極地冰蓋物質(zhì)平衡的最新進(jìn)展與未來挑戰(zhàn)

王慧 孫波 李斐 唐學(xué)遠(yuǎn) 崔祥斌 王甜甜

(1武漢大學(xué)中國南極測繪研究中心，湖北武漢430079;2中國極地研究中心，上海200136)

0 引言

冰蓋物質(zhì)平衡是指極地冰蓋上的物質(zhì)收入和物質(zhì)支出之差，其中物質(zhì)收入主要來自降雪的積累，物質(zhì)損失主要來自融水徑流、冰架底部融化和冰山崩解。表面物質(zhì)平衡(Surface Mass Balance，SMB)是冰蓋表面的物質(zhì)收入和支出的凈平衡，不包括冰蓋邊緣地區(qū)的排出量:對于南極冰蓋，其表面物質(zhì)損失量很少，因此常用雪積累率來表示SMB;對于北極冰蓋，表面融化和徑流增加造成的物質(zhì)損失對SMB的影響較為顯著。南極冰蓋和格陵蘭冰蓋分別包含著可使全球海平面上升(Sea Level Rise，SLR)61.1和7.2 m的冰量［1］，冰蓋物質(zhì)平衡的微小變化都會對全球海平面、水循環(huán)、大氣熱動力循環(huán)等造成巨大的影響，全球海平面上升又將導(dǎo)致一系列的社會和環(huán)境問題。因此，了解極地冰蓋物質(zhì)平衡狀況是人類社會減緩與適應(yīng)海平面上升影響的必然選擇，對人類社會應(yīng)對全球變化具有重要意義。

自AR4以來，使用測高法(雷達(dá)測高和激光測高)、干涉測量和重力測量等衛(wèi)星大地測量技術(shù)確定冰蓋物質(zhì)平衡的研究取得了顯著進(jìn)展。其中，Shepherd等［2］匯總了在常用的區(qū)域(東南極冰蓋、西南極冰蓋、南極半島、格陵蘭冰蓋以及極地冰蓋整體)和時(shí)間段內(nèi)的冰蓋物質(zhì)平衡結(jié)果，并基于IMBIE(Ice sheetMass Balance Inter-comparison Exercise)計(jì)劃，綜合上述結(jié)果得到了更精確的估值。此外，Whitehouse等［3］用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)數(shù)據(jù)對不同的冰川均衡調(diào)整(Glacier Isostatic Adjustment，GIA)模型進(jìn)行測試評估，得到了適用于南極冰蓋的最佳GIA模型。用該GIA模型修正了重力測量方法和衛(wèi)星測高方法得到的南極物質(zhì)損失估值，顯著減小了南極冰蓋物質(zhì)平衡評估的不確定程度。

冰蓋數(shù)值模擬是了解和預(yù)測當(dāng)前及未來極地冰蓋變化的重要工具，這方面的研究也取得了較大進(jìn)展。冰蓋模式不再拘泥于過度簡化的物理假設(shè)，能夠重建當(dāng)前冰蓋上的冰流速度，并更好地表達(dá)冰蓋與其基巖、大氣和海洋之間的相互作用。為了更準(zhǔn)確地預(yù)測冰蓋未來的變化及其對SLR的貢獻(xiàn)，需要解決冰蓋非線性物理過程在耦合氣候模式中的制約問題，從而實(shí)現(xiàn)氣候模式與冰蓋模式的有機(jī)耦合。

1 冰蓋物質(zhì)平衡變化的研究進(jìn)展

1.1 物質(zhì)平衡的估算方法

準(zhǔn)確地量化極地冰蓋對氣候變化的響應(yīng)，以及由此造成的對SLR的影響，是冰蓋物質(zhì)平衡研究的主要目標(biāo)?？傮w來說，當(dāng)前冰蓋物質(zhì)平衡主要是由以下三類方法得到的。

(1)空間重力測量法(GRACE)

空間重力測量是基于重力恢復(fù)與氣候試驗(yàn)(Gravity Recovery and Climate Experiment，GRACE)得到的時(shí)變重力場數(shù)據(jù)，估算冰蓋質(zhì)量的變化。該方法的優(yōu)勢在于，不需要內(nèi)插即可得到區(qū)域性平均值，可直接測量質(zhì)量波動所造成的影響，可以進(jìn)行月度時(shí)間采樣。其缺點(diǎn)在于，想要有效地從冰蓋的短期變化中區(qū)分出冰蓋變化的長期趨勢，需要很長的時(shí)間記錄:若想以10 Gt·a-2以內(nèi)的精度估算冰蓋物質(zhì)平衡的加速度，需要南極10年以上和格陵蘭20 年的數(shù)據(jù)［4］。

