降雪造成的南极东部冰盖的质量变化外文翻译资料

 2022-11-24 15:49:07

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降雪造成的南极东部冰盖的质量变化

Carmen Boening1,Matthew Lebsock1,Felix Landerer1,Graeme Stephens1

收稿日期 ：2012-7-27；校对日期：2012-10-3；接受日期：2012-10-4；发表日期：2012-11-2

提高对主要由于冰川排放和降水质量增加的敏感平衡过程的认识,对于确定南极冰盖的未来变化及其对海平面上升的贡献至关重要。虽然南极洲卫星观测表明,南极洲西部经历了南极半岛和松树岛冰川的巨大质量损失,但南极洲东部仍然相对稳定。在这项研究中，我们描述了最近导致南极东部极端降水事件的原因和规模，这次降水导致了显著的区域大规模质量积累，这部分弥补了最近全球海平面上升造成的一些全球冰川损失。从2009年到2011年，相当于全球平均海平面下降的近350Gt增收量在这三年内以0.32毫米/年的速度下降。引文：Boening，C.，M.Lebsock，F. Landerer，and G. Stephens（2012），降雪驱动的东南极冰盖质量变化，Geophys。 Res. Lett.，39，L21501，doi：10.1029 / 2012GL053316.

1 引言：

大陆冰块的变化是气候变暖对未来海平面上升的最重要的贡献。格陵兰和南极洲的主要冰盖对当今的海平面变化有很大贡献[Rignot et al., 2011, 2008; Velicogna, 2009]。近年来，来自两个冰盖（不包括周围的冰川和冰帽）的总贡献估计导致1.30.4mm /年的海平面上升[Rignot et al., 2011]。在过去十年中，对南极冰盖的观测表明，南极洲西部和南极半岛主要受到冰川流量增加的影响，而南极洲东部保持相当稳定[Rignot et al., 2008]。然而，质量平衡的强年代际和年际变化与冰川排放和反对固体降水的区域差异有关,这可能掩盖了东南极洲冰盖融化的趋势和加速度[Rignot et al., 2011]。

预计南极气温随大气二氧化碳含量的增加而增加。尽管大气温度较高但,预计大多数南极洲大陆仍然保持在冰点以下,因此地表融化径流微不足道[Van den Broeke et al., 2011; Kuipers Munneke et al., 2012]。全球变暖的气候模式模拟也预示着南极冰盖降水的长期增加，这是气候变暖时大气水分含量更高的预期结果。

最近关于是否气候变暖的投射影响已经在当前的降雪量数据，和从而对南极物质平衡进行检测没有得出结论。再分析和冰芯数据显示自20世纪50年代以来降水没有显着变化[Monaghan et al., 2006]。这这表明自20世纪90年代以来，东南极洲表面高度的增加，这与基于测高观测的研究相矛盾[Davis et al., 2005]。虽然差异可能是由于数据覆盖和测量技术的不同，但矛盾的发现突出了持续监测冰盖的降水变化及其对总质量平衡的影响的重要性。

一般来说，南极洲的降水从低海拔海岸向内陆高原降低[Giovinetto and Bentley, 1985; Vaughan et al., 1999]。降水的局部最小值和最大值分别对应于地形山脊的背风和迎风面。南极降雪的年际变率很高，归因于与主要变率有关的气旋活动的波动,特别是南部环状模式（SAM）和厄尔尼诺南方涛动（ENSO）。更强的环状西风带影响南大洋气旋的形成[Sinclair et al., 1997] ，并导致极地槽降水的增加，这与过去几十年正向的SAM趋势相关[Noone and Simmonds, 2002]。ENSO与从热带传播到南大洋的Rossby波列引起的阻塞事件相关联。沿着阻塞高压系统西侧增加的向极流动导致沿海岸天气的显着变化[Hirasawa et al., 2000]。

虽然过去对高纬度地区的观测覆盖有限，但最近发射的卫星为当前冰盖的变化提供了新的视角。除了来自测高法的表面高度测量，其需要准确估计积雪密度以推断质量并且在沿海地区附近具有精度限制，在过去十年中，重力测量提供了净冰盖质量变化的直接测量。重力恢复和气候实验（GRACE）的观察产生了对冰块的空间和时间演化的前所未有的洞察 [Velicogna, 2009; Rignot et al., 2011; Sasgen et al., 2010]。CloudSat任务[Stephens等人，2008]于2006年推出，CloudSat雷达具有检测降雪的独特能力[Liu, 2008]。GRACE冰质量变化和CloudSat降雪的结合提供了一个机会，为在下面描述的南极冰质量变化提供了新的见解。

