為冰川精準(zhǔn)“量體” 摸清水資源家底

頡滿斌

日前，2024年冰峰大會(huì)暨青年科學(xué)探索活動(dòng)在四川啟動(dòng)。活動(dòng)主題為“從科學(xué)到社會(huì)：青藏高原冰凍圈退縮及氣候變化應(yīng)對(duì)”。

隨著全球氣候變暖，在被稱為“地球第三極”的青藏高原及周邊高山地區(qū)，冰川面積不斷退縮的同時(shí)，冰川厚度也在變薄。

那么，冰川到底有多厚？變薄了多少？如何測(cè)量冰川厚度？

帶著這些問題，筆者采訪了相關(guān)專家。

厚度數(shù)據(jù)有重要價(jià)值

地球上海洋水體約占全球水體總量的96.5%，淡水僅占2.53%，其中四分之三的淡水儲(chǔ)存于南極冰蓋、格陵蘭冰蓋和山地冰川中。

根據(jù)第二次中國冰川編目數(shù)據(jù)，中國現(xiàn)有冰川48571條，總面積51766.08平方千米，約占世界冰川（除南極和格陵蘭冰蓋以外）面積的7.1%。

“冰川在氣候變化、水資源管理、海平面上升、生態(tài)保護(hù)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等領(lǐng)域，都有重要的科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。”中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院副研究員何曉波說。

近百年來，由于全球氣候系統(tǒng)變暖，冰川、積雪融化加快。

冰川的變化影響著周圍地區(qū)的水循環(huán)過程，進(jìn)而影響到江河源區(qū)的生態(tài)與環(huán)境。“近年來，山地冰川變薄退縮是對(duì)氣候變暖的響應(yīng)，體現(xiàn)了冰川對(duì)氣候變化響應(yīng)的敏感。”何曉波說，冰川厚度、冰下地形和冰川體積是冰川變化的3個(gè)重要基本參數(shù)，也是冰川水資源、冰川躍動(dòng)、冰芯鉆取等研究評(píng)估工作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)著冰川儲(chǔ)量、冰川運(yùn)動(dòng)、冰川內(nèi)結(jié)構(gòu)。研究人員通過冰面地形、冰厚測(cè)量資料，可繪制冰下地形，估算冰川體積，從而獲取冰川水資源儲(chǔ)量信息。

何曉波說：“冰川測(cè)厚數(shù)據(jù)能夠提供冰川測(cè)量點(diǎn)厚度值和整條冰川的平均厚度，科研人員能夠據(jù)此繪制冰川下的地形圖，準(zhǔn)確估算冰川體積。”

監(jiān)測(cè)冰川狀況，開展冰川變化系統(tǒng)研究，有重要的科學(xué)意義，也有極高的應(yīng)用價(jià)值。

研發(fā)測(cè)量“利器”

歷史上，現(xiàn)場(chǎng)取芯法、重力法、地震波法是常用的冰川探測(cè)方法。但這些方法工作強(qiáng)度大、效率低、安全性差。中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院創(chuàng)新了冰川探測(cè)方法，使測(cè)量更精準(zhǔn)。

該院利用我國自主研發(fā)的冰水情一體化雷達(dá)，對(duì)珠峰東絨布冰川的厚度進(jìn)行了全面探測(cè)，成功獲取了東絨布冰川海拔6300米至6500米范圍內(nèi)的冰川厚度數(shù)據(jù)。

所用雷達(dá)是一種能穿透冰和雪這類特定介質(zhì)的探地雷達(dá)。它是一種利用電磁波被冰床基巖、冰內(nèi)空洞、內(nèi)磧等目標(biāo)反射的特性來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并確定目標(biāo)距離和方位的電子設(shè)備。何曉波說，簡(jiǎn)單來說，它基于冰水和基巖介電常數(shù)的差異，通過無線電波在冰體中的傳輸波速變化確定目標(biāo)位置。

一般情況下，冰下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化比較緩慢，同一冰層的電特性比較接近。因此采用探地雷達(dá)連續(xù)測(cè)量時(shí)，相鄰測(cè)點(diǎn)上同一地層反射波的波形、波幅、周期及其包絡(luò)等主要特征有一定相似性。具有一定形態(tài)特征的反射波是反射層識(shí)別的基礎(chǔ)，而同一地層反射波的同相性與相似性為反射層的追蹤提供了依據(jù)。

