南極研究科學(xué)委員會(SCAR)行動計劃“南極環(huán)RINGS”進展

唐學(xué)遠

極地動態(tài)

南極研究科學(xué)委員會(SCAR)行動計劃“南極環(huán)RINGS”進展

唐學(xué)遠

(中國極地研究中心, 上海 200136)

IPCC最近的《氣候變化中的海洋和冰凍圈特別報告》(SROCC)探討了南極冰蓋對海平面迅速上升的影響。SROCC報告指出定量預(yù)估海平面變化不確定性的重要原因之一是計算南極冰損失時缺乏對冰蓋邊緣及其鄰近區(qū)域冰下地形的了解, 特別是缺乏南極冰蓋邊緣觸地區(qū)的冰厚數(shù)據(jù)?？紤]到整個南極冰蓋的邊緣長度達62000 km的規(guī)模, 對任何一個國家而言, 要完成環(huán)南極邊緣的航空地球物理高精度探測都是一個巨大的挑戰(zhàn)。因此亟需一個國際合作計劃來推動有關(guān)南極冰蓋邊緣的探測及其科學(xué)研究。為此, 2021年3月, 南極研究科學(xué)委員會(SCAR)正式批準(zhǔn)RINGS成為行動計劃(Action Group, RINGS ice sheet margin)。

RINGS計劃的主要目標(biāo)是: 為填補南極冰蓋所有邊緣地區(qū)的知識空白, 圍繞環(huán)冰蓋邊緣的三個同心圓制定全面的航空地球物理調(diào)查計劃, 提供更完整準(zhǔn)確的冰下地形數(shù)據(jù), 以便對南極各流域的冰排放進行可靠的定量評估。次要目標(biāo)是: (1)通過確定相鄰內(nèi)陸地區(qū)的底部邊界條件, 更好地預(yù)估未來冰蓋邊緣后退的可能性及其速率; (2)通過提供相鄰冰架下空腔的水深測量新數(shù)據(jù), 更好地量化冰-海相互作用; (3)研究冰下水文學(xué), 以厘清冰蓋的底部物質(zhì)平衡和與沉積物、熱流相關(guān)的冰下地質(zhì)學(xué)。為了實現(xiàn)這些目標(biāo), 不僅需要使用雷達、重力、磁學(xué)和激光雷達等儀器完成冰蓋邊緣主環(huán)的測量, 而且還需要完成一個向海冰架環(huán)和一個向陸環(huán)的測量。新的測量有望提供更高精度的觸地區(qū)冰下地形圖, 顯著提升對觸地線區(qū)域冰下地形和冰蓋穩(wěn)定性的認(rèn)識。另外, 新獲得的數(shù)據(jù)有助于顯著提高冰蓋模型的準(zhǔn)確性、改進冰排放量的定量估計并更好地約束冰雪物質(zhì)平衡和南極對海平面上升的凈貢獻模擬結(jié)果。

RINGS計劃由挪威極地研究所的Kenichi Matsuoka等倡議發(fā)起, 中國極地研究中心孫波和唐學(xué)遠受邀成為該計劃的專家委員會成員、崔祥斌受邀成為其督導(dǎo)委員會委員。截至2022年8月, 已有來自17個國家的65名成員參加(其中中國參加人員7名)。2021年5月, RINGS計劃舉行了線上啟動會; 2022年6月, 在挪威舉行了第一次國際研討會, 由于“新冠”疫情的影響, 中國代表通過網(wǎng)絡(luò)形式參會。2022年7月RINGS發(fā)布了名為“RINGS White Paper on mapping Antarctic ice-sheet margins”的白皮書, 并在美國地球物理學(xué)會(AGU)會刊EOS上公開發(fā)表了一篇科學(xué)新聞“Circling Antarctica to unveil the bed below its icy edge”, 詳細介紹了RINGS計劃的背景、目標(biāo)和近期進展。與此同時, RINGS組織的一些國際研究項目已在籌劃中, 計劃在2023—2024年的南極考察季進行第一批次的野外調(diào)查, 以提供一個完善RINGS指導(dǎo)方針和科學(xué)需求的實踐經(jīng)驗。

