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南极冰架对融水驱动断裂的脆弱性gydF4y2Ba

自然gydF4y2Ba体积gydF4y2Ba584gydF4y2Ba，gydF4y2Ba页面gydF4y2Ba574 - 578 (gydF4y2Ba2020gydF4y2Ba）gydF4y2Ba引用本文gydF4y2Ba

主题gydF4y2Ba

摘要gydF4y2Ba

大气变暖通过增加表面融化和促进“水力压裂”，有可能加速南极冰盖的退缩gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba5gydF4y2Ba，gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，gydF4y2Ba7gydF4y2Ba在那里，融水流入并扩大了裂缝，有可能引发冰架崩塌gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba5gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba9gydF4y2Ba，gydF4y2Ba10gydF4y2Ba．支撑我们的冰架崩塌了gydF4y2Ba11gydF4y2Ba，gydF4y2Ba12gydF4y2Ba，gydF4y2Ba13gydF4y2Ba冰盖加速了冰的流动和海平面的上升gydF4y2Ba14gydF4y2Ba，gydF4y2Ba15gydF4y2Ba，gydF4y2Ba16gydF4y2Ba．然而，我们不知道如果被水淹没，南极洲冰架的支撑区域是否以及有多少容易发生水力断裂。在这里，我们提供了两行证据，表明许多支撑区域是脆弱的。首先，我们训练了一个深度卷积神经网络(DCNN)来绘制所有南极冰架卫星图像中裂缝的表面表达式。其次，我们基于线弹性裂缝力学建立了裂缝稳定性图，以预测在当前应力条件下基底裂缝和干面裂缝的形成位置。尽管在卫星图像中发现裂缝存在局限性，但我们发现理论预测与dcnn绘制的裂缝非常吻合。最后，我们利用线弹性断裂力学理论，预测了如果充满水，表面裂缝会在哪里变得不稳定。如今，许多经常被融水淹没的地区对水力裂缝具有弹性——应力足够低，所有充满水的裂缝都是稳定的。相反，60%±10%的冰架(按面积计算)既支持上游的冰，如果被水淹没，则很容易发生水力断裂。DCNN地图证实了这些支撑区域存在裂缝。 Increased surface melting17gydF4y2Ba如果导致水淹没我们确定的广泛脆弱地区，可能会引发水力压裂。这些地区是大气变暖对冰盖质量平衡影响最大的地区。gydF4y2Ba

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图1:南极冰架区域的概念化，这些区域将控制冰盖对大气变暖的响应。gydF4y2Ba
图2:全大陆断裂图。gydF4y2Ba
图3:裂缝位置的模型-观测对比。gydF4y2Ba
图4:冰架水力裂缝易损性分布图。gydF4y2Ba

数据可用性gydF4y2Ba

训练、验证和测试数据集可在gydF4y2Bahttps://github.com/chingyaolai/Antarctic-fracture-detectiongydF4y2Ba而且gydF4y2Bahttps://doi.org/10.5281/zenodo.3949427gydF4y2Ba．神经网络将裂缝位置映射到MOA 2009年(分辨率125米)图像上(图2)。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)和构建漏洞图所需的数据(图;gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)，可于gydF4y2Bahttps://doi.org/10.15784/601335gydF4y2Ba．MOA(2009)影像(gydF4y2Bahttps://doi.org/10.7265/N5KP8037gydF4y2Ba)可在国家冰雪数据中心(NSIDC)获得。应变率场由数据集SUMER南极冰架支撑，版本1 (gydF4y2Bahttps://doi.org/10.5067/FWHORAYVZCE7gydF4y2Ba)可通过NSIDC查阅。冰架厚度数据来自Bedmap2 (gydF4y2Bahttps://www.bas.ac.uk/project/bedmap-2/gydF4y2Ba)．RACMO2.3p2区域气候模式的地表温度数据可从j.m.v.w. (j.m.vanwessem@uu.nl)获得。gydF4y2Ba

代码的可用性gydF4y2Ba

我们实验的代码可以在gydF4y2Bahttps://github.com/chingyaolai/Antarctic-fracture-detectiongydF4y2Ba（gydF4y2Bahttps://doi.org/10.5281/zenodo.3949427gydF4y2Ba)．U-Net的实现gydF4y2Ba65gydF4y2Ba可于gydF4y2Bahttps://github.com/jakeret/tf_unetgydF4y2Ba．FPN实现可在gydF4y2Bahttps://github.com/qubvel/segmentation_modelsgydF4y2Ba．深度学习框架TensorFlow可以在gydF4y2Bahttps://www.tensorflow.org/gydF4y2Ba．用于计算裂缝稳定性图的脚本(图2)gydF4y2Ba3 cgydF4y2Ba)可向通讯作者索取。gydF4y2Ba

参考文献gydF4y2Ba

  1. 充满水的裂缝能到达冰川的底部表面吗?在gydF4y2Ba冰川水文专题讨论会:剑桥，1969年9月7日至13日gydF4y2Ba．没有出版。95,139 - 145(国际科学水文协会，1973)。gydF4y2Ba

