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极地研究 2023年第3期35卷 371-382页

作者：杨树瑚吕金磊牛立杭张云韩彦岭洪中华上海海洋大学信息学院上海201306

西南极玛丽伯德地冰盖底部地热通量的不确定性对准确模拟其演化有着重大的影响,探究地热通量的变化对冰盖温度场和速度场的影响具有重要意义。本文基于2021年更新的Bed Machine V2中的南极冰盖底部基岩高程、表面高程数据,添加表面温度... 详细信息

西南极玛丽伯德地冰盖底部地热通量的不确定性对准确模拟其演化有着重大的影响,探究地热通量的变化对冰盖温度场和速度场的影响具有重要意义。本文基于2021年更新的Bed Machine V2中的南极冰盖底部基岩高程、表面高程数据,添加表面温度、表面质量平衡和地热通量等边界条件,利用Full-Stokes三维模型Elmer/Ice对西南极玛丽伯德地的部分区域(76.8°S—77.3°S,138°W—142°W)进行了静态模拟。实验通过美国冰雪中心2020年更新的MEaSUREs项目的遥感冰盖表面流速数据(MEaSUREs In-SAR-Based Antarctica Ice Velocity Map),对Elmer/Ice中的冰盖底部滑动系数和格伦增强因子两个参数进行约束,以模拟得到的表面冰流速和遥感表面冰流速之间的均方根误差(RMSE)作为评价指标,获得适合区域模拟的最佳参数。当滑动系数为0.1,格伦增强因子为0.26时取得最小RMSE(4.140 m·a^(-1))。以此参数进行模拟,并对地热通量进行调节,得到了研究区域的速度场、温度场、应力场等实验结果。实验结果表明,地热通量改变时冰盖底部温度场变化较大。

关键词：南极冰盖玛丽伯德地 Elmer/Ice MEaSUREs 表面流速

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基于Elmer/Ice的玛丽伯德地冰盖现状及演化模拟

基于Elmer/Ice的玛丽伯德地冰盖现状及演化模拟

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作者：吕金磊上海海洋大学

学位级别：硕士

冰冻圈是影响气候系统的五大圈层之一,同时也是受气候变暖影响最严重的一个圈层,冰盖是冰冻圈的最大组成部分。冰盖主要由南极冰盖和格陵兰冰盖两大冰盖组成,南极冰盖占了90%左右。对冰冻圈的研究可以为人类进行气候风险评估、适应和决... 详细信息

冰冻圈是影响气候系统的五大圈层之一,同时也是受气候变暖影响最严重的一个圈层,冰盖是冰冻圈的最大组成部分。冰盖主要由南极冰盖和格陵兰冰盖两大冰盖组成,南极冰盖占了90%左右。对冰冻圈的研究可以为人类进行气候风险评估、适应和决策提供依据,有助于将气候的自然变化(热、冷、雨、旱、雪、风、沿海洪水等)信息进行转化,以使其对社会和生态系统具有意义。南极冰盖是气候变化的重要指标,它储藏着约2700多万立方千米的冰,这些冰约占全球总冰量的90%,淡水储量的70%,若全部融化足以使海平面上升58 m,南极冰盖的微弱变化,可能会对全球环境产生深刻影响。南极半岛和西南极冰盖总质量是累计损失的,2006至2020年损失正在加速,并且西南极冰盖尤其严重,贡献了南极冰盖损失的63%,主要以冰川流动加速为主,而横跨南极西部的阿蒙森海湾、盖茨冰架和南极半岛西部玛格丽特湾触地线的流动加速占这一增长的88%。目前,冰盖数值模拟已经成为了人们认识南极冰盖演化的重要手段。冰盖数值模拟能够揭示冰盖物理过程并已经成为了解冰盖过去演化,解释现在冰盖形成原因和预测冰盖未来演变的重要方式。玛丽伯德地位于西南极洲,是地球上最大的无人区,由于气候条件异常恶劣,关于这片区域的冰川研究缺乏。对玛丽伯德地的数值模拟研究,可以加深对该地区的了解,同时有助于了解西南极冰盖加速损失的原因,总结其变化的规律,对南极的研究具有深远的意义。本文首先基于2021年更新的Bed Machine V2中的南极冰盖底部高程、表面高程数据,添加表面温度、表面质量平衡和地热通量等边界条件,利用Full-Stokes三维模型Elmer/Ice对西南极玛丽伯德地(76.8°S～77.3°S,138°W～142°W)区域进行了静态模拟。实验通过美国冰雪中心2020年更新的MEa SUREs项目的遥感冰盖表面流速数据(MEa SUREs In-SAR-Based Antarctica Ice Velocity Map)对Elmer/Ice中的冰盖底部滑动系数和格伦增强因子两个参数进行约束,以模拟得到的表面冰流速和遥感表面冰流速之间的均方根误差(RMSE)作为评价指标,以获得适合区域模拟的最佳参数。当滑动系数为0.1,格伦增强因子为0.26时取得最小RMSE(RMSE=4.1408 m·a),以此参数进行诊断模拟得到了冰盖的动力学、热力学实验结果。最后,将诊断模拟实验结果作为输入参数进行冰盖预测模拟,观察冰盖的未来变化。论文的主要研究内容如下:1.使用Elmer/Ice对构造冰川进行模拟,通过添加不同的边界条件和求解器,改变输入参数,研究不同边界条件和参数对数值模拟结果的影响。2.通过MEa SUREs项目的遥感冰盖表面流速数据对Elmer/Ice中的冰盖参数进行约束,反演预测模拟所需要的格伦增强因子和底部滑动系数。对玛丽伯德地区域进行诊断模拟,探究该区域的冰盖动力学、热力学特征,研究玛丽伯德地冰盖动力学和热力学对地热通量的敏感性。3.将诊断模拟获得的参数和结果作为初始条件对玛丽伯德地冰盖进行预测模拟,观测冰盖的未来变化趋势,评估其对西南极冰盖加速变化的影响以及对海平面上升的影响。

