基于冰雷达数据的东南极Dome A区域冰下水文环境的研究

The discovery of large scale active subglacial, connective subglacial water system, rapid collapse of ice shelves and retreat of grounding lines makes the rapid variations of East Antarctic Ice Sheet (EAIS) an important scientific research field. However, we know little about the mechanism of these variations. Dome A, the optimal place to obtain the oldest ice core, is located on the center of the ice divide of EAIS. Dome A, Lambert glacial and Amery Ice Shelf form the main outflow channel of EAIS. In the present study, we intend to inverse the subglacial environments of Dome A based on the theory of electromagnetic waves and the data from ice radar. Firstly, using the total time of the wave travelling and the speed of light in ice sheet, we can obtain the thickness of the ice sheet; combined with the GPS data, we can get the elevation and then the topography of the ice bed. Meanwhile, englacial attenuation is taken into account by an attenuation model considering the temperature and chemical composition of the ice sheet. Then we can obtain the reflectivity by subtracting the attenuation from the echo sounding power. At last we intend to study the models to inverse the subglacial environments of Dome A.

大范围活跃冰下湖和联通冰下水系、支撑冰盖的冰架系统的快速崩解和接地线大幅后撤等现象的发现使得东南极冰盖的快速变化成为全球海平面和气候变化研究的前沿问题。但是人们对这一变化的机制，特别是影响冰盖动力和底部过程的冰底环境，所知仍较为有限。Dome A 位于东南极冰盖分冰岭中心，是获取最古老冰芯的首选之地，与Lambert冰川、Amery冰架形成物质外输的主要通道。本项目以冰雷达对这一典型区域的探测为基础，利用电磁波传播理论，对Dome A区域的冰底环境进行研究。一方面从冰雷达的回波信号中根据信号的双程走时来反演冰盖的厚度信息；同时结合车载GPS数据获取冰盖底部的地形；另一方面结合冰盖的厚度与冰下地形信息研究雷达波在冰盖中的介电衰减模型，准确地获得雷达波在冰盖中的双程衰减，得到冰盖底部的反射率；最后依据电磁波传播理论，研究从反射率的差异反演冰盖底部环境的模型，得到Dome A区域冰底的冷热及水文状况。

研究表明在南极冰盖的底部存在着大量的冰下湖以及丰富的水系，对它们的研究不仅能让我们更好地理解冰盖的物质平衡，也能够让我们更好地通过冰盖的数值模式（例如Elmer/Ice）预测冰盖的演化以及对气候的影响。冰雷达是探测冰盖内部及底部信息的直接手段，对其数据的解读直接影响人们对冰盖的认知以及人们对冰盖演化的预测。冰盖内部的温度场以及冰体的酸度决定了冰雷达信号在其内部的衰减率，从而影响人们对冰雷达数据的解读。目前冰盖的数值模式是大范围长时间研究冰盖行为的唯一可行方式，冰雷达的探测能够为冰盖的数值模式提供精确的边界条件，同时通过冰盖数值模式得到的冰盖内部温度场是解读冰雷达数据必不可少的参数。项目以东南极Dome A区域为研究对象，引入冰雷达信号在冰盖中的衰减模型，结合Elmer/Ice计算出的冰盖温度场，希望尽可能准确地计算冰盖底部的反射率，从而判定冰盖底部的干湿及水文状况。对Lambert冰川上游靠近Dome A区域的数值模拟的研究发现，除了靠近内陆的部分区域之外，研究区域的底部大部分达到了压力熔点，包括研究涉及到的Dome A部分区域；另外在渤海的实验首次证明了可以通过北斗GEO卫星的反射信号的极化比来区分海水和海冰，这给我们使用该技术诊断冰盖底部的干湿状况提供了新的可能。