南極冰架變化監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展

王澤民，周春霞，張保軍，耿紅，劉勇，錢(qián)懿德，劉明亮，吳雙

（1.武漢大學(xué)中國(guó)南極測(cè)繪研究中心，湖北 武漢 430072；2.自然資源部極地測(cè)繪科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；3.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430072）

0 引言

冰架是冰蓋漂浮在海洋上的部分，是陸地冰在重力作用下越過(guò)觸地線流入海洋而形成的。南極冰架總面積約1.542×106km2，厚度在幾米到上千米之間，是南極冰蓋物質(zhì)損失的主要出口［1］。南極的主要冰架如圖1所示，包括羅斯冰架（Ross Ice Shelf）、菲爾希納-龍尼冰架（Fischner-Ronne Ice Shelf）和埃默里冰架（Amery Ice Shelf）三大冰架，以及其他50多處冰架，附著在44%的海岸線上［1］。由于表面物質(zhì)的積累和陸地冰蓋的供給，冰架在長(zhǎng)期以來(lái)維持著相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。冰架支撐著陸地冰蓋，對(duì)陸地冰蓋的穩(wěn)定發(fā)揮著重要的作用。但是，近幾十年來(lái)，隨著全球氣候變化加劇，冰架的底部融化和崩解事件逐漸增加，冰架對(duì)冰蓋穩(wěn)定性的支撐作用減弱，造成了南極冰蓋物質(zhì)的加速損失［2-4］。2019年IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）發(fā)布的《氣候變化中的海洋和冰凍圈特別報(bào)告》指出，1992—2001年南極冰蓋物質(zhì)損失為（51±73）Gt·a-1，至2012—2016年其損失量增加至（199±26）Gt·a-1［5］。

圖1 南極冰蓋主要冰架分布圖［6］Fig.1 Map of main ice shelves of Antarctic ice sheet［6］

隨著觀測(cè)技術(shù)尤其是對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，冰架動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)研究逐漸從局部、離散、靜態(tài)模式，發(fā)展為區(qū)域、連續(xù)、動(dòng)態(tài)模式，逐步實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)序、高頻度、多類(lèi)型、大范圍、近實(shí)時(shí)的連續(xù)監(jiān)測(cè)。南極冰架的動(dòng)態(tài)變化主要包括冰面動(dòng)態(tài)變化、冰底動(dòng)態(tài)變化和冰架內(nèi)部穩(wěn)定性，遙感監(jiān)測(cè)與相關(guān)研究表明這些動(dòng)態(tài)變化主要體現(xiàn)在表面融化、冰流速變化、冰架崩解、底部融化及冰架物質(zhì)平衡五個(gè)相關(guān)參數(shù)上。因此，本文將根據(jù)南極冰架變化監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究成果，圍繞表面融化、冰流速、前緣崩解、底部融化和物質(zhì)平衡五個(gè)冰架動(dòng)態(tài)變化的主要參數(shù)（圖2），對(duì)南極冰架動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)的觀測(cè)方法和研究結(jié)果，以及影響南極冰架動(dòng)態(tài)變化的機(jī)制進(jìn)行梳理、歸納和綜述。

圖2 南極冰架/冰川動(dòng)態(tài)變化及相關(guān)參數(shù)示意圖（改自Dirscherl等［7］，2020）Fig.2 Schematic diagram of dynamic change and related parameters of Antarctic ice shelf（modified from Dirscherl et al.［7］，2020）

1 表面融化

南極冰架的表面融化多發(fā)生在緯度和海拔較低的冰架上，是導(dǎo)致冰架崩解的重要驅(qū)動(dòng)因子之一。積雪融化后，濕雪的表面反照率遠(yuǎn)低于干雪，從而能吸收更多太陽(yáng)輻射，形成融化-反照率反饋，加劇融化的發(fā)生［8］；未能及時(shí)凍結(jié)的融水通過(guò)裂隙下滲會(huì)擴(kuò)大冰裂隙，甚至觸發(fā)冰架的崩解［9-10］。因此，監(jiān)測(cè)冰架表面融化對(duì)冰架的穩(wěn)定性研究和評(píng)估具有重要的意義。

1.1 表面融化監(jiān)測(cè)方法

冰架表面融化研究所使用的數(shù)據(jù)主要來(lái)自自動(dòng)氣象站和主被動(dòng)微波遙感衛(wèi)星（SAR、散射計(jì)和輻射計(jì)）的觀測(cè)及區(qū)域氣候模型的模擬。通過(guò)冰架上自動(dòng)氣象站提供的輻射通量，建立表面能量平衡模型，能夠計(jì)算某時(shí)段內(nèi)冰架的融化量［11］。氣象站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能夠提供可靠的融化量信息，用于小尺度融化強(qiáng)度的研究，還可以用于模型輸出產(chǎn)品或衛(wèi)星凍融探測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證，但氣象站探測(cè)空間范圍較小且能夠提供融化量觀測(cè)數(shù)據(jù)的站點(diǎn)很少。

衛(wèi)星遙感是當(dāng)前南極冰架表面融化大范圍監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)手段。Luckman等［12］基于Envisat寬幅ASAR數(shù)據(jù)，利用閾值法對(duì)拉森C（Larsen C）冰架2006—2012年間的融化狀況進(jìn)行了探測(cè)。Liang等［13］基于谷歌地球引擎（Google Earth Engine，GEE）平臺(tái)，利用Sentinel-1 SAR數(shù)據(jù)對(duì)南極冰蓋邊緣的冰架表面融化進(jìn)行了時(shí)序分析。SAR能夠提供高空間分辨率的冰架表面融化觀測(cè)，但也受到較長(zhǎng)重訪周期（幾天至幾十天）的限制，無(wú)法對(duì)南極冰架提供逐日觀測(cè)。

