南极冰穹A、达尔克冰川及埃默里冰架主要物理过程观测与模拟

摘要

随着人类社会对与温室效应有关的全球变化问题的认可，以全球变暖为特征的气候变化问题成为当今人类面临的挑战之一。为了应对这一挑战，科学界需要解决两个关键科学问题：一是温室气体浓度变化与气候变化的具体机制是什么?目前这一问题尚无定论；二是未来增温背景下海平面升高幅度问题，目前对海平面升高幅度的预测最大不确定性来自科学家对不同升温情形下南极冰盖消融冰量对海平面贡献率估计的不确定性。
　　 上述关键科学问题的解决和回答与冰川学相关研究内容密切相关。众所周知，目前冰川/冰盖是能够直接记录古代大气成分的唯一载体，但是冰芯包裹气体的年龄滞后于冰的年龄，冰芯气体的年龄取决于雪向冰转变的过程(即粒雪化过程)，很显然粒雪化过程研究对于温室气体浓度与气候变化之间的机制问题研究至关重要。此外，升温背景下南极冰盖消融冰量对海平面贡献率预测的不确定性主要原因有两个，一是广袤的南极冰盖地区观测资料的不足，二是冰盖是一个开放复杂巨系统，冰盖系统(包括冰穹、冰流、冰川、冰架)对全球气候变化的响是非线性的，是冰盖系统各组成部分对气候响应的综合结果。
　　 自上世纪90年代以来以中山站为支撑平台，我国逐步实施了中山站至DomeA、埃默里冰架和达尔克冰川冰川学考察，开展了浅冰芯钻探、冰川动力观测以及冰架与海洋相互作用等研究，这使得我国冰川学家有机会参与上述科学问题的研究。然而由于观测研究起步较晚，我国对上述问题的研究还比较薄弱。本次研究工作以笔者参加中国第25次南极科学考察期间获取的达尔克冰川和埃默里冰架观测资料为基础，同时结合2004/05年中国第21次南极考察队在Dome A地区钻取的一支109.91 m浅冰芯现场观测和实验分析资料，开展了Dome A粒雪化过程、达尔克冰川动力学以及埃默里冰架与海洋相互作用过程观测与模拟研究工作，受观测资料的限制该工作侧重于理论模拟，并得到如下初步结论：
　　 (1)基于中国第21次南极考察队在Dome A地区钻取的一支深度为109.91m的浅冰芯密度、10 m深粒雪温度等观测资料，利用Herron-Langway粒雪化模型对Dome A地区粒雪化过程进行了系统的模拟。在平均积累率为0.016 m/a条件下，模型模拟的密度剖面与实际观测到的密度剖面吻合较好，模拟结果显示在当今气候条件下Dome A地区气泡封闭时冰的密度、冰的年龄和气泡封闭深度分别为0.84 g/cm3、4190 a和101.3 m。此外，在对雪的初始密度ρ0、雪的填实密度ρ1，2和气泡封闭密度ρco参数化的基础上，模拟了南极地区气泡封闭深度PCOD以及PCOD处冰的年龄随温度和积累率变化的理论曲线，该理论曲线对于野外粒雪气体采样具有重要的参考价值。
　　 (2)据中国第24次和25次南极考察队达尔克冰川运动观测资料显示，受纵向应力的驱动达尔克冰川观测区域为伸张流区域，观测到的平均纵向应变率为0.0368/a；冰川主流线上平均冰流速为173.5 m/a，冰川横断面上冰面流速从中线处向两侧减小，具有典型山谷冰川运动速度分布特征；谷地影响模型模拟结果显示，当流动定率参数取A=1.6×10-15 S-1(kPa)-3(即取温度为-5℃时的值)和形态因数F=0.646时，模拟的冰而横向速度变化与实际观测到的横向速度变化吻合较好。
　　 (3)中国第25次南极考察队在埃默里冰架前缘水域获取的14个站位CTD观测资料以及冰架上纵向和横向两个观测断面共计8个考察站点高精度GPS观测资料，验证了Williams et al.(2001)利用三维“基本环流”模型对埃默里冰架下“海洋腔”环流形式的基本模拟结果。此外，埃默里冰架前缘水域温盐分布形式(随深度和经度变化剖面)显示，冰架西侧(72.5°E以西)出流冰架水的水平尺度约70 km，垂直厚度约200 m。

目录

文摘

英文文摘

前言

第一章 研究材料及观测方法

第二章 冰穹A粒雪化过程观测与模拟

第一节 冰穹A概况

第二节 粒雪化过程基本模型

一、Herron-Langway模型

二、Alley-Arzt物理模型

三、粒雪气体扩散模型

第三节 Dome A粒雪化过程观测与模拟

第三章 达尔克冰川动力学观测与模拟

第一节 达尔克冰川概况

第二节 达尔克冰川表面变形构造特征

第三节 冰川动力学基本模型

一、冰川流动应力平衡方程

二、层流模型

三、伸张流与压缩流模型

四、谷地影响模型

第四节 达尔克冰川动力学观测与模拟

第四章 埃默里冰架与海洋相互作用过程观测与模拟

第一节 埃默里冰架研究概况

第二节 冰架与海洋相互作用基本模型

一、一维“羽流”模型

二、二维“温盐”环流模型

三、三维基本环流模型

第三节 埃默里冰架与海洋相互作用过程观测与模拟结果对比

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

博士后期间主要科研成果