格陵兰冰盖冰板区夏季融水径流与叠加冰形成的同步机制及其对物质平衡的影响

为解决格陵兰冰盖冰板（ice slabs）区域融水滞留与径流分配的科学争议，Andrew Tedstone团队通过野外观测与热传导模型，首次量化了叠加冰形成（SIF）对物质平衡（SMB）的贡献。研究发现冰板区84%的融水通过“自下而上”和“自上而下”双模式再冻结，2017-2022年间年均滞留56吉吨融水（占全冰盖径流2-3%），揭示了冰板作为“再冻结热点”与“新兴径流区”的双重角色，为预测海平面上升提供关键参数。

　　

研究背景与科学问题
格陵兰冰盖的消融区扩张是当前气候研究的焦点之一。传统观点认为，冰盖积累区的粒雪（firn）能通过孔隙储存并再冻结40-50%的融水，形成抵御海平面上升的天然缓冲。然而，近三十年持续加剧的融化导致粒雪层孔隙被冰层堵塞，形成大面积不透水的“冰板”（ice slabs）。这些冰板阻碍了融水下渗，促使地表径流网络向更高海拔扩张，但其对融水再冻结与径流分配的实际影响长期缺乏定量数据。

研究设计与技术方法
瑞士联邦森林、雪与景观研究所（WSL）等机构联合团队，在格陵兰西南部K-Transect（67°N）冰板区（1760-1825 m海拔）开展两年野外观测：

1. 叠加冰测量：通过重复浅冰芯钻探与金属标志层法，量化11个站点的SIF厚度（精度±0.05 m w.e.）；
2. 温度监测：12米热敏链记录冰板温度动态；
3. 遥感验证：Sentinel-1 SAR反演秋季残余湿度，结合被动微波（SSMI/S）确定融化季结束；
4. 热模型构建：1D热传导模型模拟“自下而上”（冰板冷含量驱动）与“自上而下”（大气冷却驱动）SIF过程。

主要发现
1. 叠加冰形成的空间异质性

• 近地表水流主导SIF分布：距可见径流通道<50米的浅坡区域（如BHO站点）SIF达0.21-0.27 m w.e.，占当地物质平衡（cSMB）72%；
• 远离径流区的陡坡站点（如231）SIF仅0.05 m w.e.，证实融水可通过粒雪层侧向流动数公里后冻结。

2. 冰板冷含量决定夏季SIF

• 热模型显示，2022年夏季“自下而上”SIF贡献0.15 m w.e.（占总量65%），与实测值（0.16±0.05 m w.e.）高度吻合；
• 冰板6米深度升温（图2d）证实再冻结释放的潜热消耗了冷含量，其年际可恢复性维持了SIF持续发生的热力学基础。

3. 秋季局部SIF延续

• SAR显示融化结束后30天内，30%区域仍存在残余湿度（图4a）；
• 秋季SIF（0.02-0.04 m w.e.）受控于积雪厚度：0.6米积雪下“自上而下”冻结速率仅为夏季的1/3。

4. 全冰盖尺度影响

• 2017-2022年，“最可能”冰板范围（150,000 km²）年均滞留9.3 Gt融水，其中78%发生于夏季；
• 强融化年（如2019）因积雪完全消融导致SIF减少，而中等融化年（如2022）SIF达12.3 Gt，凸显冰板再冻结能力的非线性响应。

结论与意义
该研究首次揭示冰板区通过双模式SIF滞留84%融水的关键机制，修正了传统模型中粒雪主导再冻结的认知。其意义在于：

1. 气候模型优化：SIF量化结果可改进区域气候模型（如MAR）对径流的高估（当前误差达2-3倍）；
2. 海平面预测：冰板“临界厚度”概念（当前约15米）为预测消融区上界迁移提供阈值参数；
3. 极地水文新认知：冰板平坦地形延缓排水，可能在未来变暖下形成更大规模“泥浆田”（slush fields），进一步抑制径流。

论文通过多尺度观测与模型融合，为理解格陵兰冰盖物质流失的复杂反馈机制树立了新范式，相关成果发表于《Nature Communications》。