南极冰盖深部结构、冰下过程及其对冰盖稳定性和海平面的影响

唐学远 孙波 马红梅 赵励耘乔刚 田一翔郭井学 崔祥斌 李霖

研究进展

南极冰盖深部结构、冰下过程及其对冰盖稳定性和海平面的影响

唐学远1孙波1马红梅1赵励耘2乔刚3田一翔3郭井学1崔祥斌1李霖1

(1自然资源部极地科学重点实验室, 中国极地研究中心, 上海, 200136;2北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院, 北京, 100875;3同济大学测绘与地理信息学院,上海, 200092)

冰盖结构、冰下过程对冰盖稳定性、气候环境变化和全球海平面上升的影响正成为南极科学研究的前沿与热点。然而, 目前针对不同时空尺度上影响南极冰盖稳定性的关键物理过程及其效应仍缺乏系统研究, 致使多年来国际极地科学界在有关南极冰盖冰下过程对全球气候变化的影响机理的议题上存在广泛的争议。利用中国自2015年以来开展的东南极冰盖伊丽莎白公主地考察及其航空地球物理探测资料, 通过归纳最近南极冰盖研究的新认识, 厘清南极冰盖深部结构与冰下过程涉及的关键科学问题, 阐述将冰盖典型区域的强化观测和冰盖数值模拟相结合来研究南极冰盖冰下深部结构与冰下过程的物理机理可能遇到的问题和解决方式, 并提炼出与冰盖稳定性变异机制及其对海平面上升影响相关的研究目标、核心内容、有效途径及科学价值。期望对定量估算南极冰盖的物质平衡及其对未来海平面上升的影响这一人类迄今认识最少的南极冰盖研究领域作出科学贡献。

东南极冰盖 伊丽莎白公主地 深部结构 冰下过程 航空地球物理探测

0 引言

南极冰盖是地球上最大的冰盖, 若其完全融化, 全球平均海平面将上升约58 m[1-2]。IPCC《气候变化中的海洋与冰冻圈特别报告2019》(SROCC 2019)明确指出, 精确量化海平面上升速度与幅度的最大挑战是来自对冰盖变化的机制认知有限[3]。自2013年以来, 南极冰盖呈现出加速流失物质的态势, 源自南极冰盖的加速融化可能促使未来全球海平面的上升幅度突破IPCC AR5设定范围的上限[3]。随着南极卫星遥感、机载地球物理探测和数值模拟技术的发展, 有关南极冰盖深部结构与冰下过程的研究取得了显著的进展。研究表明, 南极冰盖在通常情况下并不稳定, 冰盖内部的冰流在历史上存在过突然转向现象[4];冰盖底部存在广泛的液态水体, 已发现的冰下湖多达402个[5]。模拟表明, 占南极冰盖面积约3.7%的底部可能存在12000多个冰下湖[6]。最近针对冰下环境及其关键过程的探测与机理研究是南极冰盖的主要关注点, 并逐步取得一些突破性的认识。在南极冰盖形成以前就已存在的地表湖可能演化为冰下湖; 底部地热异常导致融水的集中汇成冰下水系并加速冰体流动[7]; 冰下火山或放射性热岩引起的异常冰温能产生大量融水[8];某些冰下湖相互连通, 存在水体交换甚至发生冰下洪水的现象[9]。这些因素会增强冰盖底部的快速滑动和冰流的速率, 对冰盖的物质平衡和稳定性产生影响。