关键词：南极冰盖玛丽伯德地 Elmer/Ice MEaSUREs 表面冰流速

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基于Elmer/Ice对玛丽伯德地西部区域的冰盖数值模拟

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极地研究 2021年第3期33卷 363-373页

作者：杨树瑚徐佳鑫许德锐韩彦岭张云洪中华上海海洋大学信息学院上海201306

西南极冰盖对全球气候变化和海平面升高有着重要的影响,其动力学和热力学过程是极地研究的重点之一。冰盖数值模式的模拟可以在缺乏观测数据的情况下获得研究区域的动力学和热力学过程,已经成为研究南极的一种重要手段。西南极玛丽伯德... 详细信息

西南极冰盖对全球气候变化和海平面升高有着重要的影响,其动力学和热力学过程是极地研究的重点之一。冰盖数值模式的模拟可以在缺乏观测数据的情况下获得研究区域的动力学和热力学过程,已经成为研究南极的一种重要手段。西南极玛丽伯德地靠近福特山脉和罗斯冰架,本文使用Elmer/Ice模拟了玛丽伯德地西部区域的冰流速场、温度场和应力场。研究发现,该区域冰盖底部温度场变化较小,大部分都达到了压力融点,只有小部分区域的冰盖底部仍处于压力融点以下。使用三个不同的地热通量(80 mW·m^(-2),100mW·m^(-2),120 mW·m^(-2))模拟得到的底部温度场无明显差异。冰盖表面流速较快,冰盖表面的冰总体上从地势较高的区域流向地势较低的区域,垂直方向对表面冰流速影响最大;冰盖底部应力场的大小大致和冰厚的变化相反。通过高程剖面图简要分析了冰流速和冰盖应力场的变化原因,认为冰下深谷的存在可能对冰盖流速场和应力场有很大的影响。

关键词：西南极冰盖玛丽伯德地 Elmer/Ice 冰盖温度冰流速场冰盖应力场

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基于航空高程的玛丽伯德地西部地区表面粗糙度的研究

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极地研究 2020年第2期32卷 202-211页

作者：董洪伟杨树瑚徐佳鑫张云韩彦岭洪中华上海海洋大学信息学院上海201306

基于1998年12月—1999年1月德克萨斯大学地球物理研究所(UTIG)航空地球物理研究支持办公室(SOAR)对南极洲玛丽伯德西部区域航空调查获得的冰盖表面高程数据,研究了该区域表面粗糙度分布。通过分析,同时考虑表面在垂直方向和水平方向的变... 详细信息

基于1998年12月—1999年1月德克萨斯大学地球物理研究所(UTIG)航空地球物理研究支持办公室(SOAR)对南极洲玛丽伯德西部区域航空调查获得的冰盖表面高程数据,研究了该区域表面粗糙度分布。通过分析,同时考虑表面在垂直方向和水平方向的变化,使用有效坡度可以有效地表征玛丽伯德地西部区域的表面粗糙度特征,文中给出了该区域表面的有效坡度分布,并简要探讨了其分布成因。从结果中可知该研究区域的98%地区的有效坡度分布小于10°,最小值为0.0126°;有效坡度在10°以上的位置主要分布在靠近海岸地区,爱德华七世半岛、谢里斯海岸附近的部分地区有效坡度值达到30°以上,最大有效坡度为39.9736°。结合bedmap2的高程数据,对罗斯冰架附近、福特山脉附近以及爱德华七世半岛附近的粗糙度和地形的对应关系进行了讨论。