散射計(jì)QuikSCAT和ASCAT具有較高的時(shí)空分辨率（常用數(shù)據(jù)以4.45 km空間分辨率提供逐日觀測(cè)）?；诮?jīng)驗(yàn)閾值、Rosin閾值等方法，能夠使用該數(shù)據(jù)對(duì)南極冰架的表面融化開(kāi)展大范圍、長(zhǎng)時(shí)序的監(jiān)測(cè)［14-15］。輻射計(jì)以SSM/I和AMSR系列為代表，能夠提供自1978年以來(lái)的冰架逐日融化觀測(cè)［16-17］。在輻射計(jì)眾多的頻率中，K和Ka波段的應(yīng)用最為廣泛。近年來(lái)，隨著SMAP和SMOS等衛(wèi)星的升空，L波段輻射計(jì)也被應(yīng)用于南極冰蓋/冰架表面融化的探測(cè)，且得益于其較大的穿透深度，L波段更適合于表面融化劇烈的拉森C冰架等地的監(jiān)測(cè)［18］。輻射計(jì)能對(duì)全南極冰架提供最長(zhǎng)時(shí)間的衛(wèi)星觀測(cè)，但空間分辨率（多數(shù)低于25 km）較其他數(shù)據(jù)稍低。不同的微波傳感器在冰架表面融化探測(cè)上優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，但目前的研究主要停留在凍融二值信息的提取上，基于衛(wèi)星遙感的融化量研究尚不充分。

區(qū)域氣候模型RACMO能夠提供1979年至今大范圍的逐日融化量模擬數(shù)據(jù)，但也存在空間分辨率（27.5 km）較低的問(wèn)題，只在南極半島、毛德皇后地等區(qū)域有5.5 km分辨率的模擬數(shù)據(jù)［19］；且該模型無(wú)法很好地對(duì)焚風(fēng)引起的表面融化等進(jìn)行模擬，在地形復(fù)雜區(qū)域的精度也有待提高［20］。

1.2 典型冰架表面融化特征

在氣候環(huán)境的作用下，不同地理位置的冰架有著各異的表面融化特征和機(jī)制。羅斯冰架和菲爾希納-龍尼冰架表面融化較少（圖3），只在某些年份發(fā)生間歇的融化。2016年1月，受厄爾尼諾事件的影響，羅斯冰架發(fā)生了大范圍的融化，冰架東側(cè)融化天數(shù)可達(dá)15天［21］。阿蒙森低壓是影響羅斯冰架氣候的重要局部環(huán)流系統(tǒng)。21世紀(jì)以來(lái)，夏季阿蒙森低壓的加強(qiáng)導(dǎo)致北風(fēng)加強(qiáng)，使得海洋上空暖濕氣流穿過(guò)南極半島西側(cè)，導(dǎo)致西南極表面溫度升高以及降水增加，加劇了羅斯冰架的表面融化［6，22］。因終年被海冰覆蓋的威德?tīng)柡Ｗ柚沽吮狈胶Ｓ蛏戏降呐瘽駳饬鲗?duì)菲爾希納-龍尼冰架的侵襲，使得該冰架年平均融化較?。▓D3）。埃默里冰架表面融化存在顯著的區(qū)域差異，冰架東側(cè)年平均融化量可達(dá)120 mm w.e.以上，但冰架西側(cè)年平均融化量不足60 mm w.e.（圖3）。這是由于在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下，冰架東西兩側(cè)風(fēng)向相反，冰架東側(cè)溫暖的海風(fēng)由普里茲灣吹來(lái)，有利于表面融化。因此，埃默里冰架表面融化呈現(xiàn)東側(cè)強(qiáng)西側(cè)弱的空間分布特征［23］。此外，埃默里冰架水系發(fā)達(dá)，冰面湖富集，冰面湖面積和表面融水覆蓋范圍的季節(jié)變化均受南半球環(huán)狀模的顯著影響［24］。

圖3 1979—2017年RAMCO2模擬的南極冰架年平均融化量Fig.3 Annual average melt of Antarctic ice shelf during 1979 to 2017，simulated by RAMCO2

沙克爾頓（Shakleton）冰架是東南極緯度最低的冰架，其自12月份開(kāi)始融化，在1月份達(dá)到峰值，并在3月份之后重新完全凍結(jié)，部分區(qū)域年平均融化量超過(guò)210 mm w.e.。在沙克爾頓冰架的觸地線區(qū)域分布著大量的藍(lán)冰和裸巖，藍(lán)冰和裸巖表面反照率低，能夠吸收更多的短波輻射，造成融化-反照率反饋效應(yīng)，加劇表面融化，甚至形成冰面湖［17］。類(lèi)似的現(xiàn)象也發(fā)生在埃默里冰架和羅伊-博杜安（Roi Baudoin）冰架的觸地區(qū)域［23，25］。受到下降風(fēng)的影響，羅伊-博杜安冰架氣溫升高的同時(shí)，觸地區(qū)域低反照率的藍(lán)冰和粗糙粒雪出露，進(jìn)一步加劇了融化，觸地區(qū)域的融化強(qiáng)度是冰架其他區(qū)域的3倍［25］。