对南极冰盖的新认识促使人们变革对南极冰盖稳定性的传统认识。过去南极冰盖被认为是地球气候系统中千年尺度上缓慢变化的部分, 现在迫切需要在年代际尺度上阐明冰盖不稳定性的物理机制, 发展并优化冰盖模式动力学框架和参数化方案, 从而提升预估未来海平面变化的能力[9-10]。预估冰盖变化的不确定性主要在于对调控冰盖物质平衡过程的关键因素仍不清楚。涉及的要素主要包括: 冰盖内部结构、冰盖深部流变和底部的热力状况、冰流突变、冰下融水的产生及其分布、触地线迁移。目前, 无论在观测、理论分析层面抑或数值模拟层面都对此缺乏基本的理解[11-12]。在使用数值技术模拟溢出冰川、快速冰流和触地线等特殊区域时, 低分辨率的地形数据通常限制了对小尺度冰盖运动过程的理解[10]。由于缺乏对冰盖典型区域的高精度精细测量, 以及对冰盖运动及其不稳定性的物理过程缺少基于模式的精确定量化估计, 从而导致在建立南极冰盖与全球气候变化的定量关联时, 直接性和准确度都不高[13]。因此, 有必要通过对冰盖关键区域的系统观测对南极冰盖深部结构和冰下过程做系统性的研究。

目前, 南极冰盖冰下环境参数主要由机载地球物理探测获得, 并在此基础上, 已建立冰下地形和冰厚数据库Bedmap及其升级版Bedmap 2[14]。Bedmap 2较Bedmap大幅地提升了观测数据的覆盖范围和精度, 然而绝大部分地区的分辨率仍大于5 km, 特别是位于东南极冰盖的伊丽莎白公主地及其近海冰架/冰盖触地线区域是当今南极冰盖的最大数据空白区域。该地区是我国南极考察及科学研究具有优势的区域, 已经系统开展过中山站-冰穹A断面的冰川与气象等综合观测, 获得了中山站-冰穹A冰厚、冰下地形、冰下等时层结构和年代信息[15]; 并验证了冰穹A地区可能是深冰芯钻探的一个理想地点[16-17]; 揭示了甘布尔采夫山脉(Gamburtsev Mountains) 冰下山脉的起源与南极冰盖的早期演化历史[18]。在尚未使用机载航空调查方式应用于南极考察之前, 中国在该领域的相关研究大多限于中山站至冰穹A横穿断面沿线, 探测范围有限, 这限制了对南极冰下环境特别是冰下冰流地形效应、融水等机理的理解。总体上, 人类对该区域的冰盖关键参数和冰下过程缺乏基本的认知[19]。自2015年以来, 该地区正逐渐成为南极研究的热点区域[20]。2015—2020年, 中国南极考察使用雪鹰601固定翼飞机对东南极冰盖开展了5次系统性的机载航空地球物理探测, 使用航空地磁、重力仪器、激光高度计、冰雷达等多种技术协同探测冰盖内部结构, 总计获得了超过1.63×105km测线, 覆盖了伊丽莎白公主地面积约9.0×105km2的区域。这基本涵盖了伊丽莎白公主地、埃默里冰架和西冰架, 并延伸到了东方湖(Lake Vostok)冰下湖和B冰脊(Ridge B)等重点区域(图1)。

“南极冰盖深部结构、冰下过程及其对海平面的影响”研究尝试利用中国南极科学考察队(CHINARE)自2015/2016年以来在东南极冰盖, 尤其是伊丽莎白公主地及其触地线区域的航空地球物理数据及地面观测资料, 通过强化探测获取东南极冰盖典型区域(包括伊丽莎白公主地、兰伯特冰川流域、冰穹A-B冰脊-东方湖-南极点、埃默里冰架触地线等)冰雷达数据, 提取高精度冰下地形和内部等时层, 揭示冰盖内部和底部的冻结/融化; 发展包含冰下关键过程的冰盖模式, 进行三维冰盖数值模拟实验, 与观测数据相结合研究解析东南极冰盖及触地线区域的冰下内部结构和底部融水过程; 诊断冰下水热干湿环境, 识别冰下融水、冷冰和冰下湖空间分布, 确定可能影响冰下环境和冰盖触地区域变化的关键物理过程; 定量估算冰盖的物质平衡、稳定性及其对海平面变化的影响, 为探索这一人类认识最为缺少的冰盖区域作出科学贡献。