(2)物質(zhì)收支法

物質(zhì)收支方法(Mass Budget，MB)方法是確定物質(zhì)收入和支出之間的差值。該方法的優(yōu)勢在于，不僅可以分別確定冰蓋整體物質(zhì)平衡的兩個(gè)分量:表面物質(zhì)平衡(SMB)和冰蓋動力學(xué)過程引起的冰蓋排出量D(Discharge)［5］，而且可以在各個(gè)冰川流域尺度上分別確定這兩者［6］。在之前的研究中，通常是用地面實(shí)測結(jié)果內(nèi)插得到SMB，由于實(shí)測方法(花桿法、雪層剖面法、冰雷達(dá)法等)受到測量范圍的制約，因此，得到的SMB精度較低;近來的研究中，將區(qū)域性的氣候模式用于SMB的評估，能達(dá)到較高的時(shí)間和空間分辨率［7-8］。D的確定需要接地線區(qū)域的冰流速度和冰厚數(shù)據(jù)，合成孔徑雷達(dá)(InSAR)可提供高精度的冰流速度數(shù)據(jù)(相對誤差小于3%)［9-10］，機(jī)載雷達(dá)得到的冰厚數(shù)據(jù)精度可達(dá)10 m［11］。

(3)體積測量法

該方法是通過雷達(dá)測高(Radar Altimetry，RA)或激光測高(Laser Altimetry，LA)數(shù)據(jù)確定冰蓋體積的變化，然后將體積變化值轉(zhuǎn)換為質(zhì)量變化，從而得到冰蓋物質(zhì)平衡。衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)在經(jīng)過衛(wèi)星姿態(tài)、大氣衰減等改正之后，得到的高程變化值已能達(dá)到較高精度。因此，該方法最大的誤差源來自于將體積變化轉(zhuǎn)換為質(zhì)量變化的過程［2］。對于激光測高數(shù)據(jù)，這一轉(zhuǎn)化過程可用粒雪層厚度的波動模型實(shí)現(xiàn)［12-13］;對于雷達(dá)測高數(shù)據(jù)，這一轉(zhuǎn)化過程可通過指定的密度模型并考慮降雪隨時(shí)間的變化來實(shí)現(xiàn)［14］。

在用GRACE、雷達(dá)測高和激光測高方法評估冰蓋物質(zhì)平衡時(shí)，需要精確地消除與GIA有關(guān)的垂直基巖運(yùn)動的影響。GIA是固體地球響應(yīng)于末次冰期時(shí)冰與海洋的質(zhì)量重新分布而激發(fā)的動力學(xué)過程。其產(chǎn)生的地表區(qū)域性垂直回彈會被GRACE衛(wèi)星誤讀為冰質(zhì)量變化的信號，被雷達(dá)和激光測高計(jì)誤讀為冰厚變化的信號，因此需要進(jìn)行GIA改正，GIA對冰蓋物質(zhì)平衡評估的影響存在以下差異性。

(i)方法差異性:對于測高數(shù)據(jù)來說，GIA改正占測高儀測得的總高程變化的5%;而對于GRACE數(shù)據(jù)來說，由于冰和固體地球之間的密度反差，GIA改正與冰質(zhì)量變化引起的信號數(shù)量級相同。此外，對于不同的GRACE數(shù)據(jù)分析方法，GIA的影響也是不同的［15］。

(ii)區(qū)域差異性:對于南極冰蓋，GIA對其整體物質(zhì)平衡的影響可達(dá) 130 Gt·a-1［16-17］，即 GIA的準(zhǔn)確程度控制著用GRACE數(shù)據(jù)估算南極冰蓋物質(zhì)平衡的精度;對于格陵蘭冰蓋，GIA改正只占格陵蘭冰蓋物質(zhì)平衡總量的很小一部分［18］。此外，GIA對當(dāng)前海平面變化的影響也是不均勻的，隨著地域而變化。

(iii)模型差異性:不同模型之間的微小差異可以改變由GRACE推算的南極冰蓋各流域物質(zhì)平衡的符號［19］。 基于 Whitehouse等［20］重建的南極冰蓋模擬的冰消期歷史數(shù)據(jù)，并用更多的地殼隆升速率和相對海平面觀測值與之耦合［21］，提出了南極地區(qū)的GIA模型，得到的改正值比之前的降低了50%以上。相比較其他已有的GIA模型，該模型更適用于改正南極冰蓋的GRACE數(shù)據(jù)，為估算當(dāng)前的冰質(zhì)量變化提供了更多更精確的約束條件［3］。

Shepherd等［2］綜合了不同研究小組利用上述方法得到的結(jié)果，對這些結(jié)果進(jìn)行平均得到新的估值(下面簡稱IMBIE估值)。IMBIE估值與單一方法得到的結(jié)果相比，精度明顯提高，這是冰蓋物質(zhì)平衡評估方法的重要進(jìn)展。

