圖為在海拔8400米左右高空拍攝的珠穆朗瑪峰和喜馬拉雅山脈群山。 新華社記者 孫非攝

日前，2024年冰峰大會暨青年科學探索活動在四川啟動。活動主題為“從科學到社會：青藏高原冰凍圈退縮及氣候變化應對”。

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，冰川面積不斷退縮的同時，冰川厚度也在變薄。

那麼，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，科技日報記者採訪了相關專家。

厚度數據有重要價值

地球上海洋水體約佔全球水體總量的96.5%，淡水僅佔2.53%，其中四分之三的淡水儲存於南極冰蓋、格陵蘭冰蓋和山地冰川中。

根據第二次中國冰川編目數據，中國現有冰川48571條，總面積51766.08平方千米，約佔世界冰川（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、生態保護、經濟社會發展等領域，都有重要的科學和應用價值。”中國科學院西北生態環境資源研究院副研究員何曉波說。

近百年來，由於全球氣候系統變暖，冰川、積雪融化加快。

冰川的變化影響著周圍地區的水循環過程，進而影響到江河源區的生態與環境。“近年來，山地冰川變薄退縮是對氣候變暖的響應，體現了冰川對氣候變化響應的敏感。”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，也是冰川水資源、冰川躍動、冰芯鑽取等研究評估工作的基礎數據，關聯著冰川儲量、冰川運動、冰川內結構。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：“冰川測厚數據能夠提供冰川測量點厚度值和整條冰川的平均厚度，科研人員能夠據此繪制冰川下的地形圖，准確估算冰川體積。”

監測冰川狀況，開展冰川變化系統研究，有重要的科學意義，也有極高的應用價值。

研發測量“利器”

歷史上，現場取芯法、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。中國科學院西北生態環境資源研究院創新了冰川探測方法，使測量更精准。

該院利用我國自主研發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米范圍內的冰川厚度數據。

所用雷達是一種能穿透冰和雪這類特定介質的探地雷達。它是一種利用電磁波被冰床基岩、冰內空洞、內磧等目標反射的特性來發現目標，並確定目標距離和方位的電子設備。何曉波說，簡單來說，它基於冰水和基岩介電常數的差異，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，冰下介質的結構變化比較緩慢，同一冰層的電特性比較接近。因此採用探地雷達連續測量時，相鄰測點上同一地層反射波的波形、波幅、周期及其包絡等主要特征有一定相似性。具有一定形態特征的反射波是反射層識別的基礎，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。

過去，測冰雷達數據分析通常採用人工方法提取層位，需要在數據中尋找局部的連續性和相似性特征，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創新地加載了聯合振幅和局部梯度的新型算法，使得同時基於單個觀測點數據和相鄰時間序列的交叉驗証成為可能。算法同步實現了水深和冰厚的准確測量，也使得從前復雜的層位信息以更清晰直觀的方式呈現。

經過分析和試驗，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，使得水深淺層冰結構和冰厚的測點在同一垂線上，並通過分時工作避免不同頻率雷達間的相互干擾。

中國科學院西北生態環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，數據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的儀器，更准確地獲取了冰川厚度數據。通過與前人測量的數據進行對比，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。

經初步處理數據發現，東絨布冰川的最大厚度在300米以上。根據東絨布冰川的厚度數據，可以准確估算東絨布冰川的冰儲量，並進一步探明冰川蘊藏的水資源量，為冰川下游農牧業發展和水資源管理提供數據支撐。

有望實現“透視”地球

“我們和中國水利水電科學研究院、大連中睿科技發展有限公司等共同研發的冰水情一體化雷達基於超寬頻帶沖擊脈沖雷達技術原理，實現了對冰川體及其內部結構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、超深雷達信號採集處理技術、雷達數據高質量處理算法方面的創新和技術突破，使得我國的冰川雷達測量技術和專用設備達到國際先進水平。

記者了解到，由於何曉波團隊採用了最新的先進雷達探測測量技術手段，數據測量精度直接提升了一個數量級，數據質量、代表性和可靠度得到大幅度突破性提高。研發設備的絕對誤差約為冰厚測量值的5%。

同時，現有的冰川儲量估計公式也將基於雷達對冰川厚度的精確測量數據而得到針對性優化。未來，我國將開展不同區域、不同類型、不同規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據，改進和優化適合不同規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手段獲得的數據和信息，讓我們可以‘透視’地球。未來這一雷達將在我國的冰川調查測量、環境氣候調查、凍土帶及凍土帶工程勘察、江河湖庫冰工程調查和冰水情觀測測量、極地科考等領域擁有廣闊的應用前景。”何曉波介紹。

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