这项研究报告了2009年开始的南极洲东部大量质量增加的观测结果。CloudSat观测结果证实了降雪的重新分析估计，这些结果表明，区域冰盖增长与Dronning Maud Land海岸的强降水事件有关。进一步的分析表明，南极洲大西洋部分的大气阻挡导致从海洋到10˚W到70˚E的地区的极地水分输送增加。这些质量增加主要来自于2009年和2011年发生的两个月以上的几个不连续降水事件。

图1.2004年到2011年的GRACE质量趋势，以cm /年等值水柱高度变化。仅显示土地掩模内的值和95％显着性水平的趋势。

2.数据和方法

我们用JPL RL05时间变量重力场解的GRACE数据来估计南极冰盖质量变化。Swenson等人用估计数据对地心运动进行了校正[2008]；利用Paulson等人的模型从GRACE解决方案中减去了冰川均衡调整[2007]。使用Cheng和Tapley [2004]估计的卫星激光测距得到的描述地球扁平率的C2,0球谐系数替代了GRACE产品的C2,0系数。球谐波使用Swenson和Wahr [2006]的方法进行滤波，并且使用300km高斯进行平滑。以球谐率系数表示的重力变化仿照Wahr et al[2008]转换为冰质量的等效变化。GRACE领域的月误差估计基于Wahretal等人的方法[2006]。为了比较，辅助材料中的图S2显示了CSR RL05的局部冰盖质量变化的估计。为了得到净降水的估计，我们结合月平均降水和蒸发方法女从ERA中期再分析[Dee et al.,2011]。我们在500 mbar水平分辨率为1.5times;1.5度的位势高度的日常领域使用相同的再分析产品。除了重新分析输出之外，我们将我们的研究结果与基于CloudSat数据的降水估计进行比较。平均降雪率由CloudSat [Stephens等人，2008]云剖面雷达估计，由于雷达的高灵敏度，对所有相态降水的发生极为敏感。在2C-Precip-Column（Release 04）产品中，使用“snow certain”确定雪像素，其标记出现并确定降水的相位。该算法首先基于源自欧洲中程天气预报中心（ECMWF）天气分析的2米空气温度来识别降水的相位。继刘之后[2008]，在2米高度处温度低于2℃的像素被认为是下雪。在相位识别之后，使用应用于表面的第六雷达测距门的温度相关反射率阈值和垂直连续性测试来确定降水的可能性，以减轻表面杂波的影响。

在雪的某些像素确定后，使用简单的方法量化降雪强度的更具挑战性的任务正在进行。利用表z=aSb的直接Z-S关系,利用表面( 1300 m)以上中的反射率(z)估计降雪强度(s)。量化降雪率的一些复杂因素包括（a）冰晶习性的不确定性，（b）冰粒度分布（PSD）的不确定性，（c）雷达波束的多次散射，以及（d）雷达波束的衰减。Matrosov和Battaglia [2009]表明多重散射（c）和衰减（d）在降雪方面很大程度上彼此相互抵消，因此在这里忽略这些影响。 由于雷达反射率对颗粒尺寸和形状的强烈敏感性，因此晶体习性和PSD导致的不确定性是主要的误差源，为了解释这些主要不确定性来源，Hiley等人使用三个Z-S关系计算降雪强度[2011]。他们使用广泛的理论上可能的冰晶习性来计算具有不确定性边界的最佳组合。注意到这提供了不确定性的上限，因为它源自冰晶习性的不同集合，其中一些在自然中不可能发生。区域月平均降雪强度在1˚纬度/经度箱内计算，由它们各自的面积加权，并在研究区域上积分，得到平均降雪率。

