南極冰蓋表面冰流速研究綜述

陳軍 柯長(zhǎng)青

（南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210093）

0 引言

隨著南極的地理大發(fā)現(xiàn)，人類對(duì)南極的研究逐漸深入，大量研究表明，南極冰蓋與全球氣候、生態(tài)環(huán)境及人類社會(huì)未來(lái)發(fā)展等重大問(wèn)題密切相關(guān)。隨著全球氣候的變暖，冰川變化對(duì)全球氣候變化的放大器和指示器作用日益明顯［1］，冰川響應(yīng)氣候的變化首先反映在冰川的物質(zhì)平衡變化上，其次是冰川的溫度、運(yùn)動(dòng)特征等一系列變化上［2］。冰川厚度和冰川表面流速是冰流通量?jī)蓚€(gè)最主要的影響因素，是南極冰蓋物質(zhì)平衡估算的重要參數(shù)，所以南極的冰川流速研究成為全球海平面上升模型建立一個(gè)不可忽視的內(nèi)容。從實(shí)際應(yīng)用角度看，由于南極冰川流動(dòng)而導(dǎo)致冰川位置、形狀的改變，對(duì)于南極科考中合理避開(kāi)冰崩、冰裂，選擇安全冰上穿越路徑等，有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義［3］。同時(shí)，研究冰川流速以便掌握冰川的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，還可為人類將來(lái)利用這些冰川（淡水庫(kù)）提供理論支撐。

關(guān)于南極冰川表面流速研究，主要分為流速監(jiān)測(cè)技術(shù)方法研究和冰流速測(cè)算結(jié)果分析兩大領(lǐng)域。其中，關(guān)于冰川流速測(cè)量技術(shù)研究方面，從傳統(tǒng)的花桿測(cè)量研究、光學(xué)儀器邊角測(cè)量研究，發(fā)展到了先進(jìn)的GPS測(cè)量研究和遙感觀測(cè)研究。當(dāng)前，多源數(shù)據(jù)融合，以及新方法、新算法不斷被引進(jìn)，又進(jìn)一步提高了南極冰川流速測(cè)量的精度和效率。在冰流速測(cè)算結(jié)果分析方面，關(guān)于冰架、海岸帶冰川的流速研究已取得了大量成果，今后，針對(duì)南極內(nèi)陸數(shù)據(jù)稀疏地區(qū)冰川流速研究、擴(kuò)大冰流速研究的時(shí)間尺度等將成為新的研究熱點(diǎn)。總之，南極冰蓋的冰川表面流速研究不僅對(duì)全球氣候變化及海平面上升等研究具有重要意義，同時(shí)也極大地促進(jìn)了極地冰川學(xué)的發(fā)展。

1 冰流速監(jiān)測(cè)方法

南極冰流速監(jiān)測(cè)方法主要分為兩大類：實(shí)地觀測(cè)法和遙感監(jiān)測(cè)法。其中，實(shí)地觀測(cè)法主要有標(biāo)志測(cè)量法（如花桿測(cè)量）和GPS現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)法。遙感監(jiān)測(cè)法主要分為光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)和微波遙感監(jiān)測(cè)。實(shí)地觀測(cè)法雖然精度很高，但是觀測(cè)成本高昂，且南極很多地區(qū)自然條件十分惡劣，所以觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取成為其最大的制約因素。遙感監(jiān)測(cè)法主要優(yōu)勢(shì)在于大面積、長(zhǎng)時(shí)效的掌握某區(qū)域的冰川流動(dòng)狀況，但是其缺點(diǎn)是精度不高。

1.1 實(shí)地觀測(cè)

1.1.1 花桿測(cè)量

花桿測(cè)量法是最早運(yùn)用于南極冰流速測(cè)量的實(shí)地觀測(cè)法，如 Dorrer等［4］在 1962—1963年間，Hofmann等［5］在 1962—1963年和 1965—1966年間對(duì)Ross冰架的冰流速測(cè)量都采用埋設(shè)花桿的施測(cè)方法，通過(guò)量算花桿的位移距離來(lái)獲取冰架的冰流速數(shù)據(jù)。隨后，經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、全站儀等光學(xué)儀器被引入花桿測(cè)量方法中，使得測(cè)量效率和精度獲得了極大的提高。如徐紹銓等［6］在 Nelsons島布設(shè)花桿，運(yùn)用光學(xué)經(jīng)緯儀采用三角測(cè)高法進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量，測(cè)得Nelsons島東北冰川以14.6 m·a-1的速度向東北方向的麥克思韋爾海灣流動(dòng)，測(cè)量精度0.2—0.5 m?；U測(cè)量有使用廣泛、操作簡(jiǎn)單，測(cè)量故障率低，能覆蓋較大面積區(qū)域等優(yōu)點(diǎn)，但是其缺點(diǎn)是后勤保障（花桿運(yùn)輸、埋設(shè)、搜尋）的費(fèi)用較高。所以，高昂的觀測(cè)成本和相對(duì)較短的復(fù)測(cè)周期是限制花桿測(cè)量的重要因素，因此該觀測(cè)法較適合在常年考察區(qū)域?qū)嵤?/p>

