新一代冰流模式乌阿及其在南极埃默里冰架的应用

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0092

冰川冻土 ›› 2020, Vol. 42 ›› Issue (1): 254-264.doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0092

新一代冰流模式乌阿及其在南极埃默里冰架的应用

李腾¹^,⁵(), 陈卓奇²^,³^,⁵, 李慧林⁴, 程晓²^,³^,⁵(), 韦屹¹^,⁵, 刘岩¹^,³^,⁵

^1.北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院遥感科学国家重点试验室，北京 100875
^2.中山大学测绘科学与技术学院，广东珠海 519000
^3.南方海洋科学与工程广东省试验室（珠海），广东珠海 519000
^4.中国科学院西北生态环境资源研究院天山冰川观测试验站，甘肃兰州 730000
^5.中国高校极地联合研究中心，北京 100875

收稿日期:2020-03-17 修回日期:2020-05-13 出版日期:2020-06-30 发布日期:2020-07-03
通讯作者: 程晓 E-mail:litengbnu@foxmail.com;chengxiao9@mail.sysu.edu.cn
作者简介:李腾（1992 - ），男，江苏丰县人， 2015年在武汉大学获学士学位，现为北京师范大学在读博士研究生，从事南极冰盖模拟研究. E-mail： litengbnu@foxmail.com
基金资助:
国家自然科学基金(41830536);国家重点研发计划项目(2018YFC1406100);中国科学院前沿科学研究重点计划项目(QYZDB-SSW-SYS024)

A new-generation ice flow model Úa and its application in Amery Ice Shelf， Antarctica

Teng LI¹^,⁵(), Zhuoqi CHEN²^,³^,⁵, Huilin LI⁴, Xiao CHENG²^,³^,⁵(), Yi WEI¹^,⁵, Yan LIU¹^,³^,⁵

^1.State Key Laboratory of Remote Sensing Science，College of Global Change and Earth System Science （GCESS），Beijing Normal University，Beijing 100875，China
^2.School of Geospatial Engineering and Science，Sun Yat-Sen University，Zhuhai 519000，Guangdong，China
^3.Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory，Zhuhai 519000，Guangdong，China
^4.Tianshan Glaciological Station，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China
^5.University Corporation for Polar Research （UCPR），Beijing 100875，China

Received:2020-03-17 Revised:2020-05-13 Online:2020-06-30 Published:2020-07-03
Contact: Xiao CHENG E-mail:litengbnu@foxmail.com;chengxiao9@mail.sysu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

南极冰盖不仅是全球环境变化的指示器，其消融所产生成的淡水输入也是未来海平面上升的主要不确定性来源。数值模式是诊断冰流动力机制、评估冰盖物质损耗的重要手段。本文首先介绍了乌阿（冰岛语úa或英语Ua）冰流模式的基本原理，并利用该模式模拟东南极埃默里冰架的动态变化。乌阿冰流模式基于质量和动量守恒方程的垂直积分，在自适应不规则三角网格上求解微分方程，仅用少数参数规则即可构造适应冰流动力特征的网格结构，有效缩减运算时间。采用当前主流的模式边界数据集，针对埃默里冰架设计了两个试验。试验一为反演试验，试验中模式的代价函数在100次迭代后下降三个数量级，表明模拟的流速与遥感观测吻合（RMSE = 13.35 m·a^-1），但高频细节仍有待提高；试验二为预测试验，测试了模拟冰厚变化率的不确定性，以自由漂移量接近零为标准选出一组最优模型参数，最后假设埃默里冰架解体情景开展模拟，结果表明冰架解体会导致海平面上升（45.36 ± 0.08） mm。随着资料更新迭代，基于最新发布的南极底部地形数据模拟效果是否提升还有待未来检验。

关键词: 冰川学, 埃默里冰架, 南极冰盖, 数值模拟, 参数反演

Abstract:

Antarctic Ice Sheet is not only the sensitive indicator of global environmental changes， but its melting is also the largest uncertainty of the future sea-level rise. The numerical model is an important methodology for diagnostic ice flow mechanism and assessing ice mass loss. This paper introduces the basic principles of a new generation ice flow dynamic model， úa， based on which the two experiments are implemented to simulate the dynamics of Amery Ice Shelf （AIS） in East Antarctic. Leveraging the adaptive triangular finite-element meshes， such model solves vertically integrated formulations of the mass and momentum conservation equations. The generated mesh accurately captures the glacial dynamics from only a few parametric criteria， which reduces the computation time. On the basis of mainstream datasets， two experiments are designed in the AIS area. In the first part of the inverse run， the value of cost function in the model reduces for three orders of magnitude. Although the fine-scale structures remain to be improved， the output flow pattern agrees well with the satellite observation （RMSE = 13.35 m·a^-1）. In the second part of the prognostic run， we test the sensitivity of ice thickness change rate， from which the optimal one with the minimum bias is selected to simulate the shelf’s collapse scenario. The results demonstrate the upstream ice system would contribute about （45.36 ± 0.08） mm to sea-level rise. Since Antarctic topography data were updated， whether our model can be improved from the new data deserves further research.

Key words: glaciology, Amery Ice Shelf, Antarctica Ice Sheet, numerical model, parameter inverse

中图分类号:

P343.6

李腾, 陈卓奇, 李慧林, 程晓, 韦屹, 刘岩. 新一代冰流模式乌阿及其在南极埃默里冰架的应用[J]. 冰川冻土, 2020, 42(1): 254-264.

Teng LI, Zhuoqi CHEN, Huilin LI, Xiao CHENG, Yi WEI, Yan LIU. A new-generation ice flow model Úa and its application in Amery Ice Shelf， Antarctica[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(1): 254-264.

图/表 9

图1

表1

本文所用到的数据列表"

变量	数据集	时间	分辨率^*
前端边界	Landsat-8/Sentinel-1	2018/2019年	15/40 m
流域范围	Zwally’s Basin^［31］	2012年	矢量线段
冰厚h、基岩B	BedMap2^［32］	多年合成， 2013年发布	1 000 m
表面高程s	REMA^［33］	多年合成， 2019年发布	1 000 m
表面积累率a_s	RACMO2.3p2^［34］	1976—2016年，气候平均态	27 km
底部融化率a_b	温家洪等估算结果^［35］	多年合成， 2010年发布	20 km
初始流速（U， V）	MEaSUREs-V2^［36］	多年合成， 2017年发布	450 m
冰厚变化（ $h ˙$ ）	Matt King等估算结果^［37］	多年合成， 2009年发布	高度计脚印点
触地线GL	MOA产品^［38］	2014年	矢量线段