過去，測(cè)冰雷達(dá)數(shù)據(jù)分析通常采用人工方法提取層位，需要在數(shù)據(jù)中尋找局部的連續(xù)性和相似性特征，以識(shí)別出需要提取的同相軸。這種方法解釋速度慢、同相軸追蹤精度不高、存在微弱跳躍等。

針對(duì)這一問題，何曉波團(tuán)隊(duì)使用的冰水情一體化雷達(dá)系統(tǒng)創(chuàng)新地加載了聯(lián)合振幅和局部梯度的新型算法，使得同時(shí)基于單個(gè)觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)和相鄰時(shí)間序列的交叉驗(yàn)證成為可能。算法同步實(shí)現(xiàn)了水深和冰厚的準(zhǔn)確測(cè)量，也使得從前復(fù)雜的層位信息以更清晰直觀的方式呈現(xiàn)。

經(jīng)過分析和試驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)確定了100兆赫和400兆赫兩種頻率的雷達(dá)，雷達(dá)可高精度測(cè)量水深和冰厚。

研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)在雷達(dá)天線形狀和布置上進(jìn)行改進(jìn)，使得水深淺層冰結(jié)構(gòu)和冰厚的測(cè)點(diǎn)在同一垂線上，并通過分時(shí)工作避免不同頻率雷達(dá)間的相互干擾。

中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院博士研究生汪少勇介紹，十幾年前，有科考隊(duì)對(duì)東絨布冰川進(jìn)行了測(cè)厚，數(shù)據(jù)顯示東絨布冰川在海拔6300米的最大厚度達(dá)320米。“這次我們利用最新研發(fā)的儀器，更準(zhǔn)確地獲取了冰川厚度數(shù)據(jù)。通過與前人測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以進(jìn)一步了解這十幾年東絨布冰川厚度的變化。”汪少勇說。

經(jīng)初步處理數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，東絨布冰川的最大厚度在300米以上。根據(jù)東絨布冰川的厚度數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確估算東絨布冰川的冰儲(chǔ)量，并進(jìn)一步探明冰川蘊(yùn)藏的水資源量，為冰川下游農(nóng)牧業(yè)發(fā)展和水資源管理提供數(shù)據(jù)支撐。

有望實(shí)現(xiàn)“透視”地球

“我們和中國水利水電科學(xué)研究院、大連中睿科技發(fā)展有限公司等共同研發(fā)的冰水情一體化雷達(dá)基于超寬頻帶沖擊脈沖雷達(dá)技術(shù)原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冰川體及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基底地形的高分辨率穿透成像測(cè)量。”何曉波說，這項(xiàng)成果在大功率高信噪比天線技術(shù)、超深雷達(dá)信號(hào)采集處理技術(shù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)高質(zhì)量處理算法方面的創(chuàng)新和技術(shù)突破，使得我國的冰川雷達(dá)測(cè)量技術(shù)和專用設(shè)備達(dá)到國際先進(jìn)水平。

筆者了解到，由于何曉波團(tuán)隊(duì)采用了最新的先進(jìn)雷達(dá)探測(cè)測(cè)量技術(shù)手段，數(shù)據(jù)測(cè)量精度直接提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，數(shù)據(jù)質(zhì)量、代表性和可靠度得到大幅度突破性提高。研發(fā)設(shè)備的絕對(duì)誤差約為冰厚測(cè)量值的5%。

同時(shí)，現(xiàn)有的冰川儲(chǔ)量估計(jì)公式也將基于雷達(dá)對(duì)冰川厚度的精確測(cè)量數(shù)據(jù)而得到針對(duì)性優(yōu)化。未來，我國將開展不同區(qū)域、不同類型、不同規(guī)模代表性冰川的厚度測(cè)量，評(píng)估和改進(jìn)已有冰川雷達(dá)測(cè)量精度和算法，收集全球山地冰川厚度測(cè)量數(shù)據(jù)，改進(jìn)和優(yōu)化適合不同規(guī)模冰川的儲(chǔ)量計(jì)算公式。

“冰水情一體化雷達(dá)及通過這一先進(jìn)技術(shù)手段獲得的數(shù)據(jù)和信息，讓我們可以‘透視地球。未來這一雷達(dá)將在我國的冰川調(diào)查測(cè)量、環(huán)境氣候調(diào)查、凍土帶及凍土帶工程勘察、江河湖庫冰工程調(diào)查和冰水情觀測(cè)測(cè)量、極地科考等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。”何曉波介紹。