联合GRACE和卫星测高分离南极GIA和冰质量平衡的研究

The Antarctic ice sheet and global climate change is ralated closely, and Antarctic ice sheet has become an important factor for the interaction of oceans, atmosphere and glaciers in the Earth system. So, it is very important for global climate change and sea level rise to estimate the Antarctic ice sheet mass balance quantitatively. In recent years, the repid development of space geodetic thecnology has opened up a new method to estimate the change of Antarctic ice sheet. But this mothed contains the unknown glacial isostatic adjustment (GIA) signal also, so the results has big uncertainty. To this end, this project intends to joint use of satellite gravity GRACE and satellite altimetry to solve the Antarctic glacial isostatic adjustment and present-day ice sheet changes on Antarctica simultaneously by the mothed of visco-elastic seperation. This project will estimate the Antarctic ice sheet mass balance quantitatively , get a new GIA signal with smaller uncertainty, and assess exiting GIA models and results of estimation of Antarctic ice mass balance. Our method is independent of GIA models and more precise, can provide a new result for geodesy, glaciology, oceanography and other ralated reseach.

南极冰盖质量平衡与全球气候变化密切相关，是海洋、大气和冰川相互作用的重要指示因素，因此其定量估计对全球气候和海平面变化具有重要的科学意义。近年来空间大地测量技术为研究南极冰盖变化开辟了新途径，但是受未知的冰川均衡调整（GIA）信号的影响，所得到的结果具有极大的不确定性。为此，本项目拟联合卫星重力GRACE和卫星测高观测数据，利用粘弹信号分离方法同时求解南极冰川均衡调整和冰盖质量平衡信号。定量估算南极冰盖近十年的物质平衡，以较小不确定性给出南极更合理的冰川均衡调整信号，评估现有冰川均衡调整模型和不同的冰盖物质平衡估计结果。所分离出的冰川均衡调整信号不依赖任何模型，具有较小的不确定性，对大地测量学、冰川学、海洋学等相关研究有重要意义。

南极冰盖质量平衡与全球气候变化密切相关，其定量估计对全球气候和海平面变化具有重要科学意义。受冰川均衡调整(GIA)影响，空间大地测量研究南极冰盖变化所得结果具有极大的不确定性。本项目率先提出利用重力和垂直形变数据在球谐域分离GIA与现今地表质量变化的粘弹分离方法，并对该方法进行了理论和实测的验证；联合GRACE和ICESat观测，首次在球谐域分离了南极GIA和冰盖质量平衡信号，定量估算南极冰盖的物质平衡状态，以较小不确定性给出南极GIA信号；利用粘弹分离方法，首次分离了北美和北欧的GIA信号和陆地水储量变化趋势；分离的GIA信号不依赖任何模型，具有较小的不确定性，对大地测量学、冰川学、海洋学等相关研究有重要意义。 .具体研究内容和结果如下：.1. GIA和现今地表质量变化粘弹信号分离方法。推导了联合利用GRACE和垂直位移数据分离现今地表质量变化和GIA信号的反演公式；综合考虑分离方法的近似性和观测数据的不确定性，给出分离信号的不确定性的理论公式。该方法不依赖任何模型，为单纯依靠大地测量技术研究GIA、陆地水储量及极地冰质量变化等提供了新的途径。.2. GIA重力与垂直位移线性关系的检验。利用不同粘滞度的GIA模型，研究了地球内部各圈层界面变形对GIA地表重力的贡献，发现岩石圈对GIA重力扰动速率和大地水准面异常速率的贡献都超过86%；GIA重力与垂直位移线性关系不依赖于地幔粘滞度；由实测数据得到GIA重力-垂直位移比值为0.141±0.014μGal/mm，与理论值非常接近。.3. 南极GIA和冰盖质量变化分离。由粘弹分离方法，联合GRACE和ICESat观测，首次在球谐域分离了南极GIA和冰盖质量变化信号，不依赖任何模型，具有较小的不确定性。南极GIA引起的等效质量变化为59.2±32.2Gt/yr；2003-2009期间，南极冰盖质量变化为-93.9±30.6Gt/yr，西南极呈现明显的质量负增长，而东南极则基本处于质量平衡状态。.4. 北美北欧GIA和地表质量变化的分离。首次利用GRACE和GPS垂直位移数据分离出北美和北欧的GIA和陆地水储量变化信号， 2002.08-2011.03期间，北美和北欧地区的陆地水储量变化分别为43.0±5.0Gt/yr和2.3±0.8Gt/yr，该结果可为精化陆地水储量对海平面变化的贡献提供重要参考，亦可为水文模型提供验证。