1.1.2 GPS測(cè)量

目前，全球定位系統(tǒng)（GPS）被認(rèn)為是在南極進(jìn)行定位測(cè)量最主要的工具［7］，從1994年開(kāi)始，每年都有一次全南極的GPS聯(lián)合觀測(cè)，用來(lái)監(jiān)測(cè)南極大陸的地殼運(yùn)動(dòng)。澳大利亞、美國(guó)等國(guó)定期對(duì)南極大陸進(jìn)行GPS觀測(cè)，中國(guó)在1996—1999年間組織了3次從中山站到冰穹A的冰川學(xué)-地學(xué)大斷面的考察研究，沿途布設(shè)GPS定位點(diǎn)，通過(guò)GPS觀測(cè)，計(jì)算出該線路冰川流速為 8—25 m·a-1［8］。

在過(guò)去的20年里，隨著GPS軟、硬件及衛(wèi)星星歷等的發(fā)展，GPS技術(shù)可以很容易地用來(lái)進(jìn)行冰川流速測(cè)量并且能得到高質(zhì)量的結(jié)果［9］。由于測(cè)量的高精度性、快速性及只需較少的后勤支援，GPS測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成為南極地區(qū)冰川動(dòng)力和冰面地形野外測(cè)量的最重要的工具之一。如 Stefano等［10］在1996—2005年間運(yùn)用GPS重復(fù)觀測(cè)的方法測(cè)量出東南極冰穹C和Talos冰穹的冰流速，并研究冰流速變化與冰雪積累之間的關(guān)系。Frezzotti等［7］比較研究了GPS現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)法和多時(shí)相光學(xué)遙感影像特征跟蹤兩種冰流速監(jiān)測(cè)方法，他發(fā)現(xiàn)在當(dāng)前技術(shù)條件下，GPS觀測(cè)法的精度高于遙感監(jiān)測(cè)法。隨著解算方法的創(chuàng)新、硬件設(shè)備的發(fā)展，GPS技術(shù)越來(lái)越成為南極冰川流速高精度監(jiān)測(cè)的主要方法［11］。

1.2 遙感監(jiān)測(cè)

1.2.1 微波遙感監(jiān)測(cè)

運(yùn)用微波遙感數(shù)據(jù)對(duì)冰川流速進(jìn)行監(jiān)測(cè)主要是基于INSAR的干涉相干性特征。Goldstein等［12］首次利用ERS-1的InSAR數(shù)據(jù)測(cè)出了南極Rutford冰流的流速，為運(yùn)用干涉雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行冰川流速測(cè)量開(kāi)辟了一種新的嘗試。此后，基于InSAR的南極冰流速監(jiān)測(cè)發(fā)展迅速（表 1），如 Rignot等［13］選擇ALOS-PALSAR的InSAR數(shù)據(jù)對(duì)西南極的冰流進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)Pine島冰川、Smith冰川流速明顯加快，而Thwaites冰川雖然沒(méi)明顯加速，但質(zhì)量損失更大。Nakamura、Lucchitta和 Pattyn等［14-19］分別運(yùn)用JERS-1、ERS-1/2、ALOS-PALSAR、RADARSAT等INSAR數(shù)據(jù)對(duì)南極冰川表面流速進(jìn)行測(cè)量與研究，相關(guān)成果表明：L波段的 INSAR數(shù)據(jù)比 C波段INSAR數(shù)據(jù)更適合進(jìn)行復(fù)雜快變的南極冰川流速測(cè)量與研究［20］。

表1 南極冰流速監(jiān)測(cè)常用微波遙感傳感器Table 1.Antarctic ice flow monitoring with microwave remote sensor