南極半島是冰雪融化研究的熱點(diǎn)區(qū)域，氣溫較高，表面融化劇烈，融水通過(guò)裂隙在垂直方向傳輸，加劇了冰架的不穩(wěn)定性，甚至造成冰架崩解［10］。2002年，拉森B（Larsen B）冰架崩解前冰架表面的融化強(qiáng)度是平均水平的3倍，融水下滲使得雪層升溫和冰裂隙擴(kuò)大，因而觸發(fā)了該冰架的大規(guī)模崩解［26］。Trusel等［27］認(rèn)為冰架發(fā)生大規(guī)模崩解的融化量閾值是725 mm w.e.·a-1，拉森A（Larsen A）和拉森B冰架在崩解前融化強(qiáng)度都達(dá)到了這個(gè)閾值。21世紀(jì)以來(lái)，拉森C冰架表面融化天數(shù)顯著減少，這與附近海域海冰增加和環(huán)流異常導(dǎo)致的氣候變冷有關(guān)［28］。但2019/2020年拉森C冰架的融化季比過(guò)去40年更長(zhǎng)，融化也更劇烈，使新世紀(jì)以來(lái)冰架表面融化明顯下降的趨勢(shì)突然中止；并且，該融化季的極端融化可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)冰架的厚度因積雪空氣含量的減少而重新變薄［16］。此外，研究發(fā)現(xiàn)，新世紀(jì)以來(lái)拉森C冰架在冬季融化呈現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的趨勢(shì)；2015/2016年尤為劇烈的冬季融化可能與拉森C冰架觸地區(qū)域焚風(fēng)效應(yīng)的增強(qiáng)以及這一年的強(qiáng)厄爾尼諾事件有關(guān)［14］。喬治六世（George VI）冰架同樣在2019/2020年遭受了近32年以來(lái)的最劇烈融化，該年冰架融化天數(shù)達(dá)100天以上；長(zhǎng)時(shí)間高于熔點(diǎn)的氣溫造成了該年異常的融化現(xiàn)象，這可能是由溫暖而低速氣流驅(qū)動(dòng)的西北風(fēng)和東北風(fēng)造成的［29］。威爾金斯（Wilkins）冰架是南極半島融化最劇烈的區(qū)域之一，年平均融化量超過(guò)330 mm w.e.（圖3），且冬季融化呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，該冰架發(fā)生的崩解事件和劇烈的表面融化關(guān)系密切［30］。

總體而言，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)南極冰架表面融化的研究有了很大的進(jìn)展，取得了較為一致的認(rèn)識(shí)，即除南極半島外，大多數(shù)冰架的表面融化并不劇烈，且沒(méi)有明顯的加速融化趨勢(shì)，對(duì)冰架的穩(wěn)定性并無(wú)明顯的影響。而南極半島的拉森C、威爾金斯等冰架的表面融化劇烈，部分區(qū)域粒雪空氣含量較低，對(duì)冰架的穩(wěn)定性有潛在的威脅。未來(lái)，隨著氣候變暖加劇，南極冰蓋表面融化增加，對(duì)冰架穩(wěn)定性以及物質(zhì)平衡的影響將增大。目前的研究仍然有很多認(rèn)知上的空白，如表面融水在滲浸和形成徑流之間如何分配？融水在冰蓋何處到達(dá)基巖？在未來(lái)的研究工作中，還需進(jìn)一步加強(qiáng)地面觀測(cè)，探索融化驅(qū)動(dòng)機(jī)制的演變過(guò)程以及如何利用遙感觀測(cè)定量反演融化量/積雪液態(tài)水含量。

2 冰流速

冰流速是監(jiān)測(cè)冰架變化的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)冰蓋/冰架物質(zhì)平衡的計(jì)算至關(guān)重要，是分析冰架動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過(guò)程以及預(yù)測(cè)其未來(lái)演變的重要基礎(chǔ)。近幾十年來(lái)，冰流速監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法已漸趨成熟，冰流速產(chǎn)品的時(shí)空分辨率也不斷提高，揭示了許多重要的冰架動(dòng)態(tài)變化特征。

2.1 冰流速監(jiān)測(cè)方法

冰川流速測(cè)量主要分為實(shí)地觀測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)。在實(shí)地觀測(cè)方面，從最早的花桿測(cè)量法［31］，到光學(xué)經(jīng)緯儀與花桿測(cè)量相結(jié)合的方法［32］，再到GPS實(shí)地測(cè)量法，冰流速監(jiān)測(cè)的精度不斷提高，流速變化細(xì)節(jié)及機(jī)制陸續(xù)被揭示［33-34］。但是，由于南極自然環(huán)境惡劣，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)非常困難，實(shí)地觀測(cè)手段難以獲得長(zhǎng)時(shí)間、大范圍、高空間分辨率的冰川流速數(shù)據(jù)。

冰流速的遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)雖比實(shí)地觀測(cè)方法的精度低，卻能夠?qū)崿F(xiàn)大面積、長(zhǎng)時(shí)序冰架動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)冰流速實(shí)地觀測(cè)的不足?；诠鈱W(xué)影像的特征跟蹤法和基于SAR影像的偏移量跟蹤法與差分干涉測(cè)量法等已被廣泛用于全南極冰蓋尺度的冰流速制圖。特征跟蹤算法指利用光學(xué)遙感影像，依據(jù)特征描述和相關(guān)性計(jì)算尋找相同特征描述的區(qū)域，跟蹤其在兩幅影像上的位移，實(shí)現(xiàn)冰流速的提取。偏移量跟蹤法是通過(guò)計(jì)算SAR影像的相干散斑或強(qiáng)度信息的互相關(guān)函數(shù)峰值，或?qū)ふ业拖喔蓞^(qū)域影像的相干性峰值，獲得偏移量，估算地表位移，從而得到冰流速。差分干涉測(cè)量法則是通過(guò)提取兩景SAR影像中沿著視線方向的位移量，將其轉(zhuǎn)換到冰流運(yùn)動(dòng)的坡度方向來(lái)估計(jì)冰流速。特征跟蹤法和偏移量跟蹤法主要適用于高流速區(qū)域的監(jiān)測(cè)，差分干涉測(cè)量則適用于低流速區(qū)域的監(jiān)測(cè)。通過(guò)結(jié)合不同方法的優(yōu)勢(shì)，可提取更高精度的冰流速結(jié)果。

