新型雷达绝对误差仅约5% 为冰川精准“量体” 摸清水资源家底
图为在海拔8400米左右高空拍摄的珠穆朗玛峰和喜马拉雅山脉群山。 新华社记者 孙非摄
日前，2024年冰峰大会暨青年科学探索活动在四川启动。活动主题为“从科学到社会：青藏高原冰冻圈退缩及气候变化应对”。
随着全球气候变暖，在被称为“地球第三极”的青藏高原及周边高山地区，冰川面积不断退缩的同时，冰川厚度也在变薄。
那么，冰川到底有多厚？变薄了多少？如何测量冰川厚度？
带着这些问题，科技日报记者采访了相关专家。
厚度数据有重要价值
地球上海洋水体约占全球水体总量的96.5%，淡水仅占2.53%，其中四分之三的淡水储存于南极冰盖、格陵兰冰盖和山地冰川中。
根据第二次中国冰川编目数据，中国现有冰川48571条，总面积51766.08平方千米，约占世界冰川（除南极和格陵兰冰盖以外）面积的7.1%。
“冰川在气候变化、水资源管理、海平面上升、生态保护、经济社会发展等领域，都有重要的科学和应用价值。”中国科学院西北生态环境资源研究院副研究员何晓波说。
近百年来，由于全球气候系统变暖，冰川、积雪融化加快。
冰川的变化影响着周围地区的水循环过程，进而影响到江河源区的生态与环境。“近年来，山地冰川变薄退缩是对气候变暖的响应，体现了冰川对气候变化响应的敏感。”何晓波说，冰川厚度、冰下地形和冰川体积是冰川变化的3个重要基本参数，也是冰川水资源、冰川跃动、冰芯钻取等研究评估工作的基础数据，关联着冰川储量、冰川运动、冰川内结构。研究人员通过冰面地形、冰厚测量资料，可绘制冰下地形，估算冰川体积，从而获取冰川水资源储量信息。
何晓波说：“冰川测厚数据能够提供冰川测量点厚度值和整条冰川的平均厚度，科研人员能够据此绘制冰川下的地形图，准确估算冰川体积。”
监测冰川状况，开展冰川变化系统研究，有重要的科学意义，也有极高的应用价值。
研发测量“利器”
历史上，现场取芯法、重力法、地震波法是常用的冰川探测方法。但这些方法工作强度大、效率低、安全性差。中国科学院西北生态环境资源研究院创新了冰川探测方法，使测量更精准。
该院利用我国自主研发的冰水情一体化雷达，对珠峰东绒布冰川的厚度进行了全面探测，成功获取了东绒布冰川海拔6300米至6500米范围内的冰川厚度数据。
所用雷达是一种能穿透冰和雪这类特定介质的探地雷达。它是一种利用电磁波被冰床基岩、冰内空洞、内碛等目标反射的特性来发现目标，并确定目标距离和方位的电子设备。何晓波说，简单来说，它基于冰水和基岩介电常数的差异，通过无线电波在冰体中的传输波速变化确定目标位置。
一般情况下，冰下介质的结构变化比较缓慢，同一冰层的电特性比较接近。因此采用探地雷达连续测量时，相邻测点上同一地层反射波的波形、波幅、周期及其包络等主要特征有一定相似性。具有一定形态特征的反射波是反射层识别的基础，而同一地层反射波的同相性与相似性为反射层的追踪提供了依据。
过去，测冰雷达数据分析通常采用人工方法提取层位，需要在数据中寻找局部的连续性和相似性特征，以识别出需要提取的同相轴。这种方法解释速度慢、同相轴追踪精度不高、存在微弱跳跃等。
针对这一问题，何晓波团队使用的冰水情一体化雷达系统创新地加载了联合振幅和局部梯度的新型算法，使得同时基于单个观测点数据和相邻时间序列的交叉验证成为可能。算法同步实现了水深和冰厚的准确测量，也使得从前复杂的层位信息以更清晰直观的方式呈现。
经过分析和试验，研究团队确定了100兆赫和400兆赫两种频率的雷达，雷达可高精度测量水深和冰厚。
研究团队同时在雷达天线形状和布置上进行改进，使得水深浅层冰结构和冰厚的测点在同一垂线上，并通过分时工作避免不同频率雷达间的相互干扰。
中国科学院西北生态环境资源研究院博士研究生汪少勇介绍，十几年前，有科考队对东绒布冰川进行了测厚，数据显示东绒布冰川在海拔6300米的最大厚度达320米。“这次我们利用最新研发的仪器，更准确地获取了冰川厚度数据。通过与前人测量的数据进行对比，可以进一步了解这十几年东绒布冰川厚度的变化。”汪少勇说。
经初步处理数据发现，东绒布冰川的最大厚度在300米以上。根据东绒布冰川的厚度数据，可以准确估算东绒布冰川的冰储量，并进一步探明冰川蕴藏的水资源量，为冰川下游农牧业发展和水资源管理提供数据支撑。
有望实现“透视”地球
“我们和中国水利水电科学研究院、大连中睿科技发展有限公司等共同研发的冰水情一体化雷达基于超宽频带冲击脉冲雷达技术原理，实现了对冰川体及其内部结构和基底地形的高分辨率穿透成像测量。”何晓波说，这项成果在大功率高信噪比天线技术、超深雷达信号采集处理技术、雷达数据高质量处理算法方面的创新和技术突破，使得我国的冰川雷达测量技术和专用设备达到国际先进水平。
记者了解到，由于何晓波团队采用了最新的先进雷达探测测量技术手段，数据测量精度直接提升了一个数量级，数据质量、代表性和可靠度得到大幅度突破性提高。研发设备的绝对误差约为冰厚测量值的5%。
同时，现有的冰川储量估计公式也将基于雷达对冰川厚度的精确测量数据而得到针对性优化。未来，我国将开展不同区域、不同类型、不同规模代表性冰川的厚度测量，评估和改进已有冰川雷达测量精度和算法，收集全球山地冰川厚度测量数据，改进和优化适合不同规模冰川的储量计算公式。
“冰水情一体化雷达及通过这一先进技术手段获得的数据和信息，让我们可以‘透视’地球。未来这一雷达将在我国的冰川调查测量、环境气候调查、冻土带及冻土带工程勘察、江河湖库冰工程调查和冰水情观测测量、极地科考等领域拥有广阔的应用前景。”何晓波介绍。
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