  2. 冰川表面裂缝穿透的断裂力学方法。gydF4y2Ba冷Reg。科学。抛光工艺gydF4y2Ba．gydF4y2Ba27gydF4y2Ba， 31-47(1998)。gydF4y2Ba

    谷歌学者gydF4y2Ba

  3. 本恩，D. I.，沃伦，C. R. &莫特拉姆，R. H.冰川崩解过程和动力学。gydF4y2Ba地球科学。牧师gydF4y2Ba．gydF4y2Ba82gydF4y2Ba， 143-179(2007)。gydF4y2Ba

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  4. Scambos, T.等人。板块弯曲和水力断裂的冰架解体:2008年威尔金斯冰架解体的卫星观测和模式结果。gydF4y2Ba地球的星球。科学。列托语gydF4y2Ba．gydF4y2Ba280gydF4y2Ba， 51-60(2009)。gydF4y2Ba

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  5. Banwell, A. F.， MacAyeal, D. R. & Sergienko, O. V. Larsen B冰架破裂由冰川上湖泊的连锁反应排水引发。gydF4y2Ba地球物理学。卷gydF4y2Ba．gydF4y2Ba40gydF4y2Ba， 5872-5876(2013)。gydF4y2Ba

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  6. Jiménez，陈志伟，陈志伟，陈志伟。基于线性弹性断裂力学的解裂模型应力强度因子评价。gydF4y2Baj . GlaciolgydF4y2Ba．gydF4y2Ba64gydF4y2Ba， 759-770(2018)。gydF4y2Ba

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  7. Alley, K. E, Scambos, T. A, Miller, J. Z. Long, D. G. & MacFerrin, M.利用微波散射特性量化南极冰架对水力破裂的脆弱性。gydF4y2Ba遥感，环境gydF4y2Ba．gydF4y2Ba210gydF4y2Ba， 297-306(2018)。gydF4y2Ba

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  8. 拉克，w & Rott, H.南极半岛拉森B冰架的后退和解体模式。gydF4y2Ba安。GlaciolgydF4y2Ba．gydF4y2Ba39gydF4y2Ba， 505-510(2004)。gydF4y2Ba

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  9. 波拉德，D，德康托，R. M. & Alley, R. B.由水力压裂和冰崖破坏驱动的潜在南极冰盖撤退。gydF4y2Ba地球的星球。科学。列托语gydF4y2Ba．gydF4y2Ba412gydF4y2Ba， 112-121(2015)。gydF4y2Ba

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  10. 德康托，R. M. &波拉德，D.南极洲对过去和未来海平面上升的贡献。gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba531gydF4y2Ba， 591-597(2016)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba中科院gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  11. 冰原接地线动力学:稳态、稳定性和滞后。gydF4y2Baj .地球物理学。地球冲浪gydF4y2Ba．gydF4y2Ba112gydF4y2Ba， f03s28(2007)。gydF4y2Ba

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  12. 冰架支撑与海洋冰原的稳定性。gydF4y2Ba冰冻圈gydF4y2Ba7gydF4y2Ba， 647-655(2013)。gydF4y2Ba

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  13. Fürst, J. J.等。南极冰架的安全带。gydF4y2BaNat,爬。改变gydF4y2Ba6gydF4y2Ba， 479-482(2016)。gydF4y2Ba

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  14. 随着拉森B冰架的崩塌，南极半岛的冰加速排出。gydF4y2Ba地球物理学。卷gydF4y2Ba．gydF4y2Ba31gydF4y2Ba， l18401(2004)。gydF4y2Ba

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  15. 斯坎博斯，t.a.冰川加速和变薄后，冰架在拉森B湾，南极洲。gydF4y2Ba地球物理学。卷gydF4y2Ba．gydF4y2Ba31gydF4y2Ba， l18402(2004)。gydF4y2Ba

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  16. Wuite, J.等。1995 - 2013年Larsen B出口冰川地表速度和冰流量的演变gydF4y2Ba冰冻圈gydF4y2Ba9gydF4y2Ba， 957-969(2015)。gydF4y2Ba

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  17. Trusel, L. D.等。21世纪两种气候情景下南极表面融化的不同轨迹。gydF4y2BaNat。GeoscigydF4y2Ba．gydF4y2Ba8gydF4y2Ba， 927-932(2015)。gydF4y2Ba

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  18. 范德维恩，C. J. &惠兰斯，i.m.力预算:I.理论和数值方法。gydF4y2Baj . GlaciolgydF4y2Ba．gydF4y2Ba35gydF4y2Ba， 53-60(1989)。gydF4y2Ba

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  19. 里斯，R.，古德蒙森，G. H.，莱弗曼，A. &温克尔曼，R.南极洲冰架变薄的深远影响。gydF4y2BaNat,爬。改变gydF4y2Ba8gydF4y2Ba， 53-57(2018)。gydF4y2Ba

