大地测量与地球动力学

冰架名称	年份	CryoSat-2数据点数量/个	ICESat-2数据点数量/个	CryoSat-2年均厚度结果/m	ICESat-2年均厚度结果/m
Ross West	2019	186 910	226 956	453.150±3.266	456.794±5.804
2020	171 156	225 885	453.766±3.634	458.475±5.968
2021	181 836	240 247	453.028±3.773	454.936±5.395
Ross East	2019	107 307	142 774	372.455±4.636	373.276±6.724
2020	100 126	145 033	374.420±5.153	374.784±6.524
2021	105 691	150 696	372.068±5.179	372.843±6.332

冰架名称	年份	CryoSat-2数据点数量/个	ICESat-2数据点数量/个	CryoSat-2年均厚度结果/m	ICESat-2年均厚度结果/m
Ross West	2019	186 910	226 956	453.150±3.266	456.794±5.804
2020	171 156	225 885	453.766±3.634	458.475±5.968
2021	181 836	240 247	453.028±3.773	454.936±5.395
Ross East	2019	107 307	142 774	372.455±4.636	373.276±6.724
2020	100 126	145 033	374.420±5.153	374.784±6.524
2021	105 691	150 696	372.068±5.179	372.843±6.332

测高卫星联合反演南极冰架厚度长时间序列及其变化特征

刘甜甜 ¹^,² , 沈强 ¹^,²^,* , SHUMC K ³ , 江利明 ¹^,² , 汪汉胜 ¹^,² , 高凡 ¹^,² , 张旭 ¹^,²

大地测量与地球动力学 | 地球物理解释 2025,45(2): 131-135

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大地测量与地球动力学 |地球物理解释 2025 , 45 (2) : 131 -135

测高卫星联合反演南极冰架厚度长时间序列及其变化特征

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刘甜甜¹^,², 沈强¹^,²^,*, SHUMC K³, 江利明¹^,², 汪汉胜¹^,², 高凡¹^,², 张旭¹^,²

作者信息

1 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院, 武汉市徐东大街340号, 430077

2 中国科学院大学, 北京市玉泉路19号甲, 100049

3 School of Earth Sciences, Ohio State University, 281 W Lane Ave, Columbus, Ohio, USA

通讯作者:

沈强, 博士, 研究员, 主要从事冰川动态及气候变化研究, E-mail: cl980606@apm.ac.cn

SHEN Qiang, PhD, researcher, majors in satellite altimetry and glacier change, E-mail: cl980606@apm.ac.cn

作者简介:

刘甜甜，硕士生，主要从事卫星测高与冰川变化研究，E-mail：liutiantian21@mails.ucas.ac.cn

The Long-Term Time Series and Its Change Characteristics of Antarctic Ice-Shelf Thickness Jointly Retrieved by Multiple Altimetry Satellites

Tiantian LIU¹^,², Qiang SHEN¹^,²^,*, C K SHUM³, Liming JIANG¹^,², Hansheng WANG¹^,², Fan GAO¹^,², Xu ZHANG¹^,²

Affiliations

1 Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology, CAS, 340 Xudong Street, Wuhan 430077, China

2 University of Chinese Academy of Sciences, A19 Yuquan Road, Beijing 100049, China

3 School of Earth Sciences, Ohio State University, 281 W Lane Ave, Columbus, Ohio, USA

LIU Tiantian, postgraduate, majors in satellite altimetry and glacier change, E-mail: liutiantian21@mails.ucas.ac.cn

出版时间: 2025-02-15 doi: 10.14075/j.jgg.2024.04.147

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摘要

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联合ICESat、CryoSat-2和ICESat-2测高卫星数据, 估算全南极冰架2003—2022年厚度产品。结果显示, 南极冰架整体为减薄趋势, 其中Amundsen区域减薄最快, Amery区域减薄最缓慢。

关键词

南极 / 冰架厚度 / ICESat / Cryosat-2 / ICESat-2

Abstract

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We successfully estimate ice shelf thickness products for Antarctic ice shelves among 2003 and 2022 from the ICESat, CryoSat-2, and ICESat-2 altimetry satellites. The results reveal a rapid thinning trend in the Antarctic ice shelves overall. The Amundsen region is experiencing rapid thinning, and the Amery region is thinning most slowly.