1.2 物質(zhì)平衡的估算結(jié)果

過去20年來，格陵蘭冰蓋和南極冰蓋均處于物質(zhì)損失狀態(tài):格陵蘭冰蓋物質(zhì)損失的平均速率可能已從1992-2001年間的34(-6-74)Gt·a-1大幅度增至 2002-2011年間的 215(157-274)Gt·a-1;南極冰蓋物質(zhì)損失的平均速率可能從1992-2001年間的 30(-37-97)Gt·a-1增至 2002-2011 年的 147(72-221)Gt·a-1［22］。 而且這一物質(zhì)損失過程是加速的:格陵蘭冰蓋的加速度為21.9 ±1 Gt·a-2，南極冰蓋的加速度 14.5 ±2 Gt·a-2［5］。造成這一加速的原因到底是冰蓋系統(tǒng)固有的變異性，還是反映了長期變化，這一點(diǎn)還未有定論［4］。下面分別介紹不同方法得到的結(jié)果并進(jìn)行總結(jié)對比。

(1)GRACE

由于GIA模型的改進(jìn)，南極的GIA改正值與之前相比降低了50%以上，從而使得用GRACE方法得到的物質(zhì)平衡估值在用該GIA模型改正后顯著減?。?5，19，23-24］。 其中，King等［19］將該 GIA模型應(yīng)用于2002年8月-2012年2月的南極GRACE數(shù)據(jù)，得到大陸尺度上冰量變化為-69±18 Gt·a-1，該值是之前已發(fā)布結(jié)果的1/3-1/2;Sasgen等［23］根據(jù)2003年1月到2012年9月的GRACE數(shù)據(jù)，得到物質(zhì)平衡值為-114±23 Gt·a-1(圖1)。兩者均通過確定流域尺度上的物質(zhì)平衡，發(fā)現(xiàn)南極冰蓋的物質(zhì)損失及其加速過程，都集中發(fā)生在沿阿蒙森海岸線，而東南極呈現(xiàn)正平衡狀態(tài)。

(2)物質(zhì)收支法

通過物質(zhì)收支法可以分別確定物質(zhì)平衡的兩個(gè)分量:SMB和D，從而確定在物質(zhì)平衡中占主導(dǎo)地位的因素。Enderlin等［6］的研究結(jié)果表明:D對于格陵蘭冰蓋物質(zhì)平衡影響的相對重要性顯著降低，從2005年之前的58%降為2005-2009年的36%，到2009-2012年又降低到32%。2009年以來的物質(zhì)損失率的增加，84%都?xì)w因于表面融化和徑流的增加［6］。近來一些冰蓋模式的預(yù)測結(jié)果也支持了這一觀點(diǎn)，即在年代際以及更大的時(shí)間尺度上，SMB是格陵蘭冰蓋物質(zhì)損失的首要驅(qū)動因素，而非D［4，25-26］。

(3)衛(wèi)星測高法

Zwally等［27］用 ERS(歐洲遙感衛(wèi)星)和 ICESat數(shù)據(jù)確定了1992-2008年的南極冰蓋物質(zhì)平衡，認(rèn)為呈現(xiàn)顯著正平衡狀態(tài)。

圖1中總結(jié)了上述各方法得到的結(jié)果，可看出不同結(jié)果之間的差異較之前已大幅減小。這一差異具有系統(tǒng)性:不論是南極冰蓋還是格陵蘭冰蓋，物質(zhì)收支方法得到的物質(zhì)損失值都是最大的，激光測高最小，GRACE介于兩者之間。對于格陵蘭冰蓋，不同方法得到的結(jié)果，符號是一致的，僅大小不同:20世紀(jì)90年代的物質(zhì)損失為 -51±65 Gt·a-1，2005-2010年物質(zhì)損失值已增加到-263±30 Gt·a-1。對于南極冰蓋，情況并不像格陵蘭冰蓋那么清晰，Zwally等［27］用衛(wèi)星測高方法得到的結(jié)果就顯示南極冰蓋的物質(zhì)收入顯著大于支出，呈現(xiàn)正平衡狀態(tài);而IMBIE估值表明南極冰蓋在90年代時(shí)處于微弱負(fù)平衡狀態(tài)，2005-2010年的物質(zhì)損失為-45--120 Gt·a-1之間。