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  20. 罗贝尔，A. A. & Banwell, A. F.冰架通过水力断裂崩塌的速度限制。gydF4y2Ba地球物理学。卷gydF4y2Ba．gydF4y2Ba46gydF4y2Ba， 12092-12100(2019)。gydF4y2Ba

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  21. 马卡耶尔，谢尔吉安科，O. V. &班维尔，A. F.粘弹性冰架挠曲模型。gydF4y2Baj . GlaciolgydF4y2Ba．gydF4y2Ba61gydF4y2Ba， 635-645(2015)。gydF4y2Ba

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  22. 班维尔，A. F.，威利斯，i.c .，麦克唐纳，G. J.，古德塞尔，B.和麦卡耶尔，D. R.由地表融水积水和排水引起的冰架弯曲的直接测量。gydF4y2BaNat。CommungydF4y2Ba．gydF4y2Ba10gydF4y2Ba， 730(2019)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba中科院gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba公共医学中心gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  23. 金斯莱克，J.，伊利，J. C.，达斯，I. &贝尔，R. E.融水在南极冰架上和跨越的广泛运动。gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba544gydF4y2Ba， 349-352 (2017);勘误表551,658(2017)。gydF4y2Ba

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  24. 贝尔，R. E.等。南极冰架可能因地表河流的融水输出而稳定。gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba544gydF4y2Ba， 344-348(2017)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba中科院gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  25. 斯托克斯，桑德森，J. E.迈尔斯，B. W. J.，贾米森，S. S. R. &李森，A. A.南极东部冰盖边缘冰川上湖泊的广泛分布。gydF4y2Ba科学。代表gydF4y2Ba．gydF4y2Ba9gydF4y2Ba， 13823 (2019);修正10,1923(2020)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba公共医学中心gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  26. 金斯莱克，J.等。gydF4y2Ba南极地表水文研讨会报告，2018gydF4y2Ba(usap dc, 2018);gydF4y2Bahttps://doi.org/10.15784/601170gydF4y2Ba

  27. 奎帕斯·芒内克，P. K.，利滕伯格，S. R. M.， Van Den Broeke, M. R. & Vaughan, D. G. Firn空气衰竭作为南极冰架崩塌的前兆。gydF4y2Baj . GlaciolgydF4y2Ba．gydF4y2Ba60gydF4y2Ba， 205-214(2014)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  28. Haran, T.， Bohlander, J.， Scambos, T.， Painter, T. & Fahnestock, M.。gydF4y2BaMODIS南极洲马赛克2008-2009 (MOA2009)图像地图gydF4y2Ba(NSIDC, 2014)。gydF4y2Ba

  29. Ronneberger, O.， Fischer, P. & Brox, T. U-Net:用于生物医学图像分割的卷积网络。在gydF4y2Ba医学图像计算与计算机辅助干预- miccai 2015gydF4y2Ba(编者Navab, N.等)234-241(施普林格国际出版，2015)。gydF4y2Ba

  30. McGrath, D.等。南极拉森C冰架上的基础裂缝:对融水蓄水池和水力裂缝的影响。gydF4y2Ba地球物理学。卷gydF4y2Ba．gydF4y2Ba39gydF4y2Ba， l16504(2012)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  31. McGrath, D.等。南极拉森C冰架上的基础裂缝和相关的表面裂缝及其在冰架不稳定中的作用。gydF4y2Ba安。GlaciolgydF4y2Ba．gydF4y2Ba53gydF4y2Ba， 10-18(2012)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  32. 卢克曼，A.等人。拉森C冰架的基底裂缝及其对其全球丰度的影响。gydF4y2Ba冰冻圈gydF4y2Ba6gydF4y2Ba， 113-123(2012)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  33. 冰川和冰原中应力和速度的分布。gydF4y2BaProc. R. Soc。Lond。一个gydF4y2Ba239gydF4y2Ba， 113-133(1957)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba数学gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  34. 冰川底部裂缝穿透的断裂力学方法。gydF4y2Ba冷Reg。科学。抛光工艺gydF4y2Ba．gydF4y2Ba27gydF4y2Ba， 213-223(1998)。gydF4y2Ba

