南极中山站至Dome A考察断面湍流参数特征近地层湍流参数特征

利用南极中山站至Dome A考察断面上3个自动气象站2005～2007年的观测资料和2008年夏季在中山站附近冰盖获取的湍流观测资料,应用空气动力学方法和涡动相关法计算分析了中山站至Dome A断面上近地层各种湍流参数(感热通量,潜热通量,湍流温度、湿度和速度尺度,地表粗糙度,大气稳定度及动量输送系数)的季节变化、日变...     

在南极冰盖最高点 Dome A

Dome。直译为冰穹。南极冰盖上有自然形成的一个分冰岭,分冰岭像南极的脊梁贯穿整个南极大陆,在这个分冰岭上有依次排列的DomeA、DomeB、DomeC、DomeF,这四个点被科学家称之为南极冰盖的四大冰穹,而DomeA是唯一超过4000米的冰穹,也是四大冰穹中至今尚未开展过相关研究工作的冰穹。现DomeF、DomeB、DomeC分别由日本、俄罗斯、法国等国在此建站进行科学考察。     

南极冰盖物质平衡最新研究进展

探明南极冰盖物质平衡状况,对研究全球变暖背景下海平面变化具有重要意义,也是南极冰川学的重要基础工作.在ITASE计划(International Trans Antarctic Scientific Expedition)和ISMASS计划(Ice Sheet MassBalance and Sea Level)的指导下,各国科学家对南极几个主要流域进行了大范围的实地观测,获取了一些重要成果.此外,由于极地测高卫星和重力卫星的应用,南极冰盖整体物质平衡状况评估在近期得到长足发展.无论是实地研究还是卫星遥感,都有其局限性,两者结合可以弥补各自的缺陷,是未来研究的主要发展方向,但目前仍未引起足够的重视.因此,本文综述了南极冰盖物质平衡研究的最新研究进展,将有关研究分局域和洲际尺度进行了介绍,并对国内的研究提出建议.     

利用ICESat数据解算南极冰盖冰雪质量变化

南极冰盖冰雪质量变化反映了全球气候变化,并且直接影响着全球海平面变化.ICESat测高卫星的主要任务之一就是要确定南北两极冰盖的质量变化情况并评估其对全球海平面变化的影响.本文利用2003年10月至2008年12月的ICESat测高数据,针对南极DEM分辨率有限的特殊性,通过求解坡度改正值,解决重复轨道地面脚点不重合的问题,计算了南极大陆(86°S以北区域,后文所述南极冰盖均不包括86°S以南区域)在这5年里的冰雪质量变化情况,得到东南极冰盖的质量变化为-18±20 Gt/a,西南极-26±6 Gt/a,南极冰盖的冰雪质量变化为-44±21 Gt/a,对全球海平面上升的影响约为0.12 mm·a-1.解算结果表明,南极冰盖质量亏损主要集中在西南极阿蒙森海岸附近冰川以及东南极波因塞特角区域.     

一个冰盖近表层热传输模式及其对南极Dome A的温度模拟

根据南极大陆冰盖近表层的物理模型设计了一个垂直一维的冰盖近表层能量传输模式, 采取合理简化的物理过程参数化方案并构造一套完整的数值求解方法, 实现了对冰盖表面及近表层内能量传输过程的数值模拟. 利用最新获取的东南极高原Dome A自动站的气象观测资料, 通过计算冰盖表面能量通量作为模式上边界条件驱动模式求解冰盖表面及近表层内温度的季节变化过程, 将模式模拟结果与4个观测深度(0.1, 1, 3和10 m)的雪冰层温度进行了对比检验, 取得了与观测较为一致的季节变化过程, 并能够揭示出比观测更为细致的冰盖近表层内温度垂直分布结构及其季节变化特征. 通过模式结果分析得到的冰盖表面能量平衡特征表明: 1) 冰盖表面能量平衡全年主要表现为负的净辐射与正的感热通量之间的平衡, 季节差异显著; 2) 冰气相互作用机制主要是大气以感热形式输送给冰盖, 并在春季显著增强. 因Dome A特殊的地理位置, 研究结果对南极高原内陆中心地区具有较好的代表意义.     