1 南极冰盖深部结构与冰下过程关键科学问题

1.1 东南极冰盖稳定性变异机制

在当前全球加速变暖背景下, 南极冰盖一方面受周边海洋和大气的显著影响, 呈现快速消融的趋势; 另一方面在冰盖复杂的底部环境和反向地形的作用下, 可能触发触地线加速后撤, 导致冰盖出现潜在的不稳定性。在冰盖深部, 由于底部的热力状况变化, 冰盖内部流变可能突破阈值, 诱导冰流突变、冰下融水和冰下水系的形成, 加速冰盖滑动, 从而导致冰盖不稳定性趋势的增强。冰下湖和冰下水系的发育和分布, 会显著影响冰盖的动力过程和不稳定性, 但其机制非常复杂。首先, 冰下水的存在会润滑冰底, 进而加速冰盖的流动; 其次, 冰下水汇入特定冰下水流通道后, 反过来会缩小冰下水的分布范围进而增大冰底阻力, 减慢冰盖流动。内陆冰盖底部和冰盖边缘触地线区域亚千米级的地形条件、水文过程、冻结与融化,及冰盖/海洋/大气的相互作用等可能成为调控冰盖稳定性的关键因素。影响冰盖稳定性在10年际甚至年际变异的原因极有可能来自冰盖的深部。然而对影响其变异机制的主导因素, 特别是对冰盖深部/底部的关键过程目前仍缺乏最基本的理解。因此, 探索冰盖深部结构和冰下过程, 研究其对冰盖稳定性的潜在变异机制具有重要的科学价值。

图1 中国在东南极冰盖伊丽莎白公主地的航空地球物理测线分布图.底图的地形数据来自Bedmap 2[14]

Fig.1.Aerogeophysical lines of Princess Elizabeth Land in the East Antarctic ice sheet surveyed by Chinese National Antarctic Research Expedition.The bed topography data are from Bedmap 2[14]

相对于具有海洋性冰盖不稳定性特征的西南极冰盖而言, 东南极冰盖呈现非海洋性冰盖特征且区域差异显著。当今人类对影响东南极冰盖稳定性的关键物理过程及其机制的认知仍非常有限, 其关键在于缺少对冰盖内部和底部过程的探测。卫星遥感技术仅能获取冰盖表面的特征信息, 而取得研究突破的关键是利用包括机载测冰雷达在内的航空科学探测手段, 将冰盖观测从冰表拓展到冰盖深部, 并获取冰盖立体化结构数据。经过近70年的国际南极冰盖探测调查, 以及最近5年中国进行的机载航空地球物理探测获得伊丽莎白公主地这最后一块冰下环境拼图后, 已经接近完成覆盖整个南极冰盖的冰下地形制图。到目前为止, 超过85%的测线间距大于5 km, 仍不能显著降低预估极地冰盖在年代际至百年尺度上引发全球海平面变化的不确定性。为能捕捉到冰盖内部, 尤其是快速冰流、陡峭深谷和触地线区域的高分辨率冰下地形和冰下环境特征, 仍需强化对冰盖典型区域的卫星遥感与航空地球物理的综合探测。建立系统的卫星/机载/地面相结合的系统探测体系并选择伊丽莎白公主地作为调查区域, 对冰盖深部、冰下过程开展系统观测研究, 将推进对南极冰盖稳定性变异机制的理解。

1.2 东南极冰盖稳定性对冰盖物质平衡及其海平面上升的影响

未来气候变化最大的不确定因素是极地冰盖对海平面上升的影响。东南极冰盖稳定性对冰盖物质平衡及其海平面上升的影响是未来一段时间南极冰盖研究的重大课题。然而, 要系统厘清并理解东南极冰盖深部过程与海平面变化的相互关系, 需要对冰盖内部结构、冰下热状况、冻融状态、冰下水系统有系统的理解。大陆尺度规模的冰盖模式模拟发现,只有将内部和底部过程的物理特性纳入其中, 才能捕捉到冰盖内部, 尤其是快速冰流、陡峭深谷和触地线区域的小尺度细节。要考虑纳入的环境要素包括: 亚千米级的冰下地形特征、冰下干湿特征、冰下热通量异常、冰下水(湖泊及其水系)。为了解决此类问题,目前模式通常通过人为假设的方式减少基底阻力来调整其表面冰速,然后通过卫星测量冰流数据进行校正。这一模式产生的解决方案虽然模仿了冰盖的流动和形式,但是显然存在两个重要缺陷: (1)基底阻力减少掩盖了实际的冰川运动过程,这意味着真正的冰流运动过程并没有适当地纳入冰盖模式;(2)随着冰盖的演化,冰盖的各种物理参数在缺乏某些真实物理条件的假设情境下的有效性将逐步减弱, 并偏离实际情形。结果将可能很难从根本上降低物质平衡项中冰下过程的贡献, 例如冰下排入海洋的融水量的统计在容易发生重大冰损失的地区可能出现较大偏差的低估。因此,大陆冰盖模式如果以该方式运行, 将无法有效降低预测海平面变化的不确定性。

