引用本文
吴晨曦, 刘世杰, 田一翔, 童小华. 基于多源遥感数据的南极三大冰架前端变化分析[J]. 地球科学进展, 2016, 31(2): 206-212.
Wu Chenxi, Liu Shijie, Tian Yixiang, Tong Xiaohua. .Change Analysis of Three Major Antarctic Ice Shelves Based on Multi-source Remote Sensing Data[J]. Advanced Earth Science, 2016, 31(2): 206-212.  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2016.02.0206.
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基于多源遥感数据的南极三大冰架前端变化分析
吴晨曦1,2, 刘世杰1,2*,*, 田一翔1,2, 童小华1,2
1.同济大学 测绘与地理信息学院,上海 200092
2.同济大学 空间信息科学及可持续发展应用中心,上海 200092
*通信作者:刘世杰(1982-),男,湖南娄底人,讲师,主要从事高分辨率遥感及其应用研究.E-mail:liusjtj@tongji.edu.cn

作者简介:吴晨曦(1991-),女,江苏南通人,硕士研究生,主要从事极地遥感研究.E-mail:13_wuchenxi@tongji.edu.cn

基金:国家重大科学研究计划项目“近百年极地冰盖/冰架变化对全球海平面上升的总体贡献定量研究”(编号:2012CB957701)和“全球海平面上升对我国典型区域海平面的影响研究”(编号:2012CB957704)资助
摘要

近年来,南极冰架发生较多消融、崩解等现象。利用已有的1997年和2000年的Radarsat全南极海岸线产品、2003/2004年和2008/2009年的MODIS全南极海岸线产品,以及基于2006年、2012年和2015年MODIS影像提取的海岸线,共7期数据,对南极Ross,Filchner-Ronne和Amery三大冰架前端的变化进行了分析,以变化面积、累积变化量(Shoreline Change Envelope,SCE)和净变化量(Net Shoreline Movement,NSM)3个指标来评估冰架前端的变化。结果表明,1997—2015年,Amery冰架一直呈现增长趋势,前端大部分区域往外延伸20~25 km,增长面积达3.03×103 km2;Ross冰架和Filchner-Ronne冰架在发生崩解后受上游冰川推进作用仍不断向外增长,但增长面积小于崩解退缩面积,冰架面积分别减少9.39×103 km2和5.86×103 km2,冰架崩解区域前端退缩最大达到53 km和39 km。

关键词: 南极; 冰架; 海岸线; 变化分析
中图分类号:P728.2 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2016)02-0206-07
Change Analysis of Three Major Antarctic Ice Shelves Based on Multi-source Remote Sensing Data
Wu Chenxi1,2, Liu Shijie1,2,*, Tian Yixiang1,2, Tong Xiaohua1,2
1.College of Surveying and Geo-Informatics, Tongji University, Shanghai 200092, China
2.Center for Spatial Information Science and Sustainable Development, Tongji University, Shanghai 200092, China

First author:Wu Chenxi(1991-), female, Nantong City, Jiangsu Province, Master student. Research areas include polar remote sensing research.E-mail:13_wuchenxi@tongji.edu.cn

Corresponding author:Liu Shijie(1982-), male, Loudi City, Hu’nan Province, Lecturer. Research areas include high resolution remote sensing and its applications.E-mail:liusjtj@tongji.edu.cn

Fund:Project supported by the National Key Basic Research Program of China “Precise quantitative study of mechanisms of polar ice and sea-level change of global and typical areas over the past century”(No.2012CB957701) and “Global sea level rising impact on typical regional sea level of China”(No.2012CB957704)
Abstract

In recent years, melting and calving happen in the Antarctic ice shelves. In this paper, seven periods of coastlines were applied to provide an analysis of the ice front changes of Ross, Filchner-Ronne and Amery ice shelves with the inclusion of 1997 and 2000 Radarsat products, 2003/2004 and 2008/2009 MODIS products and 2006, 2012, 2015 coastline which were extracted from MODIS images. Change area, SCE (Shoreline Change Envelope) and NSM (Net Shoreline Movement) were applied to analyze the variation of the ice shelf front. The results shows that, the ice front of Amery ice shelf has advanced since 1997 and the total outward extension distance of the ice front was about 20 to 25 km while the advance area reached 3.03×103 km2. Ross ice shelf and Filchner-Ronne ice shelf continued to advance after ice calving events under the driver action of glacier. However, the advance area was less than the retreat area and the net change area is respectively -9.39×103 km2 and -5.86×103 km2. The retreat distance of the collapse area were up to 53 km and 39 km in the two biggest ice shelves.

