日前，2024年冰峰大會暨青年科學(xué)探索活動在四川啟動。活動主題為“從科學(xué)到社會：青藏高原冰凍圈退縮及氣候變化應(yīng)對”。
隨著全球氣候變暖，在被稱為“地球第三極”的青藏高原及周邊高山地區(qū)，冰川面積不斷退縮的同時，冰川厚度也在變薄。
那么，冰川到底有多厚？變薄了多少？如何測量冰川厚度？
帶著這些問題，科技日報記者采訪了相關(guān)專家。
厚度數(shù)據(jù)有重要價值
地球上海洋水體約占全球水體總量的96.5%，淡水僅占2.53%，其中四分之三的淡水儲存于南極冰蓋、格陵蘭冰蓋和山地冰川中。
根據(jù)第二次中國冰川編目數(shù)據(jù)，中國現(xiàn)有冰川48571條，總面積51766.08平方千米，約占世界冰川（除南極和格陵蘭冰蓋以外）面積的7.1%。
“冰川在氣候變化、水資源管理、海平面上升、生態(tài)保護、經(jīng)濟社會發(fā)展等領(lǐng)域，都有重要的科學(xué)和應(yīng)用價值。”中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院副研究員何曉波說。
近百年來，由于全球氣候系統(tǒng)變暖，冰川、積雪融化加快。
冰川的變化影響著周圍地區(qū)的水循環(huán)過程，進而影響到江河源區(qū)的生態(tài)與環(huán)境。“近年來，山地冰川變薄退縮是對氣候變暖的響應(yīng)，體現(xiàn)了冰川對氣候變化響應(yīng)的敏感。”何曉波說，冰川厚度、冰下地形和冰川體積是冰川變化的3個重要基本參數(shù)，也是冰川水資源、冰川躍動、冰芯鉆取等研究評估工作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)著冰川儲量、冰川運動、冰川內(nèi)結(jié)構(gòu)。研究人員通過冰面地形、冰厚測量資料，可繪制冰下地形，估算冰川體積，從而獲取冰川水資源儲量信息。
何曉波說：“冰川測厚數(shù)據(jù)能夠提供冰川測量點厚度值和整條冰川的平均厚度，科研人員能夠據(jù)此繪制冰川下的地形圖，準確估算冰川體積。”
監(jiān)測冰川狀況，開展冰川變化系統(tǒng)研究，有重要的科學(xué)意義，也有極高的應(yīng)用價值。
研發(fā)測量“利器”
歷史上，現(xiàn)場取芯法、重力法、地震波法是常用的冰川探測方法。但這些方法工作強度大、效率低、安全性差。中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院創(chuàng)新了冰川探測方法，使測量更精準。
該院利用我國自主研發(fā)的冰水情一體化雷達，對珠峰東絨布冰川的厚度進行了全面探測，成功獲取了東絨布冰川海拔6300米至6500米范圍內(nèi)的冰川厚度數(shù)據(jù)。
所用雷達是一種能穿透冰和雪這類特定介質(zhì)的探地雷達。它是一種利用電磁波被冰床基巖、冰內(nèi)空洞、內(nèi)磧等目標反射的特性來發(fā)現(xiàn)目標，并確定目標距離和方位的電子設(shè)備。何曉波說，簡單來說，它基于冰水和基巖介電常數(shù)的差異，通過無線電波在冰體中的傳輸波速變化確定目標位置。
一般情況下，冰下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化比較緩慢，同一冰層的電特性比較接近。因此采用探地雷達連續(xù)測量時，相鄰測點上同一地層反射波的波形、波幅、周期及其包絡(luò)等主要特征有一定相似性。具有一定形態(tài)特征的反射波是反射層識別的基礎(chǔ)，而同一地層反射波的同相性與相似性為反射層的追蹤提供了依據(jù)。
過去，測冰雷達數(shù)據(jù)分析通常采用人工方法提取層位，需要在數(shù)據(jù)中尋找局部的連續(xù)性和相似性特征，以識別出需要提取的同相軸。這種方法解釋速度慢、同相軸追蹤精度不高、存在微弱跳躍等。
針對這一問題，何曉波團隊使用的冰水情一體化雷達系統(tǒng)創(chuàng)新地加載了聯(lián)合振幅和局部梯度的新型算法，使得同時基于單個觀測點數(shù)據(jù)和相鄰時間序列的交叉驗證成為可能。算法同步實現(xiàn)了水深和冰厚的準確測量，也使得從前復(fù)雜的層位信息以更清晰直觀的方式呈現(xiàn)。
經(jīng)過分析和試驗，研究團隊確定了100兆赫和400兆赫兩種頻率的雷達，雷達可高精度測量水深和冰厚。
研究團隊同時在雷達天線形狀和布置上進行改進，使得水深淺層冰結(jié)構(gòu)和冰厚的測點在同一垂線上，并通過分時工作避免不同頻率雷達間的相互干擾。
中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院博士研究生汪少勇介紹，十幾年前，有科考隊對東絨布冰川進行了測厚，數(shù)據(jù)顯示東絨布冰川在海拔6300米的最大厚度達320米。“這次我們利用最新研發(fā)的儀器，更準確地獲取了冰川厚度數(shù)據(jù)。通過與前人測量的數(shù)據(jù)進行對比，可以進一步了解這十幾年東絨布冰川厚度的變化。”汪少勇說。
