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yexuqing木蟲(chóng)之王 (文學(xué)泰斗)
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Science：深度學(xué)習(xí)揭示南極冰架復(fù)雜流動(dòng)規(guī)律
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Science：深度學(xué)習(xí)揭示南極冰架復(fù)雜流動(dòng)規(guī)律 2025-03-20 | 【大 中 小】【打印】【關(guān)閉】 一、引言 海平面上升是全球氣候變化的重要后果之一，主要由海水熱膨脹和冰蓋消融等因素導(dǎo)致。南極冰體系統(tǒng)在歷史上對(duì)海平面上升的貢獻(xiàn)隨氣候變化而不同，但當(dāng)今人類活動(dòng)已使其成為全球海平面上升的第二大來(lái)源，僅次于熱膨脹。南極的冰主要以冰蓋（覆蓋南極大陸，占南極總冰量的 99.8% 以上）、冰架（冰蓋在海洋中的延伸部分）、冰川（流動(dòng)的冰蓋）、海冰（由海水凍結(jié)形成）等形態(tài)存在，其中，冰架對(duì)冰蓋起支撐作用，能夠減緩冰蓋流失，進(jìn)而抑制海平面上升。然而，大陸尺度上，冰架的流變行為與實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)和理論模型存在顯著差異，其流動(dòng)特性和粘滯性仍存在爭(zhēng)議。在最新發(fā)表于Science的研究中（Wang et al., 2025），作者利用物理信息約束的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，反演出南極冰架的粘滯性，并確定了其應(yīng)力-應(yīng)變率關(guān)系。研究揭示，冰架在壓縮區(qū)和伸展區(qū)表現(xiàn)出不同的流變特性，這一發(fā)現(xiàn)為評(píng)估冰架失穩(wěn)引起的南極冰蓋流失提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。 圖1 數(shù)據(jù)模型驅(qū)動(dòng)的冰架流變性質(zhì)研究。（西）南極冰蓋主體位于海平面以下，容易受到海水的侵入造成冰架的垮塌，進(jìn)而加速冰蓋的流失。現(xiàn)有的冰蓋流動(dòng)定律，不足以精細(xì)描述冰蓋的復(fù)雜流變過(guò)程，借助物理約束的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)可以反演出南極地區(qū)冰架的流變特征，并將其用于預(yù)測(cè)未來(lái)海平面變化 二、關(guān)鍵方法 冰架由粒雪、晶雪和鹽雪等不同來(lái)源的雪組成，微觀上具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性和各向異性；裂縫和縫合帶等宏觀結(jié)構(gòu)的存在進(jìn)一步增加了分析冰架流變特征的難度。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量所得的冰的流變特征及基于此構(gòu)建的理論模型，在描述大陸尺度的冰架流動(dòng)規(guī)律時(shí)仍存在較大誤差。冰架的流變特性可通過(guò)應(yīng)力和應(yīng)變率關(guān)系（）來(lái)表征，其中等效應(yīng)變率（）可由橫向冰流速度（）計(jì)算得到；而冰架等效應(yīng)力（）的獲取則相對(duì)困難，這是由于鉆孔中的直接測(cè)量數(shù)據(jù)和冰芯樣品的間接測(cè)量數(shù)據(jù)都非常有限。在大陸尺度上，等效應(yīng)力測(cè)量可通過(guò)等效粘滯系數(shù)轉(zhuǎn)換而來(lái)（），而等效粘滯系數(shù)則需要在已知冰架的橫向流速（）和厚度（）情況下，通過(guò)求解二維淺冰架近似方程（SSA）得到。不同于傳統(tǒng)的冰流模型（如常用的Glen law，�。擁�(xiàng)研究通過(guò)反演得到的等效應(yīng)力-應(yīng)變率場(chǎng)，揭示了冰架不同區(qū)域的流變特征。 圖2 物理信息約束的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。