应用三维完全Stokes冰流模型诊断模拟东南极Lambert-Amery冰川流域系统的热力学特征

The dynamics of Antarctic ice sheet is important for global sea level change and atmosphere-ocean circulations. The Lambert-Amery Glacier System (LAGS) is the key area of CHINARE. Though a number of in-situ observations have been carried out during the past few decades in LAGS, the knowledge of its three-dimensional dynamical features still lacks, partly due to the difficulty of the inversion of the basal friction coefficient distribution across the grounded part of LAGS. With the best theoretical accuracy the three-dimensional full Stokes ice flow model is now a hot-spot in the current ice sheet model society. Based on observation and reanalysis data (geometry, ice surface velocity, geothermal heat flux and surface temperature), we will apply different numerical inversion methods (optimal control method and iteration method for different boundary conditions) to recover a more reliable basal friction coefficient distribution for LAGS, simulate its three-dimensional ice velocity and temperature fields in a diagnostic manner, and then study its dynamical stability. From this study we can improve the ability of the current three-dimensional full Stokes ice sheet model, further our understandings of the dynamical features of LAGS, and eventually lay a foundation for a possible multi-spherical interaction study in the future.

南极冰盖的动力过程对全球海平面变化和大气-海洋环流系统有着重要的影响。东南极Lambert-Amery冰川流域系统（LAGS）是中国南极考察的重点研究区域。虽然在过去数十年间开展了大量实地观测研究，但对其三维动力学特征尚缺乏深入的认识。一个重要的限制因素是针对冰盖底部滑动摩擦系数的反演。目前，三维完全Stokes冰流模型是国际冰盖动力模拟的热点，具备最佳的理论模拟精度。根据已有的实测和再分析资料（地形、表面流速、地热通量和表面温度），应用不同数值反演方法（最优控制理论和不同边界条件迭代法），在三维完全Stokes冰流模型框架下，我们将反演更可靠的LAGS底部（着地部分）滑动摩擦系数，同时对其三维流速场和温度场进行诊断模拟，并考察其动力学稳定性。以此为基础，改进现有的三维完全Stokes冰流模型的模拟能力，加深对LAGS动力机制的理解，为将来可能的多圈层相互作用研究做好前期准备。

通过构建冰盖动力模型并优化冰盖底部滑动摩擦系数，研究东南极兰伯特冰川和艾默里冰架流域系统（LAGS）的动力学特征，预估艾默里冰架未来的变化过程。根据本项目开展，我发现，1）在 LAGS 底部，较小的底部摩擦系数主要分布在快速冰流系统，对应着较大的冰流速度。靠近接地线附近，AIS 底部具有相对强烈的消融速率，向外靠近崩解前缘，消融速率大致呈现减小的趋势。类似地，对于应变率和应力，靠近接地线附近（Lambert 冰川汇入Amery 冰架），冰流的应变率和应力较大，靠近崩解前缘，这两者都呈现减小的趋势；2）LGAS 在未来 25-30 年间依然会保持基本稳定。如果没有崩解事件发生，Amery 冰架会向前推进。但如果崩解事件发生，Amery 冰架崩解前缘会大幅后退，但接地线位置将任然保持较为稳定的状态。崩解前缘如何后退取决于崩解与冰架破碎化程度之间的关系；3）陆地冰流沿接地线流入冰架，在剪切边缘附件形成较大的剪切应力地带。通过模拟不同底部消融量对冰架瞬时动力过程的影响，我发现在剪切边缘，沿第一主应力和流速方向的支撑量有增大的趋势，但沿第二主应力方向的支撑量有减小的趋势。随着底部消融量增大，接地线冰通量也相应增大，表明沿第二主应力（最大压缩或最小拉伸）方向的支撑量变化可能是控制冰通量变化趋势的主要因素。