當(dāng)前，微波遙感監(jiān)測(cè)法不再單純運(yùn)用InSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行冰流測(cè)速，而是將INSAR數(shù)據(jù)與其他多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合（如運(yùn)用干涉測(cè)量與像元偏移跟蹤相結(jié)合等方法［13，21-27］），并且運(yùn)用星載激光高度計(jì)/機(jī)載激光測(cè)高儀、地球重力衛(wèi)星、激光雷達(dá)等獲取的高程數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)算冰川流動(dòng)的垂直變化情況，進(jìn)而計(jì)算冰川的三維運(yùn)動(dòng)速度，大大提高冰流速的研究精度［25］。

1.2.2 光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)

通過(guò)INSAR的干涉相干性進(jìn)行的冰川位移測(cè)量不受云雨天氣影響，而且精度較高，但這種方法需要時(shí)間間隔較短的連續(xù)影像，在南極地區(qū)受到數(shù)據(jù)稀缺的限制。所以利用較高空間分辨率和較長(zhǎng)時(shí)間跨度的光學(xué)（可見(jiàn)光和近紅外）遙感數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行冰川流速監(jiān)測(cè)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

光學(xué)遙感冰流速測(cè)量主要是運(yùn)用圖像特征跟蹤及相關(guān)性計(jì)算原理，如 Scambos等［26］和 Frezzotti等［7］利用兩個(gè)時(shí)相光學(xué)影像上的決口疤痕和雪沙丘等表面特征點(diǎn)作為特征匹配的條件來(lái)進(jìn)行圖像特征跟蹤及相關(guān)性計(jì)算，以這些特征點(diǎn)的位移速度來(lái)推算出該區(qū)域的冰川流速，他們還基于以上算法開(kāi)發(fā)出相關(guān)軟件，用來(lái)大規(guī)模測(cè)量西南極洲冰流速。特征跟蹤作為光學(xué)遙感數(shù)據(jù)研究冰川流動(dòng)的主要方法之一，針對(duì)它的研究主要集中在圖像匹配方法上。如 Heid等［27］選用世界 5個(gè)區(qū)域（Karakoram、European Alps、Alaska、Pine island、Greenland）的 ETM+/PAN多時(shí)像數(shù)據(jù)，比較了6個(gè)不同的匹配方法（NCC：基于空間域的歸一化互相關(guān)計(jì)算、CCF：快速傅里葉變換的基于頻率域互相關(guān)計(jì)算、PC：快速傅里葉變換的基于頻率域相位相關(guān)計(jì)算、CCF-O：圖像匹配基礎(chǔ)上的快速傅里葉變換的基于頻率域互相關(guān)計(jì)算、PC-O：圖像匹配基礎(chǔ)上的快速傅里葉變換的基于頻率域相位相關(guān)計(jì)算、COSI-CORR：光學(xué)遙感圖像的特征匹配及互相關(guān)計(jì)算）的計(jì)算結(jié)果，總體而言，他們認(rèn)為CCF-O和COSI-CORR是兩個(gè)最有效的全球冰川流速監(jiān)測(cè)的匹配方法。如果匹配過(guò)程中將CCF-O與本地自適應(yīng)模板尺寸和通過(guò)過(guò)濾的匹配結(jié)果自動(dòng)進(jìn)行比較，與其低通濾波版本的位移矩陣相結(jié)合，可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，這使得用最少的（但不是沒(méi)有）用戶交互，為快速地推導(dǎo)出全球規(guī)模的冰川流動(dòng)提供可能。特征跟蹤過(guò)程中如何減少人為干預(yù)，提高相關(guān)性計(jì)算的自動(dòng)化成為南極冰川光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)研究的重點(diǎn)，它大大減少了相干性計(jì)算過(guò)程中窗口設(shè)置、特征點(diǎn)位移計(jì)算等的工作量，在大面積、大數(shù)據(jù)量的冰川流速監(jiān)測(cè)中具有重要意義［28］。

2 冰流速區(qū)域特征

南極冰蓋表面流動(dòng)基本特征是：巨大的冰蓋被南極地貌局限為一個(gè)面積廣大、但流速緩慢的冰流層，大致由南極高原中心呈放射狀向四周海岸帶流動(dòng)（圖1）。同時(shí)，局部地區(qū)微地貌將冰流收斂到一些流速較快的山谷冰川或者一些其他特殊形式的冰流。這些質(zhì)量巨大的冰層流動(dòng)到海岸帶的時(shí)候，形成兩種形式：它們或者分支成無(wú)數(shù)細(xì)小冰川直接流入大海；或者流入海灣，與該海域底部水二次凝結(jié)形成的冰體相互擠壓并以冰架的形式流向大洋［29］，如Ross冰架、Larsen冰架等。