南极中山站极夜,极昼期间S^PQ,SD的变化规律及特征

本文利用１９９１年度南极中山站的地磁资料，分析研究极夜（５、６、７月）及极昼（１１、１２月）期间Ｓ＾Ｐｑ，ＳＤ变化特征，研究结果表明，Ｈ、Ｄ、Ｚ三个分量的Ｓ＾Ｐｑ，ＳＤ在极夜期间的变化幅度都小于极昼期间的变化幅期，Ｓ＾Ｐｑ在世界时ＵＴ６时左右出现极值。这是由于在５、６、７月的太阳直射点在北半球，太阳紫外辐射和Ｘ射线辐射减少，在１１、１２月太阳的直射点在南半球，太阳紫外线和Ｘ射线辐射增大，致使空间电     

南极中山站极夜、极昼期间地磁场的日变化规律及特征

利用1991年南极中山站的地磁资料，分析研究了极夜（5，6，7月）及极昼（11，12月）期间地磁场的变化规律及特征．结果表明，极昼期间的S出现的双峰现象要比极夜期间的明显的多，S是叠加在S之上的极盖区地磁场静日变化；极夜期间的Sq,Sq和SD的变化幅度小于极昼期间的变化幅度，大约是极昼期的1／3，SD大约是极昼的3／4.这主要是由于极夜期间太阳的直射点在北半球，在南半球太阳的波辐射少；极昼期间太阳直射点在南半球，太阳的波辐射增大，致使空间电离层等效电流强度发生变化产生的．     

南极中山站极夜、极昼期间S_q~p、S_D的变化规律及特征

本文利用１９９１年度南极中山站的地磁资料，分析研究极夜（５、６、７月）及极昼（１１、１２月）期间Ｓ、ＳＤ的变化特征。研究结果表明，Ｈ、Ｄ、Ｚ三个分量的Ｓ、ＳＤ在极夜期间的变化幅度都小于极昼期间的变化幅度，Ｓ在世界时ＵＴ６时左右出现极值。这是由于在５、６、７月的太阳直射点在北半球，太阳紫外辐射和Ｘ射线辐射减少，在１１、１２月太阳的直射点在南半球，太阳紫外线和Ｘ射线辐射增大，致使空间电高层等效电流发生变化所产生。     

南极中山站极夜、极昼期间地磁场的日变化规律及特征

利用1991年南极中山站的地磁资料,分析研究了极夜（5,6,7月）及极昼（11,12月）期间地磁场的变化规律及特征．结果表明,极昼期间的S出现的双峰现象要比极夜期间的明显的多,S是叠加在S之上的极盖区地磁场静日变化;极夜期间的Sq,Sq和SD的变化幅度小于极昼期间的变化幅度,大约是极昼期的1／3,SD大约是极昼的3／4.这主要是由于极夜期间太阳的直射点在北半球,在南半球太阳的波辐射少;极昼期间太阳直射点在南半球,太阳的波辐射增大,致使空间电离层等效电流强度发生变化产生的．     

