李斐， 袁樂(lè)先， 張勝凱， 楊元德， 鄂棟臣， 郝衛(wèi)峰

武漢大學(xué)中國(guó)南極測(cè)繪研究中心， 武漢　430079

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利用ICESat數(shù)據(jù)解算南極冰蓋冰雪質(zhì)量變化

李斐， 袁樂(lè)先， 張勝凱*， 楊元德， 鄂棟臣， 郝衛(wèi)峰

武漢大學(xué)中國(guó)南極測(cè)繪研究中心， 武漢430079

摘要南極冰蓋冰雪質(zhì)量變化反映了全球氣候變化，并且直接影響著全球海平面變化.ICESat測(cè)高衛(wèi)星的主要任務(wù)之一就是要確定南北兩極冰蓋的質(zhì)量變化情況并評(píng)估其對(duì)全球海平面變化的影響.本文利用2003年10月至2008年12月的ICESat測(cè)高數(shù)據(jù)，針對(duì)南極DEM分辨率有限的特殊性，通過(guò)求解坡度改正值，解決重復(fù)軌道地面腳點(diǎn)不重合的問(wèn)題，計(jì)算了南極大陸(86°S以北區(qū)域，后文所述南極冰蓋均不包括86°S以南區(qū)域)在這5年里的冰雪質(zhì)量變化情況，得到東南極冰蓋的質(zhì)量變化為-18±20 Gt/a，西南極-26±6 Gt/a，南極冰蓋的冰雪質(zhì)量變化為-44±21 Gt/a，對(duì)全球海平面上升的影響約為0.12 mm·a-1.解算結(jié)果表明，南極冰蓋質(zhì)量虧損主要集中在西南極阿蒙森海岸附近冰川以及東南極波因塞特角區(qū)域.

關(guān)鍵詞南極冰蓋； 物質(zhì)平衡； ICESat； 重復(fù)軌道

There are two methods for calculating the mass change of the Antarctic ice sheet using altimetry satellite data: cross point method and repeat track method. The repeat track method seems more commonly applied, in which the unmeasured topography between near repeat tracks need to be considered when comparing elevations from different tracks. We applied slope corrections between the different tracks to restrict all the different tracks to one reference track, and then calculated the surface elevation changes of the Antarctic ice sheet. The mass change of the Antarctic ice sheet was estimated by using the ice density model.

The mass balance of Antarctic ice sheet was calculated to be -44±21 Gt/a including -26±6 Gt/a for West Antarctica and -18±20 Gt/a for East Antarctica using 5-year ICESat altimetry data from October 2003 to December 2008, and the contribution of the Antarctic ice sheet loss to global sea level is about 0.12 mm·a-1.

The comparison of our results with previous work shows a strong agreement. The results show that the mass losing of the Antarctic ice sheet is mainly concentrated near the Amundsen Sea in West Antarctica and Poinsett Cape in East Antarctica.

1引言

研究表明，全球平均海平面正處于加速上升的狀態(tài)(Nicholls and Cazenave, 2010).不考慮海水的熱膨脹效應(yīng)，冰雪消融是引起全球海平面上升的主要原因，在接下來(lái)的幾十年內(nèi)，南北極冰蓋的變化將是導(dǎo)致全球海平面上升的最大不確定性因素(Meier et al., 2007).南北極冰蓋正處于加速消融狀態(tài)(Chen et al., 2009; Velicogna, 2009; Luo et al., 2012)，使得冰蓋物質(zhì)平衡對(duì)全球海平面的影響占據(jù)越來(lái)越重要的地位.Rignot等(2011)指出南北極兩大冰蓋可能會(huì)成為導(dǎo)致21世紀(jì)海平面變化的主要因素.南極冰蓋是全球的最大冰蓋，其面積是北極冰蓋的三倍多，因此南極冰雪物質(zhì)平衡對(duì)全球海平面變化的研究具有重要意義.

目前主要有三種解算南極冰蓋物質(zhì)平衡的方法.第一種方法是通過(guò)計(jì)算南極冰蓋冰雪積累量與冰雪損失量之差解算南極冰蓋物質(zhì)平衡，然而這種方法計(jì)算得到的冰雪積累率精確度不高；第二種方法是借助于重力衛(wèi)星，通過(guò)重力場(chǎng)變化反演質(zhì)量變化情況，這種方法能夠有效地反映地表質(zhì)量變化，但是其空間分辨率較低，且受冰后回彈影響大；第三種方法是利用測(cè)高衛(wèi)星計(jì)算高程變化，再結(jié)合冰雪密度將高程變化轉(zhuǎn)換為質(zhì)量變化.本文利用測(cè)高衛(wèi)星，采取第三種方法解算南極冰蓋冰雪質(zhì)量變化.