2.1 東南極冰流速

東南極冰蓋平均厚度約為2 450 m，冰蓋物質(zhì)順著古地盾地形從中央向四周呈放射狀緩慢流動(dòng)，并呈現(xiàn)出由高原內(nèi)部向海岸帶速度遞增的特征。

2.1.1 東南極內(nèi)陸地區(qū)冰流速

東南極內(nèi)陸如冰穹A、毛德皇后地、維多利亞地等地區(qū)，由于古地盾平緩、冰層厚度極大、受外部氣候影響較小等原因，冰層流速緩慢，平均速度＜20 m·a-1。相關(guān)研究主要有：Naruse等［30］計(jì)算出 Mizuho高原的 72°S沿線區(qū)域的冰流速，從 36°W—44°W，年均流速依次為0—22 m·a-1，平均速度為15 m·a-1。Sunil等［11］運(yùn)用 2003—2004年的 GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出位于毛德皇后地的Schirmacher山區(qū)夏季的冰流速為2—11 m·a-1，平均速度為6.2 m·a-1。王清華等［8］通過(guò)對(duì)中國(guó)中山站到冰穹A的GPS測(cè)量發(fā)現(xiàn)沿線冰蓋以8—25 m·a-1的速度向西北方向流動(dòng)。Chen等［31］運(yùn)用干涉雷達(dá)相干性特征測(cè)算出Grove山地區(qū)平均冰流速為20 m·a-1。Yu等［32-33］計(jì)算出 Lambert-Amery系統(tǒng)中的冰盆上游即南極冰蓋內(nèi)部地區(qū)平均流速＜20 m·a-1。

東南極大陸內(nèi)部某些特殊的地理地貌形態(tài)對(duì)局部冰流速產(chǎn)生巨大的影響。

（1）Urbini等［34］分別在 Talos冰穹和冰穹 C布設(shè)了9個(gè)和37個(gè)GPS點(diǎn)，通過(guò)對(duì)1996年、1998年、2002年和2005年4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的GPS坐標(biāo)進(jìn)行比測(cè)，計(jì)算出以上兩個(gè)區(qū)域的冰川流速為0.14—0.37 m·a-1。該研究發(fā)現(xiàn)，由于冰穹頂部地區(qū)是冰流的起始階段，故流速十分緩慢。

圖1 南極大陸地形地貌Fig.1.The topographic and physiognomicmaps of Antarctica

（2）冰下湖是南極一個(gè)十分特殊的地理形態(tài)，該區(qū)域冰流速較慢，如Richter等［35］運(yùn)用GNSS重復(fù)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出Vostok冰下湖上的冰川表面速度＜2 m·a-1。

（3）角峰、冰丘隆等對(duì)冰川流動(dòng)的阻滯作用明顯，如Grove山地區(qū)，零散的角峰群內(nèi)部平均冰流速為8 m·a-1，在角峰群以外地區(qū)，冰流速 ＞10 m·a-1，而在遠(yuǎn)離角峰群處的冰流速則更快，達(dá)到20 m·a-1［20］。東南極冰蓋總體上形成了一個(gè)由內(nèi)陸向海岸帶冰流速逐漸遞增、流速等值線較為平滑的流速場(chǎng)，而以上特殊地區(qū)的存在使得在這個(gè)大流速場(chǎng)中形成一系列流速低谷區(qū)，而這些低流速區(qū)的存在又反過(guò)來(lái)對(duì)南極冰流通量及冰蓋物質(zhì)損失產(chǎn)生巨大的影響［31］。