由此可见, 如何从航空遥感数据、特别是雷达数据中成功地提取冰盖深部结构和关键过程信息, 以及如何依托观测发展数据处理算法将冰盖底部冻结/融水/底部滑动过程、底部融化等物理机制参数化并嵌入冰盖模式或地球系统模式, 这两个问题是评估冰盖物质平衡及其对海平面上升的影响取得突破的关键所在。

2 南极冰盖深部结构、冰下过程及其对海平面影响研究

为探索东南极冰盖的深部结构和底部水文过程, 确定影响南极冰盖稳定性和变化的关键物理机理, 以南极冰盖航空科学探测为基础, 结合卫星遥感、再分析数据和冰盖数值模拟, 通过对冰盖典型区域伊丽莎白公主地的强化观测, 开展冰下过程及其与冰盖运动的动力学联系、冰盖的物质平衡及对未来海平面上升影响的定量研究。研究框架涉及观测、模拟和机理三个层面(如图2)。

图2 南极冰盖深部结构、冰下过程及其对海平面影响的研究框架

Fig.2.The framework of the study on deep structure and subglacial processes of the Antarctic ice sheet, and its influence on the sea level

2.1 东南极冰盖航空地球物理强化观测

鉴于南极现场观测环境的极端特殊性与严酷性, 目前取得的观测数据资料仍然有限。在南极冰盖仍有大片地区没有观测数据, 目前85%的南极冰盖没有分辨率1 km以上的冰下地形测量数据, 50%的地区没有分辨率达5 km以上的测量数据。虽然中国在伊丽莎白公主地已开展多次机载地球物理测量, 伊丽莎白公主地仍有面积超过9×104km2的区域尚未开展任何测量。整合已有地面及航空探测、卫星遥感和再分析数据, 以南极科考多年来构建起来的设施平台、观测/监测系统为基础, 强化东南极伊丽莎白公主地(64°56'S～ 90°00'S, 73°35'E～87°43'E)、埃默里冰架和西冰架等触地线区域(覆盖威廉二世地、玛丽王后地、B冰脊、东方湖和中山站、昆仑站等关键区域)机载地球物理探测, 使用航空摄影、冰雷达、重力和磁力等综合立体探测方式, 绘制出高精度的冰下地形和冰厚图, 将空间分辨率提高至优于1 km的精度, 形成冰盖结构基础数据集。在此基础上, 获取南极冰盖/触地线区域先前未知的冰盖内部基本特征, 辨识冰下湖及冰下水系、冰盖底部冻结/融化状态、触地线区域地形地貌的时间/空间异常特征, 分析对海平面变化有潜在影响的南极冰盖高/低风险区域, 为研究冰盖不稳定性与精确评估未来海平面变化提供数据支撑。

2.2 构建冰盖数值模式模拟南极冰盖冰下环境

使用中国历次地面/航空冰厚和冰下地形数据、Bedmap2数据集、NASA 发布的MEaSUREs卫星遥感冰流速度、区域大气模式RACMO2 的表面物质平衡数据, 并采用BedMachine质量守恒模式来构建精细冰下地形, 填补雷达测线外的数据空白区, 反演雷达探测系统无法穿透的大部分冰下深槽的冰厚, 构建网格大小为1 km的冰下地形。

