南巴塔哥尼亚冰原表面物质平衡与气候模态的关联研究及其对海平面上升的贡献

《Journal of Glaciology》：Surface mass balance of the Northern Patagonian Ice Field and links with climate variability modes and atmospheric variables

　　本研究利用MAR区域气候模型模拟了1980-2014年间北巴塔哥尼亚冰原(NPI)的表面物质平衡(SMB)，揭示了其与南半球环状模(SAM)的显著负相关关系。研究通过多源数据验证模型可靠性，发现NPI整体SMB为-2.48±1.68 Gt a-1，表明冰原处于负平衡状态。温度被证实是通过直接影响融化和固态降水而调控SMB的关键变量，而SAM正位相通过升高气温加剧冰原物质亏损。该研究为预测南极洲以外最大冰原对未来海平面上升的贡献提供了重要科学依据。

　　

在南半球广袤的巴塔哥尼亚地区，坐落着安第斯山脉中最宏伟的冰体——北巴塔哥尼亚冰原(NPI)和南巴塔哥尼亚冰原(SPI)。这些冰原不仅是南半球最大的山地冰川系统，更是全球海平面变化的重要贡献者。然而，近年来观测数据显示，巴塔哥尼亚冰原的物质损失呈现加速趋势，其背后的气候驱动机制却尚未明确。由于冰原地处偏远且环境恶劣，缺乏长期气象观测数据，导致对其表面物质平衡(Surface Mass Balance, SMB)的估算存在较大不确定性，不同研究结果甚至相互矛盾。这种认知缺口严重制约了我们对冰原变化机制的理解和未来海平面上升的精准预测。

为解决这一科学难题，由Gabriela COLLAO-BARRIOS领衔的国际研究团队在《Journal of Glaciology》上发表了最新研究成果。研究团队采用先进的区域气候模型MAR(Modèle Atmosphérique Régional)，对1980-2014年间NPI的表面物质平衡进行了精细模拟，并深入分析了其与主要气候变异模态的关联。

研究团队运用了多项关键技术方法：采用MAR区域气候模型（版本9.3.2）耦合SISVAT(Soil Ice Snow Vegetation Atmosphere Transfer)地表模型，在7.5公里分辨率下模拟冰原气候；利用ERA-Interim再分析数据作为边界条件；通过自动气象站(AWS)观测数据、MODIS卫星反照率数据和前期研究的圣拉斐尔冰川SMB估算值对模型进行多维度验证；采用敏感性分析方法优化关键参数（包括雪/雨温度阈值、反照率和表面粗糙度）；基于SRTM2000数字高程模型和冰原边界数据计算冰原尺度SMB；使用NOAA提供的SAM（南半球环状模）和ENSO（厄尔尼诺-南方振荡）指数进行气候相关性分析。

研究结果

表面物质平衡重建

模拟结果显示，1980-2014年间NPI的平均冰原尺度表面物质平衡为-2.48±1.68 Gt a^-1，而圣拉斐尔冰川的冰川尺度SMB为0.60±0.30 Gt a^-1。平衡线高度(ELA)约为1257米，其中西北侧为1211米，东北侧为1375米，呈现明显的东西梯度差异。

物质平衡组分分析

消融量随海拔升高而显著减少，从201米处的-10.5米水当量/年降至2149米处的-0.1米水当量/年。固态降水在低海拔地区极少（<0.1米水当量/年），随海拔增加至2149米处达到4.7米水当量/年。液态降水在最高海拔处仍有出现，而融水再冻结从1467米开始对高海拔SMB产生重要贡献。

时间变化特征

NPI的SMB表现出强烈的年际变异性（标准差为2.09 Gt a^-1，相当于年均值的83%），但整体趋势不显著（0.05 Gt a^-1，p值=0.16）。这种无显著趋势的特征表明，观测到的冰原物质损失加速并非由表面过程引起，而更可能源于冰通量（如崩解）的增加。

气候关联分析

温度被证实是影响SMB的关键变量，与冰原尺度SMB（R=-0.73）、降雪量（R=-0.67）和消融量（R=0.74）均呈现显著相关。西风风速也与SMB呈正相关（R=0.47），反映了地形降水对冰原积累的重要贡献。

SAM的影响机制

研究发现SAM与NPI的SMB存在显著负相关（r=-0.39），这种关联主要通过温度效应实现：SAM正位相导致气温升高，进而减少固态降水、增加消融量。季节分析显示，春季和秋季的关联最为显著，而夏季无显著相关，这与西风带季节性南移有关。

ENSO的有限影响

与SAM相比，ENSO对NPI的SMB影响较弱且不显著。仅当强ENSO事件与负SAM位相叠加时，才对SMB异常产生明显影响，这与ENSO-SAM遥相关的已知机制一致。

研究结论与讨论

本研究首次采用物理机制完整的区域气候模型系统评估了NPI的表面物质平衡，为理解该地区冰川-气候相互作用提供了新视角。与前期研究相比，本研究获得的负SMB值（-2.48±1.68 Gt a^-1）更接近基于大地测量和冰通量数据的估算结果，支持了NPI处于负平衡状态的科学判断。

SAM与SMB的关联机制揭示了大型气候模态对偏远冰原的影响路径：SAM正位相通过推动西风带南移，减少抵达NPI的水汽输送，同时升高气温加剧消融，共同导致SMB负异常。这一发现将冰原变化与半球尺度气候动力学直接联系，为理解小冰期以来冰原退缩提供了气候背景解释。

研究的创新性体现在多方面：采用高分辨率气候模型耦合详细地表过程；通过多源数据约束降低不确定性；首次系统量化SAM对NPI SMB的季节性影响。然而，研究也指出西侧降水模拟偏差和高海拔数据缺失等局限性，强调未来需要加强冰原现场观测。

从全球变化视角看，随着温室气体持续排放和SAM正位相趋势的维持，NPI预计将加速物质亏损，增加对海平面上升的贡献。这项研究不仅提升了我们对南半球冰原变化机制的理解，也为改进海平面上升预测模型提供了关键参数，凸显了跨半球气候遥相关在冰川变化中的重要作用。