2.1.2 東南極海岸帶冰流速

冰流層攜帶著巨大冰雪物質(zhì)順著古地盾緩慢地流向南極大陸的海岸帶，如英格麗德·克里斯滕森海岸、奧茨海岸、瑪麗皇后海岸等。該區(qū)域?qū)儆诒ㄎ镔|(zhì)的損失和消融區(qū)，冰崩現(xiàn)象普遍，且冰蓋物質(zhì)向海洋俯沖的坡度較陡，故該區(qū)域冰川流速較快。Patrick等［36］對(duì)東南極的 Sorsdal冰川進(jìn)行觀測(cè)，計(jì)算出該冰川的流速為2—114 m·a-1。Lambert-Amery系統(tǒng)是南極冰蓋最大的冰流系統(tǒng)，每年輸出了南極冰蓋1/5的水量，從 Yu等［32-33］繪制的Lambert-Amery系統(tǒng)流速場(chǎng)可以看出，該系統(tǒng)附屬的8個(gè)冰盆地上游流動(dòng)速度較慢（＜65 m·a-1），越接近海岸帶的地方流動(dòng)速度越快（Lambert冰盆地893 m·a-1、Mellor冰盆地855 m·a-1、East Tributary冰盆地170 m·a-1、West Tributary冰盆地580 m·a-1、East Down Stream冰盆地 340 m·a-1、West Down Stream冰盆地304 m·a-1、Fisher冰盆地654 m·a-1、Charybdis冰盆地244m·a-1）。Institute冰流是 Filchner/Ronne冰架的重要補(bǔ)給源，流速為60—320 m·a-1［37］。Byrd冰川是 Ross冰架上游主要補(bǔ)給冰川，因此該冰川的流速也相對(duì)較快，冰川平均速度為400 m·a-1，冰川中心線的流動(dòng)速度最高達(dá)到800 m·a-1［38-39］。東毛德皇后地?fù)碛心蠘O大陸最陡的海岸線，故該地區(qū)海岸帶冰川的整體流速很快，如Shirase冰川是南極流速最快的冰川之一，平均速度為 2 200—2 600 m·a-1［7］。通過(guò)以上研究發(fā)現(xiàn)，東南極海岸帶是南極冰蓋冰流速較快的區(qū)域。

2.2 西南極冰流速

西南極呈半島形狀深入海洋，受海洋性氣候影響較大，故該區(qū)域的氣候較東南極溫和，而且西南極洲中的南極半島是南極大陸與其他大陸距離最近的地方，因此便于進(jìn)行南極科學(xué)考察的后勤保障。此外，由于西南極下墊面地形崎嶇，形成了許多獨(dú)立的細(xì)小冰川，這些形態(tài)各異冰川的流速特征吸引了更多學(xué)者的關(guān)注，所以西南極冰川研究成果比東南極冰川研究成果豐富得多。

2.2.1 西南極內(nèi)陸冰流速

和東南極一樣，西南極大部分冰層被局限為流速緩慢的冰蓋流層，如埃爾斯沃思地冰蓋和瑪麗伯德地冰蓋的平均流速＜20 m·a-1，但是這些緩慢的冰蓋流層被收斂到各個(gè)小規(guī)模的山谷冰川、冰流或者是冰架時(shí)，流速迅速提高，如 Scambos等［26］以Landsat-4的TM數(shù)據(jù)為遙感數(shù)據(jù)源采用IMCORR方法繪制出了太平洋海岸Thwaites冰川的流速場(chǎng)，冰川上游流速＜300 m·a-1，下游速度＞2 000 m·a-1，入?？谛纬杀艿淖畲罅魉伲? 000 m·a-1。Siple海岸冰川由于地勢(shì)平緩且受Ross冰架的阻擋，與西南極其他海岸相比，流速較慢，如Jacobel等［40］計(jì)算出 Siple海岸 C冰流的流速為20—30 m·a-1。此外，Whillans、Scambos、Joughin、Bindschadler等［41-45］測(cè)算出 Siple海岸 A冰流、B冰流、C冰流、D冰流、E冰流、F冰流的流速場(chǎng)，該區(qū)域冰川上游平均流速為20—180 m·a-1，下游平均流速為180—400 m·a-1。

2.2.2 南極半島及附屬島嶼冰流速

南極半島是西南極的重要組成部分，島嶼眾多，緯度相對(duì)較低，受海洋性氣候影響較大，使得該地區(qū)冰川變化較大，海岸帶和冰架地區(qū)流速較快，如Lucchitta等［18-19］測(cè)算出埃茨海岸的Pine島冰川流速為2 000—2 650 m·a-1。海岸帶冰流下游或者是冰流入?？谔幜魉佥^快，如半島Crane冰川下游流速＞1 100 m·a-1，入?？谠黾拥? 500 m·a-1［36］。需注意的是，南極半島下墊面地勢(shì)崎嶇，這種地形對(duì)冰川流動(dòng)的阻滯作用明顯，使得半島山區(qū)內(nèi)部冰川流速較慢，特別是地形封閉區(qū)域冰川流速緩慢，流速＜150 m·a-1，如Crane冰川上游流速＜150 m·a-1［36］。南極半島分散的附屬島嶼冰流較為獨(dú)立，特別是島嶼冰帽由于質(zhì)量大小差異導(dǎo)致流動(dòng)速度差異明顯。如Skvarca等［46］測(cè)算出Vega島的流速為20—60 m·a-1，Osmanoglu等［47］運(yùn)用干涉雷達(dá)相干性計(jì)算出King George島的冰流速度＞225 m·a-1，綜上所述，雖然南極半島地勢(shì)狹長(zhǎng)、面積較小，但是內(nèi)部冰流系統(tǒng)復(fù)雜，流速差異較大，而且其冰流速受外部影響也較大。

