基于电磁理论分析与模拟的“冰穹A-中山站”断面冰盖内部结构与物性定量表征方法研究

南极冰盖是地球系统的重要组成部分，在重建气候环境演化历史、研究海洋环流变异和海平面变化等领域占据重要地位；电磁波技术(如测冰雷达)因其高效性成为冰盖内部探测的主要手段。但是，目前对于冰盖内部电磁探测数据的处理，缺乏定量分析和计算模拟，多限于直观定性判读所得的几何分层信息，没有将电磁数据中包含的丰富冰盖内部结构与物性信息挖掘出来。本项目针对南极冰盖电磁探测国际最关心地区与热点问题，基于项目组具备的学科交叉优势及冰穹A-中山站断面冰盖实测数据优势，通过电磁理论推演及模拟计算比对，建立在冰盖内部散射衰减过程中电磁波特性(幅度、频率、速度、极化)-冰盖复介电张量-冰盖内部物性(密度、载流子浓度、冰晶轴取向等)的定量关系，并利用此关系得到冰层年代与沉积过程、火山灰层及气泡分布、冰流运动信息等冰盖内部冰川学特征。达到由电磁波特性参数定量表征冰盖内部结构与物性的目的，进而探索冰盖历史信息与动力机制。

本研究方向以“昆仑站—中山站”地区包括昆仑站附近冰穹A核心区冰盖为研究对象，基于工作组具备的多学科交叉理论优势及昆仑站-中山站地区冰盖实测数据优势，以冰盖复介电张量空间分布为桥梁，通过电磁理论推演及针对实际冰雷达探测的电磁模拟平台的建立，获取并利用在冰盖内部散射、衰减过程中电磁波特性如幅度、频率、速度、极化与冰盖复介电张量的关系以及复介电张量与冰盖内部层物性如密度、离子浓度、冰晶取向、孔隙度、粗糙度、温压的关系，达到由电磁波特性参数定量表征冰盖内部结构与物性的目的，并由此探索气候环境演化历史和冰盖演化动力机制。.在研究的具体进行中，面对冰雷达测取冰盖地学特征的整体电磁学理论框架，必须寻求研究的具体切入点和突破口。我们最终选择了冰下底床粗糙度作为研究的具体切入点和突破口。这是因为冰盖底床粗糙度对于冰盖动力学过程有深刻影响、能够刻画南极历史上地貌学过程、且电磁学具备相应理论处理能力（粗糙表面的电磁波散射已有成熟理论并易于扩展到特殊类型的粗糙面）。我们从粗糙底床对于冰雷达回波信号的定量影响和冰盖底床粗糙性质的定量表征两个方面进行了开拓性研究。.作为获取南极冰下地形的主要手段，雷达回波技术仍有一些局限性：1. 地形分辨率受限于雷达发射机的脉冲重复周期以及测线间距，因此小尺度的基岩特征无法被判断；2. 基岩信号时有模糊甚至消失的现象，而其原因尚未有深入讨论。通过分析南极冰盖探测的双频雷达数据，我们将可能影响基岩信号的因素列出，并说明冰下基岩的小尺度粗糙是造成基岩信号消失的最可能因素。由此，利用冰雷达估测基岩小尺度特征的统计信息成为可能。基于电磁波散射理论的进一步推导表明，冰雷达具有获取冰下基岩粗糙度各向异性的能力，因此在对于古冰流的寻踪方面具有巨大潜力。.在从原始的冰雷达所获冰下高程数据中区分冰下地形的不同类型研究中，我们发展出一种双参数傅立叶变换粗糙度指标，基于高程数据的傅立叶变换（与既有方法相同），同时基于高程与冰下底床坡度两者的傅立叶变换。通过这种方法，我们同时将冰下表面水平与垂向两个维度的不均匀性表达出来。我们阐释了将粗糙性表示为障碍物高度与间距的统计结果的正确性，并考虑了在冰川动力学与冰下地貌学解释研究方面的应用。在米级尺度，可以与冰川底部滑动速率相联系；在区域级尺度（十千米级），可以比传统的单参数粗糙度指标显示出更好的冰下地形区分能力，特别是在区分剥蚀与沉积