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  • CN 62-1091/P
  • ISSN 1001-8166
  • 月刊 创刊于1986年
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地球科学进展, 2019, 34(8): 781-786 doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.08.0781

国家重点研发计划进展

格陵兰冰盖监测、模拟及气候影响研究

效存德,1,2, 陈卓奇3, 江利明4,5, 丁明虎6, 窦挺峰5

1. 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室,北京 100875

2. 中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室,甘肃 兰州 730000

3. 北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院,北京 100875

4. 中国科学院测量与地球物理研究所大地测量与地球动力学国家重点实验室,湖北 武汉 430077

5. 中国科学院大学,北京 100049

6. 中国气象科学研究院青藏高原 与极地气象科学研究所,北京 100081

A Study of Monitoring, Simulation and Climate Impact of Greenland Ice Sheet

Xiao Cunde,1,2, Chen Zhuoqi3, Jiang Liming4,5, Ding Minghu6, Dou Tingfeng5

1. State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

2. State Key Laboratory of Cryospheric Sciences, Northwest Institute of Ecology and Environmental Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China

3. Global Change and Earth System Science Research Institute, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

4. State Key Laboratory of Geodesy and Earth’s Dynamics Institute of Geodesy and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430077, China

5. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

6. Institute of Tibetan Plateau and Polar Meteorology, Chinese Academy of Meteorological Science, Beijing 100081, China

收稿日期: 2019-06-24   修回日期: 2019-07-25   网络出版日期: 2019-09-20

基金资助: 国家重点研发计划项目“格陵兰冰盖监测
模拟及气候影响研究”.  2018YFC1406100

Received: 2019-06-24   Revised: 2019-07-25   Online: 2019-09-20

作者简介 About authors

效存德(1969-),男,甘肃定西人,教授,主要从事冰冻圈与气候变化研究.E-mail:cdxiao@bnu.edu.cn , E-mail:cdxiao@bnu.edu.cn

摘要

格陵兰冰盖是地球上两大仅存冰盖之一。随着气候变暖的加剧,格陵兰冰盖的消融及其对海平面上升的贡献成为国际上研究的热点问题。格陵兰冰盖全部融化将会导致全球海平面上升约7.3 m。然而,影响冰盖物质平衡变化的动力机制目前尚不清楚,是预测未来海平面上升最大的不确定性来源。针对格陵兰“冰盖—溢出冰川—海冰”系统的非稳定性关键过程开展监测与模拟研究,建立格陵兰“冰盖—溢出冰川—海冰”冰流系统的星—机—地一体化综合观测体系,支撑冰盖及其周边海冰数值模拟和影响研究,为在格陵兰地区开展长期监测和国际合作奠定基础;通过改进冰盖动力学模型,辅以冰芯古气候参数约束,降低预估海平面变化的不确定性;揭示冰盖周边海冰变化的驱动机制,侧重“西北航道”格陵兰西侧航段,对通航窗口期进行评估和预测,为加深对北极冰冻圈变化及影响的认识,服务“冰上丝绸之路”尤其是西北航道的安全航行与运营,以及为我国海岸带综合风险防范提供科学支撑。

关键词: 格陵兰冰盖 ; 海冰 ; 星—机—地一体化综合观测体系 ; 海平面变化 ; 西北航道

Abstract

Greenland Ice Sheet is one of the two largest ice sheets on the planet. Under the background of climate warming, the melting of the Greenland ice sheet and its contribution to sea level rise has become an international hot issue. The whole melting of the Greenland ice sheet can cause the global sea level to rise by about 7.3 meters. However, the dynamic mechanism that affects the mass balance of ice sheet is still unclear and is the greatest uncertainty source for predicting the rise in sea level in the future. The National Key Research and Development Program of China “A Study of the Monitoring, Simulation and Climate Impact of Greenland Ice Sheet” conducts monitoring and simulation studies on the key processes of instability of the “ice sheet-outlet glacier-sea ice” system, and establishes a satellite-airborne-ground integrated observation system, supporting the numerical simulation and impact research of the ice sheet and its surrounding sea ice, laying the foundation for long-term monitoring and international cooperation in Greenland. This program will work to reduce the uncertainty of sea level change projections by improving the ice sheet dynamic model forced by the ice core records, reveal the driving mechanism of sea ice changes around the ice sheet, focusing on the Northwest Passage, evaluate and forecast the navigation window period. The results of the project will deepen the understanding of the changes and impacts of the Arctic cryosphere, serve the safe navigation and operation of the Northwest Passage, and provide scientific support for the comprehensive risk prevention of coastal zones in China.