    谷歌学者gydF4y2Ba

  35. Duddu, R.， Jiménez, S. & Bassis, J.地面冰川裂缝水力压裂的非局部连续孔隙损伤力学模型。gydF4y2Baj . GlaciolgydF4y2Ba．gydF4y2Ba66gydF4y2Ba， 415-429(2020)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  36. Litwin, K. L.， Zygielbaum, B. R.， Polito, P. J.， Sklar, L. S. & Collins, G. C.温度、成分和晶粒尺寸对水冰拉伸破坏的影响:对泰坦侵蚀的影响。gydF4y2Baj .地球物理学。研究行星gydF4y2Ba117gydF4y2Ba， e08013(2012)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  37. 弗雷特韦尔，P.等。床图2:改进的南极洲冰床、表面和厚度数据集。gydF4y2Ba冰冻圈gydF4y2Ba7gydF4y2Ba， 375-393(2013)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  38. van Wessem, J. M.等人。利用RACMO2-Part 2:南极洲(1979-2016)对极地冰盖的气候和表面质量平衡进行建模。gydF4y2Ba冰冻圈gydF4y2Ba12gydF4y2Ba， 1479-1498(2018)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  39. 波因纳，K.等人。格陵兰岛东南部的冷杉含水层水通过裂缝向河床排水。gydF4y2Ba前面。地球科学gydF4y2Ba．gydF4y2Ba5gydF4y2Ba， 5(2017)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  40. Lenaerts, J. T. M.等。由风-反照率相互作用产生的融水储存在南极东部冰架。gydF4y2BaNat,爬。改变gydF4y2Ba7gydF4y2Ba， 58-62(2017)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  41. 贝尔，R. E.，班维尔，A. F.，特鲁塞尔，L. D. &金斯莱克，J.南极表面水文和对冰盖质量平衡的影响。gydF4y2BaNat,爬。改变gydF4y2Ba8gydF4y2Ba， 1044-1052(2018)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  42. Scambos, T. A.， Haran, T. M.， Fahnestock, M. A.， Painter, T. H. & Bohlander, J.基于modis的南极洲马赛克(MOA)数据集:大陆范围的表面形态和雪粒大小。gydF4y2Ba遥感，环境gydF4y2Ba．gydF4y2Ba111gydF4y2Ba， 242-257(2007)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  43. 林,T.-Y。et al。特征金字塔网络用于目标检测。在gydF4y2Ba2017 IEEE会议，计算机视觉与模式识别gydF4y2Ba(ieee, 2017)。gydF4y2Ba

  44. 边缘检测的计算方法。gydF4y2BaIEEE反式。模式肛门。马赫。智能。gydF4y2Ba8gydF4y2Ba， 679-698(1986)。gydF4y2Ba

    中科院gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  45. 陈,L.-C。，Zhu, Y., Papandreou, G., Schroff, F. & Adam, H. Encoder-decoder with atrous separable convolution for semantic image segmentation. In计算机视觉- eccv 2018gydF4y2Ba(编辑法拉利，V.等人)833-851(施普林格，2018)。gydF4y2Ba

  46. Badrinarayanan, V.， Kendall, a . & Cipolla, R. SegNet:一种用于图像分割的深度卷积编码器-解码器架构。gydF4y2BaIEEE反式。模式肛门。马赫。智能gydF4y2Ba．gydF4y2Ba39gydF4y2Ba， 2481-2495(2017)。gydF4y2Ba

    PubMedgydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  47. 赵浩，史俊，齐晓霞，王晓霞，贾杰。金字塔场景解析网络。在gydF4y2Ba2017 IEEE会议，计算机视觉与模式识别gydF4y2Ba6230-6239 (ieee 2017)。gydF4y2Ba

  48. 林,T.-Y。et al。Microsoft COCO:上下文中的常见对象。在gydF4y2Ba计算机视觉- eccv 2014gydF4y2Ba(编舰队，D.等)740-755(施普林格国际出版社，2014)。gydF4y2Ba

  49. 法涅斯托克，等人。利用陆地卫星8号快速绘制大面积冰流图。gydF4y2Ba遥感，环境gydF4y2Ba．gydF4y2Ba185gydF4y2Ba， 84-94(2016)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  50. Rignot, E.， Echelmeyer, K. & Krabill, W.干涉合成孔径雷达信号在冰雪中的穿透深度。gydF4y2Ba地球物理学。卷gydF4y2Ba．gydF4y2Ba28gydF4y2Ba， 3501-3504(2001)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  51. Gray, L.， Conway, H.， King, E. & Smith, B.流动条纹，GPR地层和RADARSAT图像。gydF4y2Baj . GlaciolgydF4y2Ba．gydF4y2Ba54gydF4y2Ba， 936-938(2008)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  52. 欧文，G. R.应力和应变的分析接近裂纹的结束穿越板。gydF4y2Baj:。机械工程gydF4y2Ba．gydF4y2Ba24gydF4y2Ba， 361-364(1957)。gydF4y2Ba

    谷歌学者gydF4y2Ba

  53. 塔达，帕里斯，P. C. &欧文，G. R。gydF4y2Ba裂纹应力分析手册gydF4y2Ba第三版(专业工程出版，2000)。gydF4y2Ba

  54. 加利尔迪尼，O. &梅索尼耶，J.流动模拟冷杉覆盖的冷冰川。gydF4y2Ba安。GlaciolgydF4y2Ba．gydF4y2Ba24gydF4y2Ba， 242-248(1997)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  55. 范德维恩，c.j.。gydF4y2Ba冰川动力学基础gydF4y2Ba(CRC, 2013)。gydF4y2Ba