Key words

Antarctic / thickness of ice shelf / ICESat / Cryosat-2 / ICESat-2

引用本文

刘甜甜, 沈强, SHUMC K, 江利明, 汪汉胜, 高凡, 张旭. 测高卫星联合反演南极冰架厚度长时间序列及其变化特征. 大地测量与地球动力学, 2025 , 45 (2) : 131 -135 . DOI: 10.14075/j.jgg.2024.04.147

Tiantian LIU, Qiang SHEN, C K SHUM, Liming JIANG, Hansheng WANG, Fan GAO, Xu ZHANG. The Long-Term Time Series and Its Change Characteristics of Antarctic Ice-Shelf Thickness Jointly Retrieved by Multiple Altimetry Satellites[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2025 , 45 (2) : 131 -135 . DOI: 10.14075/j.jgg.2024.04.147

正文

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随着全球气温升高，冰架底部融化和崩塌现象日益加剧，对冰盖稳定产生威胁，而冰架厚度的精确测量和长时间变化趋势分析对研究冰盖物质平衡和稳定性至关重要^[1]。卫星测高方法因其高效、准确等特点，成为冰架厚度估算的常用技术。国内外许多学者利用不同测高数据对南极冰架厚度进行了广泛研究。Paolo等^[2]利用多种雷达测高数据分析了1994—2012年南极冰架厚度变化情况，Liu等^[3]利用ICESat激光测高分析南极冰架厚度变化及冰盖质量亏损问题，Hogg等^[4]利用CryoSat-2 SARIn数据得到2010—2017年南极冰架厚度2 km分辨率的数据集。但现有厚度产品仍无法完全阐述冰架长时间、高频率的变化特征，因此本文联合3种测高数据，旨在建立高时空分辨率南极冰架厚度长时序数据集，以期为冰架测厚与物质平衡研究提供参考。

1 研究数据与方法

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1.1 研究数据

本文研究数据主要分为测高卫星数据和验证数据。测高数据分别来自激光测高卫星ICESat、ICESat-2以及雷达测高卫星CryoSat-2，主要采用2003—2009年的ICESat L2 GLAH12数据、2019—2021年的ICESat-2 Level-3A ATL06数据以及2010—2022年的CryoSat-2 Baseline-D L2i SARIn模式数据。为得到更为精确的厚度数据，对原始高程数据进行异常值剔除、椭球体转换、坐标转换等预处理。为验证反演厚度的准确性，采用冰桥计划(operation ice bridge, OIB)2010—2019年MCoRDS L2 Ice Thickness V1数据集，该产品的空间分辨率约为71 m，采样间隔约为14 m，提供时间记录、冰面高程、冰层厚度等重要参数。

1.2 研究方法

根据流体静力平衡原理，假设冰受到的重力与其排水浮力相等，从而通过冰架高程数据反演出冰架厚度^{[2, 5]}为：

(1)

$z=\frac{(e-\delta) \rho_{\mathrm{w}}}{\rho_{\mathrm{w}}-\rho_{\mathrm{i}}}+\delta$

式中，z表示冰架厚度，e表示冰架到平均海平面的干舷高，δ表示粒雪空气含量，ρ_w表示海水平均密度，ρ_i表示冰的平均密度。

该方法的关键步骤在于计算干舷高。首先，通过测高数据提取南极冰架表面高程；其次，利用重力场模型和动力海面地形数据得到平均海平面高；然后，将椭球面高程和平均海平面高重采样到1 km×1 km网格；最后，将每个格网的高程值与平均海面高进行差分得到e。

