全格陵兰冰盖表面融水卫星遥感观测

每年夏季,格陵兰冰盖表面消融产生大量融水。冰面融水由冰面河输送,存储在冰面湖或注水冰裂隙中,形成了规模庞大、结构复杂的水文系统。然而,目前研究对全格陵兰冰面融水空间分布的理解十分有限。文章利用134景10 m空间分辨率的Sentinel-2遥感影像,提取了2019年消融旺盛期格陵兰冰面融水遥感信息;进一步,对比分析了遥感观测的冰面融水分布与区域大气气候模型(regional atmospheric climate model,RACMO)模拟的冰面融水径流量。结果表明:①2019年消融旺盛期,格陵兰冰面融水面积为9900.9 km^(2),融水体积为6.8 km^(3);②格陵兰冰面融水的空间分布差异较大,呈现明显的“西多东少”“北多南少”的态势;③格陵兰冰面融水主要由冰面河组成,冰面河占冰面融水总体积的57.1%,其次是注水冰裂隙(25.6%)和冰面湖(17.3%);④RACMO在多数流域准确模拟了冰面融水径流区域。研究反映了高分辨率遥感在格陵兰冰面水文研究中的应用潜力,提升了对冰面融水输送与存储等关键水文过程的理解。

基于卫星重力和测高数据的格陵兰冰盖质量变化分析

格陵兰冰盖全部融化将导致全球海平面上升7m,因此准确估计格陵兰冰盖质量变化过程对理解其对全球气候变化响应和反馈作用具有重要意义。基于Gravity Recovery and Climate Experiment(GRACE)卫星及后继卫星GRACE-FollowOn(GRACE-FO)提供的近20年的月时变重力场数据,以及EuropeanRemote Sensing(ERS-2)、Envisat和CryoSat-2等卫星测高数据,本文对比分析了2002年4月-2020年12月格陵兰冰盖质量变化特征。研究结果表明:(1)卫星重力点质量模型与卫星测高产品估计的质量变化趋势空间分布较为一致,均表明格陵兰冰盖边缘低海拔区域质量亏损严重而内部高原存在质量累积。(2) 2002-2020年格陵兰质量损失对全球平均海平面变化贡献为0.73±0.01mm·a^(-1)。(3)格陵兰冰盖西南部和西北部对海平面变化的贡献占格陵兰总贡献量的43.69%,为主要的海平面上升贡献区。(4)格陵兰冰盖流域尺度的分析表明,Goddard Space Flight Center(GSFC)点质量模型与卫星测高估计的结果更为一致。

1996—2021年格陵兰冰盖表面融化时空变化分析

格陵兰冰盖的表面融化通过物质平衡影响全球海平面上升,同时也是气候变化的灵敏指示器。本文基于增强分辨率的被动微波日亮温数据,使用自动气象站的气温记录,评估了进行冰盖表面融化探测的改进的亮温日较差(Advanced Diurnal Amplitude Variations,ADAV)方法和另外4种常用方法(M+30 K、ALA、MEMLS1和MEMLS2)的探测效果,通过总体精度和Kappa系数证实了ADAV方法探测冰盖表面融化的可行性与可靠性。在此基础上,基于ADAV方法进一步分析格陵兰冰盖表面融化的时空变化特征,发现1996—2021年格陵兰冰盖所有区域都发生过表面融化,融化最剧烈的区域分布于冰盖边缘,南部较北部融化范围更大、融化天数更多。极端融化事件导致冰盖融化范围波动较大,而融化指数呈现增长趋势,增长速率为5.24×10^(5)d·km^(2)·a^(-1)。且表面融化具有向内陆高海拔地区扩张的趋势,融化天数为11~30 d、31~50 d、51~70 d的区域,26年间的平均高程都发生了显著的增长,增长速率分别为13.06 m·a^(-1)、9.30 m·a^(-1)和11.20 m·a^(-1)。格陵兰冰盖的表面融化与格陵兰阻塞显著相关,2012年和2019年异常的融化指数指示着异常的格陵兰高压阻塞情况。表面气温上升在冰盖南穹对表面融化起到促进作用。