  56. 固体破裂和流动现象。gydF4y2Ba菲尔。反式。r . Soc。一个gydF4y2Ba221gydF4y2Ba， 163-198(1921)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  57. 冰川中多晶冰的流动规律:理论预测、实验室数据和现场测量的比较。gydF4y2Ba启“gydF4y2Ba．gydF4y2Ba19gydF4y2Ba， 664-672(1981)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  58. basis, J. N. & Ma。基底裂缝的演化与冰架稳定性与海洋强迫的联系。gydF4y2Ba地球的星球。科学。列托语gydF4y2Ba．gydF4y2Ba409gydF4y2Ba， 203-211(2015)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba中科院gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  59. 杜兰德，F.吉列-肖莱特，O.加利亚尔迪尼，J. Fürst。SUMER南极冰架支撑，版本1。(国家冰雪数据中心,2016);gydF4y2Bahttps://doi.org/10.5067/FWHORAYVZCE7gydF4y2Ba

  60. 里格诺，E.莫吉诺，J. & Scheuchl, B.南极冰盖的冰流。gydF4y2Ba科学gydF4y2Ba333gydF4y2Ba， 1427-1430(2011)。gydF4y2Ba

    广告gydF4y2Ba中科院gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  61. 穿,M。gydF4y2Ba冰架的流动动力学与支撑gydF4y2Ba博士论文。剑桥大学(2017)。gydF4y2Ba

  62. Rezvanbehbahani, S, Veen, C. J. & Stearns, L. A.冰盖温度剖面的改进解析解。gydF4y2Baj .地球物理学。地球冲浪gydF4y2Ba．gydF4y2Ba124gydF4y2Ba， 271-286(2019)。gydF4y2Ba

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  63. 李格诺，E.莫吉诺，J. &舒切尔，B.。gydF4y2Ba测量基于insar的南极冰速图，版本2gydF4y2Ba(国家冰雪数据中心,2017);gydF4y2Bahttps://doi.org/10.5067/D7GK8F5J8M8RgydF4y2Ba

  64. Borstad, C.等人。基于拉森B冰架残余物逐渐退化的观测，预测冰架弱化和支撑减少的本构框架。gydF4y2Ba地球物理学。卷gydF4y2Ba．gydF4y2Ba43gydF4y2Ba， 2027-2035(2016)。gydF4y2Ba

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  65. Akeret, J. Chang, C.， Lucchi, A. & Refregier, A.使用深度卷积神经网络缓解射频干扰。gydF4y2Ba阿斯特朗。第一版gydF4y2Ba．gydF4y2Ba18gydF4y2Ba， 35-39(2017)。gydF4y2Ba

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下载参考gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

我们感谢R. Bell, T. Scambos, R. Duddu, O. Sergienko和B. Minchew的讨论。我们感谢国家科学基金会的资助。opp - 1743310。C.-Y.L.感谢拉蒙特-多尔蒂地球天文台通过拉蒙特博士后奖学金资助。J.M.v.W.感谢荷兰研究委员会(NWO)通过Veni资助no。VI.Veni.192.083。声明:对于p.h.c.c.来说，这项工作是在个人时间完成的。本文仅代表作者个人观点，并不代表谷歌LLC的官方政策或立场。gydF4y2Ba

作者信息gydF4y2Ba

作者及隶属关系gydF4y2Ba

  1. 拉蒙特-多尔蒂地球观测站，哥伦比亚大学，帕利塞德，纽约，美国gydF4y2Ba

    赖清尧，乔纳森·金斯莱克，朱利安·j·斯珀格尔gydF4y2Ba

  2. 哥伦比亚大学地球与环境科学系，美国纽约gydF4y2Ba

    乔纳森·金斯莱克和朱利安·j·斯珀格尔gydF4y2Ba

  3. 爱丁堡大学地球科学学院，英国爱丁堡gydF4y2Ba

    马丁·g·沃林gydF4y2Ba

  4. 谷歌，美国加州山景城gydF4y2Ba

    陈宝轩gydF4y2Ba

  5. 哥伦比亚大学地球与环境工程系，美国纽约gydF4y2Ba

    皮埃尔GentinegydF4y2Ba

  6. 哥伦比亚大学计算机科学系，美国纽约gydF4y2Ba

    哈罗德•李gydF4y2Ba

  7. 荷兰乌得勒支大学乌得勒支海洋和大气研究所gydF4y2Ba

    梅尔基奥·范·韦森gydF4y2Ba

作者gydF4y2Ba
  1. Ching-Yao赖gydF4y2Ba
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  2. 乔纳森KingslakegydF4y2Ba
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  3. 马丁·g·沃林gydF4y2Ba
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  4. 陈宝轩gydF4y2Ba
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  5. 皮埃尔GentinegydF4y2Ba
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  6. 哈罗德•李gydF4y2Ba
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  7. Julian J. SpergelgydF4y2Ba
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  8. 梅尔基奥·范·韦森gydF4y2Ba
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贡献gydF4y2Ba