基于大范围航空探测高精度数据以及卫星遥感数据和其他观测资料, 使用全斯托克斯方程的 Elmer/Ice或BISICLES等冰盖模式, 改进数值模式所包含的动力学过程, 完善冰盖三维热力耦合动力学模式, 优化现有物理参数化方案, 设计敏感性实验, 分析冰下过程对冰盖稳定性的动力学影响。针对东南极冰盖典型冰流流域, 如快速冰流区和触地线区域, 模拟冰内温度、冰底水热环境、冻融状况, 深化对影响南极冰盖稳定性的热力/动力学关键过程的理解。

基于冰盖模式(CISM)和地球系统模式(CESM), 开展冰盖数值建模, 使其包含基于物理过程构建的高分辨率冰下地形、冰盖内部结构、流动特性和基底地热条件, 用数据同化方法将此类数据和新的认识纳入冰盖模式。最终, 使冰盖模型不再依赖于对基底阻力的过度参数化估计, 在计算中逐渐逼近冰的实际流动, 从而改善实际冰流量的估计, 减少预测未来冰盖行为演变的不确定性。

2.3 南极冰盖冰下过程的物理机理与海平面变化趋势的影响研究

2.3.1 南极冰盖冰下深部结构和冰下过程的物理机理

基于大范围的航空冰雷达数据, 通过冰盖深部冰层的几何结构反推古冰盖表面的物质积累、古冰盖表面地形与流场变化、底部融化, 进而估算冰盖物质平衡变化、诊断冰流突变、解析冰下地貌演变、冰下干湿环境, 对东南极冰盖典型区域的冰晶组构张量特征值进行参数化处理, 嵌入特定冰盖模式(如Elmer/Ice三维各向异性冰盖模式), 模拟冰盖内部温度场, 评估冰下地热通量和冰下水文过程的调控因素, 探索冰下深部结构和冰下过程的物理机理。

将观测与数值模拟结合起来, 获取冰盖关键参数, 综合诊断伊丽莎白公主地冰下冰温异常区域, 辨识地热通量异常导致的融水、冰下湖、冰下水系的空间分布; 探求冰下水体驱动加速冰流运动的相关机制(例如冰体本身性质的时空差异如何影响融水的生成); 探讨冰下融水与其上的冰流如何相互作用(如融水的存在增强冰盖底部的润滑性从而加速冰流流动, 或融水的排放反过来增强底部的阻力等), 冰下水系统通过触地线向冰架下方的海腔排放液态水的路径及其动力来源; 解析从南极内陆到南极沿海基岩海拔逐渐升高的冰下地形反向坡与触地线后退及冰盖底部加速融化不稳定性的关系。通过对冰盖内部各种动力学过程的深入研究, 发展模拟快速冰流和冰下水环境, 增强预测快速冰流和冰盖内部结构变化的能力并降低其不确定性, 逐步厘清其细节。

2.3.2 南极冰盖冰下过程对海平面变化趋势的影响

基于南极冰盖不同圈层的各类观测, 整合ICESat、ERS-1/2、Envisat和ICESat-2极地卫星遥感数据, 综合冰盖模式与大气模式结果, 研究南极冰盖典型区域物质平衡变异的时空分布特征; 通过筛选优化模式, 进行控制实验和参数化模拟分析在南极气候变化趋势下, 大气-冰盖圈层作用下表面物质平衡特征和基岩-冰盖-海洋圈层作用下的底部物质平衡特征; 使用雷达数据, 结合冰盖模式和气候耦合数值模式, 模拟冰盖冰下水体的可能分布。依据前述模拟计算结果, 估计由于冰下水活动引起的局部或整体物质平衡变化, 确定南极冰盖各个典型流域的物质平衡是否存在异常, 研判物质平衡异常可能发生的时间。对比东南极冰盖在IPCC AR5不同排放路径情景下的气候冰盖物质损失/增量的自然变率和平均变率, 评估全球变暖条件下南极冰盖对海平面变化的影响, 探索气候评估中海平面变化预测的不确定性。