為了更全面地對各方法進(jìn)行比較，Sasgen等［2］計(jì)算了2003年10月-2008年12月的極地冰蓋物質(zhì)平衡(在該時(shí)間段內(nèi)，基于這4種技術(shù)的衛(wèi)星均處于最佳運(yùn)行狀態(tài))。圖2中可看出2003-2008年的IMBIE估值分別為:南極冰蓋-72±43 Gt·a-1，格陵蘭冰蓋-232±23 Gt·a-1，與之前發(fā)布的結(jié)果相比，精度顯著提高。GRACE和IMBIE估值符合得很好，兩者的最大和最小值之間僅相差30-50 Gt·a-1，該范圍約為之前發(fā)布范圍的1/2。對于激光測高方法來說，在南極半島和西南極冰蓋兩個(gè)區(qū)域，它與GRACE得到的結(jié)果符合地很好;在東南極冰蓋，它得到2003-2008年間的物質(zhì)平衡為+101 Gt·a-1，該值遠(yuǎn)大于GRACE得到的+35 Gt·a-1;它對于極地冰蓋總體物質(zhì)平衡的評估結(jié)果為-140±133 Gt·a-1，略超出IMBIE估值的范圍(圖2中的灰色區(qū)域)。除此之外，對于東南極冰蓋、西南極冰蓋、南極半島、南極冰蓋整體以及格陵蘭冰蓋，各方法得到的結(jié)果都能在IMBIE平均值的范圍內(nèi)與之符合。綜上所述，對于某個(gè)特定方法來說，有時(shí)得到的結(jié)果精度較低，但是綜合所有方法之后得到的IMBIE估值精度已明顯提高。

圖1 (a)2012年之前的研究結(jié)果.不同顏色代表不同方法，方框的寬、高分別表示研究所涉及的時(shí)間段、平均物質(zhì)變化率的誤差;(b)2012 年的研究結(jié)果，包括 IMBIE估值［2］(實(shí)線).Sasgen 等［23，28］和 King等［19］得到的結(jié)果用虛線表示，Zwally等［27］的結(jié)果用點(diǎn)劃線表示，Harig和 Simons［29］和 Ewert等［30］的結(jié)果用點(diǎn)線表示，由文獻(xiàn)［31］改繪Fig.1.(a)Estimates published before 2012，line color indicatesmass assessment technique，each estimates of a temporally averaged rate ofmass change is represented by a box whose width indicates the time period studied，and whose height indicates the error estimate;(b)2012 studies in b compromise IMBIE combined estimates(solid line)［2］， estimates by Sasgen and others［23，28］，and King et al.［19］(dashed lines)， Zwally et al.［27］(dot-dashed lines)， Harig et al.［29］and Ewert et al.［30］(dotted lines).Reprinted from Hanna［31］

圖2 2003-2008年由4種不同的大地測量技術(shù):雷達(dá)測高(青)、物質(zhì)收支(紅)，激光測高(綠)和重力測量(藍(lán))得到的格陵蘭冰蓋、南極半島、東南極冰蓋、西南極冰蓋、南極冰蓋和兩極冰蓋整體物質(zhì)平衡估值的比較.IMBIE估值的范圍以灰色區(qū)域表示［2］Fig.2.Intercomparison of mass balance estimates of the GrIS，AP， WAIS， AIS， and the AIS plus GrIS， derived from the four independent geodetic techniques of RA(cyan)，MB(red)，LA(green)，gravimetry(blue)over the period 2003 to 2008.Also shown is the reconciled results(gray)［2］

除了冰蓋的整體物質(zhì)平衡，在評估流域尺度上的局部物質(zhì)平衡方面也取得了新進(jìn)展。對于格陵蘭冰蓋，分別用不同的方法確定了其8個(gè)流域的局部物質(zhì)平衡，如圖3所示。利用物質(zhì)收支方法的優(yōu)勢，可以在流域尺度上確定物質(zhì)平衡的兩分量:SMB和D，而物質(zhì)收支方法與其他方法可以較好地符合，又能為這一實(shí)踐提供校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。Anderson等［32］在這一理論基礎(chǔ)上，分別確定了格陵蘭冰蓋18個(gè)流域上的物質(zhì)平衡各分量，發(fā)現(xiàn)2007-2011年間61%的物質(zhì)損失來自SMB。另有研究發(fā)現(xiàn)，2000-2008年間SMB占物質(zhì)損失總量的50%［33］，2009-2012年間 SMB占68%［24］。確定流域尺度上SMB和D在物質(zhì)平衡中各自所占比例，有利于了解物質(zhì)損失的主導(dǎo)因素及其空間分布，Sasgen 等［23］對此研究發(fā)現(xiàn)，2003-2009 年間，格陵蘭冰蓋北部的物質(zhì)變化與大氣有關(guān)，而在南部，物質(zhì)變化的控制因素則為冰蓋動力學(xué)過程。

圖3 用測高法(A)、重力測量法(G)、物質(zhì)收支法(MB)分別得到格陵蘭冰蓋8個(gè)主要流域的物質(zhì)平衡估值.方框的水平范圍表示觀測時(shí)間段，方框的高表示誤差范圍;實(shí)線表示的是冰蓋物質(zhì)平衡估值，虛線還包括了冰川在內(nèi)Fig.3.Mass balance estimates for Greenland's eightmajor drainage basins(inset)derived through altimetry(A)， gravimetry(G)，and mass budget(MB)approaches.The horizontal extent of each box denotes observation period，while the vertical extent denotes reported uncertainty.Solid lines denote estimates for the ice sheet proper，while dashed lines denote estimates that include peripheral glaciers

