南极冰盖底部水压机制：揭示海平面上升贡献被低估三倍的关键因素

编辑推荐：针对南极冰盖对全球海平面上升贡献的不确定性，Chen Zhao团队通过Elmer/Ice模型系统评估了6种基底水压参数化方案（LW/RC_iN/RC_eN_POC等），发现考虑冰下水的RC_iN_HAF方案使冰通量增加3倍，到2300年可能导致额外2.2米海平面上升，该研究发表于《Nature Communications》为冰盖模型建立提供关键水文动力学依据

　　

南极冰盖作为全球海平面上升的最大不确定因素，其动态变化始终是气候研究的核心难题。传统模型常忽视冰盖底部隐藏的水文系统，导致预测结果与实际情况存在显著偏差。这种认知缺口不仅影响短期海平面上升预估的准确性，更可能掩盖关键的临界点（tipping points）信号——当冰盖退缩越过特定阈值时，可能引发不可逆的连锁崩塌。尤其令人担忧的是，南极西部阿蒙森海扇区的松岛冰川（Pine Island Glacier）和思韦茨冰川（Thwaites Glacier）已显示出加速退缩迹象，但现有模型对冰下液态水如何通过基底滑动（basal sliding）机制影响冰流仍缺乏定量描述。

针对这一科学瓶颈，澳大利亚研究委员会早期职业研究员Chen Zhao领衔的国际团队，联合芬兰、法国等国的冰川学家，在《Nature Communications》发表了突破性研究。通过开发新型冰盖-水文耦合模型，研究人员首次量化了不同基底水压参数化方案对南极冰盖长期演变的差异影响。结果表明，传统线性韦特曼滑动定律（Linear Weertman, LW）严重低估冰盖物质损失，而采用隐式有效压力（implicit effective pressure, RC_iN）结合高度漂浮阈值（Height-Above-Floatation, HAF）修正的方案，到2300年可能使南极冰盖对海平面上升的贡献增加2.2米，相当于当前预估值的3倍。这一发现彻底改变了学界对冰下水文系统放大效应的认知，为下一代地球系统模型提供了关键物理机制。

研究团队采用多尺度建模策略，核心方法包括：1）基于Elmer/Ice有限元模型的浅冰架近似（Shallow Shelf Approximation, SSA）框架，实现1km分辨率的南极全境模拟；2）六种基底滑动参数化实验设计，涵盖从传统LW到含GlaDS水文模型的RC_eN_GlaDS_HAF方案；3）利用MEaSUREs BedMachine Antarctica v3和冰流速数据反演基底阻力系数β；4）通过ISMIP6-2300协议下的多气候情景（UKESM/ssp5-85等）驱动模型；5）采用冰川排水系统模型（GlaDS）模拟分布式与河道化排水对有效压力N的空间调控。

基底有效压力必须纳入滑动定律
通过对比LW与各类正则化库伦（Regularized Coulomb, RC）滑动方案，研究发现忽略有效压力的LW方案严重低估冰通量。在高温室气体情景下，RC_iN_HAF方案到2300年的接地线通量（grounding line flux）达8453 Gt yr^-1，是LW方案（2245 Gt yr^-1）的3.76倍。所有RC方案均预测南极冰盖对海平面上升的正贡献，而LW方案则出现虚假的冰量增长。分区域分析显示，西南极对滑动参数选择最敏感，其2300年贡献值可相差5倍。

基底有效压力控制冰通量
实验揭示有效压力处理方式通过改变基底剪切应力（basal shear stress）分布影响冰流动态。隐式表达有效压力的RC_iN方案在2100年后接地线通量迅速增长，峰值达4984 Gt yr^-1（2250年）；而引入HAF修正后（RC_iN_HAF），通量呈指数增长至>8000 Gt yr^-1。显式处理有效压力的方案中，完美海洋连接假设（RC_eN_POC）产生第二低的540mm海平面当量（SLE），而恒定GlaDS压力（RC_eN_GlaDS）仅贡献183mm SLE，说明水压时空变异性的关键作用。

接地线附近对有效压力敏感性增强
物理机制分析表明，当冰下水流向海洋时，接地线附近有效压力趋近零，形成低阻力的库伦滑动区（Coulomb regime）。随着接地线后退，该区域向上游迁移，形成正反馈循环。HAF缩放通过阈值h_T=75m控制低阻区范围——在RC_iN_HAF中，2270年思韦茨冰川的低阻区延伸50km内陆，远超其他方案（10-15km）。这种近漂浮冰原（near-flotation ice plain）的发育显著加速冰盖崩溃。

讨论与展望
该研究首次系统论证了冰下水文系统通过基底滑动机制放大南极冰盖响应的物理途径。值得关注的是：1）GlaDS模型基于硬岩床假设可能低估软沉积床的水压；2）HAF缩放的阈值参数h_T缺乏观测约束；3）垂直剪切应力与三维水力-海洋-沉积物相互作用的忽略可能影响接地线动态。未来需发展全耦合的冰盖-水文-海洋模型，并借助卫星遥感（如ICESat-2）验证低阻区范围。这项研究不仅改写了南极冰盖失稳风险的评估框架，更强调在IPCC评估报告中必须纳入冰下水文动力学过程，其对沿海地区适应规划具有深远影响。