3 结果

在2003年至2011年间，GRACE观察到南极洲西部冰盖的质量损失，沿南极半岛的趋势图显示南极洲西部的质量损失主要位于松岛冰川（PIG）附近（图1）。虽然几项研究[例如，Rignot等人，2008; Velicogna，2009]表明在2002年至2009年期间南极东部冰盖没有显著变化，GRACE最近观察到沿海的质量增加（图S1）。观察到的质量增益区域（30W-60E，65S-80S）的空间平均值显示了2003-2008年的相对稳定的质量预算，其次是2009年开始的强劲增长（图2）。GRACE观测到在2009年初至2011年期间累积质量增量约为350Gt，这相当于约0.32毫米/年全球海平面的下降。

这些区域质量增加可能（a）由于降水和雪漂移的表面质量平衡变化；或（b）冰的动态变化其中一个原因引起。观测到的质量快速增加表明，因为冰的动力过程通常展开较慢，降水的增加是质量增加最可能的解释[例如，Rignot，2006]，而雪堆对表面的年际变化质量平衡只有很小的贡献[Lenaerts等，2012]。我们首先通过比较由CloudSat观察到的积累降雪产生的质量增加来评估这个假设。然后，我们利用这场降雪来验证从ERA中期重新分析所包含的降水量中推断的质量积累。一旦验证，我们使用再分析数据表明大气环流变化引起的降水变化解释所观察到的突然增加的冰质量。

图2 （上）GRACE质量平均超过30W-60E，65S-80S（绿色），与ERA中期（红色）和CloudSat累积降水（黑色）的综合净降水相比。（底部）ERA中期净降水（黑色）与CloudSat降雪积累（红色）和ERA中期降水（蓝色虚线）相比。 灰色阴影表示CloudSat错误栏。

由于累积降水造成的质量增加等于一个地区净降水随时间的积分。CloudSat的降雪观测证实了从2009年开始的Dronning Maud Land地区雪的异常大量积累（图2，上图）。这表明GRACE观测到的异常质量增加主要是2009年至2011年期间过度降水的结果，而该区域的冰层动力过程贡献甚微。再分析数据进一步证实了这一点，CloudSat降水估计和重新分析模型输出（图2）在多年期间集成时非常相似，这一过程自然减少了观测中固有的采样噪声。来自ERA中期重新分析的利息区域的净降水异常的积累也类似于GRACE的整个GRACE时期的质量时间序列（图2）。所有三个估计的质量积累都在各自数据集的不确定性范围内。ERA中期预测净的降水量的质量增加在基于来自日本JRA-25再分析的大气水分辐合场（未示出[Onogi等人，2007; Landerer等人，2010] ）质量增加的10％之内，这表明升华对累积质量几乎没有影响。

由于再分析和CloudSat降水之间的良好的一致性以及降雪信息和GRACE质量异常之间的整体一致性，我们使用再分析数据将2009-2011年的异常置于更长期的背景中。较长的再分析时间序列表明，与前30年相比，2009-2011年的大规模积累在这个特定沿海地区是例外（图2）。虽然积雪在2009年之前的年际波动为50Gt，但在过去3年中，质量增加约350Gt。ERA中期再分析和CloudSat的降水率时间序列表明，导致质量累积的强降雪事件主要发生在2009年5月和2011年6月。这两个月的降水量比直到2008年的ERA中期时间序列的标准偏差高5-6倍（图2，下图）。由于蒸发异常小以及冰的动力学过程被认为在更长的时间尺度上起作用，我们将南极洲东部的GRACE质量异常归因于这两个具有异常强降水的不同月份。

为了确定2009年和2011年发生的降雪异常的起源，我们分析了2009年5月和2011年6月的天气尺度降雪变化。统计分析表明，这两个月的大部分降雪量可归因于5个时段，每个日期分别为几天，5月6-7日期间的Dronning Maud Land的降水量占77％（〜15％）， 5月17-20日（28％）和5月24-27日（34％）。2011年6月中观察到的最多的降雪是6月19日至21日（20％）和6月23日至28日（43％），在这9天期间，降雪量占2011年6月总降雨量的63％。

图3显示了这些时期最大降雪的空间模式。大降水量的地区显然局限于Dronning Maud Land的沿海岸。这种空间分布与Schlosseretal的研究结果一致[2008]，他们表明，虽然降雪强度变化不定，但降水主要局限于向高海拔的内陆高原降低的低海拔沿海地区。结合这些强降雪事件，大气压力场的重大变化也发生在南极和Dronning Maud Land北部的海洋上（图3）。在2009年5月和2011年6月的降

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