南极冰架的体积损失正在加速外文翻译资料

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南极冰架的体积损失正在加速

Fernando S. Paolo, Helen A. Fricker, Laurie Padman

摘要：漂浮在南极冰盖周围的冰架限制了接地冰盖的泄流。冰架的不断薄化会减弱这种作用，从而导致冰向海洋的输出增加。通过使用 18 年的持续卫星雷达高度计观测，我们计算了10年尺度上南极大陆周围冰架厚度的变化。总体上，冰架的平均体积变化从1994-2003年间的微弱损失加速至2003-2012年间的快速损失。西南极的损失在过去10年间上涨了70%，而之前东南极冰架的体积输入则停止了。在Amundsen和Bellingshausen海域，一些冰架在不到20年内减小的厚度达到了18%。

南极冰盖通过降雪获得质量，通过其边缘处的海面下融化以及冰山崩解损失质量。这些质量损失主要发生于冰架（冰架，即冰盖向海的、浮于海洋中的延伸体） 。在过去的20年间，南极接地冰的质量损失有所加剧（1，2)，其中最为剧烈的质量损失发生在Amundsen海沿岸（3)（伴随有强烈的毗邻冰架（4，5)薄化现象），以及冰架崩解后的南极半岛（6）。冰架通过在冰-岩交界面的拖曳力限制（支撑）了接地冰的冰流，这种阻力包括边壁部分的侧向应力和接地部分的底部应力（7，8）。冰架厚度的减小降低了这些应力，导致冰向海洋的泄流加速。如果漂浮冰架与接地冰（接地线）之间的边界位于一个逆向海底坡度（向内陆倾斜）上，则会导致更高的冰流速率，并可能会因上述机制循环导致接地冰持续后退（7、9、10）。

冰架的厚度和面积变化主要被归结于大气和海洋条件的变化(11，12)。大尺度气候变化通过作用于南极冰盖上的支撑力来影响全球的海平面，而对冰架厚度变化的观测则有助于理解其中主要的影响过程。目前能够在已知的时空尺度上绘制和测定这类庞大偏远的冰架厚度的唯一可行方法为卫星高度计的使用。先前研究中冰架厚度变化趋势是基于对冰架厚度（或高度）时间序列的简单线性拟合得到，其中冰架厚度对应整个冰盖或各个海域的平均值，时间序列的长度也较短（5年）。为此，我们给出一个在时间（3个月）和空间（30公里）上都具有较高分辨率的冰架厚度记录，该记录通过使用源于三个连续重叠卫星雷达高度计计划（ERS-1，1992 年-1996 年;ERS-2，1995年-2003 年;Envisat，2002 年- 2012 年），实现了从1994到2012长达18年之久的观测数据。

我们的冰架厚度变化检测技术是基于对卫星雷达高度计数据进行交叉分析，这是因为不同卫星在轨道交叉点得到的数据不同。为了交叉校准不同卫星高度计的测量结果，我们在连续的卫星计划之间设置了约为1年的重叠时间。高度计在测量处于静力平衡条件下浮冰的高度变化时，其信噪比大约比接地冰小一个量级，因此需要额外的数据进行平均，从而具有可比性的统计价值。我们在时空分辨率分别为3-month bins和30-km cells下对观测结果进行了整合；因为在交叉部分得到的空间分布会随时间改变（由于不精确的重复轨道以及错位的最低点)。我们在每个单元格内构造多个记录，并将它们整合得到一个平均的时间序列以减少统计误差（18）。我们假定：观测到的质量损失主要发生于固态冰的底部融化（4、5、17），并以此来修正冰架高度变化的时间序列和冰架厚度变化率。雷达测量对表面质量平衡（18)波动不敏感也可证实此假设合理。对于体积变化，我们持续监测每个冰架（18)的最小（固定)面积。我们对所有估值的不确定性进行了评估（19），通过使用自举法（重复采样来取代拟合的残差）使得估值能够处于合理的置信区间。我们研究中所有的估算数据的不确定性都处于95%的置信水平。

我们通过用lasso正交回归法和交叉验证法将数据和低阶多项式（幂nle;3）拟合来估算冰架厚度18年的趋势，其中交叉验证法用于选择模式参数（拟合的形态取决于数据）。这种结合的方法能将18年趋势分析中短期变化的影响最小化。相比于先前的研究（4、5、13、22)，我们通过（1）使用18年连续记录、（2）推行时间序列平均提高信噪比，以及（3）使用有力的方法提取趋势三种方式改善了估算过程。