2 冰蓋數(shù)值模擬的研究進(jìn)展

2.1 冰蓋模式的改進(jìn)

無論是想要了解冰蓋過去的演變過程，還是預(yù)測冰蓋未來的變化，數(shù)值模擬研究都是十分必要的。模擬冰蓋物質(zhì)平衡可以改進(jìn)對冰蓋重要過程的理解，把物質(zhì)平衡與氣候變化的趨勢聯(lián)系起來，預(yù)測冰蓋對持續(xù)的氣候變化的響應(yīng)，以及對海平面造成的影響。為了能對此做出更真實(shí)的預(yù)測，冰蓋模式在以下幾個(gè)方面均做出了很大改進(jìn)。

首先，冰流模式所采用的力學(xué)近似理論有所改變。冰流模式對于預(yù)測極地冰蓋的物質(zhì)平衡至關(guān)重要。之前的冰流模式通常是基于淺冰近似和淺冰架近似理論的，或者是基于兩者結(jié)合的混合(Hybrid)模式:(1)基于淺冰近似的冰流模式是假設(shè)冰流的所有阻力均來自于垂直方向的剪應(yīng)力梯度［34］，這只適用于描述冰蓋上的蠕變流。若要對冰蓋-冰架系統(tǒng)的耦合以及接地線遷移等動態(tài)過程進(jìn)行模擬，則必須要考慮水平剪應(yīng)力梯度;(2)基于淺冰架近似的冰流模式考慮了水平剪應(yīng)力梯度，卻忽略了垂直剪應(yīng)力的影響［35］，這對于底部牽引力較小的快速冰流有效;(3)基于兩者結(jié)合的模式同時(shí)考慮了發(fā)生在冰架處的水平應(yīng)力以及擱淺冰內(nèi)冰流的垂直應(yīng)力［36-37］。上述三種模式計(jì)算效率較高，但它們都對冰流機(jī)制進(jìn)行了過于簡化的物理假設(shè)，因而不完全適用于冰蓋-冰架系統(tǒng)的所有區(qū)域，尤其是接地線附近這種正經(jīng)歷著快速變化的地區(qū)，并且無法在各溢出冰川的尺度上確定冰流量對冰蓋物質(zhì)平衡的影響。為此有研究提出了更精細(xì)的冰流模式:(1)基于靜水近似假設(shè)的高階冰流模式，假設(shè)冰內(nèi)任一點(diǎn)的壓力只取決于其本身的重量而與冰流無關(guān)，與之前的模式相比，該模式能夠更精確地解釋垂直方向的應(yīng)力耦合，但仍未解決溢出冰川的模擬問題［38］;(2)最精細(xì)的模式是未作任何假設(shè)而進(jìn)行求解的模式(Full Stokesmodels)［39-40］，在已有的冰體運(yùn)動的觀測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用反演方法更好地約束了一些未知參數(shù)，如底部阻滯，并且以可變分辨率的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格分解溢出冰川，其模擬的冰流量能在大陸尺度上與觀測值符合得很好。這種模式能夠以較高的空間分辨率模擬整個(gè)冰蓋上的冰流，從而提高對冰蓋未來演變的預(yù)測能力。

其次，提高了冰蓋模式的空間分辨率。目前大部分模式的空間分辨率都＞20 km，但這樣的分辨率仍不足以分解冰流，因?yàn)楸魍ǔＶ挥袔浊讓?。此外，接地線遷移和冰崩過程的模擬更是需要亞千米級的分辨率。為解決該問題，Cornford等［41］基于自適應(yīng)網(wǎng)格加密(adaptive mesh refinement)用分塊結(jié)構(gòu)化的方法實(shí)現(xiàn)了冰蓋的三維數(shù)值模擬，以較高的分辨率分解接地線附近的狹窄區(qū)域，同時(shí)以較低的分辨率分解冰蓋的剩余部分，該方法與均勻網(wǎng)格模擬的結(jié)果符合，并且計(jì)算成本更低。

最后，綜合利用衛(wèi)星和地基測量來更好地約束冰蓋數(shù)值模擬。冰蓋模式的性能很大程度上取決于初始條件和邊界條件，但由于缺乏冰巖界面上的底部阻滯數(shù)據(jù)而限制了模擬能力。為解決該問題，有研究將反演方法應(yīng)用于冰蓋模式，來反演底部阻滯的分布，模擬得到的表面速度與觀測值能較好地符合。因此，在模式初始化運(yùn)行中建立最佳初始狀態(tài)時(shí)，該方法成為了標(biāo)準(zhǔn)程序［39-42］。

上述這些改進(jìn)使得冰蓋模式能夠重建當(dāng)前冰蓋上的冰流速度，這是近年來冰蓋數(shù)值模擬的重要進(jìn)步。

2.2 冰蓋動力學(xué)過程的模擬

對接地線的遷移、底部滑動和冰崩等重要過程及其耦合機(jī)制的準(zhǔn)確理解，有助于確定冰蓋物質(zhì)平衡中由這些動力學(xué)過程造成的物質(zhì)損失。