2.3 南極冰架的冰流速

冰架是指陸地冰延伸到海洋的那部分冰體，冰架崩解是冰山的最主要的來(lái)源，所以冰架是南極冰蓋質(zhì)量損失最主要的地區(qū)。第一次準(zhǔn)確的對(duì)南極冰架進(jìn)行測(cè)量是20世紀(jì)60年代中葉的Ross冰架考察測(cè)量［4-5］。隨后，科學(xué)家對(duì)Amery冰架的冰川流速也進(jìn)行了實(shí)地觀測(cè)［48］，通過(guò)實(shí)地考察取得了一些寶貴的早期冰架流速資料。但是，大部分研究成果還是在90年代以后取得的。如Vaughan等［49］繪制了Filchner/Ronne冰架的表面流速等值區(qū)圖，冰架的不同地段的流速差異巨大，該冰架上游的平均流動(dòng)速度＜100 m·a-1，而入?？诒苤行木€的速度＞1 400 m·a-1。Thomas等［50-52］繪制了 Ross冰架的流速場(chǎng)，冰架上游的流速為300—500 m·a-1，入海口的速度提高到了1 100 m·a-1。Joughin和Young等［53-54］通過(guò)遙感數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)Amery冰架中心線沿線的流速為300—1 350 m·a-1。以上研究成果表明，冰架流速等值線呈扇形分布，冰架中心線流速比兩側(cè)流速快，入?？诹魉俦仍搭^流速快。此外，還有許多學(xué)者［55-59］分別運(yùn)用干涉雷達(dá)相干性、光學(xué)遙感的特征跟蹤以及實(shí)地測(cè)量的方法對(duì)南極主要冰架的冰川流速進(jìn)行測(cè)算，結(jié)果都表明冰架這種特殊的冰川，流動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于南極大陸其他形式冰川的流動(dòng)速度，最高速度超過(guò)1 500 m·a-1。Haug等［60］將 250 m分辨率的 MODIS影像和30 m分辨率的TM/ETM影像作為特征跟蹤的光學(xué)遙感數(shù)據(jù)源，采用歸一化互相關(guān)計(jì)算的方法，繪制出南極Larsen冰架等11個(gè)主要冰架的流速場(chǎng)，如表2。

表2 南極大陸11個(gè)主要冰架冰流速［60］Table 2.Mean and maximum velocity for the 11 ice shelves in Antarctica［60］

3 南極表面冰流速變化趨勢(shì)

最新的評(píng)估認(rèn)為西南極洲冰蓋總體可能正在減薄，但內(nèi)部表現(xiàn)出兩種不同變化模式：內(nèi)陸地區(qū)在增厚，而北面半島地區(qū)則加速減薄，東南極冰蓋物質(zhì)平衡變化小于西南極。南極冰蓋冰雪物質(zhì)平衡的變化對(duì)冰流速產(chǎn)生巨大的影響，反映在冰流速變化時(shí)間規(guī)律上，體現(xiàn)如下特征：大型冰川趨于停滯，其他冰川在加速，冰架大面積的快速崩解導(dǎo)致支流冰川的加速，表面融化以及著地線強(qiáng)烈的底部融化，導(dǎo)致冰蓋流動(dòng)加速等［29］。

（1）西南極內(nèi)陸地區(qū)：在全球氣候變暖的背景下，該地區(qū)的冰蓋與海洋物質(zhì)交換的速度與強(qiáng)度日益加劇，部分冰蓋正在強(qiáng)烈、快速地變薄，冰流速出現(xiàn)了令人感到意外的變緩趨勢(shì)，如Stephenson等［29］通過(guò)對(duì)西南極內(nèi)陸冰川在近十年的流速變化研究發(fā)現(xiàn)，部分冰川流動(dòng)速度在減慢，特別是B冰流出口地區(qū)流速甚至減慢了20%。Engelhardt等［61］運(yùn)用GPS實(shí)地觀測(cè)的方式計(jì)算出西南極Siple海岸C冰流1996—1997年平均速度為24 m·a-1，而2000—2001年流速為18 m·a-1，速度變緩趨勢(shì)明顯。Whillans冰流流速也正在減緩，冰流每年減速5 m［13］。