图.1.南极各冰架18年的厚度和体积变化.厚度变化率(米/10年)的色标范围从-25（薄化）到 10（增厚）。圆形表示18年间厚度损失（红色）或获得（蓝色）的百分比。只标绘了95%置信水平的有效值（表.S1）。（左下）时间序列和1994到2012年西南极冰架（红色）和东南极冰架（蓝色）平均体积变化（立方米）的多项式拟合。黑色曲线是所有南极冰架的多项式拟合。我们将南极洲分为八个区域（图.3）。各个区域用黑色线段标记与分隔。冰架轮廓用细黑线表示。中间的圆形分界线内区域（81.5°S以南）未用卫星调查。因制图需要对原始数据就行了修正（各冰架面积百分比已在表S1中给出）。背景嵌入来自南极地球资源卫星影像。

图.2.不同时段南极冰架厚度变化率（米/年）.图为四个连续的4.5年的时间间隔（1994-1998.5,1998.5-2003,2003-2007.5和2007.5-2012）内Filchner-Ronne，Amundsen，以及Ross冰架（从左至右，各冰架位置见右下角插图）的平均厚度变化率。短期变化率可能比18年时间间隔的变化率更高。冰架轮廓为细黑线，粗灰线表示卫星观测的边界。

18年平均的厚度变动率会随空间变化（图.1)。短期趋势可变性很高，但与空间变化趋势一致（图.2和影片S1）。我们根据长期冰架行为的空间相关性将数据集合分成八个区域，并计算每一区域（图.3）相对于序列平均值的冰架厚度变化时间序列。其中厚度损失最大的区域在Amundsen和Bellingshausen海域，其平均(最大)薄化率分别为,。这意味着这两个海域的冰架18年中的薄化损失分别为8%和5%。尽管这些冰架面积占西南极冰架总面积不到20%，但其体积损失占西南极冰架总损失的比重超过85%。东西南极区域（图.1，左下)，各个海域（图.3）和单一冰架（图.S1）面积平均的冰架厚度和体积以三个月为时间间隔的记录显示出广域时间响应，亦即大的年际—年代际震荡。这突出了长期记录对确定冰架长期状态的重要性。通过对比我们长记录与单个卫星计划[例如（5）中使用的5年ICESat数据]获得的简单线性趋势可以看出，较短记录往往不能捕捉到长久信号（图.3 和图.S1）。

通过对Amundson海(AS)18年数据进行拟合，得到Abbot冰架平均薄化率范围为，Crosson冰架为，局地最大薄化率发生于Getz冰架，为（图S1和表S1）。18年间Crosson 和 Getz 冰架分别损失了自身厚度的18%和6%。如果这两处的薄化现象持续下去，我们可以预测：未来100年内两者体积损失将分别达到100%和30%。Getz冰架是单一冰架对南极冰架整体体积损失的最大贡献者，平均变化率为，占西南极冰架总体积损失的30%（表S1）。我们在Bellingshausen海（BS）的Venable冰架上发现了最严重的厚度减少现象，平均以及最大薄化率分别为和（图.S1和S1表）。这个冰架在18年中损失了18%的厚度，这意味着它将在100年后完全消失。

对于AS中的冰架，接地线深处观测到的薄化率最高，越靠近冰架前缘薄化率越低（图.2，表S1和影片S1）。这与跨过大陆架进入冰腔的绕极深层水(CDW)通量的增加会增强冰架底部融化相一致(12、23、24)。海洋驱动的冰架融化加剧使得相应的冰架支撑作用减弱，这可能会使接地线在逆向海底坡度上向内陆后撤，最终达到一个临界点，在这个点上海洋冰盖的不稳定机制将取代冰输出的动力学机制(7、26)。因此，观测到的冰架薄化既反映了海洋驱动的冰架融化，又反映了加速冰流所导致的更高的应变速率。此外，我们还得出，薄化现象早在我们1994年的记录初期就已经以一个相当的速率开始了。