C.-Y.L.领导了这个项目和手稿的准备工作。c - y.l和J.K.设计了这项研究。M.G.W.帮助开展了研究，提供了应变率数据和与支撑有关的想法。C.-Y.L.开发了裂缝模型和稳定性图。p.h.c.c.为机器学习模型的选择和评估提供了指导。c.y l负责机器学习实验，p.h.c.c、P.G.和H.L.负责神经网络的辅助。j。j。s。准备了地球卫星图像。J.M.v.W.提供RACMO2.3p2气候模型输出。c.y.l.在j.k.、m.g.w.和p.h.c.c.的帮助下撰写了手稿，并听取了所有作者的意见。所有作者都参与了本研究的讨论。gydF4y2Ba

相应的作者gydF4y2Ba

对应到gydF4y2BaChing-Yao赖gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

道德声明gydF4y2Ba

相互竞争的利益gydF4y2Ba

惠普是谷歌的员工，拥有Alphabet的股票。其他作者宣称没有竞争利益。gydF4y2Ba

额外的信息gydF4y2Ba

同行评审信息gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba感谢Jeremy Bassis, Javier Plaza, Stephen Price, Xiaoxiang Zhu和其他匿名审稿人对本工作的同行评审所做的贡献。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。gydF4y2Ba

扩展的数据图形和表格gydF4y2Ba

扩展数据图1数据准备和神经网络架构。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba训练和验证数据取自125 m分辨率MODIS图像的8000像素× 8000像素子集(包括拉森和乔治六世冰架)，该图像生成了32个包含冰架的1000像素× 1000像素图像瓦。这些瓷砖被随机分为训练(26个瓷砖)和验证(6个瓷砖)组。gydF4y2BabgydF4y2Ba，训练贴图的例子。gydF4y2BacgydF4y2Ba，对应的带有白色像素的标签表示骨折。gydF4y2BadgydF4y2BaU-Net架构。收缩和扩张的路径构成了U-NetgydF4y2Ba29gydF4y2Bau型结构。箭头表示网络中的操作，并在每个阶段记录数据维度。输入图像(左)为1000像素× 1000像素，一个通道，U-Net的输出预测(右)包含两类(骨折和非骨折)。gydF4y2Ba

扩展数据图2 DCNN的性能和裂缝分类。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba， (i)，参数数量下验证数据的AUC比较(gydF4y2BaNgydF4y2Ba)作为边缘检测器gydF4y2Ba44gydF4y2Ba，不同滤波器尺寸(1 × 1,28 × 28,56 × 56;用gydF4y2BakgydF4y2Ba)， U-Net具有不同深度的第一层特征图(1、2、4、16、32、64;用gydF4y2BadgydF4y2Ba)和FPNgydF4y2Ba43gydF4y2Ba使用ResNet-18骨干。(ii)、仲裁委员会和gydF4y2BaNgydF4y2Ba表中总结了根据验证数据评估的每个模型的值。gydF4y2BabgydF4y2Ba， U-Net的性能(与gydF4y2BadgydF4y2Ba= 32)对一个未见过的测试集的评估由ROC曲线表示。gydF4y2BacgydF4y2Ba，gydF4y2BadgydF4y2Ba，验证标签图像示例(gydF4y2BacgydF4y2Ba)及原始MOA影像(gydF4y2BadgydF4y2Ba)．gydF4y2BaegydF4y2Ba，模型的输出，0到1之间的连续值。gydF4y2BafgydF4y2Ba，采用阈值(0.2)对骨折进行二值化分类，最大化验证集上的F1评分。预测值超过阈值的裂缝特征用白色标记。gydF4y2BaggydF4y2Ba，在我们将DCNN结果与扩展数据图中的其他数据合并之前，断裂图的分辨率降低到应变率数据的分辨率1 km。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

图3作用在表面裂缝上的应力和裂缝稳定性。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba，gydF4y2BabgydF4y2Ba、水的拉阻应力、水的静水应力和冰的覆层应力对干燥条件下地表裂缝张开或闭合的影响gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)和充水裂缝(gydF4y2BabgydF4y2Ba)．gydF4y2BacgydF4y2Ba，应力强度因子(gydF4y2BaKgydF4y2Ba我gydF4y2Ba)作为裂缝深度的函数(gydF4y2BadgydF4y2Ba年代gydF4y2Ba补充方程(gydF4y2Ba5)gydF4y2Ba)以gydF4y2BaRgydF4y2BaxxgydF4y2Ba= [0.5, 1] MPa，gydF4y2BaHgydF4y2Ba= 300 m，地表冷杉密度gydF4y2BaρgydF4y2Ba年代gydF4y2Ba= 400 kg mgydF4y2Ba−3gydF4y2Ba而且gydF4y2BaCgydF4y2Ba= 0.02米gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba(见补充方程(gydF4y2Ba6)gydF4y2Ba；ref。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)．(在这项工作中导出的解决方案显示了一个实心曲线和范德维恩(参考。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)用虚线表示。)gydF4y2BadgydF4y2Ba，gydF4y2BaegydF4y2Ba，冷杉层的额外影响是由于密度降低(gydF4y2BadgydF4y2Ba)和降低粘度(gydF4y2BaegydF4y2Ba)．与冰相比，由于冷岩密度较低，覆盖层应力降低，从而加深了地表裂缝(图中绿色曲线上的黑点)gydF4y2BacgydF4y2Ba)．相反，由于冷冻层粘度的降低，拉阻应力的降低降低了表面裂缝深度。的净效应，如红色曲线所示gydF4y2BacgydF4y2Ba，与冰的拉阻应力和覆岩应力的影响相比是次要的。因此，我们在主要分析中没有包括firn的影响。gydF4y2Ba

