中国-南极冰面质量变化反演

wen IT资讯 2026-07-03 30

本文目录导读：

中国-南极冰面质量变化反演

中国对南极冰盖质量变化的监测和反演,主要依赖于卫星遥感技术，并结合地面观测数据进行校准，这项工作对于研究全球气候变化、海平面上升以及南极冰盖的物质平衡至关重要。

以下是关于“中国-南极冰面质量变化反演”的核心技术、研究进展和主要成果的详细介绍：

核心技术手段

中国科学家主要利用以下几类卫星数据,通过反演算法来获取冰面高程、厚度和质量的变化：

测高卫星（核心手段）：
- 雷达测高： 如欧空局的CryoSat-2、美国NASA的ICESat-2（激光雷达），中国科学家利用这些数据，通过“重复轨道法”或“交叉点法”，精确测量冰面高程的年际和季节性变化，高程变化（dh/dt）是计算质量变化（dm/dt）的核心。
- 中国自己的卫星数据： 中国已经发射了“海洋二号”（HY-2）系列卫星和“高分七号”（GF-7）立体测绘卫星，特别是GF-7搭载了双线阵相机和激光测高仪，能为南极冰盖局部区域提供高分辨率的立体测绘数据，弥补国际数据的局限。
重力卫星（关键支撑）：
- 利用美国/德国的GRACE（2002-2017）和GRACE Follow-On（2018至今）重力卫星，重力卫星可以“称重”冰盖，直接测量其质量变化的总量，中国科学家是GRACE数据的主要用户之一，并将其与测高结果进行交叉验证。
光学/热红外遥感：
- 使用Landsat、Sentinel-2以及中国的高分（GF）系列、风云（FY）系列气象卫星数据，用于监测冰流速、冰架崩解、融化区域和表面冰雪反照率变化，这些数据帮助区分“动力损失”（冰流加速）和“表面融化”，并用于反演过程中的地形校正和物理参数确定。

反演过程并不是简单把高程变化乘以面积,而是需要复杂的校正：

高程变化率（dh/dt）计算：
- 趋势去除： 消除冰盖自然流动带来的高程变化信号（如冰流平流）。
- 地球物理校正： 考虑到冰盖下方基岩的弹性回弹（GIA，冰川均衡调整），这个校正至关重要，中国研究机构（如武汉大学、中国地震局）在此领域有独特模型。
- 滤波器与去噪： 使用低通滤波等算法去除卫星轨迹噪声和数据稀疏性带来的误差。
质量变化密度模型：

将高程变化转换为质量变化需要假设冰盖密度,核心假设：雪变为冰的过程中，体积变化与质量变化的关系需要精确建模（如“飞思卡尔（Ferry）”模型、IPCC推荐的模型），中国科学家通常使用区域气候模型（如MAR, RACMO）的输出数据来约束这一过程。
重力数据反演：
- 需进行网格化处理，去除海洋、大气、陆地水等干扰信号，并应用GIA模型剥离地壳运动和冰后回弹的影响，中国学者在GIA模型的区域改进上做了很多工作。

中国科学家在南极冰盖质量变化反演方面取得了显著成果,部分发表在《Science》、《Nature》子刊、GRL等顶级期刊：

精确量化了南极冰盖的质量亏损速率：
- 基于GRACE数据和CryoSat-2测高，中国团队（如武汉大学李斐教授团队、中科院空天院）独立反演得出，自1992年以来，南极冰盖的质量流失速度已从每年约50-100 Gt增长到近年的每年约200-250 Gt（1 Gt = 10亿吨），这个速率与全球多个顶尖团队的结果高度吻合。
识别了“增-减”的空间格局：
- 西南极（主要流失区）： 尤其是阿蒙森海区域（思韦茨冰川、松岛冰川），冰流加速导致严重变薄和质量损失，最快处每年变薄数米，中国团队通过精细分析发现，暖变深层水入侵冰架底部是主要原因。
- 东南极（局部增厚，总体平衡）： 特别是南极东部内陆地区，如毛德皇后地，因降雪增加有微弱的大面积积累（表面升高），但沿海冰架如Totten冰川也显示出加速流失迹象。
- 南极半岛： 拉森C、威尔金斯等冰架变薄、崩解，但部分区域因温度波动有季节性或年际恢复。
贡献了全球海平面上升的物理机制认知：
- 通过反演,中国科学家明确指出了冰底排水（尤其是冰川快速滑动）和冰架底面融化是导致南极冰盖质量损失的主要驱动力，而非单纯的表面融化，这为气候模型提供了关键边界条件。

尽管中国在该领域进展迅速,但仍面临挑战：

GIA模型的精细化： 南极是全球GIA模型不确定性最大的地区，中国正在通过布设更多的GPS连续观测站（如“雪鹰601”固定翼飞机搭载重力仪）来改进模型。
高分辨率数据的需求： 国产卫星（如GF-7）目前仅能覆盖部分区域，尚未实现全南极的卫星测高覆盖，未来“陆地生态系统碳监测卫星”和“新一代极轨气象卫星”的发射将改善这种情况。
复杂地形的影响： 南极冰流速快、冰裂隙密集区域（如思韦茨冰川）的测高信号难以解译。

中国-南极冰面质量变化反演是国家极地监测能力的重要体现，中国已构建了“卫星遥感（国产+引进）+地面/航空验证+区域气候/地球物理模型”的立体监测体系，成为国际上少数能独立进行全南极冰盖质量收支评估的国家之一。

高分辨率国产测高数据的自主化（如GF-7在南极的持续观测）、冰-海相互作用模型（尤其是暖水入侵导致的底部融化）以及长时间序列数据融合，是中国科学家在该领域保持领先地位的关键。