南極冰流速監(jiān)測方法綜述

南極冰流速監(jiān)測方法綜述

0冰流速方法研究和測量技術(shù)研究隨著北極地理的發(fā)現(xiàn)，人們對北極的研究正在深入。多項研究表明，北極冰蓋與世界氣候、生態(tài)環(huán)境以及人類社會未來發(fā)展密切相關(guān)。隨著全球氣候的變暖,冰川變化對全球氣候變化的放大器和指示器作用日益明顯關(guān)于南極冰川表面流速研究,主要分為流速監(jiān)測技術(shù)方法研究和冰流速測算結(jié)果分析兩大領(lǐng)域。其中,關(guān)于冰川流速測量技術(shù)研究方面,從傳統(tǒng)的花桿測量研究、光學(xué)儀器邊角測量研究,發(fā)展到了先進(jìn)的GPS測量研究和遙感觀測研究。當(dāng)前,多源數(shù)據(jù)融合,以及新方法、新算法不斷被引進(jìn),又進(jìn)一步提高了南極冰川流速測量的精度和效率。在冰流速測算結(jié)果分析方面,關(guān)于冰架、海岸帶冰川的流速研究已取得了大量成果,今后,針對南極內(nèi)陸數(shù)據(jù)稀疏地區(qū)冰川流速研究、擴(kuò)大冰流速研究的時間尺度等將成為新的研究熱點?？傊?南極冰蓋的冰川表面流速研究不僅對全球氣候變化及海平面上升等研究具有重要意義,同時也極大地促進(jìn)了極地冰川學(xué)的發(fā)展。1考慮觀測精度的數(shù)據(jù)獲取南極冰流速監(jiān)測方法主要分為兩大類:實地觀測法和遙感監(jiān)測法。其中,實地觀測法主要有標(biāo)志測量法(如花桿測量)和GPS現(xiàn)場觀測法。遙感監(jiān)測法主要分為光學(xué)遙感監(jiān)測和微波遙感監(jiān)測。實地觀測法雖然精度很高,但是觀測成本高昂,且南極很多地區(qū)自然條件十分惡劣,所以觀測數(shù)據(jù)的獲取成為其最大的制約因素。遙感監(jiān)測法主要優(yōu)勢在于大面積、長時效的掌握某區(qū)域的冰川流動狀況,但是其缺點是精度不高。1.1現(xiàn)場觀測1.1.1花桿測量花桿測量法是最早運用于南極冰流速測量的實地觀測法,如Dorrer等1.1.2定位測量目前,全球定位系統(tǒng)(GPS)被認(rèn)為是在南極進(jìn)行定位測量最主要的工具在過去的20年里,隨著GPS軟、硬件及衛(wèi)星星歷等的發(fā)展,GPS技術(shù)可以很容易地用來進(jìn)行冰川流速測量并且能得到高質(zhì)量的結(jié)果1.2遙感監(jiān)測1.2.1相干性特征運用微波遙感數(shù)據(jù)對冰川流速進(jìn)行監(jiān)測主要是基于INSAR的干涉相干性特征。Goldstein等當(dāng)前,微波遙感監(jiān)測法不再單純運用InSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行冰流測速,而是將INSAR數(shù)據(jù)與其他多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合(如運用干涉測量與像元偏移跟蹤相結(jié)合等方法1.2.2冰流速監(jiān)測通過INSAR的干涉相干性進(jìn)行的冰川位移測量不受云雨天氣影響,而且精度較高,但這種方法需要時間間隔較短的連續(xù)影像,在南極地區(qū)受到數(shù)據(jù)稀缺的限制。所以利用較高空間分辨率和較長時間跨度的光學(xué)(可見光和近紅外)遙感數(shù)據(jù)來進(jìn)行冰川流速監(jiān)測具有明顯的優(yōu)勢。光學(xué)遙感冰流速測量主要是運用圖像特征跟蹤及相關(guān)性計算原理,如Scambos等2高原中心海岸帶南極冰蓋表面流動基本特征是:巨大的冰蓋被南極地貌局限為一個面積廣大、但流速緩慢的冰流層,大致由南極高原中心呈放射狀向四周海岸帶流動(圖1)。同時,局部地區(qū)微地貌將冰流收斂到一些流速較快的山谷冰川或者一些其他特殊形式的冰流。這些質(zhì)量巨大的冰層流動到海岸帶的時候,形成兩種形式:它們或者分支成無數(shù)細(xì)小冰川直接流入大海;或者流入海灣,與該海域底部水二次凝結(jié)形成的冰體相互擠壓并以冰架的形式流向大洋2.1東南極冰流東南極冰蓋平均厚度約為2450m,冰蓋物質(zhì)順著古地盾地形從中央向四周呈放射狀緩慢流動,并呈現(xiàn)出由高原內(nèi)部向海岸帶速度遞增的特征。2.1.1平均速度特征東南極內(nèi)陸如冰穹A、毛德皇后地、維多利亞地等地區(qū),由于古地盾平緩、冰層厚度極大、受外部氣候影響較小等原因,冰層流速緩慢,平均速度<20m·a東南極大陸內(nèi)部某些特殊的地理地貌形態(tài)對局部冰流速產(chǎn)生巨大的影響。