图4表面和基底裂缝的物理情况。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba，gydF4y2BabgydF4y2Ba，表面的原理图(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)和基底裂缝(gydF4y2BabgydF4y2Ba)，具有深度变化的电阻应力gydF4y2BaRgydF4y2BaxxgydF4y2Ba（gydF4y2BazgydF4y2Ba)，因为垂直温度梯度(假设为线性)。gydF4y2BacgydF4y2Ba，考虑温度效应和不考虑温度效应的表面裂缝和基底裂缝断裂稳定性图(假设冰架表面和基底分别为- 30°C和0°C)。虚线和实线分别表示稳定-不稳定裂缝区域和无裂缝-稳定裂缝区域的过渡边界。底部温暖的冰降低了冰的粘度(从而降低了应力)，这影响了底部裂缝稳定边界的位置。gydF4y2BadgydF4y2Ba，地表裂缝过渡边界定义的5个物理区(I-V)(黑色曲线)gydF4y2BacgydF4y2Ba)和基底裂缝随温度的影响(浅蓝色曲线在gydF4y2BacgydF4y2Ba)．gydF4y2Ba超高频gydF4y2Ba冰架上I-V区对应的位置由不同的应力估计决定。百分比值表示冰架面积中包含每种状态的物理状况的部分。绿色、粉色、蓝色、红色、黄色和白色区域分别对应I、II、III、IV、V区和u - net检测到的骨折位置。gydF4y2BaegydF4y2Ba，gydF4y2BafgydF4y2Ba，应力场由温度依赖性粘度因子决定gydF4y2BaBgydF4y2Ba（gydF4y2BaTgydF4y2Ba)(参考(6)式。gydF4y2Ba57gydF4y2Ba)与Fürst等获得的沿流应变率相结合。gydF4y2Ba13gydF4y2Ba（gydF4y2BaegydF4y2Ba)及穿着gydF4y2Ba61gydF4y2Ba（gydF4y2BafgydF4y2Ba)．gydF4y2BaggydF4y2Ba，gydF4y2BahgydF4y2Ba，沿流应力场(gydF4y2BaggydF4y2Ba)和第一主体(gydF4y2BahgydF4y2Ba)由ref计算的应力方向。gydF4y2Ba13gydF4y2Ba通过数据同化和模型反演过程，包括损伤诱导冰软化的影响。第二行gydF4y2Ba超高频gydF4y2Ba是第一行白框的特写视图。请注意，区域I-V的空间面积仅基于无因次应力和韧性计算，与U-Net结果无关。空间分辨率为1 km，与ref中使用的应力场分辨率相同。gydF4y2Ba13gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

图5 LEFM干裂缝与充水裂缝对比gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba，应力强度因子(gydF4y2Ba5)gydF4y2Ba为水力裂缝(蓝色曲线)和干性裂缝(黑色曲线)，分别计算了裂缝深度的函数关系gydF4y2BaHgydF4y2Ba= 1000米。每条曲线旁边的数字是对应的gydF4y2BaRgydF4y2BaxxgydF4y2Ba．高于临界应力gydF4y2Ba\({R}_{xx}^{*}\，\约\，60\，{\rm{kPa}}\)gydF4y2Ba(计算公式为gydF4y2Ba2gydF4y2Ba),gydF4y2BaKgydF4y2Ba集成电路gydF4y2Ba≈150kpa mgydF4y2Ba1／2gydF4y2Ba)干面裂缝深度稳定(黑点)。当已存在的裂缝中充满水达到白点所示的深度时，水力裂缝就会变得不稳定。最初的缺陷小于充水gydF4y2BadgydF4y2Ba我gydF4y2Ba将继续关闭。当应力具有足够的压缩性时，充水裂缝将不会增长(例如，蓝色曲线中任何低于红线的表面裂缝深度的斜率都为负)。gydF4y2BabgydF4y2Ba，比较gydF4y2BadgydF4y2Ba年代gydF4y2Ba根据之前的理论。我们的数值解接近大冰厚度下的Weertman解。gydF4y2BacgydF4y2Ba，gydF4y2BadgydF4y2Ba，要求gydF4y2BadgydF4y2Ba我gydF4y2Ba使水力裂缝失稳作为应力的函数用蓝色曲线表示。初始化稳定干表面裂缝所需的预先存在的缺陷深度被绘制为红色曲线gydF4y2BacgydF4y2Ba，在临界应力下最大达到~3.8 mgydF4y2BaR \ ({} _ {xx} ^ {*} \)gydF4y2Ba(虚线)。注意在gydF4y2BaR \ ({} _ {xx} ^ {*} \)gydF4y2Ba所需的初始缺陷深度与断裂深度相同，即:gydF4y2Ba(\ d {} _ {{\ rm{我}}}= {d} _ {{\ rm{年代}}}= {d} _{年代}^{*}\ \大约3.8,rm {m}} {\ \)gydF4y2Ba(半白半黑的点在gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