基于远震接收函数的南极大陆冰盖厚度研究

冰盖厚度是研究南极冰盖质量、建立冰盖动力学模型的基本参数,对于冰川均衡调整、冰盖物质平衡及全球气候变化研究具有重要意义.基于地震学的远震接收函数和H-Kappa格网搜索方法可以用于地震台站下方冰盖厚度的可靠探测,不仅能与冰雷达获得的冰盖厚度进行独立对比,还可以与冰雷达方法相互补充,进一步填补南极大陆冰盖厚度探测空白区.本文利用布设于南极大陆冰盖上方的流动地震台阵记录到的远震波形数据,基于接收函数方法对台阵下方的冰盖厚度进行了研究.结果显示:基于远震接收函数方法的冰盖厚度与Bedmap2冰厚格网模型相比,二者差别大多在200 m以内;少数台站差值达到600 m左右,这一差别可能与Bedmap2测线分布空区、冰雷达测深不确定性以及冰盖内部复杂波速结构等因素有关.本文研究结果表明:利用南极大陆冰盖上方的流动地震台阵,基于远震接收函数方法可以获得比较可靠的南极冰盖厚度,为独立验证冰雷达的探测结果并弥补冰雷达探测空白区提供了有效方法.同时,部分台站接收函数波形的复杂性可能暗示了南极大陆数千米厚的冰盖内部结构不是均一的,仍然存在比较复杂的内部结构变化.因此,有必要进一步利用包括接收函数波形拟合、地震面波反演等方法对南极大陆冰盖厚度及其内部精细结构进行更为深入的研究.     

GRACE重力卫星探测南极冰盖质量平衡及其不确定性

2002年GRACE重力卫星的成功发射为南极冰盖质量平衡的研究提供了重力探测的新纪元. 本文利用美国德克萨斯大学CSR公布的2003年1月到2013年12月期间的RL05版本GRACE月重力场数据, 采用最优平均核函数法和组合滤波法两种GRACE后处理方法反演了南极冰盖质量的时空变化. 结果表明: 在2003—2013年期间南极冰盖物质平衡呈明显的负增长状态, 质量变化趋势为-163±50 Gt/a(GW13)、-129±41 Gt/a(IJ05)、-81±27 Gt/a(W12a), 加速度为-8±10 Gt/a2, 质量消融的主要区域分布在西南极阿蒙森海岸和南极半岛的北部. 另外本文还重点探讨了可能影响到估算结果的各项误差及不确定性,分析结果显示影响南极冰盖质量平衡估算结果的最大误差源为GIA改正. 通过假设检验和信息准则对时间序列分析中拟合参数的合理选取进行了探讨和分析, 在联合周年项、半年项和S2、K2、K1潮汐混频项进行拟合分析时发现K1项对拟合结果的加速度影响比其他周期项稍大, 尽管考虑该项的合理性因当前GRACE数据时间序列长度有限而无法确切证实, 但K1项的影响值得后续关注. 对比两种GRACE后处理方法的结果发现:当采用的数据时间跨度一致, 误差改正方法相同, 两种相异的后处理方法, 其估算结果也具有较好的一致性.     

基于CryoSat-2测高数据的全南极冰盖DEM的建立与精度评估

数字高程模型（DEM）是南极冰盖变化研究的基础,由于现场实测数据的稀缺,卫星测高数据是南极地区构建DEM的主要数据来源.CryoSat-2是新一代用于极地冰盖、海冰监测的测高卫星,本文利用2012-12—2015-01两个完整周期的CryoSat-2测高数据建立一个新的南极冰盖DEM.坡度是影响卫星测高精度的重要因素之一,利用改进的重定位方法对CryoSat-2数据进行坡度改正.插值方法是影响DEM精度的重要因素,通过对几种常用插值方法的比较,最后选用克里金插值方法对测高数据进行插值,建立了1 km分辨率的南极DEM.在88°S以南的CryoSat-2数据空白区,利用南极数字数据库（ADD）的等高线数据对DEM进行填补,建立了全南极冰盖DEM.利用ICESat卫星测高数据、IceBridge航空测高数据以及GPS地面实测数据对新建立的CryoSat-2 DEM进行精度验证,并与Bamber 1 km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM以及JLB97 DEM等四种国际上常用的南极DEM进行比较.结果表明：新建立的CryoSat-2 DEM的整体精度约为0.730±8.398 m;在冰穹顶部区域,DEM精度优于1 m;在冰架上,DEM精度约为4 m;在内陆冰盖大部分地区,DEM精度优于10 m;在地形复杂的山区和沿海边缘地区,DEM误差超过150 m.