Keywords: Greenland ice sheet ; Sea ice ; Satellite-Airborne-Ground integrated observation system ; Sea level change ; The Northwest Passage.

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本文引用格式

效存德, 陈卓奇, 江利明, 丁明虎, 窦挺峰. 格陵兰冰盖监测、模拟及气候影响研究. 地球科学进展[J], 2019, 34(8): 781-786 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.08.0781

Xiao Cunde. A Study of Monitoring, Simulation and Climate Impact of Greenland Ice Sheet. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(8): 781-786 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.08.0781

1 引 言

格陵兰冰盖是气候变化的敏感区和关键区,其物质平衡变化对全球海平面变化具有重要影响[1~3]。IPCC第五次评估报告明确指出,冰盖对海平面上升的贡献是预测未来海平面变化最大的不确定性来源。随着北极气候变暖加剧,海冰范围减小的气候环境效应突显[4],其中,作为“冰上丝绸之路”的北极航道的开通具有重要的战略价值。格陵兰周边海冰不仅影响西北航道通航窗口期,也可通过改变区域海—气相互作用对冰盖消融产生重要影响[5]。鉴于此,有必要将格陵兰冰盖及其周边海冰作为一个整体开展研究。

随着卫星遥感技术的快速发展,尤其是雷达和激光高度计、合成孔径雷达干涉(InSAR)和重力测量技术的发展,近年来在格陵兰冰盖物质平衡研究方面取得了重要进展。研究表明,近20年来格陵兰冰盖总体处于物质损失状态,且消融速率在过去10年间呈明显加快的趋势[6]。在此基础上,人们开始关注格陵兰冰盖的非稳定性,研究内容主要集中在对冰盖变化关键过程的监测与机理认识方面[7,8],如快速冰流、接地线进退和底部融化等。最新研究显示格陵兰冰盖表面消融产生大量融水,这部分融水可通过冰面水系输送,经由竖井(锅穴)或冰裂隙进入冰盖内部,对冰盖运动速率与稳定性产生影响[9~11]

通过数值模拟手段研究格陵兰溢出冰川的运动是理解格陵兰冰盖未来物质平衡变化的重要基础。Seddik等[12]利用基于浅冰近似模型的冰盖模式和基于full-Stokes模型的冰盖模式,模拟了格陵兰冰盖未来百年的动力学演化,发现2种模型模拟的表面冰流速和冰盖底部温度存在较大的差异。总体上看,基于full-Stokes模型的冰盖模式可以更好地模拟快速冰流区。然而,由于目前的观测资料存在观测内容不够系统,且时间序列较短等问题,远不足以对冰盖底部融化、前端崩解和快速冰流过程等进行清晰的刻画,导致现阶段冰盖模式对冰盖关键过程的动态模拟能力相对较弱[13,14],进而影响对未来海平面变化的预估。再者,冰盖—溢出冰川—海冰之间的耦合机制在冰盖前端崩解过程中起到关键作用,而前期几乎没有针对三者变化过程的协同观测,其热动力耦合机制尚不明确,是目前冰盖非稳定研究中的一个难点问题。Zhang等[15]指出目前冰盖模式存在的共性问题是尚不能耦合海洋模块实现对冰盖和海洋相互作用的模拟,且对冰盖底部热力边界条件的物理描述也较粗糙,缺乏冰架崩解和冰盖底部水文过程等重要物理过程。