表1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

参考文献 41

1	The IMBIE team. Mass balance of the Antarctic Ice Sheet from 1992 to 2017［J］. Nature， 2018， 558（7709）： 219 - 222.
2	Li T， Liu Y， Li T， et al. Antarctic surface ice velocity retrieval from MODIS-Based mosaic of Antarctica （MOA）［J］. Remote Sensing， 2018， 10（7）： 1045 - 1063.
3	Liu Y， Moore J C， Cheng X， et al. Ocean-driven thinning enhances iceberg calving and retreat of Antarctic ice shelves［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences， 2015， 112（11）： 3263 - 3268.
4	Li Teng， Cheng Xiao， Liu Yan， et al. An overview of the Ice Sheet Model Intercomparison Project （ISMIP） in CMIP6［J］. Climate Change Research， 2020， 16（2）： 255 - 262.
	李腾，程晓，刘岩，等. CMIP6冰盖模式比较计划（ISMIP）概况与评述［J］. 气候变化研究进展， 2020， 16（2）： 255 - 262.
5	Bindschadler R A， Nowicki S， Abe-Ouchi A， et al. Ice-sheet model sensitivities to environmental forcing and their use in projecting future sea level （the SeaRISE project）［J］. Journal of Glaciology， 2013， 59（214）： 195 - 224.
6	Pattyn F， Perichon L， Durand G， et al. Grounding-line migration in plan-view marine ice-sheet models： results of the ice2sea MISMIP3d intercomparison［J］. Journal of Glaciology， 2013， 59（215）： 410 - 422.
7	Li Huilin， Li Zhongqin， Shen Yongping， et al. Glacier dynamic models and their applicability for the glaciers in China［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2007， 29（2）： 201 - 208.
	李慧林，李忠勤，沈永平，等. 冰川动力学模式及其对中国冰川变化预测的适应性［J］. 冰川冻土， 2007， 29（2）： 201 - 208.
8	Zhou Zaiming， Li Zhognqin， Li Huilin， et al. The flow velocity features and dynamic simulation of the Glacier No.1 at the Headwaters of Urumqi River， Tianshan Mountains［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2009， 31（1）： 55 - 61.
	周在明，李忠勤，李慧林，等. 天山乌鲁木齐河源区1号冰川运动速度特征及其动力学模拟［J］. 冰川冻土， 2009， 31（1）： 55 - 61.
9	Tang Xueyuan， Zhang Zhanhai， Sun Bo. Progress and prospect in numerical modelling of the Antarctic Ice-Sheet［J］. Chinese Journal of Polar Research， 2006， 18（4）： 290 - 300.
	唐学远，张占海，孙波. 南极冰盖数值模拟研究进展与展望［J］. 极地研究， 2006， 18（4）： 290 - 300.
10	Tang Xueyuan， Sun Bo， Zhang Zhanhai， et al. GLIMMER Antarctic Ice Sheet Model， an experimental research of moving boundary condition［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2007， 29（6）： 905 - 913.
	唐学远，孙波，张占海，等. 南极冰盖 GLIMMER 模式移动边界试验研究［J］. 冰川冻土， 2007， 29（6）： 905 - 913.
11	Ji Qingyuan， Wang Bangbing， Sun Bo. Applicability PISM for velocity analysis of the Amery Ice Shelf， East Antarctica［J］. Chinese Journal of Polar Research， 2015， 27（3）： 229 - 236.
	季青原，王帮兵，孙波. PISM 冰盖模式对Amery冰架流速场模拟的适用性［J］. 极地研究， 2015， 27（3）： 229 - 236.
12	Zhang Liangfu， Tang Xueyuan， Yang Shuhu. Numerical simulations of East Antarctic Ice Sheet based on the Elmer/Ice Model［J］. Chinese Journal of Polar Research， 2017， 29（3）： 390 - 398.
	张良甫，唐学远，杨树瑚，等. 基于Elmer/Ice冰盖模型的南极Gamburtsev山脉Lambert冰流区域的数值模拟研究［J］. 极地研究， 2017， 29（3）： 390 - 398.
13	Williams M J， Grosfeld K， Warner R C， et al. Ocean circulation and ice-ocean interaction beneath the Amery Ice Shelf， Antarctica［J］. Journal of Geophysical Research： Oceans， 2001， 106（C10）： 22383 - 22399.
14	Gong Y， Cornford S L， Payne A J. Modelling the response of the Lambert Glacier-Amery Ice Shelf system， East Antarctica， to uncertain climate forcing over the 21st and 22nd centuries［J］. The Cryosphere， 2014， 8（3）： 1057 - 68.
15	Gudmundsson G H， Krug J， Durand G， et al. The stability of grounding lines on retrograde slopes［J］. The Cryosphere， 2012， 6（6）： 1497 - 1505.
16	Levermann A， Winkelmann R， Albrecht T， et al. Projecting Antarctic’s contribution to future sea level rise from basal ice shelf melt using linear response functions of 16 ice sheet models （LARMIP-2）［J］. Earth System Dynamics， 2020， 11（1）： 35 - 76.
17	Wang Chenghai， Cheng Rong， Zhao Wen， et al. Research progress on the glacial dynamics models［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2019， 41（4）： 1 - 9.
	王澄海，程蓉，赵文，等. 冰川动力学模式模型进展及研究［J］. 冰川冻土， 2019， 41（4）： 1 - 9.
18	Yu J， Liu H， Jezek K C， et al. Analysis of velocity field， mass balance， and basal melt of the Lambert Glacier-Amery Ice Shelf system by incorporating Radarsat SAR interferometry and ICESat laser altimetry measurements［J］. Journal of Geophysical Research： Solid Earth， 2010， 115（B11）： 1 - 16.