ICESat測(cè)高衛(wèi)星是第一顆激光測(cè)高衛(wèi)星，其軌道傾角為94°，覆蓋了86°S范圍之內(nèi)的絕大多數(shù)南極大陸區(qū)域，激光腳點(diǎn)直徑約為65 m，在觀測(cè)條件較好的情況下其測(cè)量精度可達(dá)到2 cm(Fricker et al., 2005).與傳統(tǒng)雷達(dá)測(cè)高衛(wèi)星相比，ICESat測(cè)量精度較高，且?guī)缀鯖](méi)有穿透性，可以直接測(cè)量冰蓋表面高程變化情況(Shuman et al., 2006; Rignot et al., 2008; Pritchard et al., 2009).正因?yàn)镮CESat 測(cè)高衛(wèi)星具備以上優(yōu)越性，吸引了眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的興趣，利用其高精度測(cè)高數(shù)據(jù)對(duì)南極冰蓋冰雪物質(zhì)平衡進(jìn)行了諸多研究.其中具有代表性的有，Gunter等(2009)利用交叉點(diǎn)方法，得到南極大陸2003—2007年冰雪質(zhì)量年平均變化率為-26 Gt/a；Pritchard等(2009)利用三角網(wǎng)內(nèi)插解決重復(fù)軌道地面腳點(diǎn)不一致問(wèn)題，對(duì)南極冰蓋冰雪質(zhì)量損失的原因進(jìn)行了研究分析，指出海洋邊緣冰川動(dòng)力學(xué)作用是導(dǎo)致南極冰蓋冰雪損失的重要因素；史紅嶺等(2011)采用交叉點(diǎn)方法得到南極大陸以及附近冰架區(qū)域2003—2008年冰雪變化為-76 Gt/a.

2數(shù)據(jù)

本文采用ICESat的二級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品GLA12.34數(shù)據(jù)，包含了南極冰蓋以及格陵蘭冰蓋全部測(cè)高數(shù)據(jù).搭載在ICESat衛(wèi)星上的測(cè)高儀GLAS于2003年2月20日開(kāi)機(jī)并開(kāi)始工作，其中激光發(fā)射器 Laser 1在連續(xù)工作38天后于2003年3月29日出現(xiàn)異常，之后為了延長(zhǎng)ICESat衛(wèi)星的工作壽命，將其工作時(shí)間改為每年進(jìn)行三期測(cè)量，每期觀測(cè)時(shí)間為30天左右(Abshire et al., 2005).表1給出了ICESat各激光器的工作時(shí)間.

由于L1A以及部分L1B(2003年9月25日至10月4日)數(shù)據(jù)采用8天軌道重復(fù)周期，其空間分辨率低于91天重復(fù)周期的數(shù)據(jù)；L2E數(shù)據(jù)質(zhì)量較差；而L2F只采集了11天的測(cè)高數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量太小，因此本文在進(jìn)行解算時(shí)沒(méi)有利用以上幾期數(shù)據(jù)，最終采用2003—2008年間91天重復(fù)軌道的ICESat測(cè)高數(shù)據(jù)估算南極冰蓋冰雪高程變化，表1中用黑體字標(biāo)出的數(shù)據(jù)即為本文采用的數(shù)據(jù).

由于儀器工作狀態(tài)不同，大氣層對(duì)激光的散射作用和云層的遮擋作用隨時(shí)間和地點(diǎn)的變化以及地形影響等，使得GLA12數(shù)據(jù)的精度不盡相同.鄂棟臣等(2007)利用在Dome A采集的GPS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了ICESat測(cè)高數(shù)據(jù)的可靠性，指出其垂直精度為分米級(jí)，但其精度受地區(qū)影響，存在一定的不確定性.GLA12發(fā)布數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)其數(shù)據(jù)給出了一些控制指標(biāo)以及改正量，以說(shuō)明其數(shù)據(jù)采集情況并對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行改正.為了保證數(shù)據(jù)精度，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，本文首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，查看衛(wèi)星軌道質(zhì)量指標(biāo)、姿態(tài)控制指標(biāo)和高程控制指標(biāo)等，去除指標(biāo)不合格的數(shù)據(jù)，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行飽和度改正.為了進(jìn)一步利用更為精確的數(shù)據(jù)，將天線(xiàn)增益大于100的數(shù)據(jù)或者是天線(xiàn)增益為14到100、接收能量大于13.1×10-15J的數(shù)據(jù)去除(Nguyen and Herring, 2005).GLA12數(shù)據(jù)是在TOPEX/Poseidon橢球框架下，本文在解算前將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到WGS84參考框架下進(jìn)行運(yùn)算.