自MAMM（Modified Antarctic Mapping Mission）利用ERS-1/2和RADARSAT-1提取的第一幅全南極流速產(chǎn)品［35］以來(lái)，后續(xù)研究者利用多源SAR影像數(shù)據(jù)發(fā)布了全南極流速圖，如MEaSUREs和基于相位干涉測(cè)量的流速產(chǎn)品［36-37］，以及基于Landsat-8光學(xué)影像數(shù)據(jù)發(fā)布了空間分辨率為105 m的全南極冰蓋迄今為止分辨率最高的冰流速產(chǎn)品［38］。近年來(lái)，衛(wèi)星數(shù)據(jù)更加豐富，冰流速產(chǎn)品的時(shí)間分辨率和空間分辨率均得到了提高，例如利用Landsat-8全色影像生成的全球陸地冰流速產(chǎn)品GoLIVE（Global Land Ice Velocity Extraction from Landsat 8）［39］以及極地觀測(cè)和建模中心（Center for Polar Observation and Modeling）基于Sentinel-1影像建立的南極和格陵蘭冰蓋共六條冰川的冰流速近實(shí)時(shí)觀測(cè)服務(wù)系統(tǒng)［40］。

在數(shù)據(jù)處理速度方面，云計(jì)算、云存儲(chǔ)服務(wù)等的發(fā)展為快速獲取大范圍、近實(shí)時(shí)冰流速變化提供了技術(shù)支撐。以美國(guó)阿拉斯加衛(wèi)星設(shè)備處（Alaska Satellite Facility）開(kāi)發(fā)的衛(wèi)星影像處理自動(dòng)化服務(wù)HyP3（Hybrid Pluggable Processing Pipeline）為例［41］，它提供了包括針對(duì)Sentinel-1影像的輻射地形校正和干涉測(cè)量，以及基于Sentinel-1/2和Landsat-8影像提取冰流速的autoRIFT（autonomous Repeat Image Feature Tracking）［42］在內(nèi)的免費(fèi)且簡(jiǎn)便的衛(wèi)星數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理服務(wù)。目前NASA團(tuán)隊(duì)已發(fā)布了基于autoRIFT提取的陸地冰流速及高程數(shù)據(jù)集（Inter-mission Time Series of Land Ice Velocity and Elevation，ITS_LIVE）［43］，包括覆蓋1985—2018年時(shí)段、空間分辨率為240 m的全球陸地冰年平均表面速度產(chǎn)品以及空間分辨率為120 m的融合產(chǎn)品。

總體來(lái)看，隨著遙感數(shù)據(jù)的日益豐富，海量遙感數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與獲取技術(shù)，以及遙感影像數(shù)據(jù)的快速處理技術(shù)都有待解決；更高精度、更高時(shí)空分辨率的冰流速提取算法研究仍需要加強(qiáng)。

2.2 冰流速區(qū)域特征及驅(qū)動(dòng)因子

驅(qū)動(dòng)冰架變化的因子分為外部因子（包括海洋強(qiáng)迫、大氣強(qiáng)迫、海冰分布等）和內(nèi)部因子（包括崩解、裂隙發(fā)育等）。由于受到的驅(qū)動(dòng)因子的影響不同，南極冰架的冰流速變化特征呈現(xiàn)出區(qū)域性差異［31，44］。

在西南極，目前多處冰架出現(xiàn)流速增加的趨勢(shì)。全南極冰流速最快的派恩島冰架，在2017—2020年間，其流速增加了12%，通常認(rèn)為這與其頻繁發(fā)生的崩解事件有關(guān)［45］。西南極思韋茨（Thwaites）冰川、羅斯冰架的支流和東南極庫(kù)克（Cook）冰川，由于受冰下湖排水的影響，它們的冰流速出現(xiàn)了短期加速的現(xiàn)象［46-48］。南極半島冰架的冰流速變化主要與冰架崩解、大氣或海洋環(huán)境變化等有關(guān)。拉森B冰架和南極半島北部的多條冰川，其下游冰架崩解均曾引起上游冰川加速；此外，該區(qū)域冰流速的波動(dòng)與峽灣中海冰和冰水混合物的消長(zhǎng)也存在著關(guān)聯(lián)［49-50］。別林斯高晉海（Bellingshausen Sea）的喬治六世冰架和弗萊明（Fleming）冰川的流速變化，則與繞極深層水（Circumpolar Deep Water，CDW）的上涌，以及厄爾尼諾-南方濤動(dòng)和南半球環(huán)狀模引起的風(fēng)場(chǎng)變化有關(guān)［51-52］。近期還發(fā)現(xiàn)東南極極記錄（Polar Record）、托滕（Totten）、達(dá)爾克（D?lk）、登曼（Denman）冰川的加速與海冰消長(zhǎng)、底部隆起地形的支撐、觸地線回退、冰舌變薄以及崩解等的影響有關(guān)［53-57］。

如上所述，自有衛(wèi)星觀測(cè)以來(lái)，南極大部分冰架出現(xiàn)了流速增加的現(xiàn)象。從外部因子來(lái)說(shuō)，位于別林斯高晉海、阿蒙森海以及威克爾斯地冰架的流速變化與海洋強(qiáng)迫有關(guān)；南極半島北部的冰架冰流速變化主要與大氣強(qiáng)迫有關(guān)。從內(nèi)部因子來(lái)說(shuō)，南極冰架的流速增加與裂隙發(fā)育、冰架崩解等有關(guān)?？偟膩?lái)說(shuō)，影響冰流速變化的因子既多又復(fù)雜，不同因子對(duì)于局部區(qū)域的影響差異性極大。

