基于机载冰雷达探测和三维各向异性耦合冰盖模式的东南极伊丽莎白公主地冰下水热环境研究

Subglacial conditions dominate a large extent the dynamical behavior of ice sheets, and hence play an important role in predicting the contribution of t ice sheets to sea level changes. At present，as a result of the lack of geophysical data，little is known about local and large-scale subglacial conditions of Princess Elizabeth Land in the East Antarctic ice sheet, and the subglacial temperature and hydrology are poorly understood. In this study, we use the ice radar data, from airborne radio echo sounding in Princess Elizabeth Land of the East Antarctic ice sheet, since CHINARE 32 (2015/2016), to collect reflectors and internal isochrones. Using the reflectors, we calculate ice surface elevation, ice thickness and subglacial topography, and infer ice crystal fabric structure from the internal isochrones. Applying the data, we construct the dataset of the ice surface and subglacial conditions covering Princess Elizabeth Land. Then，we utilize the observed ice anisotropic fabric in a three-dimensional, thermomechanically coupled full-Stokes model to simulate subglacial temperature and hydrology, improving the ELMER/ICE model. We also reconstruct the parameterization scheme of the model, and simulate the temperature and velocity fields. Finally, combining with the radar dataset and the simulated result ,we diagnose the area with abnormal hydrothermal condition and distinguish the area of warm /cold ice, refreeze on ice，subglacial lakes, and subglacial water systems.

冰下水热环境特征主导了冰盖在大尺度上的动力学行为，从而在预测冰盖对海平面变化的影响方面扮演了重要的角色。目前由于观测数据的缺少和限制，我们对东南极伊丽莎白公主地的了解很少，特别是对该地区的冰下水热环境缺乏基本的认识。本研究基于CHINARE32次(2015/2016)以来对东南极伊丽莎白公主地进行的多次机载冰雷达探测所获取的航空冰雷达数据，以及今后南极考察获得的冰雷达图像，对冰下回波信号和内部等时层进行提取；计算冰面高程、冰厚,获得冰下地形高程；通过回波信号和内部等时层信息提取的冰晶组构信息，形成伊丽莎白公主地冰盖表面和冰下环境的基础数据集。然后基于数据集改进基于ELMER/ICE的三维各向异性耦合模式，进行参数化方案重建，定量计算该地区的内部温度分布、速度分布。与冰雷达数据结合诊断冰下水热环境异常区域，给出冰下暖冰/冷冰分布区、复结冰分布区、冰下湖分布和潜在的冰下水系分布。

通过对东南极冰盖伊丽莎白公主地地区开展的6次航空地球物理探测数据进行的系统分析，获得超过18万千米长测线的冰雷达、地磁、重力等地球物理数据产品，覆盖面积超过100万平方千米，形成了该区域的冰盖表面和冰下环境基础数据集，获得了冰下地形DEM、冰岩界面、底部粗糙度、冰层连续性指数、冰流速、冰盖表面温度等基本参数。首次将变分模态分解方法应用于机载雷达数据降噪，有效降低了雷达数据的噪声，优化了雷达数据成像。基于深度卷积网络发展了一个人工智能EisNet神经网络，实现了冰盖冰岩界面和内部等时层的自动快速提取，直接贡献于国际南极科学委员会SCAR AntArchitecture行动和SCAR RINGS等国际计划。获得了Dome A地区16万年以来的冰层气候信息，模拟计算了Dome A区域的古积累率。解析了泰山站的冰川-气象学条件和Dome A地区的冰下等时层结构；将多参数粗糙数与层连续性指数相结合，定量评估了中山站-昆仑站断面以及整个伊丽莎白公主地的冰流稳定性，对冰盖底部的侵蚀/沉积环境进行了分类。利用数值模式首次精确计算了伊丽莎白公主地地区的等温居里面深度和冰下地热通量,为模拟冰盖的动力学和不稳定性提供了更为精确的边界条件。通过三维各向异性冰盖模式模拟显示伊丽莎白公主地底部存在广泛的冰下水热环境以及大范围的暖冰。经过和其他地热通量数据集作为输入的冰盖底部冻融水热环境模拟结果进行对比，发现基于CHINARE地磁数据反演的地热通量数据较为可靠。基于冰盖雷达几何图像和回波衰减率，定量识别出了Dome A区域的冰下干湿区，评估了伊丽莎白地区冰下古风蚀区与气候变化的联系，获得了该区域冰下冻融区、冰下湖的空间分布。基于多维遥感定量估计Lambert-Amery冰川系统的冰流通量。本项目的研究成果为更好地理解伊丽莎白公主地的冰下环境并解析南极冰盖不稳定性，揭示南极冰盖与海平面变化的相互关联提供了丰富的理论依据和数据支撑，将有助于更精确地评估东南极冰盖的冰下环境对海平面变化的影响。