利用GLAS激光测高仪计算格陵兰冰盖高程变化

星载激光测高系统亚毫弧量级的发散角和冰层表面几乎没有穿透效应的优势使其非常适于监测南北极冰盖变化。利用GLAS激光测高卫星的高程数据,通过交叉和重复点方法分析2003-2009年3月格陵兰2 000 m以上区域冰盖高程变化,并改进了交叉点计算方法,使其适合纬度跨度较大的格陵兰地区。经过粗差剔除和时序解算,研究结果表明,该区域7年间冰盖高程年均变化＋3.80 cm/年,中误差0.91 cm,呈缓慢增长趋势;交叉点和重复点方法所得结果趋势一致,重复点数量为交叉点数量的4-15倍,但位置分布不均匀,使用星载激光测高数据分析极地冰盖变化时,较大区域适合使用交叉点方法,较小区域适合使用重复点方法。

基于GRACE的格陵兰冰盖质量变化分析

基于GRACE RL05数据反演2003-01～2012-12格陵兰岛的冰盖质量变化,构建去相关滤波和高斯滤波的组合滤波方式,采用线性及二次多项式拟合分析格陵兰岛冰盖质量变化速度及加速度。结果表明,格陵兰岛冰盖呈现加速融化趋势,冰盖融化主要在南部及西北地区。扣除泄漏误差及冰川均衡调整改正,冰盖质量融化速度及加速度分别为-157.8±11.3Gt/a,-17.7±4.5Gt/a2,其融化速度在2010年后明显加快,由2003～2009年的-132.2Gt/a增加到2010～2012年的-252.5Gt/a。东北部冰盖趋于稳定。中东部地区冰盖质量变化加速度呈现正增长,显示该地区冰盖融化逐年减缓,但2010年后加速融化。

基于GRACE数据的格陵兰冰盖质量变化研究

基于GRACE得到的时变地球重力场数据反演了格陵兰冰盖2002～2011年期间的质量变化。结果表明:格陵兰冰盖2002～2011年的年消融总量为188±10km3/a,2002年以来冰盖整体的消融速率呈现出增加趋势;冰盖的消融区域主要集中在冰盖的东南部和西北部;自2008年以来,冰盖东南部的消融速率虽然有所放缓,但消融速率仍然维持在55±7km3/a;冰盖西北部的消融速率仍在增加,2008年以后达到了48±6km3/a。

格陵兰冰盖伊姆间冰期的新证据

距今13.0～11.5万年前是上一个间冰期,称为伊姆间冰期（Eemian Interglacial）。过去格陵兰冰盖几个冰芯提供了末次冰期气候变化的详细证据,千年尺度气候变率、D/O循环就是通过分析格陵兰冰盖发现的。

利用ICESat卫星测高数据建立格陵兰冰盖DEM

极地是调节全球气候的重要因素,极地冰盖的消融对于全球气候的变化有着不可估量的驱动作用。因此,极地研究对于监测全球气候变化有着重要的意义。卫星技术的发展为人们对于极地的研究带来了技术上的支撑。通过ICESat激光测高卫星的发射,人们从新的角度认识了极地,并且能更好地对极地进行研究。

西北格陵兰冰盖英格尔菲尔德地区冰面-冰前流域水系遥感监测

近年来格陵兰冰盖物质损失加速,冰面消融是造成冰盖物质损失的重要原因。每年消融期,西北格陵兰冰盖表面都会形成规模庞大、结构复杂的冰面水系,将大量冰面融水输送至冰盖边缘,汇集至冰前水系并最终进入大洋,显著影响冰盖物质平衡。然而,目前对西北格陵兰冰盖冰面水系与冰前水系的研究很少,冰面水系与冰前水系的形态结构特征尚不清楚。本研究选取2018年7—8月西北格陵兰盖英格尔菲尔德地区(面积4 624 km^2)12景10 m空间分辨率的Sentinel-2卫星遥感影像,增强河流横纵剖面特征,提取了西北格陵兰冰盖的冰面水系与冰前水系,并以水系密度与河流宽度为代表性指标,监测冰面水系与冰前水系动态变化。结果表明:在2018年消融期内,西北格陵兰冰盖形成了平行状的冰面水系和树枝状的冰前水系;冰面水系由低高程地区(<800m)逐步向高高程地区(>1000m)推进;流域出口附近冰前河河宽与冰面水系密度的变化具有较好的一致性,8月份的冰前水系新发育河宽较窄(10~30m)的冰前河,反映了冰面水系对冰前水系的供给作用。