扩展数据图6用于预测水力裂缝脆弱性的全南极数据。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BadgydF4y2Ba，用应变率(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)、冰架厚度(gydF4y2BabgydF4y2Ba)、表面温度(gydF4y2BacgydF4y2Ba)和粘度系数gydF4y2BaBgydF4y2Ba（gydF4y2BadgydF4y2Ba，由表面温度计算)，并绘制在裂缝稳定性图上(图1)。gydF4y2Ba3 cgydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

扩展数据图7表面裂缝稳定性图。gydF4y2Ba

这两个参数决定了裂缝的稳定性，gydF4y2Ba\({\波浪号{K}} _ {{\ rm {Ic}}} \)gydF4y2Ba而且gydF4y2BaR \({\波浪号{}}_ {xx} \)gydF4y2Ba，在所有以红色标记的冰架(gydF4y2BangydF4y2Ba= 1,258,908点)，DCNN检测到的所有骨折特征标记为黄色点(gydF4y2BangydF4y2Ba= 31962)。黄色点的频率分布如图所示。gydF4y2Ba3 cgydF4y2Ba．gydF4y2Ba

扩展数据图8可选应力计算。gydF4y2Ba

表面断裂稳定性图(上)和脆弱性图(下)对应力和应变率数据选择的敏感性。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BacgydF4y2Ba，利用ref计算的应变率计算结果。gydF4y2Ba61gydF4y2Ba（gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)和ref。gydF4y2Ba13gydF4y2Ba沿流应力(gydF4y2BabgydF4y2Ba)和第一主应力(gydF4y2BacgydF4y2Ba)，其中包括损伤引起的冰软化。底部一行的颜色比例与图中相同。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba．底部一行中的百分比值表示第二行中红色区域的总冰架面积的百分比(即既有支撑又易受水力裂缝影响)。我们的主要结论是，冰架应力与断裂标准非常一致，大的支撑区域容易发生水力断裂，不受这些替代应力场的影响。gydF4y2Ba

图9断裂和应力历史的平流。gydF4y2Ba

我们沿着流线(假设稳态)向上跟踪电阻应力，并确定了最大无因次应力gydF4y2BaR \({\波浪号{}}_ {xx {\ rm{\马克斯}}}\)gydF4y2Ba每个裂缝特征都在过去经历过。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，无量纲参数gydF4y2BaR \({\波浪号{}}_ {xx} \)gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba\({\波浪号{K}} _ {{\ rm {Ic}}} \)gydF4y2Ba如图所示，在裂缝特征位置直接进行评估。gydF4y2Ba3 cgydF4y2Ba)作比较。gydF4y2BabgydF4y2Ba对于DCNN识别为骨折的每个位置，我们都进行了评估gydF4y2BaR \({\波浪号{}}_ {xx {\ rm{\马克斯}}}\)gydF4y2Ba和相应的gydF4y2Ba\({\波浪号{K}} _ {{\ rm {Ic}}} \)gydF4y2Ba在那个地方gydF4y2BaR \({\波浪号{}}_ {xx {\ rm{\马克斯}}}\)gydF4y2Ba发生。gydF4y2BaR \({\波浪号{}}_ {xx {\ rm{\马克斯}}}\)gydF4y2Ba对于大多数裂缝特征的计算超过了表面裂缝形成的阈值(红线;方程(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba）).gydF4y2Ba

扩展数据图10南极东部湖泊位置与脆弱性图的比较。gydF4y2Ba

斯托克斯等人。gydF4y2Ba25gydF4y2Ba绘制了一个融化季节(2017年)东南极洲大部分地区的湖泊地图，使我们能够将这些位置与脆弱性地图进行比较(图2)。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BaegydF4y2Ba， Stokes等人绘制的湖泊以浅蓝色标记，扩展视图如图所示gydF4y2BabgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BaegydF4y2Ba．我们发现，在南极洲东部，只有一小部分冰架地区积累了融水，提供了支撑，并且容易发生水力断裂。湖覆盖区域(图上圆)之间重叠的上估计。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)和应力状态相关脆弱区(图中左下圆)。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)仅占南极东部冰架面积的0.63%。gydF4y2Ba

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本文件包含关于冰架断裂理论的补充资料1-7。gydF4y2Ba

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赖志勇，金斯莱克，J.，韦林，M.G.gydF4y2Baet al。gydF4y2Ba南极冰架对融水驱动断裂的脆弱性。gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba584gydF4y2Ba， 574-578(2020)。https://doi.org/10.1038/s41586-020-2627-8gydF4y2Ba

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