南极冰流速监测方法综述

南极冰流速监测方法综述

0冰流速方法研究和测量技术研究随着北极地理的发现，人们对北极的研究正在深入。多项研究表明，北极冰盖与世界气候、生态环境以及人类社会未来发展密切相关。随着全球气候的变暖,冰川变化对全球气候变化的放大器和指示器作用日益明显关于南极冰川表面流速研究,主要分为流速监测技术方法研究和冰流速测算结果分析两大领域。其中,关于冰川流速测量技术研究方面,从传统的花杆测量研究、光学仪器边角测量研究,发展到了先进的GPS测量研究和遥感观测研究。当前,多源数据融合,以及新方法、新算法不断被引进,又进一步提高了南极冰川流速测量的精度和效率。在冰流速测算结果分析方面,关于冰架、海岸带冰川的流速研究已取得了大量成果,今后,针对南极内陆数据稀疏地区冰川流速研究、扩大冰流速研究的时间尺度等将成为新的研究热点。总之,南极冰盖的冰川表面流速研究不仅对全球气候变化及海平面上升等研究具有重要意义,同时也极大地促进了极地冰川学的发展。1考虑观测精度的数据获取南极冰流速监测方法主要分为两大类:实地观测法和遥感监测法。其中,实地观测法主要有标志测量法(如花杆测量)和GPS现场观测法。遥感监测法主要分为光学遥感监测和微波遥感监测。实地观测法虽然精度很高,但是观测成本高昂,且南极很多地区自然条件十分恶劣,所以观测数据的获取成为其最大的制约因素。遥感监测法主要优势在于大面积、长时效的掌握某区域的冰川流动状况,但是其缺点是精度不高。1.1现场观测1.1.1花杆测量花杆测量法是最早运用于南极冰流速测量的实地观测法,如Dorrer等1.1.2定位测量目前,全球定位系统(GPS)被认为是在南极进行定位测量最主要的工具在过去的20年里,随着GPS软、硬件及卫星星历等的发展,GPS技术可以很容易地用来进行冰川流速测量并且能得到高质量的结果1.2遥感监测1.2.1相干性特征运用微波遥感数据对冰川流速进行监测主要是基于INSAR的干涉相干性特征。Goldstein等当前,微波遥感监测法不再单纯运用InSAR数据进行冰流测速,而是将INSAR数据与其他多源遥感数据进行融合(如运用干涉测量与像元偏移跟踪相结合等方法1.2.2冰流速监测通过INSAR的干涉相干性进行的冰川位移测量不受云雨天气影响,而且精度较高,但这种方法需要时间间隔较短的连续影像,在南极地区受到数据稀缺的限制。所以利用较高空间分辨率和较长时间跨度的光学(可见光和近红外)遥感数据来进行冰川流速监测具有明显的优势。光学遥感冰流速测量主要是运用图像特征跟踪及相关性计算原理,如Scambos等2高原中心海岸带南极冰盖表面流动基本特征是:巨大的冰盖被南极地貌局限为一个面积广大、但流速缓慢的冰流层,大致由南极高原中心呈放射状向四周海岸带流动(图1)。同时,局部地区微地貌将冰流收敛到一些流速较快的山谷冰川或者一些其他特殊形式的冰流。这些质量巨大的冰层流动到海岸带的时候,形成两种形式:它们或者分支成无数细小冰川直接流入大海;或者流入海湾,与该海域底部水二次凝结形成的冰体相互挤压并以冰架的形式流向大洋2.1东南极冰流东南极冰盖平均厚度约为2450m,冰盖物质顺着古地盾地形从中央向四周呈放射状缓慢流动,并呈现出由高原内部向海岸带速度递增的特征。2.1.1平均速度特征东南极内陆如冰穹A、毛德皇后地、维多利亚地等地区,由于古地盾平缓、冰层厚度极大、受外部气候影响较小等原因,冰层流速缓慢,平均速度<20m·a东南极大陆内部某些特殊的地理地貌形态对局部冰流速产生巨大的影响。(1)Urbini等(2)冰下湖是南极一个十分特殊的地理形态,该区域冰流速较慢,如Richter等(3)角峰、冰丘隆等对冰川流动的阻滞作用明显,如Grove山地区,零散的角峰群内部平均冰流速为8m·a2.1.2英格丽德克里斯蒂克里斯蒂森、奥茨、日本冰流层携带着巨大冰雪物质顺着古地盾缓慢地流向南极大陆的海岸带,如英格丽德·克里斯滕森海岸、奥茨海岸、玛丽皇后海岸等。该区域属于冰川物质的损失和消融区,冰崩现象普遍,且冰盖物质向海洋俯冲的坡度较陡,故该区域冰川流速较快。Patrick等2.2南极半岛的重要性西南极呈半岛形状深入海洋,受海洋性气候影响较大,故该区域的气候较东南极温和,而且西南极洲中的南极半岛是南极大陆与其他大陆距离最近的地方,因此便于进行南极科学考察的后勤保障。此外,由于西南极下垫面地形崎岖,形成了许多独立的细小冰川,这些形态各异冰川的流速特征吸引了更多学者的关注,所以西南极冰川研究成果比东南极冰川研究成果丰富得多。2.2.1西南极端内的冰流和东南极一样,西南极大部分冰层被局限为流速缓慢的冰盖流层,如埃尔斯沃思地冰盖和玛丽伯德地冰盖的平均流速<20m·a2.2.2海岸带和冰架地区的粒径南极半岛是西南极的重要组成部分,岛屿众多,纬度相对较低,受海洋性气候影响较大,使得该地区冰川变化较大,海岸带和冰架地区流速较快,如Lucchitta等2.3冰架和冰盖质量损失p冰架是指陆地冰延伸到海洋的那部分冰体,冰架崩解是冰山的最主要的来源,所以冰架是南极冰盖质量损失最主要的地区。