利用ICESat数据确定格陵兰冰盖高程和体积变化

两极冰盖消融是造成海平面上升的重要原因,作为世界第二大冰盖,格陵兰冰盖消融速度在进入21世纪以后明显加快,引起了广泛关注.本文利用ICESat卫星激光测高数据,探讨了坡度改正的方法,通过改进平差模型解决了病态问题,并采用重复轨道方法计算了2003年9月至2009年10月间格陵兰冰盖的体积和高程变化趋势,对格陵兰冰盖各冰川流域系统的变化情况进行了详细分析.结果表明,格陵兰冰盖在这6年间平均高程变化趋势为-16.79±0.84cm·a^-1,体积变化速率为-301.37±15.16km^3·a^-1,体积流失主要发生在冰盖边缘,其中DS1、DS8等流域的体积损失正在加剧,而高程在2000m以上的冰盖内陆地区表现出高程积聚的状态,但增长速度明显减缓.与现有研究成果的对比表明,算法优化后的本文结果更具可靠性.

南极和格陵兰冰盖物质平衡研究进展

冰盖物质平衡状态对全球海平面具有重大影响,是预测海平面上升的最大不确定性来源。近20年来随着卫星遥感技术的快速发展,冰盖物质平衡研究取得巨大进展。研究系统介绍了近20年来冰盖物质平衡估算方法以及相应卫星数据的发展,归纳和总结了国内外利用测高法、重力测量法、通量法和融合法进行南极和格陵兰冰盖物质平衡评估的结果,详细分析了每种方法的不确定性和误差来源,为未来冰盖物质平衡研究提供参考。冰盖物质平衡仍将是全球变化研究未来的重点,提升卫星性能以降低观测数据的不确定性,创新估算方法以降低估算结果的不确定性,加强地面观测验证是研究热点。

格陵兰冰盖次表面湖多源遥感监测——以格陵兰中西部流域为例

格陵兰冰盖在夏季会发生剧烈融化,融水在低洼处汇集形成冰面湖,储存了大量的融水,在冰盖的水文系统中起着至关重要的作用,是格陵兰冰盖质量平衡的重要组成部分.近期有研究发现大量的冰面湖在冬季不会完全冻结,而是掩埋在雪层或冰层下以液态水形式存在,形成冰盖次表面湖.冰盖次表面湖对格陵兰冰盖稳定性和物质平衡会产生重要的影响.由于次表面湖存在于冰盖表层之下难以通过可见光影像进行提取和分析,次表面湖的监测成为次表面湖研究的难点之一.本研究提出一种利用Landsat8和Sentinel-1数据自动提取次表面湖范围的方法.该方法先利用可见光影像提取夏季冰面湖的范围对SAR影像进行掩膜,再根据冬天水体和冰面的后向散射具有可分性的原理,通过Rosin阈值分割算法,提取得到2018—2019年冬季格陵兰中西部流域的次表面湖并对其分布进行分析.在研究区内选择10个测试区域,利用该方法对区域内的次表面湖进行目视解译,并对算法自动提取次表面湖结果进行精度验证.结果表明,本研究提出的自动提取算法Kappa系数为0.85.基于该方法,本研究在2018年格陵兰中西部流域共提取夏季冰面湖的面积为102.28 km~2.约43.09%的夏季冰面湖不会完全冻结,从而在冬季形成次表面湖(面积为44.07 km~2).

2000-2020年格陵兰冰盖夏季表面温度变化及其对物质平衡的影响

基于MODIS温度产品,着重分析了2000-2020年格陵兰冰盖夏季表面温度和表面融化范围的年际变化趋势;联合IMBIE(冰盖物质平衡对比实验)数据分析表面温度对于冰盖物质平衡的影响;进一步讨论了大气环流对于格陵兰冰盖表面温度变化的影响。结果表明:格陵兰冰盖夏季表面温度和融化范围趋势较为一致,2000年初期呈现出显著的上升趋势,2012年达到峰值,随后波动下降;整个研究阶段北部区域是增温速率最大的区域,高于其他任何区域两倍,东南部和西南部是温度最高的区域却具有最小的增长率;格陵兰冰盖夏季表面温度、融化范围以及物质平衡之间都具有显著的相关性,同时格陵兰冰盖夏季表面温度每上升1℃,会导致其物质损失增加74.29Gt·a;最后,经过对北大西洋涛动(NAO)和格陵兰阻塞指数(GBI)指数的分析得到,格陵兰冰盖夏季表面温度受到GBI的影响要强于NAO的影响,冰盖夏季表面温度和NAO呈现出负相关(r=-0.64,P<0.05),和GBI呈现出正相关(r=0.77,P<0.05)。