2 冰架厚度反演结果

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2.1 精度验证

以中误差作为评定指标进行精度验证。提取冰架内OIB数据建立1 km缓冲区，并筛选出同一时间的冰厚反演结果。此时OIB冰厚与反演冰厚均带有坐标属性，可在缓冲区内进行点对点验证。以Ross冰架2013-11冰厚数据为例进行点对点验证(图1)，计算中误差为18.00 m。由于OIB数据轨迹呈条带状，且并未覆盖整个南极区域，最终在8个冰架上获得了CryoSat-2冰厚的验证结果，中误差范围在2.51~24.89 m。采用相同方法对ICESat-2反演结果进行精度验证，共取得4个冰架上的验证结果，中误差范围在13.09~24.34 m。

2.2 南极冰架厚度变化情况

2003—2022年南极冰架厚度大约减薄5%，其中有58个冰架厚度减薄非常显著，15个冰架厚度增加较为明显。图2展示了南极冰架厚度变化空间分布情况，根据估算的冰厚度数据在冰架上绘制2003—2022年的冰架厚度变化(-75 m~+50 m)情况，颜色越接近深红色表示该区域20 a间的厚度减薄量越多，此外，图中的红色与蓝色圆圈图标分别表示20 a间厚度减少与增加的总量，圆圈越大则说明减少或增加的量越多。从空间上来看，对于每个冰架，末端厚度远大于前缘厚度；对于全南极冰架，厚度呈西薄东厚的特征。值得特别关注的是，西南极区域是厚度减薄最为严重的地区，其邻近Bellingshausen海域和Amundsen海域是海洋热力影响的主要集中区。从时间上来看，冰架厚度增厚趋势在2006—2008年最显著，减薄趋势在2008—2009年最显著。总体而言，2010年之后冰架厚度变化相较于之前有所减缓(图3)。

为了更深入地分析南极冰架厚度的变化情况，本文根据不同冰架厚度变化的长期趋势，结合南极海域分布和冰盖流域分布^{[2, 6-7]}，将南极冰架细致地划分为6个区域(图2)，分别探讨其变化特征及可能的原因。

Amundsen区域冰架厚度平均减薄速率约为2.76±0.37 m/a，是全南极冰架厚度减薄最快的区域，其中贡献最多的是Thwaites冰架，减薄速率为3.8 m/a，同时也是全南极厚度减薄最快的冰架。Amundsen海域内温度较高的环极深层水(circumpolar deep water, CDW)流入冰腔导致底部剧烈融化^{[1, 8]}，进而使冰架减薄加快。Ross区域冰架厚度平均减薄速率约为1.63±0.06 m/a，其中7个冰架的平均减薄速率约为2 m/a，1个冰架(Nansen)的增加速率约为0.7 m/a。该区域的大部分冰架厚度减薄的主要原因可能为，夏季Amundsen海域低压导致海洋上空暖湿气流穿过南极半岛西侧，助长了Ross区域西侧的表面融化，使该区域冰架减薄加剧^[1]。Wilkes区域冰架厚度平均减薄速率约为2.55±0.14 m/a，仅次于Amundsen区域。其中，Totten和Moscow冰架对Wilkes地区的冰盖起着重要支撑作用，其减薄速率约为1.2 m/a和1.6 m/a，进一步对冰盖稳定造成威胁。值得特别关注的是，该区域冰架在2022年出现了较大幅度的减薄，可能与2022-03 Ross海阻塞高压入侵导致东南极出现爆发性极端高温事件有关^[9-10]。Amery区域冰架厚度平均减薄速率约为1.14±0.23 m/a，是减薄速率最缓慢的区域。以Amery冰架为中心，该区域西北部厚度积累而东南部减薄。在地转偏向力的作用下，Amery冰架东西两侧风向相反，东侧Prydz Bay吹来温暖的海风加剧了冰架表面融化^{[1, 11]}。Weddell区域冰架厚度平均减薄速率约为1.20±0.07 m/a，是南极冰架厚度减薄速率第2缓慢的区域。Weddell海域被海冰覆盖，阻止了北方海域上方一部分暖湿气流对该地的侵袭，因此冰架厚度减薄情况并不十分剧烈^[1]。Peninsula区域冰架厚度平均减薄速率约为1.72±0.03 m/a，贡献最多的是Verdi冰架(近3 m/a)。此外，另一侧Larsen冰架群也在以1.44±0.08 m/a的速率快速减薄，尤其在2016—2017年该冰架群出现突然性的大幅度减薄，这可能与Larsen冰架群的崩解、Larsen C冰架接地区域焚风效应(foehn effect)的增强以及2016年的强厄尔尼诺事件有关^[12]。该区域冰架厚度减薄的原因与Amundsen区域类似，风场驱动的海洋暖水上涌加剧了冰架底部融化^{[1, 6]}，进而导致冰架厚度减薄速率加快。