經(jīng)初步處理數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，東絨布冰川的最大厚度在300米以上。根據(jù)東絨布冰川的厚度數(shù)據(jù)，可以準確估算東絨布冰川的冰儲量，并進一步探明冰川蘊藏的水資源量，為冰川下游農(nóng)牧業(yè)發(fā)展和水資源管理提供數(shù)據(jù)支撐。
有望實現(xiàn)“透視”地球
“我們和中國水利水電科學(xué)研究院、大連中?？萍及l(fā)展有限公司等共同研發(fā)的冰水情一體化雷達基于超寬頻帶沖擊脈沖雷達技術(shù)原理，實現(xiàn)了對冰川體及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基底地形的高分辨率穿透成像測量。”何曉波說，這項成果在大功率高信噪比天線技術(shù)、超深雷達信號采集處理技術(shù)、雷達數(shù)據(jù)高質(zhì)量處理算法方面的創(chuàng)新和技術(shù)突破，使得我國的冰川雷達測量技術(shù)和專用設(shè)備達到國際先進水平。
記者了解到，由于何曉波團隊采用了最新的先進雷達探測測量技術(shù)手段，數(shù)據(jù)測量精度直接提升了一個數(shù)量級，數(shù)據(jù)質(zhì)量、代表性和可靠度得到大幅度突破性提高。研發(fā)設(shè)備的絕對誤差約為冰厚測量值的5%。
同時，現(xiàn)有的冰川儲量估計公式也將基于雷達對冰川厚度的精確測量數(shù)據(jù)而得到針對性優(yōu)化。未來，我國將開展不同區(qū)域、不同類型、不同規(guī)模代表性冰川的厚度測量，評估和改進已有冰川雷達測量精度和算法，收集全球山地冰川厚度測量數(shù)據(jù)，改進和優(yōu)化適合不同規(guī)模冰川的儲量計算公式。
“冰水情一體化雷達及通過這一先進技術(shù)手段獲得的數(shù)據(jù)和信息，讓我們可以‘透視’地球。未來這一雷達將在我國的冰川調(diào)查測量、環(huán)境氣候調(diào)查、凍土帶及凍土帶工程勘察、江河湖庫冰工程調(diào)查和冰水情觀測測量、極地科考等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。”何曉波介紹。
日前，2024年冰峰大會暨青年科學(xué)探索活動在四川啟動?；顒又黝}為“從科學(xué)到社會：青藏高原冰凍圈退縮及氣候變化應(yīng)對”。
隨著全球氣候變暖，在被稱為“地球第三極”的青藏高原及周邊高山地區(qū)，冰川面積不斷退縮的同時，冰川厚度也在變薄。
那么，冰川到底有多厚？變薄了多少？如何測量冰川厚度？
帶著這些問題，科技日報記者采訪了相關(guān)專家。
厚度數(shù)據(jù)有重要價值
地球上海洋水體約占全球水體總量的96.5%，淡水僅占2.53%，其中四分之三的淡水儲存于南極冰蓋、格陵蘭冰蓋和山地冰川中。
根據(jù)第二次中國冰川編目數(shù)據(jù)，中國現(xiàn)有冰川48571條，總面積51766.08平方千米，約占世界冰川（除南極和格陵蘭冰蓋以外）面積的7.1%。
“冰川在氣候變化、水資源管理、海平面上升、生態(tài)保護、經(jīng)濟社會發(fā)展等領(lǐng)域，都有重要的科學(xué)和應(yīng)用價值。”中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院副研究員何曉波說。
近百年來，由于全球氣候系統(tǒng)變暖，冰川、積雪融化加快。
冰川的變化影響著周圍地區(qū)的水循環(huán)過程，進而影響到江河源區(qū)的生態(tài)與環(huán)境。“近年來，山地冰川變薄退縮是對氣候變暖的響應(yīng)，體現(xiàn)了冰川對氣候變化響應(yīng)的敏感。”何曉波說，冰川厚度、冰下地形和冰川體積是冰川變化的3個重要基本參數(shù)，也是冰川水資源、冰川躍動、冰芯鉆取等研究評估工作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)著冰川儲量、冰川運動、冰川內(nèi)結(jié)構(gòu)。研究人員通過冰面地形、冰厚測量資料，可繪制冰下地形，估算冰川體積，從而獲取冰川水資源儲量信息。
何曉波說：“冰川測厚數(shù)據(jù)能夠提供冰川測量點厚度值和整條冰川的平均厚度，科研人員能夠據(jù)此繪制冰川下的地形圖，準確估算冰川體積。”
監(jiān)測冰川狀況，開展冰川變化系統(tǒng)研究，有重要的科學(xué)意義，也有極高的應(yīng)用價值。
研發(fā)測量“利器”
歷史上，現(xiàn)場取芯法、重力法、地震波法是常用的冰川探測方法。但這些方法工作強度大、效率低、安全性差。中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院創(chuàng)新了冰川探測方法，使測量更精準。
