利用赛莱默SonTek技术测量格陵兰融冰

一个实地研究小组一直在研究格陵兰冰盖,为的是解答一些重要问题:融水流入海洋的速度有多快?融水如何加速或减缓冰川本身的运动?

在赛莱默SonTek技术的帮助下,研究人员研究了冰川上的河流(即流经冰盖顶部的融水)在白天是如何变化的。他们的实地数据将有助于提高冰川融化数学模型的准确性。

研究格陵兰冰盖是如何融化的

格陵兰冰盖长2400公里(1500英里),包括280万立方公里(684000立方英里)的冰。海拔将构成格陵兰冰盖的冰川分为不同的区域。

大多数融水研究只在冰盖边缘的河流上进行。但在2012年,由加州大学洛杉矶分校的劳伦斯-史密斯(Laurence C. Smith)和罗格斯大学教授阿萨-伦纳马尔姆(Asa Rennermalm)牵头的一次考察罕见地对冰上河流进行了直接的流量测量。这个高径流区域非常适合研究冰盖是如何随着气候变化而消融的。

该研究小组2012年的实地考察具有革命性意义,证明了来自温带地区的最新工具和技术可以成功地在北极使用。

为期三天的冰川河流监测

2015年,史密斯、伦纳马尔姆及其研究小组回到格陵兰岛西南部,通过连续三天不间断监测来研究融水径流。如果说2012年的考察提供了融水流动的快照,那么2015年的研究以及他们在2016年的后续研究(连续七天以小时为单位测量同一条河流)便造就了一部电影。

参加考察的怀俄明大学研究生Brandon Overstreet解释说:“2012年,对冰上河流流量数据尤其是格陵兰冰盖内部大型河流的研究还很少,因此我们的策略是‘从尽可能多的河流中获取数据’。但如果你只捕捉某个时间点的流量数据,未免有些片面。2015年,我们再次回到那里,集中关注一条河流,观察每日的流量变化。”

图片:Brandon Overstreet与安装在HydroBoard II上的SonTek RiverSurveyor M9Lincoln Pitcher授权使用)。

现场数据与模型预测不符

史密斯/伦纳马尔姆研究小组选择了一条冰上河流进行研究,并以一位同事的名字将其命名为Rio Behar。连续72小时,他们测量了河流流量以及详细的天气情况。他们建立了一个真实的水流和现场环境数据库。然后他们与建模团队合作,使用来自现场的气象数据运行模型,将现场数据与建模结果进行比较。

研究小组发现,地表质量平衡模型对径流高估了21%到58%。此外还发现高速融化期与河流流量增长期之间存在0.4到9.5小时的滞后时间,这在模型预测中没有反映出来。

了解如何测量流量的巨大波动

融水流量日循环最显著的一个方面是波动的绝对大小。根据所处的时间,Rio Behar的流量可能在每秒4.61到26.73立方米之间。河道宽度和深度变化很大,以适应流量的变化。

这给研究人员带来了极大的挑战。他们已经证明,即使在几乎原始的冰上河流中,声学多普勒剖面法也能发挥作用,从水中的微小气泡和冰晶中反射信号。

但是,赛莱默SonTek品牌应用工程师Brittany Jenner指出,在较浅、流速较慢的水域最适用的频率在较深、流速较快的河道中未必是最有效的。

SonTek RiverSurveyor-M9用于高质量测量

在深水中,频率较低、波长较长的声学信号可以有效而清楚地测量河岸和河底,以及流速和流向,所有这些都用来计算流量。频率较高、波长较短的声学信号可以更清楚地测量浅水中的流速和流量。

Jenner说,格陵兰研究小组使用了SonTek RiverSurveyor-M9,该仪器自动使用其深度和流速读数来确定是使用1.0 MHz还是3.0 MHz的光束进行最高质量的测量。RiverSurveyor的SmartPulse HD技术还可以选择其抽样单元大小,以便在所处的任何环境下优化测量。

在勘测期间,RiverSurveyor-M9被安装在SonTek HydroBoard II上,该船体从一个河岸拖到另一个河岸,沿着横断面收集数据。格陵兰研究小组每小时至少收集四个横断面。

改进冰川融化科学

2017年底,研究小组公布了其2015年的Rio Behar数据,以及五个主要冰块融化模型做出的预测。论文发表于《Proceedings of the National Academy of Sciences》,其作者代表了一个庞大而多样化的研究小组,不仅包括像史密斯、伦纳马尔姆这样的地质学家和水文学家、收集测量数据的勇敢的研究生,还包括Jenner以及其他一些气候科学和建模领导者。

对于Brandon Overstreet来说,多次前往格陵兰冰盖进行实地考察很有价值,而且激动人心。这种细节在卫星图像或飞行科学中是找不到的。

Brandon Overstreet说:“我对格陵兰冰盖的最初印象是一个平淡无奇的巨大景观,只有在冰山崩解的边缘才令人兴奋。但是在冰面上,你会看到这个令人难以置信的动态河流系统,它们就像陆上河流一样,在某些方面,就是超速流动的陆上河流。”

他接着说:“我不想生活在一个通过查看卫星图像收集所需一切的世界。”

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作者:Mission: Water特约撰稿人Steve Werblow

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