关键词：玛丽伯德地表面粗糙度有效坡度

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基于Elmer/Ice的冰盖数值模拟

基于Elmer/Ice的冰盖数值模拟

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作者：徐佳鑫上海海洋大学

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地球上冰冻圈被研究学者分为陆地冰冻圈(其包括山地冰川、极地冰盖、冻土、河冰和积雪等)、海洋冰冻圈(其包括海冰、冰架等)和大气冰冻圈(其包括冰晶、雪花等),冰冻圈主要分布在南北两级和全球其他的高海拔地区。由于极地冰盖位于南北... 详细信息

地球上冰冻圈被研究学者分为陆地冰冻圈(其包括山地冰川、极地冰盖、冻土、河冰和积雪等)、海洋冰冻圈(其包括海冰、冰架等)和大气冰冻圈(其包括冰晶、雪花等),冰冻圈主要分布在南北两级和全球其他的高海拔地区。由于极地冰盖位于南北两极的寒冷地区,所以它们是天然水资源的重要存储地区。在当今全球气候条件发生巨大的变化的情况下,研究人员必须要对冰盖进行详细的研究,这有助于进一步评估气候的变化。目前研究南极冰盖的主要手段包括遥感、地面测量以及数值计算。遥感技术可以获得大范围的冰盖表面信息,但其穿透能力比较差,很难获得冰盖内部的信息;地面测量可以获得冰盖内部的信息,但是很难获得大范围数据而且还要耗费大量的人力和时间;冰盖数值模式可以利用有限的观测数据对冰盖进行大尺度、长时间的研究,获得冰盖内部的速度场、温度场、应力场等冰盖热力学和动力学过程的信息,这使得冰盖数值模式成为研究和预测冰盖演化的有效手段。玛丽伯德地位于西南极洲罗斯冰架和罗斯海以东,太平洋以南,向东延伸大约到罗斯冰架顶端和爱兹海岸之间,靠近福特山脉,它的长度在158°W到103°24′W之间,大部分为冰盖所覆盖,目前已经显示出质量下降的迹象。玛丽伯德地的研究对整个西南极的意义深远。西南极冰盖对全球气候变化和海平面升高有着重要的影响,其动力学和热力学是极地研究的重点之一。本文使用Elmer/Ice模拟了玛丽伯德地西部区域的流速场、温度场和压力场。本文的研究内容主要有以下几点:本文使用Elmer/Ice模拟了理想型二维冰川模型,模拟理想状态下的冰川速度场、温度场,然后做了对比实验,模拟了不同参数的流速场、温度场,结果表明考虑底部滑动、温度与速度场的耦合使实验结果更加接近真实情况。然后使用Elmer/Ice模拟了三维冰川Tete Rousse。通过对比Tete Rousse冰川的速度场和应力场模拟可知,除了输入参数,边界条件外,地形因素也会影响冰川模拟。1998年12月至1999年1月调查人员通过Twin Otter飞行器在地表300米以上使用雷达和激光测高仪测量,得到玛丽伯德地冰盖表面和冰床的高程数据。利用Maule等在2005年时绘制的整个南极区域的地热通量图,发现玛丽伯德地附近的地热通量在100 m W/m左右。Hermann等于1998年到2001年之间利用热水钻探技术,在西南极获得了22个钻孔的温度剖面测量结果,利用这些数据的表面温度和对应的高程通过线性拟合得到了研究区域的表面温度和高程关系。研究发现,该区域冰盖底部温度场变化较小,大部分都达到了压力融点,只有小部分区域的冰盖底部仍处于压力融点以下。使用三个不同的地热通量(802m W/m,1002m W/m,1202m W/m)模拟得到的底部温度场无明显差异。冰盖表面流速较快,冰盖表面的冰总体上从地势较高的区域流向地势较低的区域,垂直方向对表面冰流速影响最大;冰盖底部应力场的大小大致和冰厚的变化相反。通过高程剖面图简要分析了冰流速和冰盖应力场的变化原因,认为冰下深谷的存在可能对冰盖流速场和应力场有很大的影响。

关键词：西南极冰盖玛丽伯德地 Elmer/Ice 冰盖温度冰流速场冰盖压力场

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