基于航空冰雷达探测的东南极伊丽莎白公主地冰底环境诊断和研究

Subglacial conditions are the most uncertain factors influence rapid changes and instability of ice sheets. During the 32nd Chinese National Antarctic Research Expedition (CHINARE 32), a fixed-wing aircraft with the airborne geophysical system was deployed by China to support field survey and logistics. We are conducting detailed aerogeophysical survey using the airborne system in Princess Elizabeth Land (PEL) in East Antarctic Ice Sheet (EAIS), where the biggest data gap exists until now in Antarctica. This project will use airborne ice radar data to diagnose and study subglacial conditions in PEL comprehensively. The ice thickness and subglacial topography will be calculated through tracing the ice surface and ice-bedrock interface in radar profiles, and to help the research of geomorphology beneath the ice sheet in PEL. Meanwhile, new subglacial lakes discoved in PEL will be extracted from radar profiles, and their locations, buried depth and size will be mapped. We will use the two-prameter index method of bedrock roughness to quantitatively analyse the evolution of the geomorphology, the status and history of the ice flow, and to distinguish warm base or cold base of the ice sheet in PEL. We will calculate the bed reflectivity to quantitatively analyse basal wet or dry (melting or freezing) in the region. A new method of specularity will be introduced to quantitatively identify subglacial water network and hydrology and characteristics of subglacial water. Finally, the results of subglacial conditions from the project will be used to evaluate the influence to rapid changes of the ice sheet and to estimate its possibility of instability.

冰底环境是影响冰盖快速变化和不稳定性的最不确定因素。我们将利用我国首架南极考察固定翼飞机及其机载地球物理观测系统，对东南极冰盖伊丽莎白公主地这块南极最大的观测数据空白区域进行详细的航空测量。本项目将主要使用航空冰雷达观测数据，对伊丽莎白公主地的冰底环境进行综合的诊断和研究。通过航空冰雷达观测，获取伊丽莎白公主地冰盖的冰厚和冰下地形分布特征，研究伊丽莎白公主地的冰下地貌形态；同时，从航空冰雷达剖面中识别并提取新的冰下湖，绘制伊丽莎白公主地冰下湖的分布、埋深和大小等；通过双参数的冰床粗糙度计算方法，定量分析伊丽莎白公主地冰床粗糙度，对冰下地貌形成过程、冰流运动的历史和现状和冰底的冷暖属性等进行研究；通过计算冰底反射率，定量分析这一区域的冰底干湿和冻融状况；引入冰底的镜面特征参数来定量化地识别冰下水的分布，分析冰底水文的几何形态和分布特征。最终，为综合评估冰底环境及其对冰盖变化的影响提供依据。

南极冰盖冰底环境及其不稳定性是影响未来全球海平面上升的最不确定性因素之一。本项目利用我国在南极最大数据空白区——伊丽莎白公主地获取的5个年度、近18万公里航空冰雷达观测数据，对这一数据空白区的冰盖几何特征和冰底环境进行了详细的诊断和分析研究。完成了3个年度的南极伊丽莎白公主地航空冰雷达强化观测；研发了自主的全流程航空冰雷达数据处理算法和规范，实现原始数据到多级数据产品的高效处理；提出谱域自适应多尺度双参数冰床粗糙度算法，解决原有谱域方法受“固定时窗”限制导致的无法多尺度刻画且刻画不准确的问题；研发了基于组合小波和二维离散傅里叶滤波方法的航空冰雷达数据条带噪声消除方法，有效改进了航空冰雷达数据信噪比和成像质量；构建出伊丽莎白公主地冰厚和冰下地形数值模型，分辨率达到国际最高的500m，首次揭示这一区域的冰下地形地貌特征，识别并发现多个新的南极冰下湖，填补区域研究的空白；计算了伊丽莎白公主地中山站至Dome A断面的谱域双参数粗糙度和内部层连续指数，联合二者结果进行了冰底环境的综合分析研究；基于高精度冰厚和冰流观测结果，评估了兰伯特冰川和埃默里冰架流域的物质平衡。此外，根据研究需要，分别综述了我国首架南极科学观测固定翼飞机平台体系建设、我国雷达冰川学研究进展、我国南极航空科学考察成就和科学牵引、南极冰下水文研究进展、南极冰床粗糙度研究进展等。基于上述研究，使得国际上对伊丽莎白公主地的冰盖几何特征、冰下地形地貌和冰底环境有了初步认识。冰下地形数据集被Bedmap 3等国际计划作为核心收录，并受邀担任两个国际计划的重要职位。发表各类研究论文17篇，其中SCI论文14篇，获得软件著作权12项，申请专利2项。成果不仅增强了对伊丽莎白公主地这一过去南极最大数据和研究空白区冰底环境及其冰盖变化的认识，而且为未来开展这一区域冰盖不稳定性及其对全球气候变化的影响研究奠定了坚实的基础。