該院利用我國自主研發(fā)的冰水情一體化雷達，對珠峰東絨布冰川的厚度進行了全面探測，成功獲取了東絨布冰川海拔6300米至6500米范圍內(nèi)的冰川厚度數(shù)據(jù)。
所用雷達是一種能穿透冰和雪這類特定介質(zhì)的探地雷達。它是一種利用電磁波被冰床基巖、冰內(nèi)空洞、內(nèi)磧等目標反射的特性來發(fā)現(xiàn)目標，并確定目標距離和方位的電子設(shè)備。何曉波說，簡單來說，它基于冰水和基巖介電常數(shù)的差異，通過無線電波在冰體中的傳輸波速變化確定目標位置。
一般情況下，冰下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化比較緩慢，同一冰層的電特性比較接近。因此采用探地雷達連續(xù)測量時，相鄰測點上同一地層反射波的波形、波幅、周期及其包絡(luò)等主要特征有一定相似性。具有一定形態(tài)特征的反射波是反射層識別的基礎(chǔ)，而同一地層反射波的同相性與相似性為反射層的追蹤提供了依據(jù)。
過去，測冰雷達數(shù)據(jù)分析通常采用人工方法提取層位，需要在數(shù)據(jù)中尋找局部的連續(xù)性和相似性特征，以識別出需要提取的同相軸。這種方法解釋速度慢、同相軸追蹤精度不高、存在微弱跳躍等。
針對這一問題，何曉波團隊使用的冰水情一體化雷達系統(tǒng)創(chuàng)新地加載了聯(lián)合振幅和局部梯度的新型算法，使得同時基于單個觀測點數(shù)據(jù)和相鄰時間序列的交叉驗證成為可能。算法同步實現(xiàn)了水深和冰厚的準確測量，也使得從前復(fù)雜的層位信息以更清晰直觀的方式呈現(xiàn)。
經(jīng)過分析和試驗，研究團隊確定了100兆赫和400兆赫兩種頻率的雷達，雷達可高精度測量水深和冰厚。
研究團隊同時在雷達天線形狀和布置上進行改進，使得水深淺層冰結(jié)構(gòu)和冰厚的測點在同一垂線上，并通過分時工作避免不同頻率雷達間的相互干擾。
中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院博士研究生汪少勇介紹，十幾年前，有科考隊對東絨布冰川進行了測厚，數(shù)據(jù)顯示東絨布冰川在海拔6300米的最大厚度達320米。“這次我們利用最新研發(fā)的儀器，更準確地獲取了冰川厚度數(shù)據(jù)。通過與前人測量的數(shù)據(jù)進行對比，可以進一步了解這十幾年東絨布冰川厚度的變化。”汪少勇說。
經(jīng)初步處理數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，東絨布冰川的最大厚度在300米以上。根據(jù)東絨布冰川的厚度數(shù)據(jù)，可以準確估算東絨布冰川的冰儲量，并進一步探明冰川蘊藏的水資源量，為冰川下游農(nóng)牧業(yè)發(fā)展和水資源管理提供數(shù)據(jù)支撐。
有望實現(xiàn)“透視”地球
“我們和中國水利水電科學(xué)研究院、大連中睿科技發(fā)展有限公司等共同研發(fā)的冰水情一體化雷達基于超寬頻帶沖擊脈沖雷達技術(shù)原理，實現(xiàn)了對冰川體及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基底地形的高分辨率穿透成像測量。”何曉波說，這項成果在大功率高信噪比天線技術(shù)、超深雷達信號采集處理技術(shù)、雷達數(shù)據(jù)高質(zhì)量處理算法方面的創(chuàng)新和技術(shù)突破，使得我國的冰川雷達測量技術(shù)和專用設(shè)備達到國際先進水平。
記者了解到，由于何曉波團隊采用了最新的先進雷達探測測量技術(shù)手段，數(shù)據(jù)測量精度直接提升了一個數(shù)量級，數(shù)據(jù)質(zhì)量、代表性和可靠度得到大幅度突破性提高。研發(fā)設(shè)備的絕對誤差約為冰厚測量值的5%。
同時，現(xiàn)有的冰川儲量估計公式也將基于雷達對冰川厚度的精確測量數(shù)據(jù)而得到針對性優(yōu)化。未來，我國將開展不同區(qū)域、不同類型、不同規(guī)模代表性冰川的厚度測量，評估和改進已有冰川雷達測量精度和算法，收集全球山地冰川厚度測量數(shù)據(jù)，改進和優(yōu)化適合不同規(guī)模冰川的儲量計算公式。
“冰水情一體化雷達及通過這一先進技術(shù)手段獲得的數(shù)據(jù)和信息，讓我們可以‘透視’地球。未來這一雷達將在我國的冰川調(diào)查測量、環(huán)境氣候調(diào)查、凍土帶及凍土帶工程勘察、江河湖庫冰工程調(diào)查和冰水情觀測測量、極地科考等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。”何曉波介紹。
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