表1　激光器開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間以及相應(yīng)GLA12數(shù)據(jù)量

3利用坡度改正解決地面腳點(diǎn)的不一致

圖1　數(shù)據(jù)處理流程圖

利用測(cè)高數(shù)據(jù)解算冰蓋表面高程變化的方法主要包括交叉點(diǎn)法和重復(fù)軌道法.其中交叉點(diǎn)法精度較高，但是其數(shù)據(jù)利用率較低，為了利用更多ICESat測(cè)高數(shù)據(jù)參與解算，本文選擇重復(fù)軌道法，基于南極冰蓋實(shí)際情況，通過(guò)改進(jìn)Moholdt等(2010)提出的方法解決了重復(fù)軌道中衛(wèi)星地面腳點(diǎn)不完全一致的問(wèn)題，解算了南極冰蓋冰雪質(zhì)量變化率，數(shù)據(jù)處理過(guò)程如圖1所示.其中，重復(fù)軌道數(shù)據(jù)是基于ICESat重復(fù)周期提取得到，利用ICESat數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選，一共提取了491條有效重復(fù)軌道參與運(yùn)算.

由于衛(wèi)星受到軌道攝動(dòng)等因素影響，使得不同周期的軌道并不能完全重復(fù)，總會(huì)存在一定的差異，尤其是測(cè)量的腳點(diǎn)往往不一致(如圖2所示).為了能夠利用重復(fù)軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，避免重復(fù)軌道地面腳點(diǎn)不重合造成的誤差，必須將各個(gè)重復(fù)軌道數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一位置進(jìn)行計(jì)算.Moholdt等(2010)提出了利用獨(dú)立的DEM計(jì)算測(cè)高腳點(diǎn)處的坡度值，通過(guò)坡度改正消除不同軌道地面腳點(diǎn)的不一致性，并解算了Svalbard冰川的冰雪變化(Moholdt et al., 2010).然而，南極大陸因?yàn)槠涮厥獾沫h(huán)境，實(shí)測(cè)的地形數(shù)據(jù)極少，利用衛(wèi)星觀測(cè)技術(shù)得到的DEM分辨率又有限，絕大部分區(qū)域的DEM分辨率都很難達(dá)到100 m以?xún)?nèi)(Liu et al., 1999; 張勝凱等，2006; DiMarzio et al., 2007; Bamber et al., 2009; Griggs and Bamber, 2009).而測(cè)高衛(wèi)星重復(fù)軌道的地面腳點(diǎn)間距離一般不會(huì)很遠(yuǎn)，在本文解算的數(shù)據(jù)當(dāng)中，各地面腳點(diǎn)到參考腳點(diǎn)間的距離統(tǒng)計(jì)情況如圖3所示，其中距離在60至80 m之間的數(shù)據(jù)最多，距離在100 m以?xún)?nèi)的數(shù)據(jù)占所有參與解算數(shù)據(jù)的比例約為84%.因此利用南極大陸現(xiàn)有的DEM計(jì)算的坡度值很難滿(mǎn)足所需坡度的精度要求.為了更好地反映衛(wèi)星腳點(diǎn)附近的坡度情況，本文在Moholdt等(2010)方法的基礎(chǔ)上，將坡度值作為未知參數(shù)求解.采取如下做法：

圖2　重復(fù)軌跡內(nèi)插解算示意圖十字為同緯度軌道上的內(nèi)插點(diǎn)，灰色圓點(diǎn)為衛(wèi)星測(cè)量腳點(diǎn)，黑色三角形代表參考軌道上的“腳點(diǎn)”.

