南极冰架物质平衡及变化

Ice shelves are vulnerable to regional and global changes in atmospheric and oceanic conditions through their ice-ocean and ice-atmosphere interface. The majority of Antarctica’s mass loss to the ocean occurs through its fringing ice shelves via iceberg calving or basal melting. They decrease the buttressing force exerted by the ice shelves on the land-based ice and increase the mass loss of ice sheet, then sea level rise. In this research, we combine the integrated approach and the component method to do a quantitative assessment of mass balance of Antarctic ice shelves in different periods by using multi-source satellite data and new model derived products. Based on their temporal and spatial distributions, we analyze the process of mass budgets, determine the mechanics and factors impacting on them. The stability of the Antarctic ice shelves and their future change trends are estimated. Then, we establish the relationships between the mass balance componets of ice shelves with dynamic or climatic components of ice sheet and ocean to interpret the ice sheet - ice shelf- ocean interactions. This will support the international program on Antarctic Ice Sheet Mass Balance and Sea-level (ISMASS) with important contributions to the precent key and important scientific issues of polar research.

冰架连接着冰盖，与大气海洋相互作用，是区域和全球变化敏感的指示剂。南极冰架的快速崩解和底部消融的增加将降低冰架对冰盖的支撑作用，导致南极冰盖物质损失增加，进而造成全球海平面上升。本项目通过整体法和分量法，利用大量遥感、模型模拟和实地观测数据，定量评估多时期南极物质平衡状态，包括冰架厚度变化、冰架前缘的扩张或退缩、穿过接地线的冰流通量、冰架表面积累或消融率、冰架底部消融或冻结率和崩解率；研究冰架物质平衡及分量的时空分布规律，分析冰架物质的收支过程，分析影响其物质平衡状态时空格局的机制和因子，评估南极冰架的稳定性和未来演变趋势；建立冰架物质平衡及分量与内部冰盖和海洋参数之间的相关关系，探究冰盖-冰架-海洋相互作用机制。本项目将为国际优先研究主题“南极冰盖物质平衡与海平面”和当前极地领域的重要和热点科学问题作出贡献。

南极冰盖的浮动部分（“冰架”）发挥着稳定内陆冰流的作用，本质上决定了南极对全球海平面上升的贡献。本项研究利用多源遥感数据和产品，估算了南极冰架物质平衡及各分量，并分析了其基本过程和变化。具体包括研建了南极冰架厚度的变化和冰架范围的变化、冰架的物质平衡状态、冰架接地线处的冰流通量、冰架表面物质平衡和崩解量、冰架底部底部物质平衡的估算方法；估算了不同时期南极冰架的物质平衡状态，动态的分析物质的收支状态和过程，评估了影响冰架物质平衡状态时空分布的主要因子和机制。其中，研究首次测量围绕整个南极海岸线所有大于1km²的冰山，并评估所有冰架的物质平衡状态。本研究以直接观测数据为依据估算了南极由冰架崩解和底部消融导致的物质损耗量。结果显示，2005-2011年间南极冰架处于物质平衡状态，其中南极冰架崩解率为755±24亿吨每年，仅为1516±106亿吨每年底部消融率的一半。研究观测到许多退缩冰架正在变薄，且由崩解导致的冰架净物质损耗量（302±27亿吨/年）与由底部消融导致的冰架净物质损耗量（312±14亿吨/年）相当。此外，研究还发现衰退的冰架崩解频繁发生，明显区别于那些处于稳定和正平衡状态下的冰架只是偶尔有扁平冰山崩解。研究结果表明，海洋驱动下冰架底部消融增加的同时引发冰架崩解的加剧，这意味着冰山崩解可能在冰架退缩消亡中扮演着一个被忽视的作用，且崩解对海洋强迫比预期稳态的估计下的更敏感。本成果发表在国际顶级期刊PNAS上，此文主编法国科学院院士Anny Cazenave指出此成果将有助于提高未来冰盖模式模拟的准确性和未来海平面升高预测精度。这是我国极地遥感领域首篇PNAS文章，研究成果被国内十多家主流媒体报道。数据成果成功用于全球冰川模式模拟国际合作并在地学顶级期刊Nature Geoscience上发表。