接地線的遷移及其穩(wěn)定性的理論研究發(fā)現(xiàn)，失去支撐(buttressing)時(shí)，接地線會在上傾基巖上沿冰流的方向不穩(wěn)定地后退。如圖4所示，當(dāng)溫暖的變性繞極深層水(mCDW)流向冰架底部時(shí)，會引起接地線處冰體的融化，進(jìn)而導(dǎo)致冰架開始變薄，接地線后退(圖4a);接地線在上傾基巖上不穩(wěn)定地后退時(shí)，海洋性冰蓋在缺少支撐的情況下也變得不穩(wěn)定，冰通量隨著接地線處冰體厚度的增加而增加，導(dǎo)致冰蓋向海洋的排出量增加，冰架持續(xù)減薄，接地線進(jìn)一步后退，直到到達(dá)新的下傾基巖才會穩(wěn)定下來。表面融化和冰架的進(jìn)一步崩解也會引起冰蓋和冰架的減薄(圖4b)。只有考慮上述過程中接地線區(qū)域的水平應(yīng)力傳遞，并且要達(dá)到足夠高的空間分辨率，才能在冰蓋模式中解釋接地線的遷移過程［35］。Joughin等［43］基于該理論預(yù)測了派因艾蘭(Pine Island)冰川處的接地線，發(fā)現(xiàn)冰架底部融化的小幅增加可能會造成接地線截至2100年后退25 km。

圖4 海洋性冰蓋及其與海洋的交互作用示意圖［31］Fig.4.Illustration of amarine ice sheet and its interaction with the ocean［31］

底部滑動是受內(nèi)陸的底部水文條件和過程控制的。表面融水通過冰川豎井到達(dá)基巖，這可能會對底部潤滑作用造成影響。但是，由于冰川下水系演變的緩沖作用，這樣的影響比預(yù)想的小很多［44］。要在大尺度的冰蓋模式中實(shí)現(xiàn)底部滑動的模擬，仍很大程度上依賴基于冰流季節(jié)性變化觀測的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)化方案。

在理解冰架崩解方面，有研究提出了基于隨機(jī)模型和斷裂理論的冰崩規(guī)律，將接地線-崩解面處的厚度與崩解速率聯(lián)系起來［45］。越來越多的研究將環(huán)境因素考慮進(jìn)去，把表面融水徑流、冰架底部融化與冰裂隙加寬以及隨后的冰崩過程聯(lián)系起來［46］。盡管已取得這些進(jìn)展，但由于缺乏數(shù)據(jù)，仍無法實(shí)現(xiàn)對冰崩的基于過程的完整評估，未來冰蓋模式的發(fā)展可能仍有賴基于冰崩過程的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)化方案。

3 冰蓋未來的變化

在全球氣候變暖的背景下，預(yù)計(jì)格陵蘭冰蓋和南極冰蓋都將持續(xù)損失質(zhì)量［47］。對于格陵蘭冰蓋，由于表面融化和徑流的增加造成的物質(zhì)損失將占主導(dǎo)地位［12］。對于南極冰蓋，SMB預(yù)計(jì)將增加，但海洋性冰蓋與冰架對于海洋強(qiáng)迫的響應(yīng)機(jī)制還存在不確定性。

在夏季，格陵蘭冰蓋的大部分區(qū)域的表面融化都在增加，2012年時(shí)其融化范圍更是創(chuàng)下了有衛(wèi)星測量技術(shù)以來的最高紀(jì)錄(高達(dá)冰蓋范圍的97%)［48］。因此，溫度上升將主要通過增加夏季的表面融化而造成物質(zhì)損失，而一些反饋機(jī)制可能加速這一過程:(1)由于北冰洋的海冰范圍縮小造成全球變暖在極地的擴(kuò)大化，及與之相關(guān)的反照率反饋機(jī)制;(2)與冰蓋裸冰區(qū)范圍擴(kuò)大相關(guān)的雪反照率反饋機(jī)制［49］;(3)由于表面融化和冰流量增加造成冰蓋減薄，及與之相關(guān)的高程反饋機(jī)制［8］。上述反饋機(jī)制均為正反饋，加速格陵蘭冰蓋的表面物質(zhì)損失，從而影響其表面物質(zhì)平衡。據(jù)預(yù)計(jì)，在年代際以及更大的時(shí)間尺度上，表面物質(zhì)平衡將成為格陵蘭冰蓋物質(zhì)損失的首要控制因素［27，50］。