总体而言，南极冰架厚度近年呈明显减薄趋势，空间上不同区域的减薄程度存在显著差异，其中Amundsen区域尤为突出。该区域10个冰架虽然仅约占南极冰架总面积的6%，但其厚度减薄量却占到总体减薄量的24%，成为南极冰架厚度减薄的主要贡献者。在时间上，冰架厚度呈波动性减薄，总体上2010年后冰架厚度减薄情况较之前有所缓解，这可能与2010年后Amundsen海域和Bellingshausen海域的海水温度有所下降有关，但近年来受极端天气事件等的影响，南极冰架厚度依旧呈减薄趋势。

2.3 CryoSat-2与ICESat-2冰厚估算差异

冰架的厚度由初雪层、粒雪层和冰层3个部分组成，雷达测高能够穿透初雪层到达粒雪层，而激光测高会停留在雪表面^[13]，这使得CryoSat-2与ICESat-1/2冰厚估算结果可能存在差异。对比同一时期CryoSat-2与ICESat-2所得到的冰厚数据量发现，在2019年二者分别得到607 219个和860 057个数据，在2020年二者分别得到581 590个和936 206个数据，在2021年二者分别得到638 744个和961 713个数据，ICESat-2得到的冰厚数据量大约是CryoSat-2的1.5倍。选取Ross冰架作为示例，图4展示了CryoSat-2和ICESat-2估算的Ross冰架月度厚度变化情况，表1展示了2种卫星数据获取的有效厚度数据量及年平均厚度值，在Ross冰架上CryoSat-2相对于ICESat-2有所低估。总的来说，ICESat-2数据在空间上密度更大、分布更均匀；而对于CryoSat-2，当数据更多地集中在接地区域时，可能会导致冰架厚度的高估。此外，在面积较小的冰架上，卫星测高所反演的冰架厚度结果受数据密度的影响较为显著。

3 结语

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本文详细计算并分析了2003—2022年南极冰架厚度及变化情况。研究表明，南极冰架厚度在减薄，超过2/3数量的冰架处于损失状态。在全南极约162个冰架中，厚度减薄速度最快的是Thwaites冰架，其每年厚度平均减少近4 m。进一步分区域讨论冰架厚度的变化情况发现，Amundsen区域由于底部融化剧烈成为冰架厚度减薄最快的区域。当前研究得到了空间分辨率1 km、时间分辨率近月度的20 a冰架厚度数据集，但在厚度变化趋势研究方面仍有需要优化之处。文中利用平均值来代替冰厚变化结果，可能会受到同一卫星不同时间的数据量差异、不同卫星数据密度差异以及测高轨迹位置等的影响，未来工作中将增加多种指标来全面描述冰架的厚度变化情况。

基金

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国家自然科学基金(42374042)

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

王泽民, 周春霞, 张保军, 等. 南极冰架变化监测研究进展[J]. 冰川冻土, 2022, 44 (3): 830- 842

Wang

Zemin

, Zhou

Chunxia

, Zhang

Baojun

, et al. A Review of Changes Monitoring in the Antarctic Ice Shelves[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2022, 44 (3): 830- 842