為了更好地揭示冰架冰流速時(shí)空變化特征及其機(jī)制，未來(lái)需要充分利用已有多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，加強(qiáng)對(duì)環(huán)南極冰架/冰川流速的監(jiān)測(cè)；另一方面則寄希望于更多光學(xué)和SAR衛(wèi)星的發(fā)射以及地面連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的積累，從而獲得更高時(shí)空分辨率及覆蓋率的流速產(chǎn)品，以進(jìn)一步增進(jìn)冰架對(duì)氣候變化響應(yīng)的理解。

3 前緣崩解

近年來(lái)南極冰架頻繁發(fā)生崩解事件，表明支撐著冰蓋的“安全帶”漸漸變得不穩(wěn)定。因此，開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)序南極冰架崩解監(jiān)測(cè)和深入分析冰架崩解背后的機(jī)制，對(duì)預(yù)測(cè)南極冰蓋變化的未來(lái)趨勢(shì)和估計(jì)冰蓋對(duì)海平面上升的貢獻(xiàn)極其重要。

3.1 前緣崩解監(jiān)測(cè)方法

Baumhoer等［58］認(rèn)為目前冰架崩解監(jiān)測(cè)的研究可分為三類(lèi)，利用高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)的特定冰架前緣線監(jiān)測(cè)、利用低時(shí)間分辨率數(shù)據(jù)的大區(qū)域海岸線監(jiān)測(cè)及利用南極衛(wèi)星影像鑲嵌圖特定年份海岸線的全南極海岸線監(jiān)測(cè)。其中，前兩種類(lèi)型的研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定冰架或區(qū)域內(nèi)崩解事件的精確監(jiān)測(cè)，而第三種類(lèi)型的研究則可在大范圍內(nèi)對(duì)崩解面積或崩解量進(jìn)行定量評(píng)估。

南極冰架的崩解周期各不相同，短期實(shí)地觀測(cè)無(wú)法滿足監(jiān)測(cè)需求，借助衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)才能較全面獲得冰架前緣位置變化及崩解信息。南極冰架前緣位置提取的方法主要有人工目視解譯法、半自動(dòng)化提取法和自動(dòng)化提取法。人工目視解譯法是使用最廣泛的方法，約有85%的冰架前緣變化研究使用此方法提取前緣位置，7%的研究使用自動(dòng)化或半自動(dòng)化提取方式，8%的研究使用已有的數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析［58］。半自動(dòng)提取法多是使用傳統(tǒng)圖像處理技術(shù)，如灰度直方圖［59］、形態(tài)學(xué)［60］、紋理分析［59］、小波變換［59］、閾值分割［61］、基于對(duì)象［4］和像素［62］分類(lèi)法等技術(shù)，與人工輔助檢查相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)冰架前緣位置的提取。自動(dòng)化提取法則是使用如圖像分割［63］、Snakes算法［64］、最近鄰域分類(lèi)［65］等傳統(tǒng)圖像處理方法，或近年來(lái)在語(yǔ)音識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等領(lǐng)域取得良好應(yīng)用效果的深度學(xué)習(xí)算法［66-67］實(shí)現(xiàn)冰架前緣位置的自動(dòng)提取。

3.2 前緣崩解特征與分析

Qi等［68］基于冰架前緣擴(kuò)張模擬結(jié)合人工目視解譯，首次提取了2005—2019年南極冰架年崩解產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)在此期間南極冰架總共發(fā)生了1 786次面積大于1 km2的崩解事件，年均崩解面積為（3 411.4±17.1）km2，年 均 崩 解 質(zhì) 量 為（771.1±10.2）Gt；從長(zhǎng)期變化趨勢(shì)來(lái)看，崩解頻次、面積和質(zhì)量在前10年的年波動(dòng)相對(duì)平緩，后4年則急劇增加；從空間分布來(lái)看，西南極為目前崩解最頻繁的區(qū)域，其次是南極半島和東南極威爾克斯地等區(qū)域；南極冰架崩解與冰蓋表面融化及周邊海冰范圍變化等有關(guān)。這些結(jié)果與Baumhoer等［66］基于UNet卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用多源遙感數(shù)據(jù)得到的結(jié)果相一致。

研究表明，大氣、海洋、冰架自身的穩(wěn)定性以及冰架周?chē)h(huán)境都與冰架的崩解有關(guān)。海洋的影響主要包括潮汐［69］、海嘯［70］或涌浪［71］，固定冰的減少［72］，底部通道的發(fā)育［73］，繞極深層水入侵到冰架底部造成冰架底部融化和觸地線后退［74-75］，冰水混合物［76］以及海冰覆蓋的持續(xù)時(shí)間［77］等，其中，海洋對(duì)阿蒙森海（Amundsen Sea）沿岸冰架崩解的影響最為顯著［78］。大氣的影響則通過(guò)引起冰面融化形成融水，間接導(dǎo)致水力壓裂促進(jìn)裂隙發(fā)育而引起冰架崩解［79-80］。在冰架自身穩(wěn)定性方面，冰架剪切帶的結(jié)構(gòu)弱化，也會(huì)促進(jìn)冰架裂隙的發(fā)育，近期派恩島冰架發(fā)生的崩解事件即是由該因素導(dǎo)致的［81］。冰架周?chē)h(huán)境，如峽灣的幾何形狀［82］、冰隆和冰褶皺［56，83］等也會(huì)影響冰架前緣或裂隙的穩(wěn)定性，導(dǎo)致冰架發(fā)生崩解，達(dá)爾克冰川前緣的冰褶皺就對(duì)其前緣崩解產(chǎn)生了影響。

