东南极Lambert冰川盆地冰盖动力学数值模拟研究

摘要

南极冰盖的物质和能量变化对全球海平面变化,地球表面的能量平衡,全球水循环等有着重要的影响。南极动力机制作用研究,特别是南极冰盖动力过程的数值模拟仍存在很多不确定性,因此为了更准确地理解其动力过程,精确预测冰盖演化方向和变化状况,在特定区域建立冰盖动力模型显得尤为重要。
　　 本文首次以东南极冰盖最大的冰川盆地——Lambert冰川盆地为重点研究区域。利用高精度的DEM、厚度、基岩高程数据；采用新的计算方法重新计算了Amery冰架的底部冻融速率；整理最新的PCMEGA数据,并对着陆线附近的高程、冰厚度和基岩高程数据进行了构建；构建流域内表层冰温数据。基于ArcGIS和Matlab两大软件划分冰川主流线,并参照上述数据,提取点数据。基于Matlab构建流线模型,模拟冰盖上的压力,应力,应变率,并绘制与距离相关的响应曲线。主要结果如下:
　　 (1)Lambert冰川盆地中的Amery冰架底部融化速率的最大值为22.1m／yr,在冰架前缘和冰架西部地区存在冰架海冰再冻结的情况,冻结速率约为2.4m／yr。在冰架西端沿海边缘区域的融化速率要明显偏高,那里也是冰流较为活跃的地区。与先前结果对比,本文所得结果在最大值上要低15％左右,最小值要相差大约三倍。相比冰架边缘,冰架内部融化速率低,也进一步反映了Amery冰架整体上处于一个稳定的状态。
　　 (2)Amery冰架底部融化速率的最大值为22.1m／yr,在冰架前缘和冰架西部地区存在冰架海冰再冻结的情况,冻结速率约为2.4m／yr。在冰架西端沿海边缘区域的融化速率要明显偏高,那里也是冰流较为活跃的地区。本文所得底部融化速率最大值要比前人(Wen,2010)研究结果要偏低15％左右,底部冻结速率最大值要相差大约三倍。冰架内部稳定,而边缘区域的融化速率较大,Amery冰架整体上处于一个稳定的状态。
　　 (3)通过应力、应变率变化的动力过程建立函数和方程,构建冰流模型。该模型体系包括四大模型。分别是冰盖地形模型；水平和垂直流速模型；冰温变化模型；以及流线应力场模型。
　　 (4)冰川盆地边缘的流速模型表明,在在冰川盆地边缘附近冰流水平速度接近0,而且水平速度和垂向速度变化特征明显。在接近冰川盆地边缘的地方驱动应力为零,表明在这一区域内冰盖基本是保持稳定状态。
　　 (5)冰川盆地边缘附近表面温度分布状况相对简单,在冰川盆地内部附近表面温度分布相对比较复杂,冰盖内部温度分布总体呈现随着深度增加而增加,在接近着陆线的区域的温度增加速率较快,这是由于应力增加带来的热量的消耗所致。
　　 (5)模拟结果表明冰盖存在一个应力变化极值区。在距离着陆线0-200km区域内,应力具有Glen's flow law应力值最大在40-55kPa之间.水平应力在距离着陆线距离100km左右处达到最大值,然后向内部边缘与垂直方向快速衰减,至盆地边缘趋于零。垂直应力相对于水平应力来说,数值相对较小,最大应力数值范围65-80kPa。应力的增大带来的热通量,造成了着陆线附近的冰温增加。
　　 (6)Fisher冰川、Mellor冰川和Lambert冰川的三条流线的应变率最大值分别为0.0992／yr、0.0635／yr和0.0724／yr。每条主流线在靠近着陆线的区域的应变率最大,这主要是由于该区域内冰流流速及其交汇影响。在应变率极值数值,直接影响着冰流汇流区和延伸的冰架上游,可能加速冰架前端纵向裂缝和破碎的产生,从而影响冰山崩解的响应过程。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 冰盖数值模拟研究进展

1.2.2 主要问题和不足

1.3 研究内容

1.4 研究区域概况

1.5 技术路线

第二章 数据集

2.1 冰、云和陆地高程卫星数据

2.2 南极DEM数据集

2.2.1 概述

2.2.2 高程模型数据集

2.3 表面降雪数据

2.3.1 Vaughan降雪数据

2.3.2 Giovinetto降雪数据

2.4 PCMEGA数据

2.5 MODIS MOA地形数据

2.6 RAMP流速数据

2.7 BEDMAP数据

2.8 南极表面冰温数据

2.9 AMERY冰架底部融化冻结速率数据

第三章 建立冰盖流线模型方程

3.1 模型构建的数学过程

3.2 模型的构建结构

3.2.1 冰盖地形模型

3.2.2 流线水平、垂直流速模型

3.2.3 冰温变化模型

3.2.4 冰盖流线应力模型

第四章 构建LAMBERT冰川盆地主流线数据

4.1 DEM处理及比较

4.2 PCMEGA数据的提取与处理

4.2.1 数据抽稀和内插

4.2.2 PCMEGA数据分析

4.3 AMERY冰架底部融化速率改进计算与冰架稳定性分析

4.3.1 计算方法的改进

4.3.2 结果对比与冰架稳定性分析

4.4 绘制主流线

4.5 主流线数据分析

第五章 LAMBERT冰川盆地流线数值模拟结果

5.1 LAMBERT冰川盆地主流线动力学特征

5.2 讨论

第六章 主要结论及展望

6.1 主要结论

6.2 研究展望

6.2.1 着陆线无法准确判定

6.2.2 热力机制不稳定与冰盖旋回

6.2.3 Amery冰架区域与其他物质能量快速交换区

附勇专

参考文献

就读期间发表论文和参与项目

致谢

答辩委员会审查意见表