圖3　地面腳點(diǎn)到參考腳點(diǎn)間距離統(tǒng)計(jì)情況條狀圖表示不同距離區(qū)間數(shù)據(jù)量所占比例，折線(xiàn)圖表示距離區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)占所有參與解算數(shù)據(jù)的比例.

首先將各個(gè)軌道上的腳點(diǎn)高程內(nèi)插到同一緯度上，得到不同軌道在相同緯度上的高程值，圖2中十字所示即為內(nèi)插點(diǎn).內(nèi)插點(diǎn)的經(jīng)度和高程都由與之相鄰的前后兩個(gè)腳點(diǎn)利用線(xiàn)性?xún)?nèi)插方法得到.由于各重復(fù)軌道之間的間距較小，我們假設(shè)不同軌道地面腳點(diǎn)間的坡度為定值α.通過(guò)坡度改正將各軌道高程改正到參考軌道上，解決不同軌道腳點(diǎn)高程位置不統(tǒng)一的問(wèn)題.

對(duì)高程時(shí)間序列進(jìn)行分析時(shí)，考慮到坡度改正以及南極冰蓋高程存在周期性的季節(jié)影響，采用的方程如下：

(1)

+Acos2πtisin2πt0-Dtanα-hi.

(2)

利用Moholdt等(2010)提出的方法解算了南極冰蓋部分區(qū)域表面高程變化情況，并和本文提出的方法進(jìn)行了比較分析，結(jié)果如表2所示.

表2　高程變化標(biāo)準(zhǔn)差平均值

其中，Moholdt等(2010)利用的DEM數(shù)據(jù)為美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心(NSIDC)基于ICESat制作的500 m分辨率的DEM.解算了兩塊不同區(qū)域內(nèi)各腳點(diǎn)的高程變化及高程變化標(biāo)準(zhǔn)差，包括內(nèi)陸Dome A附近區(qū)域(70°E—80°E，79°S—81°S)以及沿海中山站附近區(qū)域(75°E—85°E，68°S—71°S).比較了三種不同方法在兩塊區(qū)域內(nèi)求得的高程變化標(biāo)準(zhǔn)差均值.從表中可以看出，不考慮坡度改正解算得到的標(biāo)準(zhǔn)差均值較大，解算精度較低，Moholdt等(2010)解算結(jié)果比不考慮坡度值的結(jié)果精度略有提高，本文方法的解算結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差均值最小，精度最高.由于內(nèi)陸區(qū)域(Dome A)地勢(shì)平緩，坡度接近為零，而沿海區(qū)域(ZhongShan)地勢(shì)較為復(fù)雜，坡度較大，考慮坡度改正因素后解算精度在沿海區(qū)域的改善程度更為明顯.

4解算結(jié)果

Gunter等(2009)通過(guò)比較ICESat測(cè)高數(shù)據(jù)和平均海平面模型確定了ICESat測(cè)高數(shù)據(jù)在海洋上存在2 cm·a-1的系統(tǒng)偏差，并利用冰蓋降雪量數(shù)據(jù)證明了該系統(tǒng)偏差具有全球性，史紅嶺等(2011)也得到類(lèi)似結(jié)果.本文在解算南極冰雪質(zhì)量變化過(guò)程中，扣除了2 cm·a-1的系統(tǒng)偏差.

南極大陸冰后回彈量最大的地點(diǎn)在羅斯冰架東岸地區(qū)，雖然每年回彈量較小，但是對(duì)整個(gè)南極大陸來(lái)說(shuō)，冰后回彈對(duì)估算南極冰蓋冰雪質(zhì)量變化的影響不可忽視.為了避免將冰后回彈信號(hào)誤認(rèn)為是冰雪變化信號(hào)，必須扣除冰后回彈影響.本文采用Peltier(2004)的ICE-5G模型，扣除冰后回彈引起的冰雪變化量.得到南極冰蓋高程變化量如圖4所示.本文利用的冰流域系統(tǒng)由戈達(dá)德航天中心基于ICESat測(cè)高數(shù)據(jù)建立的500 m分辨率南極DEM得到(Zwally et al., 2012).