利用Cryosat-2数据确定格陵兰冰盖高程和体积变化

格陵兰冰盖是全球第二大冰盖,其消融情况对全球海平面上升的影响不可忽视。利用Cryosat-2卫星测高数据计算了2011—2017年间的格陵兰冰盖高程及体积变化趋势,对格陵兰冰盖各冰川流域系统的变化进行了详细分析,并与由ICESat激光测高数据获得的2003—2009年格陵兰冰盖变化趋势进行了对比。结果表明,格陵兰冰盖在2011—2017年间的平均高程变化为(-12.3±0.38)cm·a^(-1),体积变化速率为(-220.38±6.0)km^(3)·a^(-1),其主要消融区域位于冰盖边缘,且其消融速度较之2003—2009年间的情况有进一步增加的趋势。

利用格陵兰冰盖研究气候变化

过去的几十年里,人们揭示了全球综合性气候系统的存在。为了弄清全球性气候系统的作用,人们已经开展了探索气候历史记录方面的工作。我们能得到大气中由现时的气候条件所提供的各种信息,也可以通过雪沉积形成的永久性冰内含有雪沉积时的大气样品,取其冰岩芯通过实验室进行分析而得到各种古气候信息,为追溯气候变化找到依据。这方面最常见的媒介物之一就是冰川和极地冰盖中大量的永久性冰。

格陵兰冰盖质量变化的特征与机制初探

格陵兰冰盖(GrIS)作为全球气候的重要调控因素,冰盖融化的水不仅使全球海平面上升,还令北大西洋亚极地区域的海水变淡,从而减弱深层对流,进而减缓大西洋经向翻转环流,这将影响全球热盐环流,并改变全球热量分布。本文基于GRACE重力卫星数据、MAR区域模式数据、DMI天气站点数据和ERA全球再分析数据分析了GrIS质量变化在GRACE观测时期的时空特征;通过质量收支平衡以及表面能量平衡方法研究了控制GrIS质量变化的主要因素;并对GrIS质量变化的动力机制进行初步探讨。结果表明GrIS在2003~2012年质量加速损失,从2013年开始,质量损失趋于平缓,主要减缓的区域在GrIS东南部。2013年开始的GrIS减缓事件的原因是云量增多、反照率增强,净短波辐射减少进而夏季融化减少,这可能与夏季北大西洋涛动改变的气压场有关。

利用格陵兰冰盖研究气候变化

雪沉积形成的永久性冰内含有雪沉积时的大气样品,取其冰岩芯通过实验室分析可以得到各种古气候信息,作为追溯气候变化的依据。但由于南极积雪率低且很可能在其深处存在剪切带,因此从南极获取大时间跨度的气候记录受到时间分辨率的限制,并且受南半球作用的控制。从北半球取大时间跨度、高分辨率的冰岩芯正是我们认识气候史的关键。格陵兰冰盖研究项目计划从北半球钻取300m深的高分辨率的冰岩芯。

格陵兰冰盖融化速度创50年之最

许多研究已经对冰盖融化速度发出了警告，海平面的上升可能会威胁到沿海的低洼地区和岛屿。北极的暖化带来的海平面上升在2100年会达到1．6米，远高于前几年的预测水平。

格陵兰冰盖

格陵兰冰盖面积有173万平方千米，占全岛陆地总面积的95％，冰盖周围是无冰的陆地，宽15～160千米，只有少数冰川的尾部到达海洋。冰盖的平均厚度1500米，中央部分达1860米。

格陵兰冰盖，未来10年可能消失

近期．一座大型岛状冰山从格陵兰岛冰川脱落。这座冰山的面积大约是纽约曼哈顿岛的4倍多，可能是历史上有记录以来从冰川上崩离的最大一座。