19	Shi Jiuxin. A review of ice shelf-ocean interaction in Antarctica［J］. Chinese Journal of Polar Research， 2018， 30（3）： 287 - 302.
	史久新. 南极冰架-海洋相互作用研究综述［J］. 极地研究， 2018， 30（3）： 287 - 302.
20	Tang Chengjia， Li Yuansheng， Chen Zhenlou， et al. A review on studies of Antarctic Shelves and advances in Chinese research on Amery Ice Shelf［J］. Chinese Journal of Polar Research， 2008， 20（3）： 265 - 274.
	唐承佳，李院生，陈振楼，等. 南极冰架研究现状与埃默里冰架研究展望［J］. 极地研究， 2008， 20（3）： 265 - 274.
21	Zhao C， Cheng X， Hui F， et al. Monitoring the Amery Ice Shelf front during 2004-2012 using ENVISAT ASAR data［J］. Adv Polar Sci， 2013， 24（2）： 133 - 137.
22	Teng L， Yan L， Xiao C. Recent and imminent calving events do little to impair Amery ice shelf’s stability［J］. Acta Oceanologica Sinica， 2020， 42（5）： 168 - 170.
23	Zhou C， Liang Q， Chen Y， et al. Mass balance assessment of the Amery Ice Shelf Basin， East Antarctica［J］. Earth and Space Science， 2019， 6（10）： 1987 - 1999.
24	Gudmundsson G. Ice-shelf buttressing and the stability of marine ice sheets［J］. The Cryosphere， 2013， 7（2）： 647 - 655.
25	Bueler E， Brown J. Shallow shelf approximation as a “sliding law” in a thermomechanically coupled ice sheet model［J］. Journal of Geophysical Research： Earth Surface， 2009， 114（F3）： 1 - 21.
26	Geuzaine C， Remacle J. Gmsh： A 3-D finite element mesh generator with built-in pre-and postprocessing facilities［J］. International Journal for Numerical Methods in Engineering， 2009， 79（11）： 1309 - 1331.
27	Gudmundsson G H， De Rydt J， Nagler T. Five decades of strong temporal variability in the flow of Brunt Ice Shelf， Antarctica［J］. Journal of Glaciology， 2017， 63（237）： 164 - 175.
28	Reese R， Gudmundsson G H， Levermann A， et al. The far reach of ice-shelf thinning in Antarctica［J］. Nature Climate Change， 2018， 8（1）： 53 - 59.
29	De Rydt J， Gudmundsson H， Nagler T， et al. Recent rift formation and impact on the structural integrity of the Brunt Ice Shelf， East Antarctica［J］. The Cryosphere， 2018， 12（2）： 505 - 520.
30	Rathmann N， Hvidberg C， Solgaard A， et al. Highly temporally resolved response to seasonal surface melt of the Zachariae and 79N outlet glaciers in northeast Greenland［J］. Geophysical Research Letters， 2017， 44（19）： 9805 - 9814.
31	Zwally H， Jay M B G， Beckley M A， et al. Antarctic and Greenland drainage systems［EB/OL］. （2020-02-20）［2020-03-12］. .
32	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.
33	Howat I M， Porter C， Smith B E， et al. The reference elevation model of Antarctica［J］. Cryosphere， 2019， 13（2）： 665 - 674.
34	Van Wessem J M， Van de Berg W J， Noël B P Y， et al. Modelling the climate and surface mass balance of polar ice sheets using RACMO2， part 2： Antarctica （1979-2016）［J］. The Cryosphere， 2017， 12（4）： 1479 - 1498.
35	Wen J， Wang Y， Wang W， et al. Basal melting and freezing under the Amery Ice Shelf， East Antarctica［J］. Journal of Glaciology， 2010， 56（195）： 81 - 90.
36	Mouginot J， Rignot E， Scheuchl B， et al. Comprehensive annual ice sheet velocity mapping using Landsat-8， Sentinel-1， and RADARSAT-2 Data［J］. Remote Sensing， 2017， 9（4）： 364 - 373.
37	King M A， Coleman R， Freemantle A J， et al. A 4-decade record of elevation change of the Amery Ice Shelf， East Antarctica［J］. Journal of Geophysical Research， 2009， 114（F1）： 1 - 13.
38	Scambos T， Haran T， Fahnestock M， et al. MODIS-based Mosaic of Antarctica （MOA） data sets： Continent-wide surface morphology and snow grain size［J］. Remote Sensing of Environment， 2007， 111（2-3）： 242 - 257.
39	Pittard M L， Galton-Fenzi B K， Roberts J L， et al. Organization of ice flow by localized regions of elevated geothermal heat flux［J］. Geophysical Research Letters， 2016， 43（7）： 3342 - 3350.
40	Morlighem M， Rignot E， Binder T， et al. Deep glacial troughs and stabilizing ridges unveiled beneath the margins of the Antarctic ice sheet［J］. Nature Geoscience， 2020， 13（2）： 132 - 137.
41	Goelzer H， Nowicki S， Edwards T， et al. Design and results of the ice sheet model initialisation initMIP-Greenland： An ISMIP6 intercomparison［J］. The Cryosphere， 2018， 12（4）： 1433 - 1460.