图.3.南极冰架区域平均累积厚度变化的时间序列（1994-2012）.时间序列与图.1中南极大陆全部冰架平均数据一致。点表示每3个月的平均厚度变化。因误差范围较小使得用散点来表示年际波动更为明显。蓝色曲线是多项式回归得到的95%置信水平的长期趋势，红线表示我们数据设置中重叠部分的回归线，其中重叠部分先用基于ICESat的数据分析（2003-2008）（5）。平均变化率来源于多项式拟合的终点。

在东南极半岛[包括Larsen B(Scar Inlet remnant)、Larsen C和Larsen D]，整个区域的冰架薄化率为（图.3），约为西南极(BS) （图.1)的一半。Larsen C冰架的薄化现象已向南发展（图.4)，这与早期研究中讨论的气候驱动理论相符(22，27)。Larsen C冰架的最大薄化率(局部最大薄化率为)与Bawden Ice Rise相近（图.1和图.4）。假设观测到的这些薄化现象一般是由积雪中的气体损失所致，并认为冰架比冰隆(ice rise)高40米（28），考虑到对冰架稳定性（29）潜在的后果，我们可以预测Larsen C冰架在未来100年内将完全脱离此固定点。

三个东南极冰架 (Qeen Maud、Amery和Wilkes)的区域时变趋势是一致的 (图.3)。Wilkes冰架难于用常规雷达高度计观测，因为它们大多尺寸较小，处于狭窄的海湾中，并且表面粗糙，以致高度计观测的高度变化无法准确反映冰架厚度变化。我们对整个Wilkes冰架厚度变化估值为，接近于零。Queen Maud海域冰架整体厚度增加了。

与AS冰架相同，Totten和Moscow大学冰架在Wilkes海域支撑着大部分基于海洋的东南极冰盖。因此，其稳定性对接地冰损失可能具有重要影响。尽管之前报道中，结合5年卫星激光测高计（ICESat，2003年-2008年）数据的线性拟合表明这些冰架正在薄化（5），但我们的研究结果表明：之前的估算结果不能代表长期趋势（图.S1B）。我们对2003-2008年间冰架厚度损失的研究结果与基于ICESat的结果相近，但整个18年间的数据厚度变化基本为零（图.S2）。

对于大部分冰架，我们的估算值与先前结果存在明显不同（表S2）。这是由于：（1）各个研究之间，由于所选冰架平均面积不同，造成小型冰架上较大厚度变化信号受到影响；（2）限于网格分辨率、 冰架范围以及数据覆盖面，使得我们无法在一些冰架的接地线附近取样(如Pine Island或Dotson冰架)。因此，我们估算的变化很可能仅代表变化范围的下限；（3） 由于雷达讯号能够贯穿积雪层，使得雷达高度计相比激光高度计在表面质量平衡变化上更不敏感；（4） 短期记录和之前趋势的提取方法不捕捉与识别潜在的趋势震荡（图.S3)。这是我们结果与先前研究相比的主要优势。

图.4.南极半岛冰架厚度变化率的演变. 四个特定年份（1994,1997,2999,2008）的瞬时厚度变化率演变是由厚度变化时间序列的多项式拟合得到。Larsen冰架的厚度变化率随时间的演变在空间上呈由北至南的增长（影片S1）。东南极半岛（Weddell海）（上图）显示出了不同于西南极半岛（下图）的演变趋势。

东南极冰架总体积在1994-2003年间以的速率增加，之后又以减少；而西南极冰架在18年间则为持续的体积损失，其中2003后的体积损失显著加快（图.1）。在2003年前后，西南极冰架体积损失率分别为和，相当于平均损失速率增长了70%。1994-2003年间，绕南极冰架总体积损失率微不足道（），而在2003年后损失率骤增至。总体上，1994到2012年间南极冰架体积平均变化速率为，平均增速为（2003-2012年期间为）。

我们的研究表明：南极冰架体积损失正在加速。在Amundsen海，一些冰架已经经历了近20年的持续快速薄化。倘若当下气候驱动一直持续，我们推断：那些正在快速薄化的冰架将在10年到100年的时间尺度上发生一次剧烈的体积损失，这将造成接地线后退以及冰架崩塌的隐患。此外，持续的接地冰输出增加与海平面上升将进一步加速支撑作用的减弱。在小尺度上，冰架厚度的变化复杂，这说明单一卫星任务在几年特定时期得到的结果是不足以反映冰架的长期响应。大规模变化发生于大范围的时间尺度中，冰架厚度的持续变化指示出冰架可以快速响应海洋和大气环境的变化。

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