南极拉森B冰架崩解后冰川加速与变薄的观测研究

作者及发表信息
本研究由T. A. Scambos（美国科罗拉多大学国家冰雪数据中心）、J. A. Bohlander（同前）、C. A. Shuman（NASA戈达德太空飞行中心）和P. Skvarca（阿根廷南极研究所冰川学部）合作完成，发表于2004年9月的《Geophysical Research Letters》（卷31，编号L18402，DOI:10.1029/2004GL020670）。

学术背景

研究领域与动机
研究聚焦于冰川动力学（glaciology）与气候变化（climate change）的交叉领域。南极半岛是全球变暖最显著的地区之一，过去50年气温上升2–4°C，导致拉森A（1995年）、威尔金斯（1998年）和拉森B（2002年）冰架相继崩解。冰架作为冰川前缘的“支撑结构”，其消失可能通过减少反向应力（backstress）加速冰川流动，进而影响全球海平面。然而，此前模型对冰架作用的预测存在分歧（如Hindmarsh, 1996认为影响有限）。本研究旨在通过拉森B冰架崩解后的实时观测，揭示冰架消失对冰川动力学的直接影响机制。

关键科学问题
1. 冰架崩解后，冰川流速和厚度如何变化？
2. 季节性融水渗透（meltwater percolation）与冰架移除的应力场变化，何者对冰川加速贡献更大？

研究方法与流程

1. 数据采集与处理

研究对象
选取拉森B海湾6条冰川：北部4条（Hektoria、Green、Jorum、Crane）流入崩解区，南部2条（Flask、Leppard）作为对照。

技术手段
- 流速测量：通过5景Landsat 7 ETM+卫星影像（2000年1月–2003年2月）的特征追踪算法（feature-tracking algorithm）计算冰川中心线流速，误差±20–40米。
- 高程变化：利用ICESat激光高度计（2003年发射）获取冰川表面高程，精度±0.2米（无云条件下），云层干扰时误差达±6米。

实验设计
- 时序分析：对比冰架崩解前（2000–2001年）、崩解期间（2002年3月）及崩解后（2002–2003年）的流速与高程数据。
- 应变率计算：通过纵向应变率（longitudinal strain rate）量化冰川变形程度。

2. 创新方法

• 多时相影像配对：首次结合夏季与冬季影像，区分季节性融水效应与冰架移除的长期影响。
  
• 高程插值技术：通过流动对齐的ICESat测高点插值，估算冰川变薄速率。
  

主要结果

1. 冰川加速与空间分异

• 北部冰川：崩解后流速增加2–6倍（如Hektoria冰川中心线速度从0.7 m/d升至4.5 m/d），且加速梯度向下游递增（图1）。
  
• 南部冰川（Flask、Leppard）：流速与高程无显著变化，证实冰架移除是加速的主因。
  
• 季节性差异：夏季流速普遍比冬季高25%，但崩解后的加速远超季节性波动。
  

2. 冰川变薄与动力学响应

• 高程损失：Hektoria冰川在崩解后6个月内变薄38±6米（图3b），相当于每日下降21厘米；Crane和Jorum冰川在5个月内变薄3.4–4.1米。
  
• 应变率激增：Hektoria冰川纵向应变率从0.00002 d⁻¹升至0.0008 d⁻¹，表明冰架移除导致应力场重组。
  
• 裂隙模式变化：崩解后冰川下游出现密集横向裂隙（图2），反映强烈的纵向拉伸。
  

3. 机制解析

• 冰架移除效应：完全移除至接地线（grounding line）会触发冰川加速向上游传播。
  
• 融水辅助作用：夏季融水渗透可暂时降低基底摩擦，但长期加速需归因于冰架消失导致的应力释放。
  

结论与价值

科学意义
1. 实证冰架支撑作用：首次通过高时空分辨率数据证实，冰架崩解直接导致冰川加速和变薄，支持Thomas等（1979）的“反向应力”理论。
2. 机制分离：明确了季节性融水与冰架移除对冰川动力学的差异化贡献。
3. 海平面影响：南极半岛冰川加速可能加剧全球海平面上升，需重新评估冰架稳定性模型。

应用价值
- 为预测南极其他冰架（如拉森C）崩解后果提供参考。
- 支持卫星遥感技术在冰川监测中的核心作用。

研究亮点

1. 方法创新：结合Landsat与ICESat数据，实现流速与高程变化的协同分析。
   
2. 时效性：在冰架崩解后1年内获取关键数据，捕捉动态响应过程。
   
3. 对照实验设计：通过南北冰川对比，强化因果推断。
   

补充发现
- 残余冰架（ km）仍能部分抑制冰川加速，提示冰架尺寸与动力学响应的非线性关系。
- 冰川变薄速率与应变率增加一致，但2003年数据暗示加速可能趋缓，需长期监测验证。

（全文约2000字）