3 项目的科学价值与展望

加深南极冰盖对气候变化的响应及其影响的理解以及减少冰盖对全球海平面贡献预估的不确定性是南极科学研究的重要前沿领域, 已成为包括IPCC AR5、Future Earth和SCAR等科学组织所计划的优先研究内容, 也是我国极地基础科学优先领域确立的主要研究主题。利用先进的航空科学调查技术手段大范围探测东南极冰盖, 确定冰下内部结构各要素之间及其与冰盖表面过程、冰下底部热通量的定量关系; 综合引入机载地球物理、卫星遥感、地面观测资料和数值模拟研究手段, 系统揭示研究区域的冰下暖冰、融水、冰下湖空间变化, 阐述各要素之间的相互影响; 使用实测数据、BedMachine新方法与三维各向异性冰盖耦合模式构建精细冰下地形, 揭示先前未知的冰下基本特征, 对研究冰盖物质平衡及其对气候变化尤其是海平面变化的响应具有重要的现实意义。

“南极冰盖深部结构、冰下过程及其对海平面的影响”研究旨在揭示东南极冰盖伊丽莎白公主地这一南极冰盖最大的研究薄弱区域的冰下环境, 获取冰盖内部成层结构并厘清冰下地热通量异常区域和融水分布。其核心科学问题就是揭示东南极冰盖伊丽莎白公主地这一南极冰盖最大的数据空白区域和研究薄弱区域的冰下环境特征, 获取冰盖内部成层结构、冰下高精度精细地形, 厘清冰下地热通量异常区域、融水分布。这一问题是反映东南极冰盖稳定性与海平面变化复杂关系中最基本的科学问题。逐步解决该关键问题, 有望在涉及南极冰盖冰下环境演化的观测和冰盖稳定性理论研究层面取得突破, 并有助于加深对东南极冰盖稳定性与海平面变化这一南极研究最基本科学问题的认识。

该项目的未来研究成果有望从四个方面提升对南极冰盖的认识: (1)解析东南极冰盖的冰层结构和底部水文过程; (2)确定影响南极冰盖稳定性和变化的关键物理过程及其效应; (3)厘清南极大气、海洋和冰下基岩与冰盖变化的动力学联系; (4)精确评估在地球系统变化背景下南极冰盖对未来海平面上升的影响。在实践应用层面, 研究成果有助于提升我国南极气候和全球海平面变化的预测能力, 服务于我国在全球变化领域涉及的国家极地战略重大需求。

1 RIGNOT E, MOUGINOT J, SCHEUCHL B, et al.Four decades of Antarctic Ice Sheet mass balance from 1979–2017[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), 2019, 116(4): 1095-1103.

2 ALLEY R B, CLARK P U, HUYBRECHTS P, et al.Ice-sheet and sea-level changes[J].Science, 2005, 310(5747): 456-460.

3 IPCC SROCC.The IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate (SROCC 2019)[R/OL].(2019).https://www.ipcc.ch/srocc/home/.

4 SIEGERT M J, WELCH B, MORSE D, et al.Ice flow direction change in interior West Antarctica[J].Science, 2004, 305(5692): 1948-1951.

5 SIEGERT M J, ROSS N, LE BROCQ A M.Recent advances in understanding Antarctic subglacial lakes and hydrology[J].Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2016, 374(2059): 20140306.

6 WOLOVICK M J, BELL R E, CREYTS T T, et al.Identification and control of subglacial water networks under Dome A, Antarctica[J].Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 2013, 118(1): 140-154.

7 BELL R E, FERRACCIOLI F, CREYTS T T, et al.Widespread persistent thickening of the east Antarctic ice sheet by freezing from the base[J].Science, 2011, 331(6024): 1592-1595.

8 SIEGERT M J, KENNICUTT M C II.Governance of the exploration of subglacial Antarctica[J].Frontiers in Environmental Science, 2018, 6: 103.DOI:10.3389/fenvs.2018.00103.

9 KENNICUTT II M C, BROMWICH D, LIGGETT D, et al.Sustained Antarctic research: A 21st century imperative[J].One Earth, 2019, 1(1): 95-113.

10 PATTYN F, RITZ C, HANNA E, et al.The Greenland and Antarctic ice sheets under 1.5℃ global warming[J].Nature Climate Change, 2018, 8(12): 1053-1061.