（2）南極半島：20世紀(jì)90年代，許多學(xué)者曾認(rèn)為冰架后退對(duì)流入這些冰架的冰川影響甚小。進(jìn)入21世紀(jì)之后，南極半島冰架的快速崩解為檢驗(yàn)這些預(yù)測(cè)提供了機(jī)會(huì)。如東格雷厄姆地，自Larsen冰架部分解體以來(lái)，支流冰川加速了3倍，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)南極半島冰架的崩解導(dǎo)致著地冰的加速排泄［29］，如Pine島冰流每年增速45 m，Thwaites冰川冰舌的流速?gòu)?972—1984年的2 680 m·a-1加速到2006年的2 950 m·a-1［26］。Haynes冰川和 Smith冰川的流速在1996—2006年間分別加快了27%和75%，特別是到了2006—2007年間，Smith冰川的流速就加快了 8%［13］。

（3）東南極地區(qū)：東南極冰蓋物質(zhì)的不平衡可能很小，甚至正負(fù)平衡關(guān)系還不能被確定，該地區(qū)冰流速變化趨勢(shì)也不明顯，但是大部分研究成果更傾向于認(rèn)為該地區(qū)整體的冰川流速呈略微變緩的趨勢(shì)。如King等［62］運(yùn)用遙感監(jiān)測(cè)和GPS監(jiān)測(cè)方法計(jì)算出了Amery冰架系統(tǒng)的冰川流速，并且結(jié)合Budd等［48］在1968—1970年間實(shí)地考察測(cè)算出該區(qū)域的冰流速數(shù)據(jù)，對(duì)兩套成果中有時(shí)間重合的這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行重點(diǎn)比對(duì)，并采用技術(shù)性平差的方式去除不同監(jiān)測(cè)方法帶來(lái)的流速結(jié)果誤差。該研究表明：1968—1999年，Lambert-Amery系統(tǒng)冰川表面流速平均減慢了0.6%。

（4）南極冰架地區(qū)：冰架確實(shí)支撐著其支流冰川，并極大地調(diào)節(jié)著它們的流動(dòng)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，南極某些冰架在物質(zhì)平衡中處于正平衡的關(guān)系，導(dǎo)致了冰流速變緩現(xiàn)象的出現(xiàn)。另一些冰架的物質(zhì)負(fù)平衡（如Larsen冰架）又導(dǎo)致其支流冰川流速的加快，冰架流速也相應(yīng)加快［29］。

由于氣候極度惡劣，南極大陸的第一次真正的冰川流速測(cè)量直到20世紀(jì)60年代才開(kāi)始，可應(yīng)用的遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直到80年代才逐步豐富，GPS測(cè)量技術(shù)在南極冰川流速測(cè)量中應(yīng)用直到80至90年代才開(kāi)始大規(guī)模推廣?？傮w上，南極冰川流速研究時(shí)間尺度相對(duì)較短，在這么短的對(duì)比時(shí)段內(nèi)尋找冰川變化的趨勢(shì)有很大的困難，因此關(guān)于南極冰川流速時(shí)間變化規(guī)律目前學(xué)術(shù)界還難以取得完全一致的成果。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

綜上所述，20世紀(jì)60年代以后，南極冰川考察中冰川流速測(cè)量開(kāi)始逐步開(kāi)展，80年代以后，隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)以及遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，南極冰流速研究進(jìn)入了快速發(fā)展的時(shí)期，取得了豐碩的研究成果，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。