综上,通过在格陵兰典型冰流区建立长期观测站点,针对冰盖前端崩解、快速冰流、溢出冰川—海洋—海冰耦合机制等几个主要方面开展综合检测,是改进冰盖热动力模型,加深对海冰变化机理及其与冰盖相互作用认识的重要基础。对于提高对未来海平面变化的预估能力,更好地预测格陵兰周边可通航性具有重要意义。

“格陵兰冰盖监测、模拟及气候影响研究”力图在格陵兰冰盖选取典型冰流系统,建立1套地面综合观测系统,开展长期综合现场观测,并结合国内外多源卫星遥感协同观测,研制高时空分辨率的冰盖—溢出冰川—海冰数据产品;同时,发展优化的冰盖表面物质平衡模型和中等复杂程度地球系统模式,对冰盖—溢出冰川系统的非稳定性关键过程开展定量研究,用于冰盖对海平面变化的影响定量评估;结合高质量的海冰遥感产品和数值模式对西北航道“卡脖子”航段海冰变化机理进行分析,最终对西北航道的可通航性进行评估。

2 格陵兰冰盖研究的关键问题

2.1 影响格陵兰冰盖非稳定性的关键过程

格陵兰冰盖主要通过“冰盖—溢出冰川—海冰”冰流系统对全球海平面产生重要影响。虽然人们已经意识到格陵兰冰流系统对冰盖稳定性的重要意义,但其关键过程和变化机制尚不明确。这主要是由于格陵兰地区观测台站较少、观测数据稀缺,特别是与冰流系统动力学和热力学过程有关的地面和遥感观测在时间、空间及要素方面存在不足。刻画格陵兰冰盖非稳定性关键过程需要长时序、多要素、完整性的冰流系统观测资料的支撑。目前,国际上在格陵兰地区尚无针对“冰盖—溢出冰川—海冰”冰流系统开展系统性观测的设施和数据,如选择格陵兰典型“冰盖—溢出冰川—海冰”冰流系统建立我国首个冰流系统动力学和水文学过程的观测体系,对“冰盖—溢出冰川—海冰”系统开展综合观测研究,将有助于加深对“冰盖—溢出冰川—海冰”系统的热动力耦合机制的理解,显著提升我国极地研究的国际影响力。

因而,目前亟待解决的关键科学问题是如何基于格陵兰典型区域星—机—地一体化综合观测系统,对格陵兰“冰盖—溢出冰川—海冰”系统关键过程进行监测?以及如何基于多源、多平台遥感强化观测资料,协同星—机—地观测系统观测资料,探求格陵兰冰盖、溢出冰川和周边海冰变化的非稳定性特征,揭示各关键参数的长期趋势和突变异常及其互为驱动的复杂关系?

2.2 冰盖非稳定性及其对海平面的影响

目前亟待解决的科学问题是气候变化影响下格陵兰冰盖的消融过程是怎样的?对海平面上升有多大的影响?末次间冰期是近150 ka来全球最暖的时期,与全新世间冰期类似,现有模式的模拟结果能否重现末次间冰期最盛期和全新世期间的冰芯记录气候条件和冰盖规模?以冰芯等古气候资料约束优化的模式能否改善对未来冰盖和海平面变化的预估?

如何综合运用多种观测资料(器测气象资料、树木年轮和冰芯等古气候资料)改进中等复杂地球系统模式(Earth-system Model of Intermediate Complexity,EMIC)的多个物理过程的参数化方案,建立符合多项古气候资料记录EMIC 模式?

海平面预估结果还需要与我国海岸带暴露度和脆弱性研究相结合,分析海平面上升的潜在风险,为决策服务提供科学支撑。

2.3 西北航道格陵兰西侧航段通航性预测

目前亟待解决的科学问题是:现场观测和遥感分析的区域聚焦,能够给认识格陵兰冰盖、海冰的气候变化提供什么新线索?影响格陵兰周边海冰变化的关键因子和机理过程是什么,如何认识现有技术条件下格陵兰西侧海冰范围变化的可预测性,以及西北航道的通航性?

