2020, Vol. 40
2. 武汉大学测绘学院，武汉市珞喻路129号，430079;
3. 中国地震局地震研究所地震大地测量重点实验室，武汉市洪山侧路40号，430071;
4. 华中科技大学物理学院地球物理研究所，武汉市珞喻路1037号，430074
南极冰盖(Antarctic ice sheet, AIS)作为地球上最大的冰体，其质量平衡的微小变化会对全球水循环和大气热动力循环造成很大影响，因此精确估算AIS质量变化具有十分重要的科学意义[1]。GRACE卫星可为AIS质量变化的监测提供覆盖广、可持续的技术手段，不少学者已将其应用于AIS质量变化的研究中[2-5]。
本文采用由CSR提供的RL06版本GRACE月重力场模型，利用球谐系数法[4, 6]和加权平均法得到AIS质量变化时间序列，并利用分段拟合方法详细分析不同时间段内AIS、东南极(east Antarctic, EA)、西南极(west Antarctic, WA)和南极半岛(Antarctic peninsula, AP)的冰盖质量变化趋势及其对全球海平面上升的影响。
1 数据处理方法利用球谐系数法对AIS质量变化进行反演, 时间跨度为2003-01~2016-06。在计算前分别对C20和1阶项进行替换处理[7-8]，缺失数据的月份采用三次样条算法进行填补，采用P3M6多项式滤波与300 km Fan滤波的组合滤波算法[9-11]对球谐系数的误差进行相应处理，采用IJ05模型扣除冰后回弹[12]和泄露误差的影响。
2 反演结果图 1为AIS质量变化率。由图可知，AIS消融主要集中在WA和AP地区，其中WA埃尔斯沃思地(EHL)消融速度最快，其次为AP地区。EA地区主要表现为质量积累，其中毛德皇后地(DML)增加较为明显，而威尔克斯地(WL)和维多利亚地(VL)沿海地区则呈现质量消融趋势。
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图 1 AIS质量变化率 Fig. 1 The mass change rates of AIS |
图 2为AIS质量变化时间序列，图中(a)、(c)、(e)和(g)分别为AIS、EA、WA和AP冰盖质量变化原始序列和拟合序列[7]，(b)、(d)、(f)和(h)分别为上述4个地区的残差项(即原始序列与拟合序列之差)。由图可知，南极地区冰盖消融主要来源于WA和AP，EA则表现为质量积累，该结论与图 1一致; 除EA外，AIS、WA和AP冰盖质量变化的原始序列和拟合序列重合度较低，说明冰盖消融速度不稳定，不同时间其速率不同; AIS、WA和AP的残差变化趋势基本一致，进一步证明南极地区冰盖消融主要来自于WA和AP地区。同时残差图还具有一定周期性，说明处理过程并未完全扣除周期项; 对比原始序列和残差序列可以看出，AIS质量变化主要受周期性信号影响。
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图 2 冰盖质量变化时间序列 Fig. 2 Time series of ice sheet mass changes |
图 3为AIS质量变化时间序列分段拟合结果。由图可知，经过分时间段拟合后，拟合序列与原始序列基本重合，表明分段拟合能更好地反映原始序列的年际变化和季节性变化; 残差序列在0值附近呈对称分布，说明周期信号基本上已被扣除，而AIS质量变化以年际变化和季节性变化影响为主。
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图 3 南极地区冰盖质量变化时间序列分段拟合结果 Fig. 3 Piecewise fitting results of time series of ice sheet mass changes in Antarctica |
为进一步分析AIS不同区域不同时段的质量变化情况，本文对相关时间参数进行统计(表 1)。由表可知，2003-01~2016-06期间，AIS变化率为(-101.27±7.02) Gt/a，对全球海平面贡献为(0.28±0.02) mm/a，整体呈现消融趋势。其中2003~2009年变化率为(-10.74±11.53) Gt/a，对全球海平面贡献为(0.03±0.03) mm/a，较为平稳; 2009~2012年变化率为(-145.89±21.48) Gt/a，对全球海平面贡献为(0.4±0.06) mm/a，呈现加速趋势; 2012年以后消融速率进一步增大，其值为(-167.90±15.63) Gt/a，对全球海平面贡献为(0.47±0.04) mm/a。
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表 1 AIS质量变化特征 Tab. 1 Characteristics of AIS mass changes |
在研究时段内EA冰盖质量变化率为(69.09±2.64) Gt/a，对全球海平面贡献为(-0.19±0.01) mm/a，表现为质量积累。其中2003~2010年质量变化率为(55.02±3.75) Gt/a，对全球海平面贡献为(-0.15±0.01) mm/a; 2011~2013年积累速度加快，其值增至(94.68±19.08) Gt/a，对全球海平面贡献为(-0.26±0.05) mm/a; 2013年以后积累速率迅速减小，其值为(7.64±12.13) Gt/a，对全球海平面贡献为(-0.02±0.03) mm/a。上述结果表明，该地区冰盖质量变化趋势已发生根本性变化，这与近年来南极地区气温屡创新高的情况相符。
WA冰盖质量变化率为(-148.35±6.78) Gt/a，对全球海平面贡献为(0.41±0.02) mm/a，表现为质量消融。2003~2009年质量变化率为(-54.09±9.94) Gt/a，对全球海平面贡献为(0.15±0.03) mm/a; 2009年以后消融速度大幅增加，其值为(-194.16±6.27) Gt/a，对全球海平面贡献为(0.54±0.02) mm/a。
AP冰盖质量变化率为(-22.01±1.44) Gt/a，对全球海平面贡献为(0.06±0.01) mm/a，表现为质量消融。2003~2008年变化较为平稳，速率为(-3.11±3.05) Gt/a，对全球海平面贡献为(0.01±0.01) mm/a; 2008~2013年变化速率加快，其值为(-35.83±3.36) Gt/a，对全球海平面贡献为(0.10±0.01)mm/a; 2013年以后消融速度减缓，其值为(-4.20±6.25)Gt/a，对全球海平面贡献为(0.01±0.02) mm/a。
表 1中还存在冰盖质量变化的季节性信号，其中AIS周年项振幅为69.78 cm，表现为先增加后减小，半周年项振幅为31.10 cm，呈现持续减小特征; EA周年项振幅为21.39 cm，表现为先减小后增加，半周年项振幅为10.39 cm，变化趋势与周年项一致; WA周年项振幅为43.71 cm，半周年项振幅为20.87 cm，变化较为平稳; AP周年项振幅为16.43 cm，半周年项振幅为8.43 cm，两者均表现为增加趋势。
3 结语为更好地分析南极地区冰盖消融的时空分布特征，本文采用分时间段拟合的方法，详细研究不同时间段不同地域冰盖质量的变化情况。结果表明，2003-01~2016-06期间，AIS质量消融速率为(-101.27±7.02) Gt/a，不同时间段呈现不同的变化趋势。南极地区冰盖质量整体消融趋势在不断加强，但EA地区以质量积累为主，其速率呈现先增加后减小的特征; WA地区冰盖消融速率呈现先减小后增加的趋势; AP地区消融速率则先增加后减少。南极地区冰盖质量加速消融，可为全球变暖加剧提供有力证据。
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2. School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, 129 Luoyu Road, Wuhan 430079, China;
3. Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China;
4. Institute of Geophysics, School of Physics, Huazhong University of Science and Technology, 1037 Luoyu Road, Wuhan 430074, China