冰雪密度取值一般認(rèn)為在330 kg·m-3至917 kg·m-3之間，取不同密度值對(duì)質(zhì)量變化解算結(jié)果影響較大.本文利用Sorge冰雪密度模型，假設(shè)冰雪密度隨冰雪厚度的增加而增加，并利用Sorge在格陵蘭冰蓋獲得的冰雪密度與冰雪厚度間的多項(xiàng)式曲線(xiàn)關(guān)系，用以解算南極冰蓋冰雪質(zhì)量變化(Bader, 1954).采用密度-厚度關(guān)系式：

ρ=338+19.58H+2.02274H2

-0.329092H3+0.0115327H4，

(3)

其中，ρ為冰雪密度，H為冰雪變化厚度，單位為m.

本文分別計(jì)算了南極冰蓋27個(gè)冰流域的平均高程變化、質(zhì)量變化以及對(duì)全球海平面的影響，如表3所示. 解算結(jié)果表3和圖4、圖5表明：南極冰蓋冰雪消融主要集中在南極大陸邊緣.位于西南極的Smith冰川(流域19)、Thwaites 冰川(流域20)以及Pine Island冰川(流域21)較為活躍，高程減少量較大，而西南極的Kamb冰川(流域17)冰雪質(zhì)量有所增加.東南極的波因塞特角附近(流域12)冰雪損失量較大.南極冰蓋內(nèi)陸地區(qū)冰雪以積累為主，變化量較小.整體來(lái)說(shuō)，南極冰蓋冰雪處于消融狀態(tài).

5討論

國(guó)內(nèi)外有利用測(cè)高數(shù)據(jù)解算南極冰雪質(zhì)量變化的結(jié)果較多，本文統(tǒng)計(jì)比較了近年來(lái)利用測(cè)高衛(wèi)星解算南極冰雪變化的部分結(jié)果，如表4所示.

Gunter等(2009)利用ICESat數(shù)據(jù)通過(guò)交叉點(diǎn)方法解算得到南極冰雪變化量為-26 Gt/a，本文與Gunter解算的冰雪變化結(jié)果在空間分布上的一致性最強(qiáng)，但是本文解算結(jié)果偏大，其原因可能有以下幾點(diǎn)：首先，解算時(shí)間不一致；其次，解算過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理方法有差異，Gunter在解算前，去除了交叉點(diǎn)高程差大于2 m的交叉點(diǎn)數(shù)據(jù)，然而，本文的解算結(jié)果顯示，在高程變化較為劇烈的地方，每年高程的變化率甚至超過(guò)1 m，所以并沒(méi)有做這一步數(shù)據(jù)剔除工作，保留了更多能夠?qū)е螺^大變化率的原始數(shù)據(jù)；除此之外，還與解算方法相關(guān)，Gunter利用的是交叉點(diǎn)進(jìn)行解算，本文利用的是重復(fù)軌道方法.

表3　2003—2008年南極冰蓋冰雪變化以及對(duì)全球海平面的影響

表4　近年利用測(cè)高衛(wèi)星解算得到南極冰雪變化比較

圖4　南極冰蓋高程變化圖

圖5　南極冰蓋冰雪質(zhì)量變化空間分布圖Remainder表示除去灰色區(qū)域外的南極大陸冰雪質(zhì)量變化.

Zwally等(2005)利用ERS(European Space Agency Remote Sensing Satellite，歐洲空間局遙感衛(wèi)星)測(cè)高數(shù)據(jù)解算了1992—2001年整個(gè)南極大陸及周邊冰架的冰雪體積變化率為-31±12 Gt/a.Li和Davis(2008)結(jié)合ERS-2和ENVIsat計(jì)算得到南極冰蓋的冰雪質(zhì)量變化率為-26±12 Gt/a.本文的解算結(jié)果要比Zwally等以及Li等計(jì)算的冰雪消融率偏大，除了與利用的數(shù)據(jù)源不同以及解算面積有所差異等原因之外，可能與南極大陸的冰雪消融速率相關(guān)，Chen等(2009)已經(jīng)利用GRACE數(shù)據(jù)證明了南極大陸的冰雪消融速度在2002—2009年間處于加快狀態(tài)，冰雪消融速度加快也會(huì)導(dǎo)致本文解算的冰雪消融率偏大.

與史紅嶺等(2011)的結(jié)果相比較，本文的結(jié)果較小，這是由于解算方法和解算區(qū)域的差異性所導(dǎo)致.史紅嶺采用交叉點(diǎn)方法計(jì)算了包括南極大陸周?chē)茉趦?nèi)的冰雪質(zhì)量變化情況，冰架是漂浮在海面上的，因此其冰雪質(zhì)量變化對(duì)全球海平面貢獻(xiàn)不大，本文利用重復(fù)軌道方法，僅解算了南極冰蓋區(qū)域的冰雪物質(zhì)平衡，解算結(jié)果不包括南極冰蓋周邊冰架的冰雪質(zhì)量變化.

