南極研究科學委員會(SCAR)行動計劃“南極環RINGS”進展

唐學遠

極地動態

南極研究科學委員會(SCAR)行動計劃“南極環RINGS”進展

唐學遠

(中國極地研究中心, 上海 200136)

IPCC最近的《氣候變化中的海洋和冰凍圈特別報告》(SROCC)探討了南極冰蓋對海平面迅速上升的影響。SROCC報告指出定量預估海平面變化不確定性的重要原因之一是計算南極冰損失時缺乏對冰蓋邊緣及其鄰近區域冰下地形的了解, 特別是缺乏南極冰蓋邊緣觸地區的冰厚數據。考慮到整個南極冰蓋的邊緣長度達62000 km的規模, 對任何一個國家而言, 要完成環南極邊緣的航空地球物理高精度探測都是一個巨大的挑戰。因此亟需一個國際合作計劃來推動有關南極冰蓋邊緣的探測及其科學研究。為此, 2021年3月, 南極研究科學委員會(SCAR)正式批準RINGS成為行動計劃(Action Group, RINGS ice sheet margin)。

RINGS計劃的主要目標是: 為填補南極冰蓋所有邊緣地區的知識空白, 圍繞環冰蓋邊緣的三個同心圓制定全面的航空地球物理調查計劃, 提供更完整準確的冰下地形數據, 以便對南極各流域的冰排放進行可靠的定量評估。次要目標是: (1)通過確定相鄰內陸地區的底部邊界條件, 更好地預估未來冰蓋邊緣后退的可能性及其速率; (2)通過提供相鄰冰架下空腔的水深測量新數據, 更好地量化冰-海相互作用; (3)研究冰下水文學, 以厘清冰蓋的底部物質平衡和與沉積物、熱流相關的冰下地質學。為了實現這些目標, 不僅需要使用雷達、重力、磁學和激光雷達等儀器完成冰蓋邊緣主環的測量, 而且還需要完成一個向海冰架環和一個向陸環的測量。新的測量有望提供更高精度的觸地區冰下地形圖, 顯著提升對觸地線區域冰下地形和冰蓋穩定性的認識。另外, 新獲得的數據有助于顯著提高冰蓋模型的準確性、改進冰排放量的定量估計并更好地約束冰雪物質平衡和南極對海平面上升的凈貢獻模擬結果。

RINGS計劃由挪威極地研究所的Kenichi Matsuoka等倡議發起, 中國極地研究中心孫波和唐學遠受邀成為該計劃的專家委員會成員、崔祥斌受邀成為其督導委員會委員。截至2022年8月, 已有來自17個國家的65名成員參加(其中中國參加人員7名)。2021年5月, RINGS計劃舉行了線上啟動會; 2022年6月, 在挪威舉行了第一次國際研討會, 由于“新冠”疫情的影響, 中國代表通過網絡形式參會。2022年7月RINGS發布了名為“RINGS White Paper on mapping Antarctic ice-sheet margins”的白皮書, 并在美國地球物理學會(AGU)會刊EOS上公開發表了一篇科學新聞“Circling Antarctica to unveil the bed below its icy edge”, 詳細介紹了RINGS計劃的背景、目標和近期進展。與此同時, RINGS組織的一些國際研究項目已在籌劃中, 計劃在2023—2024年的南極考察季進行第一批次的野外調查, 以提供一個完善RINGS指導方針和科學需求的實踐經驗。

2001年, 英國南極調查局編制了第一個南極基巖數字高程模型(BEDMAP)。2013年更新的BEDMAP 2完善了對南極冰量的估計。2020年, 基于質量守恒原理解釋現有基巖高程數據的BedMachine方法被應用于冰下地形的制圖。RINGS計劃近期的研究表明, 冰蓋邊緣的冰下地形直接控制著觸地線區域的穩定性。南極冰蓋對海洋的冰通量可以通過冰厚數據與衛星測量的邊緣附近的冰速相結合來計算確定。目前估算冰蓋物質平衡主要通過計算冰流通量與整個冰蓋的物質輸入(降雪)之間的差來實現。然而, 冰厚數據的局限性導致了冰流量的巨大不確定性, 最終影響了對南極物質平衡的整體評估精度。例如, BedMachine受到衛星觀測和氣候模型不確定性的限制, 由于在冰流方向的精度不足, 它在冰流速度低于每年20 m的地區無法正常工作。這些限制意味著該方案僅適用于南極冰蓋大約10%的地區。此外, 表面物質平衡難以在粗糙的地形上準確建模, 特別是在沿海地區。根據現有的 BEDMAP 和 BedMachine 數據, 南極邊緣一半以上地區的冰厚分辨率仍不足以用來精確估計冰流通量。現在冰蓋邊緣的地形數據還存在諸如適用性標準不統一、連續性較差等問題。因此, 系統地收集邊緣附近的新雷達數據, 專門用于估計冰流量, 是監測南極冰蓋現狀和預測未來的關鍵步驟。

目前RINGS計劃提交給BedMachine的數據調查了觸地線附近雷達數據的可用性。考慮到全球定位系統(GPS)時代之前收集的歷史數據定位置信度相對較低, RINGS僅考慮了2007年之后收集的數據, 數量達6700萬個數據點。根據RINGS發布的報告, 這批數據有如下特征: (1)沿海地區的雷達數據覆蓋率很低, 只有12%的觸地線位于雷達數據點1 km范圍內, 近50%的觸地線不在數據點6 km范圍內, 約28%的觸地線不在數據點20 km范圍內; (2)在許多地區, 快速冰流區的數據覆蓋率要好于緩慢移動的冰流區, 但即使對于經過充分研究的冰川, 數據也不總是沿邊緣連續可用, 原因是雷達數據通常是沿著冰流線收集的, 不是為了冰流建模而跨越冰川采集的; (3)西南極快速變化的Amundsen扇區擁有最高的數據可用性, 但Amundsen海灣附近的地區仍有約23%的觸地線不在數據點5 km范圍內, 因此沒有發現任何地區存在足夠的數據來進行精確的冰體輸出通量計算。為了及時解決這些問題, 需要提供沿冰蓋整個邊緣的全面可靠的基巖高程數據。RINGS計劃下一步采取措施, 首先沿著南極周邊的觸地線, 然后沿著覆蓋觸地線的向海和向陸兩側, 進行“三環機載地球物理探測”。探測內容包括: 深部冰雷達和淺層探冰雷達測量以理解最近的表面物質平衡歷史; 重力和磁力測量以反演推斷海底地形, 并限制冰下地質(如巖性)和地熱通量的非均質性。另外, 還需要利用破冰船和無人水下航行器進行補充性的近海勘測, 以便對來自機載重力數據的海底測深反演進行驗證, 并獲得模擬洋流和冰架下融化所需的無縫、高分辨率的海底測深數據。

RINGS計劃的詳情可參考: 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)