南极研究科学委员会(SCAR)行动计划“南极环RINGS”进展

唐学远

极地动态

南极研究科学委员会(SCAR)行动计划“南极环RINGS”进展

唐学远

(中国极地研究中心, 上海 200136)

IPCC最近的《气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告》(SROCC)探讨了南极冰盖对海平面迅速上升的影响。SROCC报告指出定量预估海平面变化不确定性的重要原因之一是计算南极冰损失时缺乏对冰盖边缘及其邻近区域冰下地形的了解, 特别是缺乏南极冰盖边缘触地区的冰厚数据。考虑到整个南极冰盖的边缘长度达62000 km的规模, 对任何一个国家而言, 要完成环南极边缘的航空地球物理高精度探测都是一个巨大的挑战。因此亟需一个国际合作计划来推动有关南极冰盖边缘的探测及其科学研究。为此, 2021年3月, 南极研究科学委员会(SCAR)正式批准RINGS成为行动计划(Action Group, RINGS ice sheet margin)。

RINGS计划的主要目标是: 为填补南极冰盖所有边缘地区的知识空白, 围绕环冰盖边缘的三个同心圆制定全面的航空地球物理调查计划, 提供更完整准确的冰下地形数据, 以便对南极各流域的冰排放进行可靠的定量评估。次要目标是: (1)通过确定相邻内陆地区的底部边界条件, 更好地预估未来冰盖边缘后退的可能性及其速率; (2)通过提供相邻冰架下空腔的水深测量新数据, 更好地量化冰-海相互作用; (3)研究冰下水文学, 以厘清冰盖的底部物质平衡和与沉积物、热流相关的冰下地质学。为了实现这些目标, 不仅需要使用雷达、重力、磁学和激光雷达等仪器完成冰盖边缘主环的测量, 而且还需要完成一个向海冰架环和一个向陆环的测量。新的测量有望提供更高精度的触地区冰下地形图, 显著提升对触地线区域冰下地形和冰盖稳定性的认识。另外, 新获得的数据有助于显著提高冰盖模型的准确性、改进冰排放量的定量估计并更好地约束冰雪物质平衡和南极对海平面上升的净贡献模拟结果。

RINGS计划由挪威极地研究所的Kenichi Matsuoka等倡议发起, 中国极地研究中心孙波和唐学远受邀成为该计划的专家委员会成员、崔祥斌受邀成为其督导委员会委员。截至2022年8月, 已有来自17个国家的65名成员参加(其中中国参加人员7名)。2021年5月, RINGS计划举行了线上启动会; 2022年6月, 在挪威举行了第一次国际研讨会, 由于“新冠”疫情的影响, 中国代表通过网络形式参会。2022年7月RINGS发布了名为“RINGS White Paper on mapping Antarctic ice-sheet margins”的白皮书, 并在美国地球物理学会(AGU)会刊EOS上公开发表了一篇科学新闻“Circling Antarctica to unveil the bed below its icy edge”, 详细介绍了RINGS计划的背景、目标和近期进展。与此同时, RINGS组织的一些国际研究项目已在筹划中, 计划在2023—2024年的南极考察季进行第一批次的野外调查, 以提供一个完善RINGS指导方针和科学需求的实践经验。

2001年, 英国南极调查局编制了第一个南极基岩数字高程模型(BEDMAP)。2013年更新的BEDMAP 2完善了对南极冰量的估计。2020年, 基于质量守恒原理解释现有基岩高程数据的BedMachine方法被应用于冰下地形的制图。RINGS计划近期的研究表明, 冰盖边缘的冰下地形直接控制着触地线区域的稳定性。南极冰盖对海洋的冰通量可以通过冰厚数据与卫星测量的边缘附近的冰速相结合来计算确定。目前估算冰盖物质平衡主要通过计算冰流通量与整个冰盖的物质输入(降雪)之间的差来实现。然而, 冰厚数据的局限性导致了冰流量的巨大不确定性, 最终影响了对南极物质平衡的整体评估精度。例如, BedMachine受到卫星观测和气候模型不确定性的限制, 由于在冰流方向的精度不足, 它在冰流速度低于每年20 m的地区无法正常工作。这些限制意味着该方案仅适用于南极冰盖大约10%的地区。此外, 表面物质平衡难以在粗糙的地形上准确建模, 特别是在沿海地区。根据现有的 BEDMAP 和 BedMachine 数据, 南极边缘一半以上地区的冰厚分辨率仍不足以用来精确估计冰流通量。现在冰盖边缘的地形数据还存在诸如适用性标准不统一、连续性较差等问题。因此, 系统地收集边缘附近的新雷达数据, 专门用于估计冰流量, 是监测南极冰盖现状和预测未来的关键步骤。

目前RINGS计划提交给BedMachine的数据调查了触地线附近雷达数据的可用性。考虑到全球定位系统(GPS)时代之前收集的历史数据定位置信度相对较低, RINGS仅考虑了2007年之后收集的数据, 数量达6700万个数据点。根据RINGS发布的报告, 这批数据有如下特征: (1)沿海地区的雷达数据覆盖率很低, 只有12%的触地线位于雷达数据点1 km范围内, 近50%的触地线不在数据点6 km范围内, 约28%的触地线不在数据点20 km范围内; (2)在许多地区, 快速冰流区的数据覆盖率要好于缓慢移动的冰流区, 但即使对于经过充分研究的冰川, 数据也不总是沿边缘连续可用, 原因是雷达数据通常是沿着冰流线收集的, 不是为了冰流建模而跨越冰川采集的; (3)西南极快速变化的Amundsen扇区拥有最高的数据可用性, 但Amundsen海湾附近的地区仍有约23%的触地线不在数据点5 km范围内, 因此没有发现任何地区存在足够的数据来进行精确的冰体输出通量计算。为了及时解决这些问题, 需要提供沿冰盖整个边缘的全面可靠的基岩高程数据。RINGS计划下一步采取措施, 首先沿着南极周边的触地线, 然后沿着覆盖触地线的向海和向陆两侧, 进行“三环机载地球物理探测”。探测内容包括: 深部冰雷达和浅层探冰雷达测量以理解最近的表面物质平衡历史; 重力和磁力测量以反演推断海底地形, 并限制冰下地质(如岩性)和地热通量的非均质性。另外, 还需要利用破冰船和无人水下航行器进行补充性的近海勘测, 以便对来自机载重力数据的海底测深反演进行验证, 并获得模拟洋流和冰架下融化所需的无缝、高分辨率的海底测深数据。

RINGS计划的详情可参考: 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)