基于FMCW冰雷达的中山站至昆仑站区域冰盖浅层积累率时空分布特征研究

Shallow accumulation rate as an important input of mass balance of the Antarctic ice sheet plays an important role in the inversion of the ancient climate change and the contribution of the future ice sheet to sea level changes.Fixed-frequency ice radar is often used to detect the thickness and bedrock of the Antarctic ice sheet, but can not achieved the detection of shallow internal structure of the ice sheet, thus it is impossible to obtain the shallow ice sheet accumulation rate..Use Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) radar to obtain different radar echo which reflected the density changes of internal ice sheet can analyzed the isochronous layer.The project aims to analyze the internal structure data of the ice sheet obtained by the FMCW ice radar during CHINARE 32nd and 33rd, and use airborne FMCW radar to detect the ice sheet in the future. Combine the data of ice core which sampling at the corresponding location of Zhongshan station to Kunlun station, analyzed the age-depth data of shallow ice sheet.And the density of the corresponding depth of the ice sheet is retrieved based on the density model formula. By optimizing the ice sheet mass balance (SMB) model, the optimal formula is obtained to calculated the average accumulation rate of ice sheets, and obtained the temporal and spatial distribution characteristics of the shallow accumulation rate. To provide a reference for predicting the evolution of the Antarctic ice sheet and studying the future Earth's climate change.

南极冰盖浅层积累率作为冰盖冰物质平衡的重要输入项，在反演地球古代气候变化及预测未来冰盖对海平面变化的贡献等研究中起着至关重要的作用。固定频率的冰雷达常用于探测南极冰盖厚度及冰下地形，无法获取冰盖浅层冰物质平衡数据。利用调频连续波（FMCW）雷达获取不同的雷达回波可以得到冰盖内部反射层的变化，从而获取冰盖浅层降雪形成的等时层。本项目拟通过分析课题组成员在中国第32次、33次内陆队考察期间获得的FMCW冰雷达探测数据，及今后利用机载FMCW雷达探测冰盖的数据，结合中山站至昆仑站冰盖相应地点取样冰芯的分析结果，获取冰盖浅层内部年代-深度信息，并基于密度模型公式反演冰盖相应深度的密度；通过优化冰盖物质平衡（SMB）的模型，获取最优模型公式，计算相应地区的冰盖平均积累率，获取断面浅层累积率的时间和空间分布特征，为预测南极冰盖演化和研究未来地球气候变化提供基础参考。

随着全球气候变暖趋势加剧，南极冰盖的质量减少将会导致全球海平面上升，为更好地了解南极冰盖对全球变暖的响应机制及其对海平面上升的影响，对南极冰盖质量进行长期监测十分必要。极地冰盖的表面物质平衡（Surface Mass Balance, SMB）模型对于了解冰盖过去和当前的状态，并预测其在未来气候条件下的发展趋势至关重要。探冰雷达可用于大尺度的研究冰盖时空变化特性，对于提高SMB模型精度具有明显的技术优势。.本项目主要工作概括如下：.1. 经过中国第32、33、36次南极内陆考察，项目组使用FMCW雷达探测中山站至昆仑站断面上的冰盖内部结构，连续获得了长度约1280 km的探冰雷达数据。.2. 研究了浅层冰盖的晶体结构，并使用二维随机介质模型分析冰盖介电特性，基于电磁波的传播、频散特性，建立电磁波传播速度与频率、透射距离数据库，便于大规模开展基于雷达的历史SMB分析。.3. 完善雷达噪声滤波方法，提出一种基于多尺度学习型字典表示的极地浅层探冰雷达图像去噪算法。设计了浅层探冰雷达数据处理具体流程，集成与开发出雷达数据处理软件，建立了高精度的数字滤波方法和数据处理体系。.4. 基于FMCW雷达差频信号在层状介质中的传播特性和冰盖的密实化原理，结合剥层法和FMCW雷达原理反演介电常数，提出了基于剥层反演法的冰盖密度反演算法，反演误差在5.54%以内。.5. 对中山站至昆仑站的浅层冰盖内部结构、历史SMB数据进行了研究。结合密度反演算法和物质平衡公式估算了中山站至昆仑站断面上的SMB，并分析了时空变化特征，研究了斜坡和风驱动过程对雪的重新分布的影响。.本项目提出了基于FMCW雷达的冰盖物质平衡参数分析算法和雷达图像处理方法，建立相应的数据分析理论体系，可用于对国内外学者已经获取大量的探冰雷达数据进行更充分的挖掘与利用，分析雷达数据获取整个南极的冰盖内部特性，有效缓解SMB参数缺乏的问题，并加强对冰盖质量的监测。