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中国极地冰盖数值模拟研究进展.docx
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0 引言
极地冰盖(图 1)对全球热量平衡和海平面上升具有重要的影响。IPCC
第六次评估报告指出,气候变化评估中最大的不确定性之一来自对极地冰盖对
未来海平面上升贡献量的估计,格陵兰冰盖物质损失对 20 世纪全球海平面变
化贡献了 29%,南极冰盖物质损失区域差异性大,其中西南极冰盖底部由于受
到海洋环流影响融化速率相对较快
[ 1-2]
。此外,东南极尤其是威尔克斯盆地
(Wilkes Basin)也发现潜在的不稳定性
[ 3]
。
由于极地冰盖气候恶劣、难以接近,评估当前极地冰盖变化的主要手段是
基于遥感监测,在部分区域结合野外实地测量。遥感技术可以对冰盖实现全覆
盖、连续性监测。地面实地测量难以大范围实施,但是可以更精确地探测冰盖
内部构造和底部地形等关键物理信息。遥感技术和地面实地测量等多源观测为
研究极地冰盖变化提供了必备的数据资料(表 1)。
图 1
图 1 南极冰盖(a);北极的格陵兰冰盖、斯瓦尔巴群岛和冰岛(b)[在图中标
注了我国建立的台站(长城站、中山站、昆仑站、泰山站、罗斯海新站、黄河站)以
及本文提到的一些研究区域或冰川位置(威尔克斯盆地、伊丽莎白公主地、埃默里冰
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87488111/bg2.jpg)
架、普利兹湾、Totten 冰川、雅各布港冰川、瓦特纳冰帽)。Dome A 与昆仑站非常
近,Austre Lovénbreen 冰川和 Pedersenbreen 冰川与黄河站距离非常近,不再标
注]
Fig. 1 Antarctic Ice Sheet (a); Greenland Ice Sheet, Svalbard Islands
and Iceland in the Arctic (b) [The stations established by China (Great
Wall Station, Zhongshan Station, Kunlun Station, Taishan Station,
Ross Sea New Station and Yellow River Station) and some study regions or
glacier locations mentioned in this paper (Wilkes Basin, Princess Elizabeth
Land, Amery ice shelf, Prydz Bay, Totten Glacier, Jakobshavn
Glacier, Vatnajökull ice cap) are marked in the figure. Dome A, very close
to Kunlun Station, Austre Lovénbreen Glacier and Pedersenbreen Glacier
almost next to Yellow River Station, are not marked]
表 1 冰盖关键动力过程、模型中的相关变量和主要观测手段
Table 1 Key dynamic processes of ice sheet, relevant variables in the
model and main observational approaches
关键动力过
程
模型中的相关变量
主要观测手段
冰面水文过
程
冰面径流
卫星遥感、无人
机
冰面高程变
化
冰面物质平衡、冰流速
卫星遥感、
GPS、花杆、雪
坑
冰下环境和
冰下水文过
程
冰温、冰流速、冰底滑动系数、冰
盖底部融化速率、有效压力、水流
通量
冰雷达、回声测
深仪、钻孔
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87488111/bg3.jpg)
关键动力过
程
模型中的相关变量
主要观测手段
冰架崩解
冰架末端退缩速率
卫星遥感
冰架底部物
质平衡
冰架底部消融/冻结速率
回声测深仪、钻
孔
内部构造
冰温、冰流速、冰晶组构、冰龄、
杂质
冰雷达、钻孔
触地线迁移
触地线位置
卫星遥感
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基于多源观测数据作为模式边界条件和外部驱动,可以通过数值求解冰流
动力学模型,详细描述冰流的运动或预测冰盖的未来演化。冰盖数值模拟通常
包括两种:一种是诊断模拟(diagnostic modeling),用以诊断冰盖在稳态假
设和特定边界条件及参数下的动态平衡状态;也可以用来测试冰盖对某些参数
或边界条件的敏感性以及微小变化对模型行为的影响,从而确定可能反馈机制
的性质。诊断模型可用于提高对控制特定冰流行为的参数的理解,或研究一般
冰 盖 中 一 个 或 多 个 物 理 参 数 与 边 界 条 件 的 重 要 性 。 另 一 种 是 预 估 模 拟
(prognostic modeling),用以描述冰盖运动的过程,通过调整模型并使其包
括不同的物理过程,以便更好地将模拟预估与实际情况相匹配,从而更好地预
测冰盖的未来演变。预估模型既可直接用于预估(或预测)冰盖的未来变化;
也可用于重建冰盖的历史演化过程,从而有助于准确理解冰盖未来可能发生的
变化。
如果要考虑到作用在冰上的所有应力分量,full-Stokes 模型可能是最合适
的工具。在某些情形下忽略部分应力分量,可以得到简化近似方程。基于 full-
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