自1995年Nye［84］提出零應(yīng)力裂隙模型探討冰架裂隙穿透深度的變化開(kāi)始，損傷力學(xué)［85-86］、連續(xù)斷裂力學(xué)［87］、線彈性斷裂力學(xué)［79，88-90］和最大主應(yīng)力準(zhǔn)則［91-92］等陸續(xù)成為冰架裂隙傳播和裂隙穿透深度研究的主要理論基礎(chǔ)?；谶@些理論并結(jié)合目前較成熟的冰流模式，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)南極冰架崩解進(jìn)行了物理建模和深入分析，成功地揭示了羅斯［93-94］、菲爾希納-龍尼［93-94］、埃默里［92-94］、派恩島［93-94］、拉森B［95］、拉森C［94，96］等冰架的崩解過(guò)程。

冰架崩解監(jiān)測(cè)很大程度上也依賴于衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，除了充分利用已有衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)和繼續(xù)發(fā)射衛(wèi)星外，將前緣變化和崩解機(jī)制融入冰蓋模型或物質(zhì)平衡的計(jì)算中，并與大氣和海洋模型對(duì)接，可以更好地理解冰架崩解及其背后的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。因此，如何更好地結(jié)合其他數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析和對(duì)崩解過(guò)程進(jìn)行物理建模是后續(xù)冰架崩解研究仍需深入探討的內(nèi)容。

4 底部融化

冰架底部融化主要受冰架下海洋的影響，是冰海交互作用最直接的體現(xiàn)。隨著全球變暖，溫暖海水入侵造成的冰架底部融化已成為南極冰架與海洋物質(zhì)交換的重要途徑。近幾十年來(lái)冰架底部融化造成的南極冰雪質(zhì)量損失更是超過(guò)了冰架崩解的貢獻(xiàn)，已成為南極冰雪質(zhì)量損失最大的途徑［2-4］，如圖4所示。

圖4 南極冰架底部融化與前緣崩解造成質(zhì)量損失［3］Fig.4 Mass loss from basal melting and iceberg calving of Antarctic ice shelves［3］

4.1 底部融化監(jiān)測(cè)方法

南極冰架厚達(dá)幾十到數(shù)百，甚至上千米，直接觀測(cè)其底部的變化非常困難。通過(guò)鉆探冰架放置觀測(cè)設(shè)備是觀測(cè)冰架底部變化最直接的手段，但因?qū)嵤├щy，迄今全南極冰架上的鉆孔觀測(cè)也僅幾十處［97］；使用水下自主潛航器（Autonomous underwater vehicles，AUVs）也能直接觀測(cè)冰架底部的變化，但目前僅在派恩島和芬布爾（Fimbul）冰架的底部實(shí)施過(guò)AUV觀測(cè)［98-99］；在冰架附近海底布設(shè)系泊設(shè)備觀測(cè)海水性質(zhì)變化，可以對(duì)冰架底部融化進(jìn)行估計(jì)［100］，但該方法難以精確量化冰架底部的融化量和空間分布；由冰雷達(dá)測(cè)得的冰架厚度變化，也能獲得冰架的底部融化，但當(dāng)前的冰雷達(dá)觀測(cè)技術(shù)手段還難以完成對(duì)全南極冰架進(jìn)行高時(shí)空分辨率的監(jiān)測(cè)［101-102］。

基于靜力學(xué)平衡和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演的方法是當(dāng)前獲得全南極冰架底部融化最為主要的方法［2-4］，其本質(zhì)上是輸入-輸出法，即由衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)觀測(cè)的冰架表面高程數(shù)據(jù)得到冰架的干舷高，反演冰架的厚度及其變化，扣除其他因素造成的冰架厚度變化，從而得到冰架的底部融化［2-4］。使用該方法可以計(jì)算南極每一個(gè)冰架的底部融化量，但不能獲得冰架底部融化的空間分布；單位面積內(nèi)的底部融化可由冰架表面變化率計(jì)算得到［103］，其可用于冰架底部融化時(shí)空變化特征的研究。

4.2 底部融化特征與機(jī)制

南極冰架底部融化具有顯著的區(qū)域性分布特征。西南極阿蒙森海和別林斯高晉海沿岸冰架的底部融化約貢獻(xiàn)了全南極冰架底部融化總量的一半［3］，且它們的底部融化還存在著加速趨勢(shì)［104］。底部融化主要來(lái)自面積較小的派恩島、思韋茨、蓋茨（Getz）、喬治六世、托滕和沙克爾頓冰架，合計(jì)占南極冰架總面積91%的10個(gè)最大的冰架僅貢獻(xiàn)了南極冰架底部融化總量的50%左右［2］。羅斯冰架的底部質(zhì)量損失主要集中在東半部分，其西半部分因底部融化和凍結(jié)的量相當(dāng)［3］基本沒(méi)有質(zhì)量損失；埃默里冰架的底部融化集中在其前緣及其東南部的觸地線附近，其西北部則出現(xiàn)了顯著底部?jī)鼋Y(jié)［3，105］。