對于格陵蘭冰蓋，由于底部潤滑作用增強(qiáng)、冰崩和海洋變暖而引起的動態(tài)變化仍難以預(yù)測。Price等［50］對過去十年格陵蘭冰蓋上冰川后退過程進(jìn)行了模擬，并預(yù)測截至2100年格陵蘭冰蓋至少對SLR貢獻(xiàn)6±2 mm，當(dāng)將循環(huán)的強(qiáng)迫應(yīng)用于模擬過程時(shí)，這一貢獻(xiàn)值最高可達(dá)45 mm，低于Nick等［26］預(yù)測的結(jié)果:40-85 mm。兩者均是對數(shù)據(jù)最多的幾個(gè)溢出冰川的物質(zhì)損失進(jìn)行精確評估后，根據(jù)這些冰川在冰蓋內(nèi)所占面積的比例，外推出整個(gè)冰蓋的物質(zhì)損失值，從而得到冰蓋對SLR的貢獻(xiàn)。Enderlin等［6］認(rèn)為，后者得到的結(jié)果偏大，原因在于其所選的溢出冰川在2000-2012年的物質(zhì)損失占冰蓋整體的42%，并不與其所占的面積成比例。但是，這些估值仍然低于之前的研究結(jié)果，這是因?yàn)殡S著冰蓋邊緣的后退，冰架崩解等動力學(xué)過程對于物質(zhì)平衡的重要性相對降低［47］。

對于南極冰蓋，據(jù)預(yù)計(jì)，它對SLR的貢獻(xiàn)隨著全球溫度上升會呈對數(shù)增加，但是變化極小，在接下來的100-200年內(nèi)，甚至可能是負(fù)貢獻(xiàn)［47］。首先，雖然海冰范圍縮小也會引起全球變暖在南極擴(kuò)大化，但比北極小得多。其次，目前南極冰蓋表面融化極小，預(yù)計(jì)在未來的100年內(nèi)溫度上升也并不會導(dǎo)致表面融化的顯著增加［47］。最后，由于溫度上升，降雪的增加預(yù)計(jì)會更顯著，從而使得SMB增加，與此相關(guān)的高程反饋為負(fù)反饋。目前為止，仍缺少一個(gè)大陸尺度南極冰蓋，可以將發(fā)生在冰蓋-冰架-海洋界面上的過程全部考慮在內(nèi)，從而更準(zhǔn)確地預(yù)測南極冰蓋未來的演變［26］。

4 未來挑戰(zhàn)

對過去20年的冰蓋物質(zhì)平衡評估的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，南極冰蓋和格陵蘭冰蓋的整體物質(zhì)平衡均為負(fù)平衡，其中南極冰蓋對SLR的貢獻(xiàn)為0.2 mm·a-1［2］，格陵蘭冰蓋、南極半島和西南極的部分區(qū)域總共以相當(dāng)于海平面平均上升1 mm·a-1的速度損失質(zhì)量(其中70%的貢獻(xiàn)來自格陵蘭冰蓋)，而且速度越來越快。上述結(jié)果是基于IMBIE對所有結(jié)果進(jìn)行算數(shù)平均得到的，因此，不同方法之間的不一致性仍然存在，需要對各方法可能存在的系統(tǒng)誤差進(jìn)行進(jìn)一步研究。在雷達(dá)測高方面，需要對ENVISat雷達(dá)測高數(shù)據(jù)的表面密度改正和短期改正進(jìn)行進(jìn)一步評估［51］，使得經(jīng)過這些改正后物質(zhì)變化的估計(jì)更加準(zhǔn)確。在物質(zhì)收支法方面，NASA的Ice Bridge項(xiàng)目中的機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)將改進(jìn)對SMB的估計(jì)，而用雷達(dá)對接地線區(qū)域冰厚的監(jiān)測將提高物質(zhì)輸出估計(jì)的水平。重力測量和激光測高方面將分別有GRACE和ICESat-2后續(xù)任務(wù)(預(yù)計(jì)分別在2017年和2016年發(fā)射)，這將為冰蓋整體物質(zhì)平衡提供理想的年代際記錄。但是，無論實(shí)地測量還是衛(wèi)星遙感，都有其各自的局限性，兩者結(jié)合以彌補(bǔ)各自缺陷，仍是未來冰蓋物質(zhì)平衡研究的主要發(fā)展方向。

對未來一個(gè)世紀(jì)內(nèi)冰蓋物質(zhì)平衡進(jìn)行評估發(fā)現(xiàn)，格陵蘭冰蓋表面物質(zhì)平衡的變化對未來海平面的貢獻(xiàn)為正，而南極冰蓋表面融化仍將很少，且預(yù)計(jì)降雪量將增加，使得南極冰蓋表面物質(zhì)平衡對未來海平面的貢獻(xiàn)為負(fù)。西南極冰蓋很有可能持續(xù)對SLR做出貢獻(xiàn)，東南極冰蓋在未來一個(gè)世紀(jì)中對海平面貢獻(xiàn)的符號仍不確定。為了更準(zhǔn)確預(yù)測未來海平面的變化，需要持續(xù)改進(jìn)冰蓋模式，使之能更好地表達(dá)冰蓋上的重要過程。雖然在這方面已取得了較大進(jìn)展，但需要進(jìn)行進(jìn)一步研究的重點(diǎn)問題也非常明顯。