Keyword: Antarctica; Ice shelf; Coastline; Change analysis.
1 引言

受温室效应影响, 全球正呈现逐渐变暖的趋势, 南极的物质量也随之发生变化。其中, 南极边缘区域是南极物质平衡研究的重要区域, 对全球海平面变化有很大影响。由于南极气候恶劣, 针对南极的研究大多依靠遥感的手段[1]。美国地质勘探局(United States Geological Survey, USGS)基于Landsat, Radarsat, LIMA以及MOA等多种卫星影像数据发布了西南极沿海及Amery区域的海岸线变化图, 对冰架边缘的变迁过程进行了研究[2~4]。卫星测高手段也被有效地应用于南极冰盖变化研究, 利用ICESat激光测高数据探测出南极边缘冰川的动态变化最为显著[5]。Paolo等[6]运用雷达测高数据对冰架的厚度进行观测, 表明南极冰架的消融正在加速。特别是在西南极, Pine Island, Thwaites和Smith等冰川在加速退缩、变薄, 它们的消融速度比20世纪加快了约70%[7~10]。

此外, 遥感还用来监测南极冰架频频发生的崩解事件。Rack等[11]利用影像数据观测并分析了Larsen B冰架的崩塌以及冰架前端退缩的变化量。Ferrigno等[12]基于遥感影像指出Filchner冰架在1986年8月中旬发生崩解事件, 致使冰架前端减少了11 500 km2。Rignot[13]利用1947年和1966年的航空影像, 1973年和1980年的光学卫星影像以及1992年、1996年和2000年的InSAR数据监测到Pine Island海湾在20世纪90年代出现的裂隙, 并揭示出冰架前端有退缩的趋势。Cook等[14]基于航空、卫星影像等数据研究了南极半岛的变化, 发现冰架在过去的50年里减少28 000 km2, 并对各个冰架的退缩崩解进行了分析。Lazzara等[15]利用AVHRR及Radarsat影像监测Ross冰架在2000年发生的崩解事件。

综上所述, 遥感被广泛地应用于南极边缘区域的研究。而边缘区域一直处在不断变化中, 且近年来崩解时有发生, 因此本文结合已有的Radarsat(1997, 2000)和MODIS(2003/2004, 2008/2009)全南极海岸线数据产品以及2006年、2012年和2015年3期MODIS影像, 对1997— 2015年南极三大冰架(Ross冰架、Filchner-Ronne冰架和Amery冰架)的变化情况进行研究。

2 研究区域及数据
2.1 研究区域

本文研究区域包括Ross冰架、Filchner-Ronne冰架和Amery冰架, 其分布如图1a所示。Ross冰架位于西南极爱德华七世半岛和罗斯岛之间, 是南极最大的冰架(图1b)。冰架南北宽约970 km, 整体面积约520 000 km2。Filchner-Ronne冰架位于西南极维德尔海沿岸, 西部为Ronne冰架, 东部为Filchner冰架, 2个冰架的总面积达到260 000 km2, 是南极第二大冰架(图1c)。Amery冰架是南极的第三大冰架(图1d), 也是东南极最大的冰架。同位于东南极的Lambert冰川与Amery冰架形成南极最大的冰流系统, 由于Lambert冰川不断向Amery冰架注入冰流[17], 使得冰架前端不断向外延伸。

图1 研究区域及数据
(a)三大冰架在南极的分布图; (b)Ross冰架多时期海岸线; (c)Filchner-Ronne冰架多时期海岸线; (d) Amery冰架多时期海岸线, 底图为1997年Radarsat镶嵌图[16]Fig.1 Study area and data
(a) Distribution of three biggest ice shelves; (b) Coastlines of Ross ice shelf during a continuous period; (c) Coastlines of Filchner-Ronne ice shelf during a continuous period; (d) Coastlines of Amery ice shelf during a continuous period. The background is Radarsat Mosaic in 1997[16]

2.2 研究数据

本文使用的海岸线数据包括1997年和2000年的Radarsat海岸线产品、2003/2004年和2008/2009年的MODIS海岸线产品, 以及本文从2006年、2012年和2015年MODIS影像上提取的海岸线, 共7期数据, 其在各个冰架上的分布见图1b~d。

1997年和2000年的Radarsat海岸线产品是采用自适应阈值的分割方法从Radarsat镶嵌图上自动提取所得, 其精度为130 m, 影像和海岸线可从美国伯德极地研究中心网站下载(http:∥research.bpcrc.osu.edu/rsl/radarsat/data/)。2003/2004年和2008/2009年的MODIS海岸线产品是通过目视解译从MODIS镶嵌图中提取所得, 主要是对岩石、沿海冰崖、厚的永久浮冰、海冰进行矢量化获得, 产品精度为250 m[18], 来源于美国国家冰雪数据中心(http:∥nsidc.org/data/)。这些产品被广泛应用于海岸线的变化研究[19, 20]以及探究南极边缘区域的物质变化[6, 21]。