影響冰架底部融化的冰海交互過(guò)程主要分為冷冰腔型融化、暖冰腔型融化和表層海水造成的融化三種類(lèi)型［106-107］。冷冰腔型融化是指熱鹽驅(qū)動(dòng)的高密度陸架水（Dense Shelf Water，DSW）的垂向翻轉(zhuǎn)環(huán)流造成的冰架觸地線附近發(fā)生底部融化，而較淺的底部位置出現(xiàn)海洋冰凍結(jié)的“冰泵”現(xiàn)象。羅斯冰架［108］、埃默里冰架［105］和菲爾希納-龍尼冰架［109］底部都有顯著的冷冰腔型融化。暖冰腔型融化是指相對(duì)溫暖的繞極深層水或其與陸架水混合后形成的變性繞極深層水（modified CDW，mCDW）入侵到冰架底部造成的冰架底部融化。西南極的派恩島［78］、蓋茨［100，110］、思韋茨［111］和喬治六世［112］，以及東南極的托滕［113］、沙克爾頓［114］冰架和羅斯冰架西部［115］的底部劇烈的融化都是暖冰腔型融化。表層海水造成的融化是指夏季溫度較高的表層海水造成的與其直接接觸的冰架前緣的融化。表層海水造成的融化主要集中在夏季，幾乎每個(gè)冰架都有發(fā)生［107］。在菲爾希納-龍尼［116］、麥克默多（McMurdo）［117］等冰架的底部融化中，表層海水發(fā)揮了重要的作用［106］。

冰架底部融化的速率主要取決于海水熱量的輸送和冰點(diǎn)溫度［106］。具體到特定的冰架，其底部融化則主要取決于海水輸送到冰架底部的熱量。風(fēng)場(chǎng)是調(diào)節(jié)繞極深層水入侵到冰架底部的重要因素。一方面風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫的變化增加了西南極溫暖海水的供應(yīng)；另一方面，風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的暖水上涌進(jìn)一步增加了海洋熱量向冰架底部的傳遞，進(jìn)而加快了冰架底部的融化［78，118］。托滕冰架底部的加速融化同樣來(lái)自于風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的海洋熱量再分配和暖水上涌［119］。此外，向岸風(fēng)還會(huì)促進(jìn)表層海水引起的冰架前緣的融化［107］。氣候強(qiáng)迫則通過(guò)改變風(fēng)場(chǎng)來(lái)影響冰架底部的融化［118］。冰架下的海底地形對(duì)底部融化也會(huì)造成影響，冰架底部的海槽為相對(duì)溫暖的海水的入侵提供了便利，從而促進(jìn)冰架的底部融化［78，103，120］。海洋潮汐則能夠增強(qiáng)冰架前緣的海洋水體交換以及冰架下海洋的流動(dòng)與混合，從而促進(jìn)底部融化。

冰架底部融水和進(jìn)入冰架底部的上游觸地冰的融水形成的羽流對(duì)冰架底部的刻蝕會(huì)使冰架底部產(chǎn)生底部融水通道［73，121］；冰流的切變邊緣槽也為底部融水通道的形成提供了條件［122］。作為冰架底部融化的小尺度融化特征，底部通道多聚集在底部融化劇烈的冰架底部［73］。目前主要根據(jù)底部通道會(huì)引起冰架表面凹陷這一現(xiàn)象，使用冰架表面的遙感和測(cè)高數(shù)據(jù)來(lái)反演底部通道的變化。光學(xué)遙感影像可以用來(lái)反演底部通道分布、長(zhǎng)度等空間上的變化［73，123］；由測(cè)高高程觀測(cè)［110］和遙感數(shù)據(jù)得到的高分辨率數(shù)字高程模型［123］提取的冰架表面凹陷的形狀可以反演底部通道深度和寬度的變化。目前對(duì)底部通道隨時(shí)間的演化以及其對(duì)冰架穩(wěn)定性影響的認(rèn)識(shí)有限，一方面底部通道的存在使得冰架底部融化主要集中在底部通道內(nèi)，有效減少了冰架底部大范圍的融化，降低了平均融化率；另一方面，底部通道的融化會(huì)造成局部冰架變薄，形成底部和表面裂隙，使冰架更容易斷裂、壓破和崩解［122-123］。

盡管當(dāng)前對(duì)南極冰架底部融化的監(jiān)測(cè)與研究有了很大的進(jìn)展，但我們對(duì)底部融化從整體到細(xì)部、從短期到長(zhǎng)期的多時(shí)空變化特征和演化過(guò)程，底部融水通道在底部融化中的作用，底部融化中的冰海交互作用的機(jī)制以及氣候變化對(duì)底部融化的影響機(jī)制等的認(rèn)識(shí)都存在著很大的不足，仍需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)冰架底部變化以及冰架下海水狀況的觀測(cè)。

5 物質(zhì)平衡

5.1 物質(zhì)平衡監(jiān)測(cè)方法

冰架的物質(zhì)平衡是指某時(shí)段內(nèi)冰架冰雪的收支狀況，物質(zhì)平衡的量等于該時(shí)段起止時(shí)刻冰架物質(zhì)量的差值，也等于物質(zhì)的總收入與總損失的差值。冰架的物質(zhì)收入主要包括觸地線內(nèi)冰川的補(bǔ)給、冰架表面的降水以及冰架底部的凍結(jié)等；物質(zhì)損失則主要包括冰架前緣的崩解、冰架底部的融化以及冰架表面的融化、升華等；其中，冰架的降水、融化、升華等引起的物質(zhì)平衡構(gòu)成了冰架的表面物質(zhì)平衡。冰架的物質(zhì)平衡目前多基于靜力學(xué)假設(shè)，由起止時(shí)刻冰架的面積和干舷高基于靜力學(xué)平衡分別反演起止時(shí)刻的冰架總質(zhì)量，然后作差計(jì)算得到［2-4］。

