o s a t 是美国宇航局于1 9 8 5 年3 月发射的，二者测量的纬度范围为7 2 。s e a s a t 的 测量精度达o i m ( 胡明成，1 9 9 6 ) 。g e o s a t 测高系统在6 8 个1 7 天回归轨道期间 共收集了3 9 个月的测高数据，提供的高纬度数据对研究极地冰面变化意义重大 ( 赵长印，1 9 9 7 ) 。目前，利用s e a s a t 和g e o s a t 卫星雷达测高仪数据已生成多个 l a m b e r t 冰川流域d e m ( h e r z f e l de ta l ，1 9 9 3 ；l i n g l ee t 以，1 9 9 4 ) 和南极冰盖 d e m ( z w a l l y e ta l ，1 9 8 3 ；m a n t r i p pe ta l ，1 9 9 2 ) 欧溯空间局子1 9 9 1 年7 月和1 9 9 5 年4 月分别发射欧洲遥感卫星e r s 1 和 e r s 2 ，也属于星载雷达高度计卫星，纬度范围为+ 8 2 。，目标之一是提供冰盖 的精密测量结果。e r s 1 的测量精度约1 0 锄( 胡明城，1 9 9 6 ) 。 1 0 东南援l a m b e r t 冰川盆地上游物质平衡的时空变化研究 2 2 2 数据集 在分析中用到四组南极d e m 数据，主要有： ( 1 ) 英国b a m b e r 等建立的d e m 文本数据( 简称b a m b e r 数据) ( b a m b e ra n d b i n d s c h a d l e r , 1 9 9 7 ) 。 数据覆盖至8 1 5 。s 纬线圈以北的南极洲。坡度 0 6 5 。，高程值不可信；南极内陆7 5 。s 处坡度。0 1 。，冰面高程精度达1 4 m ( b a m b e r e t a l ，2 0 0 0 ) 。 数据主要从e r s 1 获得，数据点测量问隔3 3 5m ，相邻轨道闻的数据间隔4 h 。数据经失真校正、个别坏记录道的剔除及数字滤波等处理后，最终约有4 千万个数据用于建立南极d e m 。坐标采用笛卡尔坐标。建立d e m 时，采用三 角测量法内插数据获得数据点的精确位置( r e n k aa n dc l i n e ，1 9 8 4 ) ，同时采用 外推法来获取空白区的高程数据，最终获得水平分辨率为5 k m 的d e m 。 ( 2 ) 德国l h d e 等建立的d e m 文本数据( 简称l h d e 数据) ( i h d e e t a l ，2 0 0 2 ) 。 数据源于e r s 1 ( 1 9 9 3 年7 月2 9 日1 9 9 3 年1 2 月2 2 日和1 9 9 5 年5 月1 5 日一1 9 9 6 年6 月3 日) 和e r s 2 ( 1 9 9 5 年5 月3 1 日1 9 9 7 年2 月2 2 日) 总共三个 时段的结果数据，在南极海洋上精度为几厘米，在平坦冰盖上精度为1 0 - 2 0 伽， 地面分辨率为5 1 0 k m 。最初数据有1 4 8 0 万个，针对不同区域对数据进行校正、 剔除、插值等处理，最终建成的d e m 中栅格数据有6 1 3 8 0 0 个。空间插值时采用 b i c u b i cs p l i n e 插值法。 ( 3 ) 德国h e r z f e l d 建立的d e m 文本数据( 简称h e r z f e l d 数据) ( h e r z f e l de ta l ， 1 9 9 3 , 2 0 0 0 ：h e r z f e l d ，2 0 0 4 ) 。 数据源于s e a s a t 、g e o s a t 和e l l s 1 ，按纬度划分为五个区域：6 3 6 8 。s 、6 7 - 7 2 1 。s 、7 1 7 7 。s 、7 5 8 0 。s 、7 8 8 1 5 。s 。数据为u t m 投影，属于直角坐标系统， 投影的距离单位为米，可减小高纬度地区的地图变形。构建d e m 时采用克里格 ( k r i g i n g ) 空间插值法。 ( 4 ) 美国俄亥俄州立大学j e z e k 小组建立的d e m 栅格图( 简称o s ud e m ) ( l i u e t a l ，1