2006年、2012年和2015年3个时期的海岸线是从MODIS影像上提取得到, 影像分辨率为250 m, 成像时间为1~2月。首先, 对MODIS数据进行了几何纠正, 选取WGS84南极立体方位投影为基准投影方式, 纠正后的影像与Radarsat镶嵌图进行检核。然后, 采用ISODATA算法对MODIS影像中的水体和冰面进行聚类。最后, 运用最大似然分类法将影像分为冰和水体2类, 继而提取出冰架前端与水体的边界。少量海冰的存在会影响海岸线提取的准确性, 因此对本文提取的海岸线进行了人工检查和修正。为了验证海岸线的提取精度, 将Amery区域提取的海岸线与目视解译结果进行对比, 提取误差在一个像素以内。

3 研究方法

本文主要采用3个指标来对三大冰架前端变化进行分析, 分别是变化面积、 累积变化量(Shoreline Change Envelope, SCE)和净增长量(Net Shoreline Movement, NSM)。

SCE和NSM都是基于垂直断面法的统计指标, 已被开发为Arcgis的拓展模块— — 数字岸线分析系统(Digital Shoreline Analysis System, DSAS)[22]。在使用垂直断面法建模时, 采用缓冲区法生成基线, 设置海岸线基线的平滑距离为多期海岸线的平均距离, 使断面线基本平行, 断面线生成的间隔为200 m。SCE统计了每个截面中离基线最近和最远海岸线之间的距离, 即为海岸线的最大变化范围。NSM则统计了时间序列上最近和最远2期海岸线的净变化距离, 以此来表征海岸线多年的净变化量。

4 三大冰架变化及分析

(1) Ross冰架前端变化

Ross冰架前端在近十多年里发生了比较大的变化。1997— 2000年, 整个冰架以退缩为主, 面积减少了1.08× 104 km2(表1)。退缩主要由2000年的崩解引起, 崩解区域从冰架前端的东部一直延伸至中间区域(图2a), 形成的B-15冰山从Ross冰架前端分离[2]。2000— 2003年, 海岸线也呈现退缩的趋势(图2b), 退缩面积达到5.07× 103 km2(表1), 这是由于Ross冰架的西部在2002年发生了崩解事件, 崩解形成的C-18和C-19冰山从Ross冰架前端分离, 其中C-19B冰山长约200 m, 宽约35 km, 且崩解使得Ross冰架退缩到1911年时的面积[2]。2003年以后, Ross冰架前端一直向外增长, 年均增长率约为1.63× 103 km2(表1)。

表1 三大冰架前端面积变化量(单位: 103 km2) Table 1 The area changes of the three biggest ice shelves (unit: 103 km2)

从SCE变化曲线图可知(图3), 1997— 2015年, Ross冰架前端经历了较大的变化, A区域和C区域的最大变化量已达到40 km, B区域的最大变化量约为20 km。从NSM变化曲线可知(图3), B区域的净变化量为正, 说明该区域整体呈现增长趋势, 而A和C区域的净变化量为负, 说明A和C区域的冰架前端在这18年里整体向后退缩, 尽管2002年后, A和C区域受冰流推动作用继续增长, 其前端仍然未增长到1997年的位置。综合SCE和NSM可见, 造成A区域和C区域海岸线变化的主要原因是冰架前端的崩解[2], 而NSM绝对值小于SCE, 说明冰架前端除了崩解还有增长。而B区域的NSM曲线和SCE曲线重合, 表明冰架前端一直处在增长状态中, 其变化主要是受到上游冰流的注入和推进作用[23]。

图2 Ross冰架前端变化图Fig.2 The ice front changes of Ross ice shelf

图3 Ross冰架前端海岸线变化范围图Fig.3 The coastline change range of Ross ice shelf

研究表明, 崩解是Ross冰架海岸线退缩的主要原因, 而导致冰架崩解的原因仍待研究。尽管自1957年以来, 该区域的温度确实呈现逐渐变暖的趋势[24], 但冰架内部稳定性对于崩解的发生也有一定影响[25, 26]。而冰架前缘向外增长主要是受冰流的作用, Ferrigno等[2]指出Ross冰架区域的冰流速达到700 m/a。

(2) Filchner-Ronne冰架前端变化

Filchner-Ronne冰架系统前端在近十多年中变化并不一致, Filchner冰架前端不断向前增长, 而Ronne冰架前端则是先退缩再增长。1997— 2000年, 随着冰流注入, Filchner冰架部分开始向外增长, 而Ronne冰架的前端则大幅度退缩(图4), 这是由于1998— 2000年Ronne冰架前端多次发生崩解事件[3], 冰架面积减少1.63× 104 km2(表1)。而冰架崩解并非是由全球变暖引起的, 而是与冰架物质的累积有关[3]。自崩解后, 冰架前端开始向外增长, 增长速率约为2.08× 103 km2/a(表1), 增长主要受冰流作用, 冰架前端的最大冰流速可达1 736 m/a[3]。