（1）新的研究方法不斷出現(xiàn)：早期冰川流速測(cè)量主要采用實(shí)地測(cè)量的方法，采用插花桿然后量算出花桿的位移量來(lái)取得冰川流速數(shù)據(jù)。隨后花桿測(cè)量法引入了經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、全站儀等光學(xué)測(cè)量?jī)x器，通過(guò)邊角測(cè)量來(lái)提高冰川監(jiān)測(cè)效率。GPS技術(shù)的引入大大提高了南極冰川流速測(cè)量的觀測(cè)效率和精確性，使得南極冰川流速大規(guī)模實(shí)地觀測(cè)成為可能。但是，實(shí)地觀測(cè)的后勤保障要求很高，而且由于氣候極度惡劣，有些地區(qū)人類至今還難以企及，遙感監(jiān)測(cè)法正好克服了以上困難，基于特征跟蹤的光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)和基于干涉相干性的微波遙感監(jiān)測(cè)以及激光雷達(dá)技術(shù)、重力衛(wèi)星技術(shù)等的迅速發(fā)展，使得遙感監(jiān)測(cè)取得了比實(shí)地考察還要豐富的研究成果。但是，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，遙感監(jiān)測(cè)法取得冰流速數(shù)據(jù)與實(shí)地考察數(shù)據(jù)相比在精度上存在一定的差距。所以，許多學(xué)者將不同的方法進(jìn)行融合以獲取更好的成果。

（2）獲取大量的冰川流速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：通過(guò)對(duì)目前已取得的研究成果的分析發(fā)現(xiàn)，南極冰蓋流速在空間上呈現(xiàn)出海岸帶流速比內(nèi)陸快、冰架冰川流速比陸地冰川快、西南極冰川流速比東南極冰川快等特征。從時(shí)間規(guī)律上看，南極冰蓋不同地區(qū)的冰流速體現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，如冰架的崩解導(dǎo)致其補(bǔ)給的支流冰川流速加快，冰蓋的變薄導(dǎo)致其冰流的變緩等等。但是，由于南極冰流速研究時(shí)間序列還不夠長(zhǎng)，學(xué)者要想在這么短的時(shí)段內(nèi)關(guān)于變化趨勢(shì)取得一致的研究成果還存在很大的難度。

4.2 展望

4.2.1 針對(duì)數(shù)據(jù)稀疏區(qū)域的冰川流速監(jiān)測(cè)

由于極度惡劣的氣候環(huán)境，廣袤的南極大陸內(nèi)部的現(xiàn)場(chǎng)考察數(shù)據(jù)十分有限，而這些區(qū)域往往在南極冰蓋研究中占有十分重要的地位。由于該區(qū)域長(zhǎng)期的多雪、多霧天氣，對(duì)光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)也產(chǎn)生了嚴(yán)重的障礙。充分運(yùn)用微波遙感數(shù)據(jù)、重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)等遙感數(shù)據(jù)必然會(huì)大大充實(shí)南極大陸內(nèi)部地區(qū)的冰流速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4.2.2 擴(kuò)大冰川流動(dòng)研究的時(shí)間尺度

最早的冰流速數(shù)據(jù)只能追溯到20世紀(jì)60年代，但是絕大部分南極冰川流速成果都只是測(cè)算出了80年代以后的冰流速數(shù)據(jù)，80年代以前的冰川流速數(shù)據(jù)極度缺乏。如此稀缺的數(shù)據(jù)以及短暫的間隔時(shí)段，科學(xué)家很難從時(shí)間序列上分析出南極大陸冰川流速的歷史規(guī)律，更加難以預(yù)測(cè)將來(lái)的趨勢(shì)。如何科學(xué)有效地?cái)U(kuò)展南極冰流研究的時(shí)間尺度，如測(cè)算出古冰流流速等，將成為南極冰川運(yùn)動(dòng)學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

4.2.3 發(fā)展南極冰流速監(jiān)測(cè)新方法、新算法

現(xiàn)代冰川流速監(jiān)測(cè)方法雖然取得了很大的成果，但是也存在很多局限。首先高質(zhì)量、高分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)的獲取是一個(gè)難題，特別是微波遙感數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)、重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)等。其次一些特殊冰川或者特殊地貌單元冰川的流速監(jiān)測(cè)方法還有待提升，如表磧覆蓋型冰川、冰下湖地區(qū)冰流、融池下冰流等特殊冰川，需要有新的監(jiān)測(cè)方法或者是新的研究算法出現(xiàn)。

4.2.4 南極冰流速與全球氣候變化建模

在全球氣候變暖背景下的氣候變化建模成為當(dāng)前學(xué)科研究的熱點(diǎn)，南極冰蓋在全球氣候體系中的極其重要地位是毋庸置疑的。南極冰蓋物質(zhì)平衡對(duì)全球的大氣環(huán)流、海平面上升以及洋流的變化都起著舉足輕重的作用。因此，作為冰蓋物質(zhì)平衡一個(gè)重要參數(shù)的南極冰川流速，是全球氣候變化建模中一個(gè)不可缺少的重要因子。

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