輸入觀測(cè)數(shù)據(jù)為冰架的橫向流速度（）和厚度（），待估計(jì)參數(shù)為等效粘滯系數(shù)（）；通過(guò)建立數(shù)據(jù)殘差和物理失配目標(biāo)函數(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)迭代訓(xùn)練后，能夠給出同時(shí)滿足給定物理方程和擬合觀測(cè)數(shù)據(jù)的最優(yōu)解。 三、主要發(fā)現(xiàn) 南極冰架在不同的區(qū)域表現(xiàn)出不同的流變特征，不能僅通過(guò)應(yīng)力與應(yīng)變率之間簡(jiǎn)單的指數(shù)關(guān)系來(lái)描述。如在Amery冰架的上游（靠近接地線），其應(yīng)力-應(yīng)變率關(guān)系可通過(guò)指數(shù)關(guān)系表示，且應(yīng)力指數(shù)近似為1，而在冰架的下游區(qū)域，則表現(xiàn)出更強(qiáng)的塑性行為，無(wú)法通過(guò)指數(shù)模型表示應(yīng)力-應(yīng)變率的關(guān)系。進(jìn)一步對(duì)多個(gè)冰架流變性分析發(fā)現(xiàn)，低應(yīng)力壓縮區(qū)（冰體受到擠壓，kPa），冰的變形主要由冰晶顆粒間的滑動(dòng)（GBS）控制，應(yīng)力指數(shù)約為2；在高應(yīng)力壓縮區(qū)kPa），冰的變形主要由冰晶顆粒間的位錯(cuò)（DC）控制，應(yīng)力指數(shù)約為4；而中等應(yīng)力范圍的壓縮區(qū)，冰的變形受到兩種機(jī)制的共同控制，應(yīng)力指數(shù)約為3. 此外，在冰體拉伸區(qū)域，冰的粘滯性表現(xiàn)出明顯的各向異性，傳統(tǒng)各向同性粘滯模型無(wú)法有效擬合觀測(cè)數(shù)據(jù)。因此，需要引入水平和垂直粘度各向異性方程，以便更精確描述冰架的流變性。反演得到的橫向粘滯性系數(shù)低值異常，指示了冰架縫合帶和裂縫的空間分布。結(jié)合應(yīng)力指數(shù)空間分布，可以評(píng)估冰架的穩(wěn)定性及接地線的位置，為預(yù)測(cè)南極冰蓋流失提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。 圖3 反演得到的等效粘滯系數(shù)、應(yīng)力-應(yīng)變率關(guān)系以及各向異性粘滯系數(shù)。應(yīng)力-應(yīng)變率關(guān)系受到應(yīng)力場(chǎng)的影響，在不同的冰架區(qū)域具有不同的應(yīng)力指數(shù)及各向異性。粘滯系數(shù)在冰體拉伸區(qū)表現(xiàn)出顯著的各向異性，由此反演得到的橫向粘滯系數(shù)低值與其他方法劃分的冰架縫合帶，較各向同性假設(shè)有更好的對(duì)應(yīng)關(guān)系 四、總結(jié) 冰架的力學(xué)穩(wěn)定性是預(yù)測(cè)未來(lái)海平面變化的重要依據(jù)，本研究在現(xiàn)有物理理論基礎(chǔ)上，利用深度學(xué)習(xí)方法挖掘遙感數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的冰架流變特性及其未知物理過(guò)程，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)和傳統(tǒng)指數(shù)模型在預(yù)測(cè)冰架復(fù)雜流變過(guò)程的不足，為精準(zhǔn)預(yù)測(cè)海平面變化提供了數(shù)據(jù)支撐。當(dāng)前，對(duì)冰蓋粘彈性各向異性的研究仍處于初級(jí)階段。未來(lái)需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、耦合裂縫與流變學(xué)模型，以進(jìn)一步解析冰架各向異性粘彈機(jī)制。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以從海量觀測(cè)數(shù)據(jù)中提煉潛在的物理規(guī)律，彌補(bǔ)現(xiàn)有物理模型的不足，為冰川動(dòng)力學(xué)研究提供全新的研究范式。 主要參考文獻(xiàn) Wang Y, Lai C Y, Prior D J, et al. Deep learning the flow law of Antarctic ice shelves[J]. Science, 2025, 387(6739): 1219-1224. （原文鏈接） （撰稿：張振東，劉伊克/油氣理論與方法學(xué)科中心） |
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