南极冰下湖水量平衡过程的ICESat监测研究

Water balance and distribution in Antarctic subglacial lakes has been becoming one of key polar research objects since the discovery of active subglacial water movements in 2005, and its contribution to global sea level rise is still unknown at present. In this context we propose to “detect water balance and dynamic in subglacial lakes using ICESat (Ice, Cloud, and land Elevation Satellite) data”. One key aim is to obtain high spatial and multi-timescale solutions of ice surface elevation through refined processing of ICESat laser measurements, and retrieve variation of water mass in active subglacial lakes. Another is that all available ICESat dataset over the Antarctic ice sheet will be analyzed to reveal water balance and motion in active potential subglacial lakes, which intends to make an inventory of all active subglacial lakes. Special investigation on water balance in coastal subglacial lakes will be performed. In addition, total discharge from coastal subglacial lakes will be estimated by integrating mass changes derived from the observation results and subglacial water transport model. The project could provide important theoretical basis and experimental data to improve our understanding of the role of subglacial hydrology in ice sheet’s mass balance and global sea level change.

自2005年南极冰下湖被首次证实存在有活跃的水量变化和空间迁移运动以来，南极冰下湖水量平衡过程及其时空分布特征已经成为极地研究中关键的科学问题之一，其所影响的冰下水排放量也是目前海平面变化研究中最缺乏了解的重要分量。在此背景下，本项目提出“南极冰下湖水量平衡过程的ICESat监测研究”这一科学命题，旨在通过对ICESat激光测高数据进行精化处理，以获取多时频、高空间分辨率的冰盖表面高程变化，从中精确提取出冰下湖水量变化的关键信息；同时利用ICESat在南极覆盖面积广、测量精度高等技术优势，开展大范围的冰下湖水量平衡过程监测并建立详细目录，重点分析接地线附近冰下湖的水量迁移规律，并联合冰下水文模型估算越过接地线的冰下水排放量，为揭示南极冰下水系对冰盖物质平衡和海平面变化的影响提供理论依据和实验数据。

作为地球上最大的冰体，南极冰盖储存的冰量达2700万立方公里，其质量平衡的微小变化就会对全球气候变化产生显著的影响。在全球变暖背景下，南极冰盖的稳定性已经引发了人们广泛的讨论和担忧，同时海平面升高中南极贡献量的精确估计也是近年来地学前沿的研究热点之一。本项目正是基于上述研究背景出发，以南极冰盖水量平衡过程和南极冰盖质量平衡的监测研究作为切入点，讨论和分析了南极冰下湖、南极冰盖质量平衡、海冰底面形态等影响南极冰盖稳定性的重要因素。项目组首先采用卫星测高技术监测和分析了西南极Engelhardt冰下湖在2003-2016年间的水量平衡过程，并揭示了该区域冰下水系的排放/补给规律；其次，项目组基于GRACE、测高和GPS等多源大地测量数据采用联合反演法实现了南极冰盖质量平衡和GIA信号的精确分离，同时利用分离的GIA结果对南极冰盖27个子流域质量变化进行了精确的估算和原因分析；最后，项目组利用机载电磁感应系统测得的南极Weddell海冬季海冰吃水剖面数据，建立了该区域海冰理论与实测龙骨吃水(间距)分布相对偏差的非线性统计优化模型。这些研究成果不仅揭示了南极地区冰川质量迁移和交换的规律，还实现了全球海平面变化中南极贡献量的精确估计，有助于我们深入理解地球重力场变化与南极冰盖的动力环境及动力过程的关系。该项目的顺利实施为全球气候变化评估提供了实测性、基础性、前瞻性的重要科学数据和理论依据。