[1]	张将令, 李小二, 陈新明, 焦华喆, 李振华. 截齿滚动掘进冻土过程的影响因素数值模拟研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 229-240.
[2]	殷宝玲,刘琪,王叶堂. 1961—2017年南极冰盖近地面风时空变化研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1383-1399.
[3]	孙哲,赵林,胡国杰,乔永平,杜二计,邹德富,谢昌卫. 下边界条件对多年冻土温度场变化数值模拟的影响[J]. 冰川冻土, 2021, 43(2): 357-369.
[4]	李根, 李双洋, 董长松, 杨佳乐, 姜琪. 高寒隧道保温结构的优化设计研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(2): 510-522.
[5]	魏彦京, 温智, 高樯, 张明礼, 施瑞, 孔森. 青藏高原多年冻土区埋地输气管道周围温度场数值分析[J]. 冰川冻土, 2019, 41(5): 1078-1086.
[6]	张文强, 王羿, 牛永红. 冻土模型试验试样冻结时间计算分析[J]. 冰川冻土, 2019, 41(2): 384-391.
[7]	李双洋, 牛富俊, 孙志忠, 石梁宏. 多年冻土区姜路岭隧道施工水热力数值研究[J]. 冰川冻土, 2018, 40(5): 966-973.
[8]	王陆阳, 吴青柏, 蒋观利. 风沙堆积对下伏多年冻土影响的数值模拟[J]. 冰川冻土, 2018, 40(4): 738-747.
[9]	阿如汉, 涂杰楠, 刘红岩, 童立强, 郭兆成. 基于Fluent数值模拟的冰湖涌浪分析——以西藏聂拉木县嘉龙错为例[J]. 冰川冻土, 2018, 40(4): 837-845.
[10]	张文清, 李承成, 刘德仁, 杨成, 牛亚强. 季节冻土区保温隔水路基防冻胀效果研究[J]. 冰川冻土, 2017, 39(6): 1258-1264.
[11]	张钰鑫, 谢昌卫, 赵林, 吴通华, 庞强强, 刘广岳, 王武, 刘文惠. 青藏高原可可西里卓乃湖溃决出露湖底多年冻土形成过程的监测与模拟[J]. 冰川冻土, 2017, 39(5): 949-956.
[12]	姚亚锋, 荣传新, 程桦, 徐广舒. 深厚冲积层人工冻土蠕变参数的模糊遗传反演[J]. 冰川冻土, 2017, 39(3): 634-640.
[13]	令锋, 吴青柏. 青藏高原热融湖横向扩张速率对湖下融区发展影响的数值模拟[J]. 冰川冻土, 2017, 39(2): 328-335.
[14]	杜耀辉, 杨晓华, 晏长根. 季节性寒区隧道温度场数值分析[J]. 冰川冻土, 2017, 39(2): 366-374.
[15]	李晓宁, 俞祁浩, 游艳辉, 郭磊. 通风路基通风管管内空气流动特性研究[J]. 冰川冻土, 2016, 38(5): 1300-1307.

新一代冰流模式乌阿及其在南极埃默里冰架的应用

A new-generation ice flow model Úa and its application in Amery Ice Shelf， Antarctica

RichHTML

PDF (PC)

赞

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 9

参考文献 41

相关文章 15

Metrics

本文评价

推荐阅读 0