格陵兰冰盖2002—202...质量快速亏损及变化减缓分析_尚佩斯.pdf

第51卷 第3期2023 年 3 月华 中 科 技 大 学 学 报（自 然 科 学 版）J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Natural Science Edition)Vol.51 No.3Mar.2023格陵兰冰盖20022021年质量快速亏损及变化减缓分析尚佩斯 苏晓莉 罗志才(华中科技大学物理学院引力中心，湖北 武汉 430074)摘要 基于GRACE/GRACE-FO数据，分析了自2002年4月以来格陵兰冰盖的质量变化情况结果表明：格陵兰冰盖质量经历了亏损较缓(2002-042009-12期间约-1963 Gt/a)到快速亏损(2010-012012-12期间约-4227 Gt/a)、亏损变缓(2013-012017-06期间约-17015 Gt/a)以及再次快速亏损(2018-052021-09期间约-2974 Gt/a)的变化过程且相比时段2018-092020-08(质量亏损速率约-4058 Gt/a)，格陵兰冰盖在2019-092021-08的质量亏损速率明显减缓，约-1397 Gt/a格陵兰冰盖夏季质量亏损对其年总质量变化起着决定性作用，但2020年其在春、秋和冬季里质量累积量为近年来最大值，这减少了该年质量亏损总量研究还表明：降水和融水径流是影响格陵兰冰盖质量变化的主导因素关键词 格陵兰冰盖；质量变化；主导因素；重力恢复与气候实验(GRACE)；GRACE-FO中图分类号 P312.1 文献标志码 A 文章编号 1671-4512(2023)03-0100-08Analyzing characteristics of rapid and moderate mass loss from Greenland ice sheet during 20022021SHANG Peisi SU Xiaoli LUO Zhicai(Center for Gravitational Experiments，School of Physics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)Abstract The Greenland ice sheet(GrIS)has become one of the major contributors to global mean sea level rise due to the potential influence from Arctic warmingGravity recovery and climate experiment follow on(GRACE-FO)observations confirmed that the GrIS experienced a new record mass loss in 2019 Nevertheless，how its mass change varies after 2019 has not been investigatedBased on GRACE/GRACE-FO time-variable gravity field data，a detailed analysis of the GrIS mass variations since April 2002 was performedOur results show that the GrIS experienced a moderate mass loss(about-1963 Gt/a from 2002-04 to 2009-12)，a rapid mass loss(about-4227 Gt/a from 2010-01 to 2012-12),a moderate mass loss(about-17015 Gt/a from 2013-01 to 2017-06)and again a rapid mass loss(about-2974 Gt/a from 2018-05 to 2021-09)Compared to the timespan 2018-092020-08(about-4058 Gt/a)，the mass loss rate of the GrIS slowed down significantly(about-1397 Gt/a)during 2019-092021-08The summer mass loss of the GrIS dominated its annual cumulative mass variations，except for year 2020 in which the total mass accumulations in spring，autumn and winter are the maximum in past two decades，largely reducing its annual mass lossThis study also demonstrates that precipitation and meltwater runoff are the main factors affecting the GrIS mass variationsKey words Greenland ice sheet；mass change；main factors；gravity recovery and climate experiment(GRACE)；gravity recovery and climate experiment follow on(GRACE-FO)在全球变暖的持续影响下，地表的冰川及冰盖出现了不同程度的消融，这导致了20世纪初以来DOI：10.13245/j.hust.230306收稿日期 2022-01-24作者简介 尚佩斯(1997-)，女，博士研究生，E-mail：基金项目 