图4 Filchner-Ronne冰架前端变化图Fig.4 The ice front changes of Filchner-Ronne ice shelf

通过Filchner-Ronne冰架前端海岸线的最大变化量可知(图5), 1997— 2015年, 该冰架海岸线的最大变化量达到60 km。从变化分布图看, 主要是Filchner冰架(C区域)和Ronne冰架(A区域)的前端变化, 而伯克纳岛(B区域)的边缘一直是处于比较稳定的状态。这是由于受岛屿阻隔的影响, 伯克纳岛处冰流速较小[23], 因此, 该区域海岸线几乎没有变化。而从NSM来看, 位于A区域的Ronne冰架总体呈现退缩的趋势, 而C区域的Filchner冰架则是处于增长状态。综合SCE和NSM曲线可知, 造成A区域变化的主要原因是冰架崩解。而从变化量可见, NSM的绝对值小于SCE, 因此A区域虽然遭受崩解, 但也存在增长。对于C区域而言, SCE和NSM曲线完全重合, 说明该区域冰架前端受冰流推进一直处在增长中[23]。

图5 Filchner-Ronne冰架前端海岸线变化范围图Fig.5 The coastline change range of Filchner-Ronne ice shelf

(3) Amery冰架前端变化

自1997年以来, Amery冰架前端一直处于稳定增长状态, 增长速度为0.17× 103 km2/a(表1)。Amery海岸线在1997— 2015年的平均变化范围为20~25 km(图6)。NSM和SCE曲线基本重合, 说明在此期间, 冰架前端未发生冰架崩解事件。而由海岸线的变化范围可知, 冰架前端的中部区域变化范围最大, 两端变化较小, 造成这种现象的原因是冰架前端的冰流速比两边大[23]。

然而, 早在1963年末至1964年初, 该区域却发生了比较大的冰架崩解事件[4]。此后, 虽然Lambert冰川向Amery冰架注入冰流, 使得冰架前沿不断向外增长, 但冰架前端还未增长到1963年崩解发生之前的位置[27], 这也可能是Amery冰架一直保持稳定增长的原因。崩解事件后, Amery冰架前端则以1 300~1 400 m/a的速度向外增长[27]。Zhao等[28] 研究表明, Amery冰架前端自20世纪80年代起累积率不断增加, 且该区域的温度在半个世纪里未有大的变化。此外, 根据冰架动力学, Amery冰架底部的冰隆也可有效地维持冰架的稳定性[29]。

图6 Amery冰架前端海岸线变化范围图
为对应NSM和SCE图, 将影像逆时针旋转90° Fig.6 The coastline change range of Amery ice shelf
For the corresponding figure NSM and SCE, rotating the upper image 90 counterclockwise

5 结论与展望

利用已有的4期海岸线冰架产品以及基于MODIS影像提取的3期海岸线研究了1997— 2015年南极三大冰架变化情况, 通过面积变化、NSM和SCE 指标评估和分析了冰架变化。结果表明, Ross冰架和Filchner-Ronne冰架前端发生大的崩解事件, 尽管在发生崩解后冰架前端受冰川的推进作用而继续增长, 但这2个冰架总体呈现了向后退缩的趋势。其中, Ross冰架的最大退缩量达到53 km, 面积减少了9.39× 103 km2; Filchner-Ronne冰架的最大退缩量达到39 km, 面积减少了5.86× 103 km2。在Filchner-Ronne冰架系统中, 尽管Filchner冰架一直处于增长状态, 但由于Ronne冰架前端发生崩解, 整个冰架前端面积仍然减少。而Amery冰架从1997 年至今始终处于持续向外增长的趋势, 冰架前端整体往外延伸20~25 km, 增长面积达3.03× 103 km2。

冰架增长是因为受到上游冰川的冰流注入和推进作用, 使得冰架前端一直往外延伸。冰架退缩的直接原因是冰架崩解, 而导致冰架崩解的因素有2个方面:一是全球变暖使得冰架加速消融变薄, 另一方面, 冰架受海水潮汐以及冰架本身的重力作用, 当冰架粘结力和海水浮力无法支撑前端重量时, 就会发生冰裂和崩解。

冰架的物质量变化不仅与冰架面积变化有关, 也与冰架底部的消融具有很大的相关性。下一步的研究重点是结合冰架厚度的变化, 综合多方面因素对冰架的物质量变化进行研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

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