2001年, 英國南極調(diào)查局編制了第一個南極基巖數(shù)字高程模型(BEDMAP)。2013年更新的BEDMAP 2完善了對南極冰量的估計。2020年, 基于質(zhì)量守恒原理解釋現(xiàn)有基巖高程數(shù)據(jù)的BedMachine方法被應(yīng)用于冰下地形的制圖。RINGS計劃近期的研究表明, 冰蓋邊緣的冰下地形直接控制著觸地線區(qū)域的穩(wěn)定性。南極冰蓋對海洋的冰通量可以通過冰厚數(shù)據(jù)與衛(wèi)星測量的邊緣附近的冰速相結(jié)合來計算確定。目前估算冰蓋物質(zhì)平衡主要通過計算冰流通量與整個冰蓋的物質(zhì)輸入(降雪)之間的差來實現(xiàn)。然而, 冰厚數(shù)據(jù)的局限性導(dǎo)致了冰流量的巨大不確定性, 最終影響了對南極物質(zhì)平衡的整體評估精度。例如, BedMachine受到衛(wèi)星觀測和氣候模型不確定性的限制, 由于在冰流方向的精度不足, 它在冰流速度低于每年20 m的地區(qū)無法正常工作。這些限制意味著該方案僅適用于南極冰蓋大約10%的地區(qū)。此外, 表面物質(zhì)平衡難以在粗糙的地形上準(zhǔn)確建模, 特別是在沿海地區(qū)。根據(jù)現(xiàn)有的 BEDMAP 和 BedMachine 數(shù)據(jù), 南極邊緣一半以上地區(qū)的冰厚分辨率仍不足以用來精確估計冰流通量?，F(xiàn)在冰蓋邊緣的地形數(shù)據(jù)還存在諸如適用性標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、連續(xù)性較差等問題。因此, 系統(tǒng)地收集邊緣附近的新雷達數(shù)據(jù), 專門用于估計冰流量, 是監(jiān)測南極冰蓋現(xiàn)狀和預(yù)測未來的關(guān)鍵步驟。

目前RINGS計劃提交給BedMachine的數(shù)據(jù)調(diào)查了觸地線附近雷達數(shù)據(jù)的可用性?？紤]到全球定位系統(tǒng)(GPS)時代之前收集的歷史數(shù)據(jù)定位置信度相對較低, RINGS僅考慮了2007年之后收集的數(shù)據(jù), 數(shù)量達6700萬個數(shù)據(jù)點。根據(jù)RINGS發(fā)布的報告, 這批數(shù)據(jù)有如下特征: (1)沿海地區(qū)的雷達數(shù)據(jù)覆蓋率很低, 只有12%的觸地線位于雷達數(shù)據(jù)點1 km范圍內(nèi), 近50%的觸地線不在數(shù)據(jù)點6 km范圍內(nèi), 約28%的觸地線不在數(shù)據(jù)點20 km范圍內(nèi); (2)在許多地區(qū), 快速冰流區(qū)的數(shù)據(jù)覆蓋率要好于緩慢移動的冰流區(qū), 但即使對于經(jīng)過充分研究的冰川, 數(shù)據(jù)也不總是沿邊緣連續(xù)可用, 原因是雷達數(shù)據(jù)通常是沿著冰流線收集的, 不是為了冰流建模而跨越冰川采集的; (3)西南極快速變化的Amundsen扇區(qū)擁有最高的數(shù)據(jù)可用性, 但Amundsen海灣附近的地區(qū)仍有約23%的觸地線不在數(shù)據(jù)點5 km范圍內(nèi), 因此沒有發(fā)現(xiàn)任何地區(qū)存在足夠的數(shù)據(jù)來進行精確的冰體輸出通量計算。為了及時解決這些問題, 需要提供沿冰蓋整個邊緣的全面可靠的基巖高程數(shù)據(jù)。RINGS計劃下一步采取措施, 首先沿著南極周邊的觸地線, 然后沿著覆蓋觸地線的向海和向陸兩側(cè), 進行“三環(huán)機載地球物理探測”。探測內(nèi)容包括: 深部冰雷達和淺層探冰雷達測量以理解最近的表面物質(zhì)平衡歷史; 重力和磁力測量以反演推斷海底地形, 并限制冰下地質(zhì)(如巖性)和地?zé)嵬康姆蔷|(zhì)性。另外, 還需要利用破冰船和無人水下航行器進行補充性的近?？睖y, 以便對來自機載重力數(shù)據(jù)的海底測深反演進行驗證, 并獲得模擬洋流和冰架下融化所需的無縫、高分辨率的海底測深數(shù)據(jù)。

RINGS計劃的詳情可參考: https://scar.org/ science/rings/about/

Progress on RINGS Action Group (ice sheet margin), Scientific Committee on Antarctic Research (SCAR)

Tang Xueyuan

(Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China)