(1)Urbini等(2)冰下湖是南極一個十分特殊的地理形態(tài),該區(qū)域冰流速較慢,如Richter等(3)角峰、冰丘隆等對冰川流動的阻滯作用明顯,如Grove山地區(qū),零散的角峰群內(nèi)部平均冰流速為8m·a2.1.2英格麗德克里斯蒂克里斯蒂森、奧茨、日本冰流層攜帶著巨大冰雪物質(zhì)順著古地盾緩慢地流向南極大陸的海岸帶,如英格麗德·克里斯滕森海岸、奧茨海岸、瑪麗皇后海岸等。該區(qū)域?qū)儆诒ㄎ镔|(zhì)的損失和消融區(qū),冰崩現(xiàn)象普遍,且冰蓋物質(zhì)向海洋俯沖的坡度較陡,故該區(qū)域冰川流速較快。Patrick等2.2南極半島的重要性西南極呈半島形狀深入海洋,受海洋性氣候影響較大,故該區(qū)域的氣候較東南極溫和,而且西南極洲中的南極半島是南極大陸與其他大陸距離最近的地方,因此便于進(jìn)行南極科學(xué)考察的后勤保障。此外,由于西南極下墊面地形崎嶇,形成了許多獨立的細(xì)小冰川,這些形態(tài)各異冰川的流速特征吸引了更多學(xué)者的關(guān)注,所以西南極冰川研究成果比東南極冰川研究成果豐富得多。2.2.1西南極端內(nèi)的冰流和東南極一樣,西南極大部分冰層被局限為流速緩慢的冰蓋流層,如埃爾斯沃思地冰蓋和瑪麗伯德地冰蓋的平均流速<20m·a2.2.2海岸帶和冰架地區(qū)的粒徑南極半島是西南極的重要組成部分,島嶼眾多,緯度相對較低,受海洋性氣候影響較大,使得該地區(qū)冰川變化較大,海岸帶和冰架地區(qū)流速較快,如Lucchitta等2.3冰架和冰蓋質(zhì)量損失p冰架是指陸地冰延伸到海洋的那部分冰體,冰架崩解是冰山的最主要的來源,所以冰架是南極冰蓋質(zhì)量損失最主要的地區(qū)。第一次準(zhǔn)確的對南極冰架進(jìn)行測量是20世紀(jì)60年代中葉的Ross冰架考察測量3冰流速變化趨勢最新的評估認(rèn)為西南極洲冰蓋總體可能正在減薄,但內(nèi)部表現(xiàn)出兩種不同變化模式:內(nèi)陸地區(qū)在增厚,而北面半島地區(qū)則加速減薄,東南極冰蓋物質(zhì)平衡變化小于西南極。南極冰蓋冰雪物質(zhì)平衡的變化對冰流速產(chǎn)生巨大的影響,反映在冰流速變化時間規(guī)律上,體現(xiàn)如下特征:大型冰川趨于停滯,其他冰川在加速,冰架大面積的快速崩解導(dǎo)致支流冰川的加速,表面融化以及著地線強(qiáng)烈的底部融化,導(dǎo)致冰蓋流動加速等(1)西南極內(nèi)陸地區(qū):在全球氣候變暖的背景下,該地區(qū)的冰蓋與海洋物質(zhì)交換的速度與強(qiáng)度日益加劇,部分冰蓋正在強(qiáng)烈、快速地變薄,冰流速出現(xiàn)了令人感到意外的變緩趨勢,如Stephenson等(2)南極半島:20世紀(jì)90年代,許多學(xué)者曾認(rèn)為冰架后退對流入這些冰架的冰川影響甚小。進(jìn)入21世紀(jì)之后,南極半島冰架的快速崩解為檢驗這些預(yù)測提供了機(jī)會。如東格雷厄姆地,自Larsen冰架部分解體以來,支流冰川加速了3倍,相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)南極半島冰架的崩解導(dǎo)致著地冰的加速排泄(3)東南極地區(qū):東南極冰蓋物質(zhì)的不平衡可能很小,甚至正負(fù)平衡關(guān)系還不能被確定,該地區(qū)冰流速變化趨勢也不明顯,但是大部分研究成果更傾向于認(rèn)為該地區(qū)整體的冰川流速呈略微變緩的趨勢。如King等(4)南極冰架地區(qū):冰架確實支撐著其支流冰川,并極大地調(diào)節(jié)著它們的流動。經(jīng)過長時間的觀測,南極某些冰架在物質(zhì)平衡中處于正平衡的關(guān)系,導(dǎo)致了冰流速變緩現(xiàn)象的出現(xiàn)。另一些冰架的物質(zhì)負(fù)平衡(如Larsen冰架)又導(dǎo)致其支流冰川流速的加快,冰架流速也相應(yīng)加快由于氣候極度惡劣,南極大陸的第一次真正的冰川流速測量直到20世紀(jì)60年代才開始,可應(yīng)用的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)直到80年代才逐步豐富,GPS測量技術(shù)在南極冰川流速測量中應(yīng)用直到80至90年代才開始大規(guī)模推廣。總體上,南極冰川流速研究時間尺度相對較短,在這么短的對比時段內(nèi)尋找冰川變化的趨勢有很大的困難,因此關(guān)于南極冰川流速時間變化規(guī)律目前學(xué)術(shù)界還難以取得完全一致的成果。