在预估的未来高、中、低排放情景下,格陵兰周边海冰将如何变化?不同情景下海冰变化差异多大?技术进步对典型气候变化敏感因子——北极海冰的影响有多大,不考虑减排政策的单纯技术进步可否作为减缓北极气候变化的重要方法?如何基于多模式预估资料,发展集合预估方法,减小预估不确定性,进而评估各种排放情景下北极西北航道的可通航性?

3 格陵兰冰盖监测、模拟及气候影响研究

针对影响格陵兰冰盖动力非稳定性关键过程、格陵兰周边区域海冰变化机理,通过星—机—地一体化综合监测和优化数值模式,开展格陵兰冰盖对全球海平面影响、北极西北航道海冰预测技术以及大尺度气候影响研究。主要设立三大方面的研究内容:观测、模拟和影响研究(图1)。

图1

图1   格陵兰冰盖观测、模拟和影响研究框架

Fig. 1   Content framework of the study of monitoringsimulation and climate impact of Greenland Ice Sheet


3.1 观测研究

(1)利用新一代监测技术实地获取格陵兰冰盖物质平衡与动力学关键过程参数

在西格陵兰以共建形式建立“冰盖—溢出冰川—海冰”地面和无人机动态监测体系。开展冰川表面气象观测,建立冰川气象观测数据库。利用GPS跟踪、延时摄像、无人机遥感等技术开展冰川表面水系、冰川表面特征、冰川运动、海冰动态等变化监测,建立格陵兰典型“冰盖—溢出冰川—海冰”系统观测数据集。基于获得的第一手观测数据,为典型冰流系统关键过程的强化遥感观测研究提供地面验证,同时为发展冰盖模式提供边界条件。

(2)“冰盖—溢出冰川—海冰”系统关键过程卫星遥感强化观测研究

综合利用国内外光学、雷达、测高等多谱段、多平台卫星协同观测数据,发展格陵兰“冰盖—溢出冰川—海冰”系统冰面水文和动力过程关键参数的遥感信息提取、特征参数反演和多源数据融合的新技术,获取格陵兰典型冰流系统各关键参数的长时序、多尺度时空变化信息,具体包括:冰川动力过程(冰面流速、冰面高程、冰水混合物的消融率、触地线和冰川边缘线)、冰面水文过程(冰面水系、冰面湖和冰裂隙)、周边海冰快速变化过程(海冰密集度、范围、类型和快速运动);统一多源遥感数据的时空基准,研制各关键参数的高时空分辨率遥感数据产品,为开展格陵兰冰盖数值模拟和影响研究提供可靠数据支撑。

3.2 数值模拟
(1)优化的冰盖表面物质平衡模型和动力学模型

基于冰盖表面物质平衡观测数据和冰盖表面物质—能量平衡模型,估算格陵兰冰盖在过去20年的表面物质平衡,并基于降尺度和偏差校正后的区域气候模式模拟结果,预估21世纪在不同气候情景下格陵兰冰盖表面物质平衡的变化。

基于Elmer/ICE和BISICLES(Berkeley-Ice Sheet Initiative for CLimate ExtremeS)冰流模式,改进现有的物理参数化方案,发展数值模拟技术;针对典型冰流流域,在获取实测参数的基础上,合理模拟在过去10年和未来百年冰川流域的动力学特征,深化对冰川关键动力过程的物理理解,评估冰盖入海冰川的动力学非稳定性。

(2)发展半经验海冰动力学模型

针对格陵兰周边,尤其是西北航道关键航段的海冰消融关键过程,以星—机—地一体化综合观测系统获取的观测数据和包含海冰范围、快速运动和密集度等关键参数的卫星遥感强化产品为基础,对所选取的海冰热力学模块进行优化,使之适用于海冰热力消融过程的模拟;提取消融关键期的海冰破碎和移动数据,结合格陵兰周边海冰高分辨再分析资料,构建可有效刻画海冰动力不稳定过程的半经验动力学模型,结合优化后的热力学模块和统计学方法,从大气和海洋两方面分析海冰动力非稳定性的作用机制。