首先，需要對模式進(jìn)行升尺度參數(shù)化，使得較低分辨率的模式也可以更好地表達(dá)冰蓋的重要物理過程。目前，已有人針對接地線遷移過程提出參數(shù)化方案［35-36］，并用其他完整的模式進(jìn)行了檢驗(yàn)［52］。 盡管在理論水平上已有所提高，但在冰流數(shù)值模式中實(shí)現(xiàn)冰崩過程的模擬仍依賴于未經(jīng)過物理模型檢驗(yàn)的參數(shù)化方案，因此，準(zhǔn)確描述冰蓋變化的物理過程并改進(jìn)參數(shù)化方案，是冰蓋模式在今后相當(dāng)長一段時(shí)期內(nèi)的發(fā)展方向之一。

其次，冰蓋模式的初始化運(yùn)行方面已有所進(jìn)展，通過使用反演技術(shù)讓初始狀態(tài)與觀測結(jié)果更為接近，但底部阻滯的非線性特點(diǎn)及其對底部水文條件的依賴性仍是一個(gè)有挑戰(zhàn)的關(guān)注點(diǎn)。已有的模式并未完全實(shí)現(xiàn)底部阻滯隨時(shí)間演變過程的模擬，一部分原因是，還未建立冰下的水文模型;另一部分原因是，缺乏用于校準(zhǔn)底部摩擦隨空間位置變化規(guī)律的數(shù)據(jù)。近來有研究分別發(fā)布了南極冰蓋［9］和格陵蘭冰蓋上的冰流速度圖［10］，前者重新定義了對冰蓋動力學(xué)的觀點(diǎn)，對重建冰蓋過去的演變和預(yù)測未來有深遠(yuǎn)影響。后者給出的不同時(shí)間段內(nèi)的冰流速度分布，為解決上述問題帶來了希望。

最后，耦合改進(jìn)之后的冰蓋模式和大氣/海洋模型以及GIA模型，能夠以足夠高的分辨率來解釋不同的物理系統(tǒng)之間的所有反饋機(jī)制。為此，一方面，須持續(xù)加強(qiáng)觀測并提高觀測精度，獲得不同的時(shí)間和空間尺度下的目標(biāo)觀測值;另一方面，把針對冰蓋變化的大量觀測結(jié)果的分析研究和參數(shù)化改進(jìn)相結(jié)合，解決冰蓋非線性物理過程在耦合氣候模式中的制約問題，推動冰蓋物理過程參數(shù)化繼續(xù)向精細(xì)化方向邁進(jìn)，從而構(gòu)建更合理的數(shù)值模式，以便較準(zhǔn)確地描述并預(yù)估極地冰蓋-快速冰流-冰架系統(tǒng)的變化，進(jìn)而回答其對海平面的影響等全球性問題。

就中國對于極地冰蓋物質(zhì)平衡的研究來講，與國際上還有一定差距。對物質(zhì)平衡的研究主要針對南極局地開展，受到衛(wèi)星資料獲取困難等因素的影響，系統(tǒng)研究較少。對使用氣候資料模擬冰蓋物質(zhì)平衡這一研究不夠重視，其中一個(gè)重要原因是相關(guān)學(xué)科與國際水平相比有較大差距，目前沒有成熟的氣候模式或大氣環(huán)流模式可供使用。

因此，須以中國在兩極地區(qū)的科學(xué)考察和觀測系統(tǒng)為依托，基于已有觀測數(shù)據(jù)、參數(shù)化方案和冰蓋模式，通過尺度轉(zhuǎn)換、模式集成耦合、實(shí)證檢驗(yàn)及模擬能力的對比分析等途徑，研究極地冰蓋典型冰流系統(tǒng)的動力過程及其對氣候系統(tǒng)的響應(yīng)機(jī)制，預(yù)估其未來變化。此外，仍需以新型空間科學(xué)技術(shù)為支撐，持續(xù)改進(jìn)冰蓋對氣候變化響應(yīng)的監(jiān)測與模擬，在此基礎(chǔ)上完善對冰凍圈其他要素物理過程的描述，建立包括冰凍圈所有要素在內(nèi)的全球和區(qū)域氣候耦合模式，這對于改進(jìn)氣候模式的預(yù)測精度至關(guān)重要。對未來氣候更準(zhǔn)確的預(yù)估，反過來又可提高極地冰蓋物質(zhì)平衡及其對海平面影響的預(yù)測精度，從而為解決減緩與適應(yīng)當(dāng)前全球海平面加速上升的迫切需求提供科學(xué)依據(jù)。

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