     

南极冰盖物质平衡变化的卫星遥感监测现状与发展趋势

南极冰盖物质平衡对全球海平面变化影响巨大,提高南极冰盖物质平衡估算精度对实现全球海平面变化趋势准确预测至关重要.卫星遥感技术的发展,特别是极地卫星对南极冰盖系统监测能力的提升,有助于认识、保护和利用南极,解决极地科学国际前沿难题.揭示南极冰盖对全球气候环境的响应及其反馈机制,对深化人类对南极的科学认知也具有重要意义.本文首先系统总结了用于南极冰盖监测卫星的发展现状及现有的卫星遥感数据产品序列,然后讨论了运用遥感卫星监测南极物质平衡的主要方法和研究进展,并对南极卫星遥感技术的最新进展进行了分析.最后在我国极地遥感卫星发展方面提出了建议,旨在进一步提升我国对极地冰盖变化和全球海平面上升的长期观测及预测能力,为相关应对策略的制定提供有力的科学支撑.

     

南极冰盖内部结构特性研究——基于三维各向异性电磁波时域有限差分方法

冰雷达技术已成为目前探测南极冰盖内部结构的主要技术手段.近年发展起来的多极化雷达技术可根据不同方向雷达反射功率的变化推断冰盖内部冰晶组构特征和变化规律,进而推断冰盖内部应力应变历史,这对于理解冰流机制和动力过程以及解释冰盖过去、现在和未来的变化规律具有非常重要的作用.本文从Maxwell方程出发,推导出适于介电常数各向异性的三维电磁波时域有限差分方程,进而建立模型模拟各向异性介质的响应输出及其时空分布特征.模拟结果表明： (1) 电磁波在各向异性介质中传播时,波前面为椭圆形,长轴位于介电常数小的主轴方向; (2) 横向各向异性介质反射波振幅在水平面内具有180°的变化周期.通过对现场常用三种天线装置类型模拟对比分析发现,不同天线类型各向异性层底界面反射波存在“时差”现象,并且时差大小和正负与上下层介电常数差异以及同层各向异性差异有关.在模拟计算的基础上,作者讨论了由于介电常数各向异性导致的“时间延迟”和水平面内振幅“周期性变化”的原因.模拟结果和结论对于南极冰盖冰雷达数据处理和解释工作具有指导意义.     

基于GRACE/GRACE-FO和Swarm卫星研究2002—2020年南极和格陵兰岛冰盖质量时空变化

两极冰盖消融及其质量变化作为全球气候变化的重要指标之一,一直是联合国政府间专门气候委员会IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)报告的重点关注内容.GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment,2002年4月—2017年6月)和GRACE-FO(GRACE Follow-on,2018年5月至今)重力卫星,作为监测两极冰盖质量变化最直接和有效的手段,存在近一年的观测间断期.因此本文提出联合Swarm三颗低轨卫星观测资料(2015年1月—2019年6月)和ARIMA-MC(Autoregressive Integrated Moving Average Model-Monte Carlo)预测方法来填补两组重力卫星间断期两极冰盖消融质量变化观测的时间序列,从而基于完整时间序列来研究两极冰盖质量时空变化规律.研究结果表明：(1)利用Swarm卫星反演得到的时变重力场信号和ARIMA-MC预测方法可以有效填补间断期两极冰盖消融质量变化的时间序列,但两种方法得到的结果也存在一定的差异;(2)在2002年4月—2020年3月期间,GRACE/GRACE-FO探测到南极和格陵兰岛冰盖质量变化速率分别为-119±23 Gt·a^-1和-259±20 Gt·a^-1,等效于全球平均海平面每年约上升0.33 mm和0.72 mm;(3)南极威尔克斯地区在2010—2020年期间的冰盖融化速率较2002—2009年期间增加了10倍,Swarm结果也证实了该地区近年来的加速消融;(4)2019年夏季格陵兰岛冰盖明显的加速消融与夏季北大西洋涛动有关.