Wingham等(1998)解算的南極冰雪損失量比本文的要大，其原因可能主要和解算范圍有關(guān)，ERS數(shù)據(jù)的覆蓋范圍值能達(dá)到81.5°S以?xún)?nèi)，而南極冰蓋高緯區(qū)域由于冰雪積累作用，冰雪變化以增加為主.

利用時(shí)變重力場(chǎng)反演南極冰雪質(zhì)量變化受冰后回彈的影響較大，但本文的解算結(jié)果和Chen等(2009)以及Luo等(2012)的解算結(jié)果相比，質(zhì)量變化在空間分布上還是有很強(qiáng)一致性，冰雪質(zhì)量變化主要發(fā)生在西南極Pine Island冰川附近以及圖5所示的區(qū)域內(nèi).

效存德等(2004)利用自動(dòng)氣象站測(cè)量了中山站至Dome A區(qū)域部分點(diǎn)的相對(duì)高程變化，得到1996—2002年冰蓋邊緣高積累區(qū)冰雪年積累率在0.7 m·a-1左右.本文對(duì)該區(qū)域附近的軌道數(shù)據(jù)解算結(jié)果進(jìn)行了分析.圖6所示中紅點(diǎn)為該自動(dòng)氣象站位置，帶顏色點(diǎn)為解算重復(fù)軌道得到的高程變化量.從圖中可以看出，自動(dòng)氣象站附近區(qū)域整體上來(lái)說(shuō)，冰雪處于正積累狀態(tài)，只有小范圍內(nèi)部分區(qū)域冰雪處于減少狀態(tài)，根據(jù)軌道腳點(diǎn)的高程變化量，內(nèi)插得到自動(dòng)氣象站位置高程變化率為0.02 m·a-1，與效存德等的實(shí)測(cè)值趨勢(shì)一致，但是量級(jí)沒(méi)有實(shí)測(cè)值大.從其他利用測(cè)高衛(wèi)星解算南極冰雪高程變化的結(jié)果上來(lái)看(Wingham et al., 1998, 2006; Zwally et al., 2005; Li and Davis, 2008; Gunter et al., 2009; 史紅嶺等，2011)，該區(qū)域的高程變化率量級(jí)也都要低于實(shí)測(cè)值，這可能是因?yàn)闇y(cè)高衛(wèi)星和實(shí)測(cè)值之間存在一定的系統(tǒng)偏差引起的.本文與實(shí)測(cè)值測(cè)量的時(shí)間段不一致也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量級(jí)偏小，隨著全球氣溫的不斷升高，南極冰蓋冰雪消融速度在2002—2009年間處于加快狀況，因此在2003—2008年的冰雪積累量很可能比前幾年有所降低.

圖6　東南極中國(guó)自動(dòng)氣象站附近區(qū)域衛(wèi)星軌道高程變化情況

本文解算結(jié)果顯示，南極冰蓋東南極和西南極區(qū)域冰雪質(zhì)量均存在一定損失，西南極冰雪損失更為明顯.西南極冰雪損失主要發(fā)生在流域19、20以及21，質(zhì)量損失主要是由冰川動(dòng)力學(xué)引起的，并且與冰川的快速運(yùn)動(dòng)相關(guān)(Shepherd et al., 2002).研究表明，Pine Island冰川(流域21)冰雪損失量較大的原因還和與該冰川相鄰的阿蒙森海有關(guān)，因?yàn)榘⒚缮Ｉ蠜](méi)有能夠支撐Pine Island冰川的固定冰架存在，導(dǎo)致該冰川變化相對(duì)來(lái)說(shuō)也會(huì)更加劇烈(Schutz et al., 2005).而東南極冰雪損失主要集中在波因塞特角附近區(qū)域(流域12)以及羅斯冰架東岸的Whillans冰川附近(流域16).

研究表明，由于全球冰蓋和冰川質(zhì)量虧損引起的海平面上升約為1.8 mm·a-1(Meier et al., 2007)，本文結(jié)果顯示南極冰蓋對(duì)全球海平面上升的影響約為0.12 mm·a-1，約占全球冰雪質(zhì)量虧損的6.7%.

