卫星大地测量技术研究南极冰盖冰下排水系统状态变化

The subglacial hydrologic system is a key parameter for constraining the Antarctic ice sheet model, which remains the least understood so far. The subglacial hydrodynamics have important influence on ice flow and ice sheet mass balance, but there are no effective methods and technologies to detect them in a large region. Against this background, this project presents the scientific proposition of investigation on the subglacial hydrologic system variations beneath Antarctic ice sheet using the method of geodesy. The satellite altimetry and satellite gravity data is refined, and the observations from space such as satellite altimetry, satellite gravity are comprehensively utilized. This project aims at inversing interface undulations beneath Antarctic ice sheet with time varying gravitational potential field based on geodetic inversion theory and subglacial hydraulic potential theory. Meanwhile, it aims to propose the accurate method to calculate the bed surface elevation and ice sheet thickness changes, and make deduction to the subglacial hydrologic system variation characteristics and its spatial and temporal distribution. What’s more, the project will set up a complete academic system of study the subglacial hydrologic system variations in Antarctica based on geodesy. This project will provide theory and experimental data for determining the meltwater migration beneath Antarctic ice sheet and its contributions to ice sheet mass balance and sea level changes, and enhance the understanding of the correlation between Antarctic ice sheet mass balance and global sea level change and the underlying mechanism.

南极冰盖冰下排水系统是目前最缺乏了解的南极冰盖模式关键物理过程之一，其变化对冰流和物质平衡具有重要的控制作用，目前尚无有效方法和技术大范围地探测南极冰盖冰下排水系统的状态变化。本项目提出用大地测量手段研究南极冰盖冰下排水系统变化状态这一科学命题，通过对卫星测高、卫星重力资料进行精化处理，综合利用卫星重力、卫星测高等空间观测数据，依据大地测量反演理论和冰下水压势能理论，研究时变重力位场反演南极冰盖冰下界面起伏变化的方法；研究南极冰盖基底高程变化和冰盖厚度变化的精确推算方法；研究南极冰盖冰下排水系统状态变化特性及时空分布的推演方法；形成大地测量手段研究南极冰盖冰下排水系统状态变化的较为完整的方法体系。为揭示南极冰盖冰下融水迁移过程及其对冰盖物质平衡和海平面变化的贡献提供理论依据和实验数据，提升对南极冰盖变化与全球海平面变化、气候变化的相互关系及其内在机理的科学认识。

南极冰盖冰下水系是目前最缺乏了解的南极冰盖模式关键物理过程之一，其变化对冰流和物质平衡具有重要的控制作用，目前尚无有效方法和技术大范围地探测南极冰盖冰下水系的状态变化。本项目提出用大地测量手段研究南极冰盖冰下水系变化状态这一科学命题，依据重力反演理论和冰下水压势能理论，综合利用卫星大地测量、地面观测、雷达探地等资源，研究大范围探测南极冰盖冰下水系状态变化的理论和方法，修正了目前沿用的卫星重力和卫星测高估算南极冰盖质量变化方法，形成了大地测量手段研究南极冰盖冰下水系状态变化的较为完整的理论方法。利用2003-2009年间（ICESat与GRACE在轨重合时间段）的卫星大地测量数据资料，给出了此期间的南极冰盖冰下水系阶段性的变化状态，结果表明约有一半的南极冰盖面积处于底部质量损失状态，总损失率约为-49.3Gt/y，底部非水质量（再冻结等）总变化率为-3Gt/y；冰下融水的汇聚使大部分活跃的冰下湖水仍在持续增加，在一些地区出现低处水流倒流向高处的山脊。利用地震及冰雷达资料发现了46个新的南极冰下湖，使当前南极冰下湖数量增加了12%；首次发现了南极冰盖底部目前唯一具有深水特性的活跃冰下湖Lake CookE2，改变了国际同行关于活跃冰下湖只能是浅水湖或短期湖的传统观点。利用卫星重力GRACE等资料初步评估南极冰盖质量平衡对南大洋典型海域（目前针对威德尔海域）海平面变化的贡献。本项目研究表明南极冰盖冰下水系状态的变化反映了不同时期冰盖底部质量变化和底部融水运移的状态，对于利用大地测量技术评估南极冰盖表面及冰盖总体质量变化有显著影响，对于进一步研究冰流动力学、南极冰盖模式和剖析南极冰盖物质平衡及融水排出对海洋的影响及至对气候变化的影响等具有重要的理论和实践指导意义。