Paolo

F S

, Fricker

H A

, Padman

. Volume Loss from Antarctic Ice Shelves Is Accelerating[J]. Science, 2015, 348 (6232): 327- 331

https://doi.org/10.1126/science.aaa0940

Liu

, Moore

J C

, Cheng

, et al. Ocean-Driven Thinning Enhances Iceberg Calving and Retreat of Antarctic Ice Shelves[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2015, 112 (11): 3263- 3268

Hogg

A E

, Gilbert

, Shepherd

, et al. Extending the Record of Antarctic Ice Shelf Thickness Change, from 1992 to 2017[J]. Advances in Space Research, 2021, 68 (2): 724- 731

https://doi.org/10.1016/j.asr.2020.05.030

Chuter

S J

, Bamber

J L

. Antarctic Ice Shelf Thickness from CryoSat-2 Radar Altimetry[J]. Geophysical Research Letters, 2015, 42 (24): 10721- 10729

Rignot

, Jacobs

, Mouginot

, et al. Ice-Shelf Melting around Antarctica[J]. Science, 2013, 341, 266- 270

Davison

B J

, Hogg

A E

, Gourmelen

, et al. Annual Mass Budget of Antarctic Ice Shelves from 1997 to 2021[J]. Science Advances, 2023, 9 (41)

马浩, 王召民, 史久新. 南大洋物理过程在全球气候系统中的作用[J]. 地球科学进展, 2012, 27 (4): 398- 412

Hao

, Wang

Zhaomin

, Shi

Jiuxin

. The Role of the Southern Ocean Physical Processes in Global Climate System[J]. Advances in Earth Science, 2012, 27 (4): 398- 412

丁明虎, 效存德, 秦大河. 2022年南极3·18爆发性增温事件及其可能原因[J]. 气候变化研究进展, 2022, 18 (3): 384- 388

Ding

Minghu

, Xiao

Cunde

, Qin

Dahe

. Explosive Warming Event in Antarctica on 18 March 2022 and Its Possible Causes[J]. Climate Change Research, 2022, 18 (3): 384- 388

Wille

J D

, Alexander

S P

, Amory

, et al. The Extraordinary March 2022 East Antarctica "Heat" Wave. Part Ⅰ: Observations and Meteorological Drivers[J]. Journal of Climate, 2024, 37 (3): 757- 778

Zhou

C X

, Zheng

, Sun

Q Z

, et al. Amery Ice Shelf Surface Snowmelt Detected by ASCAT and Sentinel-1[J]. Remote Sensing Letters, 2019, 10 (5): 430- 438

Zheng

, Zhou

C X

, Wang

. Enhanced Winter Snowmelt in the Antarctic Peninsula: Automatic Snowmelt Identification from Radar Scatterometer[J]. Remote Sensing of Environment, 2020, 246

McMillan

, Shepherd

, Sundal

, et al. Increased Ice Losses from Antarctica Detected by CryoSat-2[J]. Geophysical Research Letters, 2014, 41 (11): 3899- 3905

2025年第45卷第2期

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文章信息

doi: 10.14075/j.jgg.2024.04.147

接收时间：2024-04-03
首发时间：2026-10-30
出版时间：2025-02-15

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作者

出版历史

收稿日期：2024-04-03

基金

National Natural Science Foundation of China(42374042)

国家自然科学基金(42374042)

作者信息

1 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院, 武汉市徐东大街340号, 430077

2 中国科学院大学, 北京市玉泉路19号甲, 100049

3 School of Earth Sciences, Ohio State University, 281 W Lane Ave, Columbus, Ohio, USA

通讯作者:

沈强, 博士, 研究员, 主要从事冰川动态及气候变化研究, E-mail: cl980606@apm.ac.cn

SHEN Qiang, PhD, researcher, majors in satellite altimetry and glacier change, E-mail: cl980606@apm.ac.cn

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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