南极研究科学委员会(SCAR)行动计划Bedmap 3项目进展

崔祥斌

(中国极地研究中心, 上海 200136)

冰厚和冰下地形是南极冰盖的基本几何特征参数, 不仅是准确估算南极冰盖总量、揭示南极大陆地貌特征的基础, 更是冰盖动力和地球系统模式评估南极冰盖物质平衡及其对全球气候和海平面影响的重要输入条件。此外, 冰下地形作为南极冰盖的下界面, 通过摩擦阻力影响冰盖流动, 并与冰下水的流动路径紧密相关, 是影响冰盖快速变化和不稳定性的重要因素。冰厚和冰下地形还是包括深冰芯、冰下湖、冰下基岩和沉积物等在内的各类南极冰盖钻探选址的重要依据。因此, 高效精细地测绘南极冰盖的厚度和冰下地形, 具有重要的科学价值。

虽然地震、重力和钻孔等方法也可以用于测量或推断南极冰盖的冰厚和冰下地形, 但是, 迄今为止, 冰雷达技术凭借数据信息丰富、准确性高、后勤保障要求低等优点, 依然是最有效、应用最广泛的冰厚和冰下地形测量方法。过去60多年里, 国际上持续对南极冰盖开展航空和地面冰雷达探测, 从而获取冰厚和冰下地形数据以及冰盖内部结构和冰底环境信息。由于南极冰盖面积广阔(近1400万平方公里), 国际上也同步在致力于通过汇集已有观测数据编译生成全南极范围的冰厚和冰下地形数据集, 其中最有名的是南极冰下地形制图计划(Antarctic Bedrock Mapping Project, Bedmap), 包括2001年发布的Bedmap 1和2013年发布的Bedmap 2冰厚和冰下地形数据集。近年来, 出于提升数据空间网格分辨率的目的, 基于“物质守恒”(Mass Conservation)和深度学习的先进方法也被用于全南极冰厚和冰下地形数据集的编译(例如BedMachine Antarctica和DeepBedMap), 为模式研究提供了更为精细多样的数据产品选择。

自Bedmap2生成以来, 国际上陆续在南极多个数据空白区和稀疏区开展了大量新的冰雷达观测。补充收录新的冰厚和冰下地形观测结果, 改进过去的模型插值和反演方法, 从而为冰盖和气候模式提供更准确的边界条件和输入参数, 成为推动构建新一代南极冰厚和冰下地形模型Bedmap 3的重要基础和驱动。为此, 国际南极雷达冰川学界和地球物理学界先后在2016年马来西亚吉隆坡南极研究科学委员会(SCAR)开放科学大会、2018年瑞士达沃斯SCAR开放科学大会、2019年美国斯坦福国际冰川学会(IGS)“雷达冰川学五十周年”会议和2019年韩国仁川SCAR地球科学会议上, 就Bedmap 3进行了细致的讨论, 决定将Bedmap 3作为SCAR资助项目之一, 并确定了数据汇交格式、产品形式、数据发布等具体事项, 形成了Bedmap 3核心工作组成员名单。2020年11月, SCAR执行委员会(Executive Committee)正式批准Bedmap 3成为行动计划(Action Group)项目之一(https://www.scar.org/science/bedmap3/about/).

Bedmap 3是一个国际合作项目, 致力于构建新一代南极冰盖冰厚和冰下地形数据图和数据集。相较于Bedmap 2, Bedmap 3的重要贡献将主要体现在以下三个方面。

1.最全面、最准确的实测数据收录。一方面, Bedmap 3几乎实现了对Bedmap 2后所有南极冰盖冰厚和冰下地形实测数据的收录, 其中, 最具代表性的工作包括中国主导完成的南极最大数据空白区——伊丽莎白公主地(Princess Elizabeth Land)的观测数据、美国NASA冰桥计划(Operation IceBridge)观测数据、填充里卡弗里冰川(Recovery Glacier)和支撑力量冰川(Support Force Glacier)之间数据空白区的观测数据、填充玛利亚伯德地(Marie Byrd Land)西部数据空白区的观测数据、覆盖南极点周边区域的南极点填充计划(PolarGap)观测数据、德国在毛德皇后地(Dronning Maud Land)的新的观测数据、以最古老深冰芯钻探选址为目标覆盖了冰穹F和冰穹C区域的观测数据等; 另一方面, 20世纪70年代美国自然科学基金(National Science Foundation, NSF)-英国斯科特极地研究所(Scott Polar Research Institute, SPRI)-丹麦技术大学(Technology University of Denmark, TUD)联合发起的南极大范围冰雷达探测数据集(NSF-SPRI-TUD)的再处理结果、20世纪80、90年代苏联在东南极伊丽莎白公主地扇区冰盖沿岸的冰雷达观测结果, 也将首次被更新到Bedmap 3中。这些数据都将极大提升Bedmap 3中基础实测数据的覆盖和精度, 而编译生成的冰厚和冰下地形高程数值模型的空间分辨率将从Bedmap 2的1 km提升到500 m。

2.首次发布和共享冰厚和冰下地形高程原始数据。以往的Bedmap数据集仅提供基于实测数据插值后的数据产品, 原始的冰厚和冰下地形高程数据并不发布和共享。随着对数据挖掘分析和对冰底环境研究的深入, 国际雷达冰川学界逐渐意识到, 插值后的数据产品, 虽然可以很便利地用于模式研究,但是却平滑掉了实测数据中沿测线方向的高频冰厚和冰下地形变化信息, 这对于分析小尺度(十米到百米量级)的冰下地形及其对冰盖运动的影响是非常不利的。因此, Bedmap 3在征得所有数据拥有者同意的基础上, 将首次发布和共享原始的观测数据值, 供科学家开展更具针对性的数据分析和研究。

3.更加多样的数据产品。除发布冰厚和冰下地形高程原始数据、插值后的网格数据外, Bedmap 3还将提供基于“物质守恒”方法的全南极冰下地形数值高程模型产品, 并且提供基于空间分析算法的基础冰床粗糙度数据产品。后者对于定量刻画冰下地形、研究不同尺度冰下地形特征及其与冰流运动、冰下地质和冰下水热环境的相互作用具有重要的价值。Bedmap 3计划同步发表两篇科学论文，其中一篇着重介绍数据产品及其科学意义，另一篇则主要介绍数据库和网络服务器。此外, 在教育和科普延伸方面, Bedmap 3将推出地图、数字可视化和三维模型等一系列产品。

目前, Bedmap 3作为1个3年周期的SCAR行动计划项目来执行, 已经完成了前期的数据收集和数据初步集成编译工作。在日程安排上, Bedmap 3计划在2021年上半年完成科学论文的编写、数据发布门户的建设和同步的数据发布。未来, Bedmap 3也会持续收录新的南极冰盖冰厚和冰下地形高程实测数据, 并且有望完成1～2次各类数据产品的相应更新。