自然资源部极地科学重点实验室极地多圈层研究团队在南极冰盖古气候风蚀活动领域取得最新进展

      南极冰盖是全球气候环境变化的一个关键要素，其对气候条件的微小变化反应极其敏感。南极冰盖目前的物质损失相当于全球平均海平面每年上升0.5毫米左右。研究表明，南极冰盖的许多区域表面受到了风驱动的消融或堆积的影响，极大地制约了对冰盖物质平衡的有效评估。受风输运过程的影响，升华将冰盖表面的颗粒从表面释放到大气中。在冰盖表面斜坡上形成的强烈下降风引起的风吹雪作用通常会对表面物质进行再分布；其贡献作为独立项被描述在表面物质平衡方程的侵蚀-沉积平衡项中。然而，目前由于观测数据的匮乏，在模式模拟南极冰盖表面物质平衡时，通常忽略了由冰盖持续风侵蚀和升华导致的近乎零甚至负的净表面积累率，使得区域表面物质平衡计算的雪输入量被显著高估。

图1：人工半经验提取冰盖内部冰层（红色实线）的三种不同探冰雷达剖面图。底部黄色线段表示风蚀不整合结构所在的位置

     在极地冰盖内陆，雪、下降风和表面地形之间存在着复杂的相互作用，导致了积雪分布的显著空间差异，其持续风蚀作用形成的古老且广泛的气候记录通常会被保存在冰层的几何结构中。雷达图像展示的冰盖内部分层结构记录了历史上的风蚀活动，其空间变化为风蚀演变提供了直接成像证据。风冲刷区沉积间断形成的冰层不整合面的时空差异可用于推断/解释南极对冰流和气候事件历史变化的响应。最近，中国极地研究中心（中国极地研究所）（简称中国极地研究中心）自然资源部极地科学重点实验室极地冰盖多圈层相互作用与气候变化研究团队联合吉林大学地球探测科学与技术学院刘四新教授团队，在地球科学和遥感领域期刊IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing（IF=8.125，以下简称IEEE TGRS）上发表了有关冰雷达观测持续风冲刷作用形成的风蚀层结构及其活动年龄的研究论文，推断并解释了东南极Dome A南部古气候记录中持续风冲刷活动的年龄上限及其气候效应。

     该研究利用中国南极科学考察队（CHINARE）在东南极 Dome A至兰伯特冰川南侧获得的地面与航空冰雷达数据，解析出了6条时间跨度超过10万年的等时冰层的深度-年代关系剖面（图1）。该系列雷达剖面提供了Dome A附近风冲刷带冰层的年龄-深度信息，据此绘制出了具有显著几何形态差异的39个冰下风蚀结构不整合面，重现了冰盖内部结构的空间尺度和形态（图2）。分析表明，靠近兰伯特冰川的风冲刷活动（约9万年前）大大早于Dome A地区的类似风蚀活动（小于4.6万年）；存在不整合面结构的区域具有显著的空间差异，最大能在水平55km范围内海拔下降至少1110m，被显示出的不整合面结构代表了冰盖在万年时间尺度上古气候变化形成的风冲刷记录时空差异。研究还发现，冰盖内部被埋藏的雪丘结构蕴含着局部区域可能存在着稳定的气象条件，其中内部层状层理形变反映了由表面地形、冰流和风相互作用引起的冰体垂直应变率的变化。在此基础上，结合一维冰流模型对平行冰流方向的剖面进行了侵蚀活动年龄上限估计。模拟显示，Dome A区域不同位置出现早期持续上万年的风冲刷行为的年龄在约6至10.6万年以前（图2）。雷达数据解释支持持续风冲刷行为引起的侵蚀活动始于末次间冰期-冰期(距今12.8~1万年以前)。参考已有的海洋沉积物、冰芯和陆地环境记录的古气候事件序列资料，推断Dome A附近风冲刷区域不同位置出现的早前侵蚀活动可能与南极地区末次冰期的剧烈气候变化有关。研究揭示出的高分辨率冰盖内部不整合剖面，能帮助冰川学家在未来更好地理解晚更新世时期的气候变化和冰盖动力学；通过与深冰芯钻探相联系，可用于估计冰雪风成率和应变率异常的时空分布；有助于加深对冰内过程的理解并指导未来更广泛的地球物理探测。另外，获得的冰层年龄-深度关系也可作为冰流和气候模型的重要输入和约束条件，并有潜力用于古老冰芯分析的相关研究。

图2：从平行于冰流方向的车载雷达冰盖子剖面中拾取的不整合面附近的冰层剖面图。图例表示不同位置处的古风蚀活动年龄上限。

    上述IEEE TGRS论文第一作者为中国极地研究中心与吉林大学联合培养的博士研究生罗坤，通讯作者为中国极地研究中心、上海交通大学海洋学院（双聘）唐学远研究员和吉林大学地球探测科学与技术学院的刘四新教授。另外，加州大学斯克利普斯海洋研究所的地球物理学家Jamin Stevens Greenbaum和中国极地研究中心的郭井学正高级工程师、李霖助理研究员和孙波研究员也参与了该研究。

   本研究得到国家自然科学基金(编号：41941006，41876230，42276257，41941004)和国家重点研发课题(编号：2019YFC1509102)等共同资助。

论文如下：

Kun Luo, Xueyuan Tang*, Sixin Liu*, Jingxue Guo, Jamin Stevens Greenbaum, Lin Li, and Bo Sun. Deep Radiostratigraphy Constraints Support the Presence of Persistent Wind Scouring Behavior for More than 100 ka in the East Antarctic Ice Sheet, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2022, 60, 1-13, doi: 10.1109/TGRS.2022.3209543.