国家自然科学基金青年项目(41804014)；国家自然科学基金资助项目(41931074，42061134007)第 3 期尚佩斯，等：格陵兰冰盖20022021年质量快速亏损及变化减缓分析全球平均海平面的快速上升1近20 a来，格陵兰冰盖经历了较严重的质量亏损2-3，已成为全球海平面上升的主要贡献者之一4-6有研究表明：截至21世纪末期，格陵兰冰盖的质量亏损将可能造成全球海平面上升017 cm7如果格陵兰冰盖完全消融，全球海平面将会升高 6.57.4 m8因此，长时段准确监测格陵兰冰盖的质量变化对了解其自身质量变化状况、预测其未来的变化以及评估它对全球海平面变化的贡献等具有重要意义9当前，研究冰盖质量变化主要有质量分量法、卫星测高和卫星重力法3种方法10质量分量法联合了区域气候模型输出与合成孔径雷达观测技术因区域气候模型存在一定的不确定度且合成孔径雷达观测技术的观测时段和观测区域较有限，这使得该方法不确定度较大卫星测高法能较好地监测冰盖高度变化，若想将高度变化转换为质量变化，该方法需要与高度变化相应的冰雪密度值，但冰雪密度值往往没法精确获得卫星重力法能在较大尺度上(约333 km)监测冰盖质量变化，当前它已在冰盖质量平衡、陆地水储量变化、海平面上升以及海洋环 流 等 气 候 变 化 相 关 领 域 显 示 出 了 巨 大 的潜能9,11-13GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)重力卫星2002年3月开始运行，2017年10月退役，其后续卫星GRACE-Follow-on(GRACE-FO)2018年5月已发射成功当前这两颗重力卫星已累积了近 20 a 的地球时变重力场资料14-15基于GRACE重力卫星资料，国内外研究者对格陵兰冰盖质量变化开展了较多研究工作2-3,13,16-18，这些研究主要集中在冰盖质量变化趋势、区域时空变化等方面例如，冯贵平等13发现，在2003-012014-12时段内，格陵兰冰盖的质量亏损速率约为-26043 Gt/a(1 Gt=11012 kg)，占 同 时 期 海 平 面 上 升 的25.8%；卢飞等18指出2010年之后，格陵兰冰盖的质 量 亏 损 速 率 明 显 增 加，从 20032009 年 的-132.2 Gt/a 增 加 至 20102012 年 的-252.8 Gt/a；Velicogna等16将格陵兰冰盖划分为不同的小区域，他们发现在 20032013年期间，格陵兰冰盖东南区域和西北区域的质量亏损占据该时期总亏损的70%，而东北区域无明显质量亏损对于GRACE-FO资料，研究者们也在开展相关应用分析对于格陵兰冰盖而言，Velicogna团队19证实了质量分量法可用于填补GRACE与GRACE-FO之间的数据空白利用GRACE/GRACE-FO资料，Sasgen等20发现格陵兰冰盖在2019年出现了有史以来最严重的质量亏损但针对2019年之后格陵兰冰盖的质量变化情况目前仍缺少相关的研究本研究基于 GRACE/GRACE-FO 重力卫星资料，探究了格陵兰冰盖(2002-042021-09)的质量变化情况，分析了其质量变化趋势的时间与空间分布特征针对几个特殊年份，详细比较了格陵兰冰盖逐月的非累积质量变化，进而分析了格陵兰冰盖夏季质量变化对其年质量变化的影响本研究还利用区域气候模型输出的数据对影响格陵兰冰盖质量变化的主导因素进行分析1 数据与方法 1.1GRACE与GRACE-FO数据采用美国德克萨斯大学空间研究中心(University of Texas Center for Space Research at Austin，CSR)、德国波兹坦地学研究中心(German Research Centre for Geosciences Potsdam，GFZ)和美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)三家数据中心发布的RL06 Level-2时变重力位数据(60阶次球谐系数)21当前，该数据覆盖的观测时段为2002-042017-06(GRACE)及2018-062021-09(GRACE-FO)由于卫星传感器异常或观测数据质量影响等原因22，GRACE及GRACE-FO观测时段内存在 22 个月的数据缺失(多数为单个月数据缺失，该数据缺失不包括GRACE与GRACE-FO之间的数据空白)为更好地在月尺度和季节性尺度研究格陵兰冰盖的质量变化特征，针对上述22个月的数据缺失，利用相邻月份的时变重力位数据进行线性插值处理以填补数据缺失受限于卫星轨道或卫星星座的几何构形等因素，GRACE和GRACE-FO时变重力位数据中的低阶项并不准确，如二阶项C2023-24，因而采用卫星激光测距(SLR)技术获得的二阶项(包含在GRACE技术文档 TN-14 中)对其进行了相应的替代25GRACE及GRACE-FO时变重力位数据无法提供一阶项，而一阶项代表着地球质量中心的变化26，且一阶项对于恢复高纬地区的质量变化有很重要的影响23,27，因此增加了 SLR 提供的一阶项(包含在GRACE技术文档TN-13中)25此外，为获取一致的格陵兰冰盖相对质量变化，所用到的223个月的球谐系数产品(包括插值的月份)均扣除了相同的参考场(这里选取了2003-012009-12月GRACE获得的时变重力位数据的平均值作为参考场)考虑到冰后回弹效应(GIA)会对 GRACE/GRACE-FO 获得101华 中 科 技 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 51 卷的格陵兰冰盖质量变化产生一定的影响28，使用了van der Wal 等29提供的 vdW-5-AUT 模型扣除了冰后回弹效应最后，由于卫星轨道误差、海洋与大气模型等相关误差的影响10，直接利用时变重力位数据反演的地表质量变化会存在明显的N-S方向的条带为减少条带并获取相对准确的地表质量变化，使用了半径为300