5.2 物質(zhì)平衡變化特征

總體來(lái)看，南極冰架的物質(zhì)收入主要來(lái)自于觸地線內(nèi)陸地冰川的補(bǔ)給，約2 000 Gt·a-1；其中除了面積最大的菲爾希納-龍尼和羅斯冰架外，因冰架快速融化對(duì)陸地冰川支撐作用減弱，使補(bǔ)給冰川流速加快的派恩島、思韋茨、蓋茨、喬治六世和托滕以及沙克爾頓冰架等比較小的冰架的補(bǔ)給量最大［2-4］。表面物質(zhì)平衡帶來(lái)的物質(zhì)補(bǔ)給僅是上游冰川補(bǔ)給量的1/5左右；其中僅有菲爾希納-龍尼、羅斯、蓋茨、艾伯特（Abbot）以及拉森C冰架的表面物質(zhì)平衡帶來(lái)的積累較大［3-4］。

冰架底部融化造成的南極冰架的物質(zhì)損失約1 500 Gt·a-1；底部融化造成的質(zhì)量損失主要集中在西南極沿岸的派恩島、思韋茨、蓋茨、喬治六世冰架以及東南極的托滕、沙克爾頓冰架；Rignot等［3］和Liu等［4］計(jì)算的菲爾希納-龍尼冰架底部融化結(jié)果有比較大的差異，分別為（155.4±34）Gt·a-1［3］和（10±32）G·a-1［4］。冰架前緣崩解造成的質(zhì)量損失比底部融化造成的質(zhì)量損失小，Depoorter等［2］和Rignot等［3］估算的南極冰架前緣崩解的量相當(dāng)，分別為（1 321±44）Gt·a-1和（1 265±141）Gt·a-1，比Liu等［4］的 結(jié) 果（755±25）Gt·a-1大。這一差異可能是觀測(cè)時(shí)段不同造成的，冰架崩解是離散事件，與底部融化的連續(xù)變化不同。從Depoorter等［2］和Rignot等［3］與Liu等［4］估算的默茨（Mertz）、菲爾希納-龍尼和蓋茨冰架前緣崩解量的巨大差異中也能看出這一點(diǎn)。同時(shí)，正是由于他們估算的冰架崩解造成的質(zhì)量損失的巨大差異，使得其估算的南極冰架的物質(zhì)損失也存在著很大的不同，Liu等［4］認(rèn)為南極冰架處在一個(gè)低速的積累狀態(tài)［約（46±41）Gt·a-1］，但Depoorter等［2］和Rignot等［3］得到南極冰架正以超過(guò)280 Gt·a-1的速率損失。

目前南極冰架的物質(zhì)平衡主要依賴于靜力學(xué)平衡假設(shè)，由測(cè)高和遙感數(shù)據(jù)估算得到，存在很大的不確定性。冰架表面物質(zhì)平衡、底部融化、厚度、冰雪密度等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不足，缺乏驗(yàn)證；微波雷達(dá)信號(hào)穿透誤差改正的方法、觸地線提取的精度、冰架厚度的分辨率等都需要進(jìn)一步優(yōu)化。因此，仍需進(jìn)一步加強(qiáng)觀測(cè)和改進(jìn)數(shù)據(jù)處理方法，以更準(zhǔn)確地估計(jì)冰架物質(zhì)平衡，評(píng)估冰蓋穩(wěn)定性，為研究南極冰蓋/冰架對(duì)氣候變化的響應(yīng)提供重要參考。

6 結(jié)論與展望

近些年來(lái)，隨著空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)和極地觀測(cè)衛(wèi)星的發(fā)展，南極冰架監(jiān)測(cè)研究取得了較大的進(jìn)展。本文圍繞冰架表面融化、冰流速、前緣崩解、底部融化和物質(zhì)平衡五個(gè)方面展開(kāi)，對(duì)相應(yīng)的觀測(cè)方法、研究結(jié)果和機(jī)制分析進(jìn)行了總結(jié)。然而，冰架變化監(jiān)測(cè)的相關(guān)參數(shù)眾多，密切相關(guān)的還有冰面湖、觸地線等。且由于觀測(cè)手段、觀測(cè)資料及時(shí)間尺度的限制，南極冰架變化機(jī)制及驅(qū)動(dòng)因子相互作用機(jī)制尚不明確。為了更深入地了解冰架的動(dòng)態(tài)變化特征、演變過(guò)程及驅(qū)動(dòng)機(jī)制，仍需要更全面地開(kāi)展立體化監(jiān)測(cè)，一方面進(jìn)一步發(fā)展極地觀測(cè)衛(wèi)星、加強(qiáng)極地現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，提高觀測(cè)的時(shí)間和空間分辨率，減少監(jiān)測(cè)結(jié)果的不確定性；另外一方面，深入開(kāi)展冰架多參數(shù)、多維度的綜合分析，以及冰架演化過(guò)程的數(shù)值模擬；此外，還需要對(duì)大氣、海洋等環(huán)境影響因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)，揭示冰架變化內(nèi)部因子、外部因子及它們相互之間的耦合作用，進(jìn)而充分揭示冰架動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過(guò)程及其演變的物理機(jī)制。

目前美、英科學(xué)家正在西南極實(shí)施國(guó)際思韋茨冰川合作計(jì)劃（International Thwaites Glacier Collaboration），開(kāi)展空-天-地-海一體化的冰架觀測(cè)及冰-海-氣耦合模式的數(shù)值模擬，以深入揭示思韋茨冰架快速變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制并預(yù)測(cè)其未來(lái)的變化。今后也有望能在南極冰架開(kāi)展更多綜合觀測(cè)，更好地解答一系列未知的科學(xué)問(wèn)題。