南极冰盖质量空间变化特征及其与气候环境变化关系研究

The mass balance change of ice sheet is the result of interaction between the atmospheric vapor and the surface water resources. Changes of mass balance will inevitably reflect the circulation changes of atmosphere. The characteristic of mass balance affected by climate change is that the differences of mass change in spatial, as well as the different periodic signals of the major components. Studying the mass change over this region is of great significant not only for understanding global climate change, but also for prediction the melting of ice sheet. The purpose of the project is to analyze the principal components, spatial mode and phase distribution information using GRACE satellite gravity data, ICESat-1/2 laser altimeter data, digital terrain and remote sensing data in the Antarctic, and explore the possible relationship between the principal components and climates. The main contents include: constructing the local spatial spectrum function to improve the signal-to-noise ratio; developing the new method to extract high precision elevation change of glacier surface using ICESat-1/2 laser altimeter data and SRTM DEM data; studying the principal components and the spatial phase distribution of mass change and analyzing the potential relationship between climate change and principal components.

南极冰盖质量变化是大气与陆地两大循环系统中水汽交换和相互作用的结果，其质量变化迁移必然受到全球及局部气候环流变化的影响。气候环流对该地区质量平衡变化的影响表现为在空间上质量变化具有差异性，时间上也具有周期可寻。研究其变化不仅对认识全球气候变化有重要科学价值，而且可对未来冰盖消融的预测提供依据。本项目旨在利用GRACE卫星重力、ICESat-1/2激光测高资料、数字地形及遥感资料确定南极冰盖质量变化的主要成分、空间模态及相位分布信息，分析南极冰盖平衡与气候环境变化间的联系，回答导致南极冰盖消融的内在因素。主要研究内容包括：构造局部空间谱函数提高局部区域信号的信噪比；发展综合利用ICESat-1/2激光测高数据和SRTM DEM数据提取高精度冰盖表面高程变化信息的新方法；分析该地区质量变化的主要成分、空间模态特征及其空间相位分布特征。

南极冰盖作为气候环境记录的良好载体，蕴含了丰富的气候环境信息。南极冰盖质量平衡变化及其对气候环境变化响应关系一直是国际科学界关注的热点。南极冰盖质量变化是大气、陆地及海洋三大循环系统中水汽交换及相互作用的结果。气候环流对该地区质量平衡变化的影响表现为在空间上质量变化具有差异性，时间上也具有周期可寻。研究南极冰盖消融机制不仅对认识全球气候变化有重要科学价值，而且可对未来冰盖消融的预测提供依据。为研究冰盖对气候变化的响应关系，本项目主要针对南极冰盖空间变化细节特征信号的提取、冰盖质量变化的主要成分、空间模态特征及相位空间分布特征等进行了相关研究，结合相关气候异常指数分析了影响其变化的可能潜在的主要因素，并取得了相应的研究成果。.首先，我们采用了激光测距资料解算的反映地球扁率的系数代替GRACE卫星时变重力场球谐展开位系数中的C20项，以改善其计算的精度。针对新一代星载激光雷达卫星ICESat-2与传统的星载激光雷达卫星ICESat-1不同，跟踪研究最小二乘局部曲线拟合的点云滤波算法。其次，围绕南极区域局部空间谱函数的构造开展研究工作。针对南极地区冰盖特征以及陆-冰接地线的边界变化，确定空间谱函数的展开范围。同时结合先验信息平滑方法（SPM）提高信噪比，取得了较好的滤波效果。在此基础上，我们使用复主成分分析方法分析了南极地区冰盖质量变化，给出了南极地区冰盖变化的主要成分、空间模态及其相位的空间分布信息。初步分析了影响其变化的各种可能因素，同时我们也针对卫星测高等遥感资料的数据处理方法进行了研究，相应的研究成果对于理解冰盖大气响应关系具有重要意义，也可为大气模型建模时作为输入参数。