6結(jié)語(yǔ)

本文利用2003—2008年間5年的GLA12測(cè)高數(shù)據(jù)，通過(guò)改善Moholdt等(2010)的坡度改正法解決了重復(fù)軌道地面腳點(diǎn)不統(tǒng)一的問(wèn)題，得到86°S內(nèi)包括27個(gè)冰流域在內(nèi)的南極冰蓋的高程變化.并解算了南極冰蓋冰雪質(zhì)量變化為-44±21 Gt/a，其中，包括東南極-18±20 Gt/a以及西南極-26±6 Gt/a.分析了與其他學(xué)者研究成果不一致的原因.本文的解算結(jié)果表明南極冰蓋西南極冰川較為活躍，雖然所占面積較小，但是冰雪質(zhì)量損失要大于東南極區(qū)域；東南極區(qū)域冰雪質(zhì)量存在一定虧損，主要集中在波因塞特角附近區(qū)域.南極冰蓋冰雪消融對(duì)全球海平面上升的貢獻(xiàn)大小約為0.12 mm·a-1，在冰雪消融對(duì)海平面貢獻(xiàn)中所占比例僅為6.7%.

本文解算的高程變化標(biāo)準(zhǔn)差在0.2 m·a-1以?xún)?nèi)的數(shù)據(jù)量約占總數(shù)據(jù)的89%.此外，ICESat測(cè)高數(shù)據(jù)本身也具有一定不確定性.在引入冰后回彈的過(guò)程中也會(huì)帶來(lái)一定誤差，但是，冰后回彈對(duì)衛(wèi)星測(cè)高解算冰蓋表面高程變化的影響一般不超過(guò)8%(賈路路等，2011).如何進(jìn)一步提高解算精度和可靠性還有待進(jìn)一步研究.

致謝感謝美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心(NSIDC)提供ICESat數(shù)據(jù)以及美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局(NASA)和Zwally教授提供冰流域數(shù)據(jù).

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(本文編輯何燕)

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41531069)；國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃(2012CB957701；2013CBA01804)；國(guó)家自然科學(xué)基金(41176173， 41106163，41476163)；南北極環(huán)境綜合考察及資源潛力評(píng)估專(zhuān)項(xiàng)(CHINARE2016)； 武漢大學(xué)珞珈青年學(xué)者項(xiàng)目資助.

作者簡(jiǎn)介李斐，男，1960年生，教授，博導(dǎo)，主要從事行星內(nèi)部構(gòu)造、重力場(chǎng)及極地大地測(cè)量學(xué)等方面的教學(xué)與研究.E-mail：fli@whu.edu.cn *通訊作者張勝凱，男，1977年生，博士，副教授，主要從事極地大地測(cè)量學(xué)與冰川動(dòng)力學(xué)研究.E-mail：zskai@whu.edu.cn

doi:10.6038/cjg20160108 中圖分類(lèi)號(hào)P228

收稿日期2014-10-22，2015-10-13收修定稿

Mass change of the Antarctic ice sheet derived from ICESat laser altimetry

LI Fei, YUAN Le-Xian, ZHANG Sheng-Kai*, YANG Yuan-De, E Dong-Chen, HAO Wei-Feng

ChineseAntarcticCenterofSurveyingandMapping,WuhanUniversity,Wuhan430079,China

AbstractThe mass change of the Antarctica ice sheet reflects global climate change, and can influence the global sea level directly. Since 2003 the ice, cloud and land elevation satellite (ICESat) laser altimetry mission has provided satellite altimetry data over the Antarctic up to 86°S. One of the primary missions of ICESat is to determine the change in the polar ice sheet and to assess the impact on global sea level. To better understand the effect of Antarctic ice sheet on the global sea level, this work uses the ICESat data to analyze the mass change of the Antarctic ice sheet.

KeywordsAntarctic ice sheet; Mass balance; ICESat; Repeat orbit

李斐，袁樂(lè)先，張勝凱等.2016.利用ICESat數(shù)據(jù)解算南極冰蓋冰雪質(zhì)量變化.地球物理學(xué)報(bào)，59(1):93-100,doi:10.6038/cjg20160108.

Li F, Yuan L X, Zhang S K, et al. 2016. Mass change of the Antarctic ice sheet derived from ICESat laser altimetry.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(1):93-100,doi:10.6038/cjg20160108.