南極研究科學委員會(SCAR)行動計劃Bedmap 3項目進展

崔祥斌

(中國極地研究中心, 上海 200136)

冰厚和冰下地形是南極冰蓋的基本幾何特征參數, 不僅是準確估算南極冰蓋總量、揭示南極大陸地貌特征的基礎, 更是冰蓋動力和地球系統模式評估南極冰蓋物質平衡及其對全球氣候和海平面影響的重要輸入條件。此外, 冰下地形作為南極冰蓋的下界面, 通過摩擦阻力影響冰蓋流動, 并與冰下水的流動路徑緊密相關, 是影響冰蓋快速變化和不穩定性的重要因素。冰厚和冰下地形還是包括深冰芯、冰下湖、冰下基巖和沉積物等在內的各類南極冰蓋鉆探選址的重要依據。因此, 高效精細地測繪南極冰蓋的厚度和冰下地形, 具有重要的科學價值。

雖然地震、重力和鉆孔等方法也可以用于測量或推斷南極冰蓋的冰厚和冰下地形, 但是, 迄今為止, 冰雷達技術憑借數據信息豐富、準確性高、后勤保障要求低等優點, 依然是最有效、應用最廣泛的冰厚和冰下地形測量方法。過去60多年里, 國際上持續對南極冰蓋開展航空和地面冰雷達探測, 從而獲取冰厚和冰下地形數據以及冰蓋內部結構和冰底環境信息。由于南極冰蓋面積廣闊(近1400萬平方公里), 國際上也同步在致力于通過匯集已有觀測數據編譯生成全南極范圍的冰厚和冰下地形數據集, 其中最有名的是南極冰下地形制圖計劃(Antarctic Bedrock Mapping Project, Bedmap), 包括2001年發布的Bedmap 1和2013年發布的Bedmap 2冰厚和冰下地形數據集。近年來, 出于提升數據空間網格分辨率的目的, 基于“物質守恒”(Mass Conservation)和深度學習的先進方法也被用于全南極冰厚和冰下地形數據集的編譯(例如BedMachine Antarctica和DeepBedMap), 為模式研究提供了更為精細多樣的數據產品選擇。

自Bedmap2生成以來, 國際上陸續在南極多個數據空白區和稀疏區開展了大量新的冰雷達觀測。補充收錄新的冰厚和冰下地形觀測結果, 改進過去的模型插值和反演方法, 從而為冰蓋和氣候模式提供更準確的邊界條件和輸入參數, 成為推動構建新一代南極冰厚和冰下地形模型Bedmap 3的重要基礎和驅動。為此, 國際南極雷達冰川學界和地球物理學界先后在2016年馬來西亞吉隆坡南極研究科學委員會(SCAR)開放科學大會、2018年瑞士達沃斯SCAR開放科學大會、2019年美國斯坦福國際冰川學會(IGS)“雷達冰川學五十周年”會議和2019年韓國仁川SCAR地球科學會議上, 就Bedmap 3進行了細致的討論, 決定將Bedmap 3作為SCAR資助項目之一, 并確定了數據匯交格式、產品形式、數據發布等具體事項, 形成了Bedmap 3核心工作組成員名單。2020年11月, SCAR執行委員會(Executive Committee)正式批準Bedmap 3成為行動計劃(Action Group)項目之一(https://www.scar.org/science/bedmap3/about/).

Bedmap 3是一個國際合作項目, 致力于構建新一代南極冰蓋冰厚和冰下地形數據圖和數據集。相較于Bedmap 2, Bedmap 3的重要貢獻將主要體現在以下三個方面。

1.最全面、最準確的實測數據收錄。一方面, Bedmap 3幾乎實現了對Bedmap 2后所有南極冰蓋冰厚和冰下地形實測數據的收錄, 其中, 最具代表性的工作包括中國主導完成的南極最大數據空白區——伊麗莎白公主地(Princess Elizabeth Land)的觀測數據、美國NASA冰橋計劃(Operation IceBridge)觀測數據、填充里卡弗里冰川(Recovery Glacier)和支撐力量冰川(Support Force Glacier)之間數據空白區的觀測數據、填充瑪利亞伯德地(Marie Byrd Land)西部數據空白區的觀測數據、覆蓋南極點周邊區域的南極點填充計劃(PolarGap)觀測數據、德國在毛德皇后地(Dronning Maud Land)的新的觀測數據、以最古老深冰芯鉆探選址為目標覆蓋了冰穹F和冰穹C區域的觀測數據等; 另一方面, 20世紀70年代美國自然科學基金(National Science Foundation, NSF)-英國斯科特極地研究所(Scott Polar Research Institute, SPRI)-丹麥技術大學(Technology University of Denmark, TUD)聯合發起的南極大范圍冰雷達探測數據集(NSF-SPRI-TUD)的再處理結果、20世紀80、90年代蘇聯在東南極伊麗莎白公主地扇區冰蓋沿岸的冰雷達觀測結果, 也將首次被更新到Bedmap 3中。這些數據都將極大提升Bedmap 3中基礎實測數據的覆蓋和精度, 而編譯生成的冰厚和冰下地形高程數值模型的空間分辨率將從Bedmap 2的1 km提升到500 m。

2.首次發布和共享冰厚和冰下地形高程原始數據。以往的Bedmap數據集僅提供基于實測數據插值后的數據產品, 原始的冰厚和冰下地形高程數據并不發布和共享。隨著對數據挖掘分析和對冰底環境研究的深入, 國際雷達冰川學界逐漸意識到, 插值后的數據產品, 雖然可以很便利地用于模式研究,但是卻平滑掉了實測數據中沿測線方向的高頻冰厚和冰下地形變化信息, 這對于分析小尺度(十米到百米量級)的冰下地形及其對冰蓋運動的影響是非常不利的。因此, Bedmap 3在征得所有數據擁有者同意的基礎上, 將首次發布和共享原始的觀測數據值, 供科學家開展更具針對性的數據分析和研究。

3.更加多樣的數據產品。除發布冰厚和冰下地形高程原始數據、插值后的網格數據外, Bedmap 3還將提供基于“物質守恒”方法的全南極冰下地形數值高程模型產品, 并且提供基于空間分析算法的基礎冰床粗糙度數據產品。后者對于定量刻畫冰下地形、研究不同尺度冰下地形特征及其與冰流運動、冰下地質和冰下水熱環境的相互作用具有重要的價值。Bedmap 3計劃同步發表兩篇科學論文，其中一篇著重介紹數據產品及其科學意義，另一篇則主要介紹數據庫和網絡服務器。此外, 在教育和科普延伸方面, Bedmap 3將推出地圖、數字可視化和三維模型等一系列產品。

目前, Bedmap 3作為1個3年周期的SCAR行動計劃項目來執行, 已經完成了前期的數據收集和數據初步集成編譯工作。在日程安排上, Bedmap 3計劃在2021年上半年完成科學論文的編寫、數據發布門戶的建設和同步的數據發布。未來, Bedmap 3也會持續收錄新的南極冰蓋冰厚和冰下地形高程實測數據, 并且有望完成1～2次各類數據產品的相應更新。