(3)优化中等复杂程度地球系统模式

EMIC是一类具有简化物理过程的模式,包含大气、海洋、陆面、冰盖和碳循环等多个分量模式,常用于古气候与长期气候研究。格陵兰冰盖监测、模拟及气候影响研究主要以从格陵兰冰芯获取的末次间冰期最盛期和全新世冰盖高程、温室气体浓度、气温、冰盖厚度等变化参数作为约束条件,配合PAGES 2k等其他古气候资料和现代器测资料,通过敏感性分析方法研究EMIC各分量模式参数的敏感性及其交互效应,通过多目标优化方法MO-ASMO(Multi-Objective Adaptive Surrogate-Modeling based Optimization)同时改进各分量模式的参数化方案。

3.3 影响研究
(1)格陵兰冰盖对未来海平面的影响

以格陵兰冰芯资料及PAGES 2k等古气候资料为基准,突出末次间冰期和全新世两个时段,“将今论古”与“鉴往知来”相结合,使用优化后的EMIC模式对末次间冰期最盛期、全新世和未来3 000年气候变化情景下的冰盖变化及其气候和海平面效应进行评估。通过多个参数化方案的集合模拟,定量评估冰盖变化韧性及其影响的不确定性,包括格陵兰冰盖消融过程及其海平面效应、全球温度、降水、极端洪水与干旱事件等的影响,为我国海岸带风险防范提供科学依据。

(2)格陵兰冰盖及周边海冰变化对北半球气候和“西北航道”的影响

基于卫星反演的冰盖及周边海冰变化数据,结合异常年份大气环流特征分析,探讨北极增暖对格陵兰冰盖表面消融和北极海冰快速消融的影响;选择格陵兰冰盖表面消融严重和北极海冰快速消融年份,探讨格陵兰及周边海冰快速变化对极端天气气候的影响;设计包含政策影响和技术发展的未来情景,结合多模式集合预估结果,分析对比不同排放情景下的2020—2100年格陵兰周边海冰面积变化趋势,将“西北航道”格陵兰航段作为研究重点,模拟“西北航道”海冰变化,为确定可通航性提供科学支持。

4 科学与社会经济价值

近年来,全球变暖背景下北极海冰急剧消融,北极东北、西北航道陆续实现通航。作为“冰上丝绸之路”的北极航道的开通对我国具有重要的战略意义。格陵兰冰盖作为冰冻圈的重要组成部分,是影响船舶航行安全和科学考察进行的主要因素之一,加深对格陵兰冰盖稳定性和海冰变化关键过程的理解对于评估冰盖对海平面变化贡献的不确定性,以及北极冰区航道通航时间具有极其重要的意义,同时可为我国区域海平面上升预测及减小海岸线综合风险提供依据。格陵兰冰盖和周围海冰变化可通过改变局地水热状况和能量交换对北半球(包含东亚地区)的天气气候产生重要影响。对其进行实时监测将可提前判断北极冷空气的强度和位置,为我国短期气候预测提供科学依据。

“格陵兰冰盖监测、模拟及气候影响研究”将紧紧围绕影响格陵兰冰盖稳定性的关键过程监测与模拟研究,兼顾格陵兰冰盖周边海冰的研究,建立格陵兰冰盖典型冰流区地面综合观测系统,发展格陵兰冰盖、溢出冰川及周边海冰变化过程的强化卫星遥感监测产品,优化格陵兰冰盖—溢出冰川快速变化的动力学模型,揭示格陵兰周边海冰变化驱动机制,服务于“冰上丝绸之路”的建设。

研究成果还将应用于我国北极科学考察与商业航运事业,预测北极航道窗口期,服务于我国在该区域北极考察的航次前期设计、考察、站位选取,并为航次现场执行提供有力的支撑和安全保障作用,为北极西北航道的航行安全及商业运行提供可靠的基础数据和重要参考。

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