第一次准确的对南极冰架进行测量是20世纪60年代中叶的Ross冰架考察测量3冰流速变化趋势最新的评估认为西南极洲冰盖总体可能正在减薄,但内部表现出两种不同变化模式:内陆地区在增厚,而北面半岛地区则加速减薄,东南极冰盖物质平衡变化小于西南极。南极冰盖冰雪物质平衡的变化对冰流速产生巨大的影响,反映在冰流速变化时间规律上,体现如下特征:大型冰川趋于停滞,其他冰川在加速,冰架大面积的快速崩解导致支流冰川的加速,表面融化以及着地线强烈的底部融化,导致冰盖流动加速等(1)西南极内陆地区:在全球气候变暖的背景下,该地区的冰盖与海洋物质交换的速度与强度日益加剧,部分冰盖正在强烈、快速地变薄,冰流速出现了令人感到意外的变缓趋势,如Stephenson等(2)南极半岛:20世纪90年代,许多学者曾认为冰架后退对流入这些冰架的冰川影响甚小。进入21世纪之后,南极半岛冰架的快速崩解为检验这些预测提供了机会。如东格雷厄姆地,自Larsen冰架部分解体以来,支流冰川加速了3倍,相关研究发现南极半岛冰架的崩解导致着地冰的加速排泄(3)东南极地区:东南极冰盖物质的不平衡可能很小,甚至正负平衡关系还不能被确定,该地区冰流速变化趋势也不明显,但是大部分研究成果更倾向于认为该地区整体的冰川流速呈略微变缓的趋势。如King等(4)南极冰架地区:冰架确实支撑着其支流冰川,并极大地调节着它们的流动。经过长时间的观测,南极某些冰架在物质平衡中处于正平衡的关系,导致了冰流速变缓现象的出现。另一些冰架的物质负平衡(如Larsen冰架)又导致其支流冰川流速的加快,冰架流速也相应加快由于气候极度恶劣,南极大陆的第一次真正的冰川流速测量直到20世纪60年代才开始,可应用的遥感监测数据直到80年代才逐步丰富,GPS测量技术在南极冰川流速测量中应用直到80至90年代才开始大规模推广。总体上,南极冰川流速研究时间尺度相对较短,在这么短的对比时段内寻找冰川变化的趋势有很大的困难,因此关于南极冰川流速时间变化规律目前学术界还难以取得完全一致的成果。4结论和期待4.1冰流速测量的技术对策综上所述,20世纪60年代以后,南极冰川考察中冰川流速测量开始逐步开展,80年代以后,随着全球卫星定位系统以及遥感监测技术的迅速发展,南极冰流速研究进入了快速发展的时期,取得了丰硕的研究成果,主要体现在两个方面。(1)新的研究方法不断出现:早期冰川流速测量主要采用实地测量的方法,采用插花杆然后量算出花杆的位移量来取得冰川流速数据。随后花杆测量法引入了经纬仪、水准仪、全站仪等光学测量仪器,通过边角测量来提高冰川监测效率。GPS技术的引入大大提高了南极冰川流速测量的观测效率和精确性,使得南极冰川流速大规模实地观测成为可能。但是,实地观测的后勤保障要求很高,而且由于气候极度恶劣,有些地区人类至今还难以企及,遥感监测法正好克服了以上困难,基于特征跟踪的光学遥感监测和基于干涉相干性的微波遥感监测以及激光雷达技术、重力卫星技术等的迅速发展,使得遥感监测取得了比实地考察还要丰富的研究成果。但是,在现有技术条件下,遥感监测法取得冰流速数据与实地考察数据相比在精度上存在一定的差距。所以,许多学者将不同的方法进行融合以获取更好的成果。(2)获取大量的冰川流速监测数据:通过对目前已取得的研究成果的分析发现,南极冰盖流速在空间上呈现出海岸带流速比内陆快、冰架冰川流速比陆地冰川快、西南极冰川流速比东南极冰川快等特征。从时间规律上看,南极冰盖不同地区的冰流速体现出不同的变化趋势,如冰架的崩解导致其补给的支流冰川流速加快,冰盖的变薄导致其冰流的变缓等等。但是,由于南极冰流速研究时间序列还不够长,学者要想在这么短的时段内关于变化趋势取得一致的研究成果还存在很大的难度。4.2价格补充4.2.1区域冰流速及区域地质障碍由于极度恶劣的气候环境,广袤的南极大陆内部的现场考察数据十分有限,而这些区域往往在南极冰盖研究中占有十分重要的地位。由于该区域长期的多雪、多雾天气,对光学遥感监测也产生了严重的障碍。充分运用微波遥感数据、重力卫星数据、激光雷达数据等遥感数据必然会大大充实南极大陆内部地区的冰流速监测数据基础。4.2.2冰流速的季节动态最早的冰流速数据只能追溯到20世纪60年代,但是绝大部分南极冰川流速成果都只是测算出了80年代以后的冰流速数据,80年代以前的冰川流速数据极度缺乏。如此稀缺的数据以及短暂的间隔时段,科学家很难从时间序列上分析出南极大陆冰川流速的历史规律,更加难以预测将来的趋势。如何科学有效地扩展南极冰流研究的时间尺度,如测算出古冰流流速等,将成为南极冰川运动学发展的一个重要方向。4.2.3遥感影像数据的获取现代冰川流速监测方法虽然取得了很大的成果,但是也存在很多局限。首先高质量、高分辨率的遥感影像数据的获取是一个难题,特别是微波遥感数据、激光雷达数据、重力卫星数据等。其次一些特殊冰川或者特殊地貌单元冰川的流速监