     

基于ICESat块域分析法探测2003～2008年南极冰盖质量变化

利用2003～2008年间的ICESat卫星激光测高数据,通过块域交叉点分析提取南极大陆冰盖表面高程变化信息,同时探讨了卫星激光测高不同任务间的系统偏差,结合冰盖地表粒雪密度模型探测南极大陆冰盖质量变化,并对其原因做了初步分析.结果显示南极大陆冰盖高度变化具有明显的年周期信号,平均周年振幅为2.21 cm.在南极大陆的...     

联合GRACE、Swarm、GRACE-FO卫星观测确定格陵兰岛冰盖质量时空变化特征

GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)重力卫星任务的成功实施,极大推进了极地冰盖质量平衡、全球水循环和海水质量变化等领域的研究,其后续任务GRACE-FO(Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On)于2018...     

藏南羊卓雍错湖面大气湍流特征观测分析

湍流运动是大气边界层的本质特征,是地表与大气之间能量和物质交换的主要方式.本文利用2016和2017年4-10月藏南羊卓雍错湖泊涡动观测资料,分析了湖面大气湍流方差和湍流特征量的统计和变化特征.结果表明：（1）不稳定层结下,三维风速分量和超声虚温、水汽密度、CO₂密度的无量纲标准差随稳定度变化符合Monin-Obukhov相似理论的"1/3"或"-1/3"次幂律,垂直风速的拟合效果最好;稳定层结下,除CO₂密度无量纲标准差与稳定度无明显关系外,其他量基本上满足相似性规律;中性条件下,以上物理量的无量纲标准差分别趋近常数：3.57、3.93、0.77、20.91、6.35和11.96.（2）水平方向平均湍流强度（0.60和0.58）大于垂直方向（0.13）,三维方向湍流强度与平均风速的变化呈显著负相关,相关系数分别为-0.39、-0.42和-0.34.（3）湖面湍流动能随风速呈线性增长,增长率达0.45 m/s;近中性层结时湍流动能最大,层结越稳定或不稳定湍流动能均减小.（4）湖泊下午到傍晚动量输送较强,13：00-22：30时间段平均动量通量达0.091 kg/（m·s²）;热量输送以潜热为主,潜热通量日平均值（77.3 W/m²）是感热通量（14.6 W/m²）的5.3倍,感热和潜热通量日变化峰值分别出现在5：30（22.4 W/m²）和16：00（106.6 W/m²）.     

湍流强度定理和湍流发展的宏观机制

湍流是普遍存在而至今仍未被充分理解的自然现象. 简单回顾了湍流理论的发展历史和现状, 指出以不同层次利用和不同方法探讨湍流特征和机制的必要性. 为此利用非平衡态热力学理论将Reynolds湍流和Bénard湍流统一地表述在动量湍流输送定理和湍流强度定理中. 证明了流体湍流发展的宏观原因是速度剪切效应和温度剪切效应共同作用的结果, 速度剪切效应和温度剪切效应也是湍流场相空间轨线不断拉伸和折叠的宏观原因. 并以大气实验资料证明, 湍流强度唯象系数不仅是速度剪切的函数, 还是温度剪切, 即大气热力层结稳定度的函数. 从而以实验事实证明了湍流强度定理的真实性.     

湍流输送的非线性热力学性质

湍流输送是一种热力学不可逆过程,本文利用非线性热力学研究了湍流输送的特征. 将热力学流对热力学力以平衡态作为参考态进行Taylor展开,可以得到湍流输送系数是系统宏观参量梯度的Taylor级数. 线性湍流输送系数是Reynolds湍流闭合方案的K闭合湍流输送系数;而湍流输送系数非线性项则是系统偏离热力学平衡态所造成的热力学非线性效应. 湍流输送系数这一热力学性质提供了一种热力学湍流闭合方案. 线性湍流输送系数是正定的,湍流输送只能使系统宏观参量均匀化;而在远离平衡态的热力学非线性区,可能导致湍流输送系数负黏性现象. 在最小熵产生态的条件下,热力学流对热力学力Taylor展开的各级系数间存在一种递推关系. 利用这种递推关系大大减少了由实验确定的Taylor级数的系数个数.