4結(jié)論和期待4.1冰流速測量的技術(shù)對策綜上所述,20世紀(jì)60年代以后,南極冰川考察中冰川流速測量開始逐步開展,80年代以后,隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)以及遙感監(jiān)測技術(shù)的迅速發(fā)展,南極冰流速研究進(jìn)入了快速發(fā)展的時期,取得了豐碩的研究成果,主要體現(xiàn)在兩個方面。(1)新的研究方法不斷出現(xiàn):早期冰川流速測量主要采用實地測量的方法,采用插花桿然后量算出花桿的位移量來取得冰川流速數(shù)據(jù)。隨后花桿測量法引入了經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、全站儀等光學(xué)測量儀器,通過邊角測量來提高冰川監(jiān)測效率。GPS技術(shù)的引入大大提高了南極冰川流速測量的觀測效率和精確性,使得南極冰川流速大規(guī)模實地觀測成為可能。但是,實地觀測的后勤保障要求很高,而且由于氣候極度惡劣,有些地區(qū)人類至今還難以企及,遙感監(jiān)測法正好克服了以上困難,基于特征跟蹤的光學(xué)遙感監(jiān)測和基于干涉相干性的微波遙感監(jiān)測以及激光雷達(dá)技術(shù)、重力衛(wèi)星技術(shù)等的迅速發(fā)展,使得遙感監(jiān)測取得了比實地考察還要豐富的研究成果。但是,在現(xiàn)有技術(shù)條件下,遙感監(jiān)測法取得冰流速數(shù)據(jù)與實地考察數(shù)據(jù)相比在精度上存在一定的差距。所以,許多學(xué)者將不同的方法進(jìn)行融合以獲取更好的成果。(2)獲取大量的冰川流速監(jiān)測數(shù)據(jù):通過對目前已取得的研究成果的分析發(fā)現(xiàn),南極冰蓋流速在空間上呈現(xiàn)出海岸帶流速比內(nèi)陸快、冰架冰川流速比陸地冰川快、西南極冰川流速比東南極冰川快等特征。從時間規(guī)律上看,南極冰蓋不同地區(qū)的冰流速體現(xiàn)出不同的變化趨勢,如冰架的崩解導(dǎo)致其補(bǔ)給的支流冰川流速加快,冰蓋的變薄導(dǎo)致其冰流的變緩等等。但是,由于南極冰流速研究時間序列還不夠長,學(xué)者要想在這么短的時段內(nèi)關(guān)于變化趨勢取得一致的研究成果還存在很大的難度。4.2價格補(bǔ)充4.2.1區(qū)域冰流速及區(qū)域地質(zhì)障礙由于極度惡劣的氣候環(huán)境,廣袤的南極大陸內(nèi)部的現(xiàn)場考察數(shù)據(jù)十分有限,而這些區(qū)域往往在南極冰蓋研究中占有十分重要的地位。由于該區(qū)域長期的多雪、多霧天氣,對光學(xué)遙感監(jiān)測也產(chǎn)生了嚴(yán)重的障礙。充分運用微波遙感數(shù)據(jù)、重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)等遙感數(shù)據(jù)必然會大大充實南極大陸內(nèi)部地區(qū)的冰流速監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。4.2.2冰流速的季節(jié)動態(tài)最早的冰流速數(shù)據(jù)只能追溯到20世紀(jì)60年代,但是絕大部分南極冰川流速成果都只是測算出了80年代以后的冰流速數(shù)據(jù),80年代以前的冰川流速數(shù)據(jù)極度缺乏。如此稀缺的數(shù)據(jù)以及短暫的間隔時段,科學(xué)家很難從時間序列上分析出南極大陸冰川流速的歷史規(guī)律,更加難以預(yù)測將來的趨勢。如何科學(xué)有效地擴(kuò)展南極冰流研究的時間尺度,如測算出古冰流流速等,將成為南極冰川運動學(xué)發(fā)展的一個重要方向。4.2.3遙感影像數(shù)據(jù)的獲取現(xiàn)代冰川流速監(jiān)測方法雖然取得了很大的成果,但是也存在很多局限。首先高質(zhì)量、高分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)的獲取是一個難題,特別是微波遙感數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)、重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)等。其次一些特殊冰川或者特殊地貌單元冰川的流速監(jiān)