11 JOUGHIN I, SMITH B E, MEDLEY B.Marine ice sheet collapse potentially under way for the Thwaites Glacier Basin, West Antarctica[J].Science, 2014, 344(6185): 735-738.

12 DECONTO R M, POLLARD D.Contribution of Antarctica to past and future sea-level rise[J].Nature, 2016, 531(7596): 591-597.

13 MEDLEY B, THOMAS E R.Increased snowfall over the Antarctic Ice Sheet mitigated twentieth-century sea-level rise[J].Nature Climate Change, 2019, 9(1): 34-39.

14 LYTHE M B, VAUGHAN D G.BEDMAP: A new ice thickness and subglacial topographic model of Antarctica[J].Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2001, 106(B6): 11335-11351.

15 TANG X Y, SUN B, LI Y S, et al.Dome Argus: Ideal site for deep ice drilling[J].Advances in Polar Science, 2013, 23(1): 47-54.DOI: 10.3724/SP.J.1085.2012.00047.

16 TANG X Y, SUN B, WANG T T.Radar isochronic layer dating for a deep ice core at Kunlun Station, Antarctica[J].Science China Earth Sciences, 2020, 63(2): 303-308.

17 SUN B, MOORE J C, ZWINGER T, et al.How old is the ice beneath Dome A, Antarctica? [J].The Cryosphere, 2014, 8(3): 1121-1128.

18 SUN B, SIEGERT M J, MUDD S M, et al.The Gamburtsev mountains and the origin and early evolution of the Antarctic Ice Sheet[J].Nature, 2009, 459(7247): 690-693.

19 FRETWELL P, PRITCHARD H D, VAUGHAN D G, et al.Bedmap2: improved ice bed, surface and thickness datasets for Antarctica[J].The Cryosphere, 2013, 7(1): 375-393.

20 JAMIESON S S R, ROSS N, GREENBAUM J S, et al.An extensive subglacial lake and canyon system in Princess Elizabeth Land, East Antarctica[J].Geology, 2016, 44(2): 87-90.

The deep structure and subglacial processes of the Antarctic ice sheet,and its influence on the ice sheet instability and sea level

Tang Xueyuan1, Sun Bo1, Ma Hongmei1, Zhao Liyun2, Qiao Gang3, Tian Yixiang3,Guo Jingxue1, Cui Xiangbin1, Li Lin1

(1Key Laboratory of Polar Science, MNR, Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China;2College of Global Change and Earth System Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;3College of Surveying and Geo-Informatics, Tongji University, Shanghai 200092, China)

The effects of ice sheet structure and subglacial processes on ice sheet stability, climate change and global sea-level rise are becoming the frontiers of Antarctic scientific research.However, systematic research remains insufficient on the key physical processes and their effects on the stability of the Antarctic ice sheet at different time-space scales, which has led to wide controversy on the impacts of subglacial processes on global climate change in the international polar scientific community for many years.Based on the aerogeophysical exploration of the Princess Elizabeth Land of the East Antarctica ice sheet, carried out by Chinese National Antarctic Research Expedition since 2015/2016, we summarize the recent research, and clarify the key scientific issues involved in understanding the deep structure and subglacial processes of the Antarctic ice sheet.We expound the obstacles and solutions encountered in the study of the physical mechanisms of the deep structure and processes of the Antarctic ice sheet, by combining intensive observations of the typical areas with the numerical simulations to explore ice sheet stability and its impact on sea level rise.This study contributes to the quantitative estimation of the mass balance of the Antarctic ice sheet and its impact on the future sea level rise.

East Antarctic ice sheet, Princess Elizabeth Land, deep structure, subglacial processes, aerogeophysical observation

2020年12月收到来稿, 2021年2月收到修改稿

国家自然科学基金(41941006)资助

唐学远, 男, 1978年生。副研究员, 主要从事极地冰川学研究。E-mail: tangxueyuan@pric.org.cn

唐学远,E-mail: tangxueyuan@pric.org.cn; 孙波, E-mail: sunbo@pric.org.cn

10.13679/j.jdyj.20210002