格陵兰冰盖融水积聚对表面辐射效应的低估研究

本研究针对格陵兰冰盖表面融水积聚（meltwater ponding）对冰面反照率（albedo）及辐射效应的关键影响展开系统性观测。通过结合卫星遥感与无人机高分辨率影像，研究人员发现中小规模融水体（<100 m2）在冰盖消融区广泛存在，其辐射效应被传统中分辨率卫星影像严重低估（约3-4倍）。结果表明，融水积聚在海拔1000-2000 m区域贡献了高达51%的局地反照率变异，并显著增强能量吸收（2019年夏季达15.7±8.6 PJ·d?1）。该研究首次为融水-反照率反馈机制提供全冰盖尺度的定量约束，强调当前冰盖-气候模型需纳入此过程以提升海平面上升预测精度。

　　

随着全球气候变暖，格陵兰冰盖（Greenland Ice Sheet）自1990年代以来持续失去质量，在2006-2018年间贡献了全球海平面上升的约20%。这一质量损失主要源于气温升高导致的表面融化和径流增加。冰盖表面反照率（albedo）与融化过程之间存在强烈的辐射反馈机制，即“融化-反照率反馈”（melt-albedo feedback）：气候变暖促使冰面融化，降低反照率，从而增加短波辐射吸收，进一步加速融化。准确量化这一反馈的强度，对预测格陵兰冰盖未来融化及全球海平面上升至关重要。

尽管已有研究关注雪线波动、冰藻繁殖和雪粒尺寸等因素对反照率的影响，但融水积聚（meltwater ponding）这一关键过程却长期被忽视。夏季，格陵兰冰盖表面产生大量融水，并以多种形式暂时存储，包括直径仅数厘米的冰尘孔（cryoconite holes）和面积达10 km2的超级冰川湖（supraglacial lakes）。实地观测和遥感分析均表明，这些水体具有极低的反照率，其周边融化速率可比非淹没冰面高出110-170%。然而，这些局部测量未能推广至全冰盖尺度，融水积聚的辐射效应及其相对其他反照率降低过程的贡献一直缺乏系统约束。

随着中分辨率卫星影像（如Landsat和Sentinel-2）的普及，研究者开始尝试绘制全冰盖范围的表面水体分布图。这些研究揭示了2018（冷夏）和2019（暖夏）两年夏季的表面水覆盖情况，为直接探究融水积聚的辐射效应提供了初步机会。尽管如此，由于卫星分辨率限制（10-30 m），大量窄小河流和小型池塘（<100 m2）无法被识别，可能导致对实际辐射效应的严重低估。

为此，Jonathan C. Ryan等研究人员在《Nature Communications》发表了题为“Meltwater ponding has an underestimated radiative effect on the surface of the Greenland Ice Sheet”的研究论文，通过结合卫星遥感与无人机高分辨率影像，首次对格陵兰冰盖融水积聚的辐射效应进行了全冰盖尺度的定量评估，揭示了其被传统卫星方法低估3-4倍的重要发现。

研究团队主要应用了多项关键技术方法：首先，利用Sentinel-2卫星影像生成2018年7月25-30日与2019年7月29日至8月5日的表面水体分布图，空间分辨率为10 m；其次，结合MODerate resolution Imaging Spectroradiometer（MODIS）的MCD43A3反照率产品，量化融水积聚对反照率的影响；第三，整合MERRA-2再分析数据中的向下短波辐射和近地表气温数据，计算辐射效应；最后，通过2015年7月在西南格陵兰两个野外观测点（包括Russell Glacier和黑暗带地区）获取的无人机影像（空间分辨率0.3 m），生成高精度表面水体分布图，验证卫星产品的准确性。样本区域覆盖约300 km2，海拔范围150-1290 m。

融水积聚对空间反照率变异的贡献

通过叠加卫星反演的表面水体图与反照率产品，研究发现融水积聚显著影响7月末8月初的空间反照率变异（图1a-d）。在海拔1000-2000 m区间，融水积聚在短尺度（<3 km）上贡献了高达51%的反照率变异（图2a）；即使在25 km尺度上，仍占24.2%（1000 m海拔）。在低海拔区域（0-600 m），由于陡坡促进排水，融水对反照率变异的贡献降至8.1%（25 km尺度）；而高于2000 m的区域，因融化较少，贡献进一步减少至3.4%。这表明融水积聚在冰盖上部的消融带和下渗浸带（percolation zone）对反照率空间变异起主导作用。

融水积聚的辐射效应

表面反照率与融水面积在短尺度（≤10 km）呈强负相关（平均r = -0.63）。局部线性回归显示，地表水体比例每增加10%，反照率降低0.011±0.006。结合MERRA-2向下短波辐射数据，量化得到融水积聚的辐射效应存在显著海拔差异：2019年夏季，在1000-2000 m海拔区，辐射效应平均达0.30±0.16 W·m?2；低海拔（<600 m）和高海拔（>2000 m）区分别平均为0.13±0.07 W·m?2和0.002±0.001 W·m?2。全冰盖总和显示，融水积聚使能量吸收在2018年7月25-30日增加5.7±3.1 PJ·d?1，在2019年7月29日至8月5日增加15.7±8.6 PJ·d?1。相比2019年夏季冰盖总短波辐射效应（2176 PJ·d?1），融水贡献占比为0.7±0.4%，但这一值可能因季节初更多融水积聚而更高。

辐射效应在渗浸带最强。例如，北格陵兰1000-1200 m海拔区的辐射效应（10±0.5 W·m?2）远高于低海拔区（200-400 m为0.1±0.06 W·m?2）；西南格陵兰1600-1800 m区达1.9±1.0 W·m?2，超过黑暗带（1000-1400 m）的6倍。近期研究显示，渗浸带近表层冰层（ice slabs）的形成减少粒雪（firn）储水能力，促进地表径流，可能是该区域融水积聚显著的主因。

辐射效应的年际变异主要受气温驱动。2019年夏季近地表气温比2018年高1.76 K，融水覆盖面积增加1715 km2·K?1，辐射效应增加速率达+5.7±5.2 PJ·d?1·K?1。但这一关系可能受极端融化事件（如2012年）后近表层冰层增多的非线性影响，需进一步研究。

无人机高分辨率影像中的融水积聚

为验证卫星产品准确性，研究团队分析了2015年7月获取的无人机影像（0.3 m分辨率）。在冰盖边缘的Russell Glacier地区（150-660 m海拔），2015年7月11-12日仅0.001%表面被水体覆盖，与Sentinel-2结果一致，表明边缘区融水积聚可忽略。然而，在黑暗带地区（1170-1290 m海拔），2015年7月21日水体覆盖达3.6%，是卫星估算值（2018年0.9%，2019年1.2%）的3-4倍。尽管年际融化量存在差异，但2015年与2018年同期径流量相近，且2019年映射前径流更多，表明差异主因是空间分辨率不足。

无人机影像揭示了数千个面积<100 m2的池塘和窄流，这些特征占全部水体面积的53.7%，但Sentinel-2影像（10 m分辨率）无法识别任何<100 m2的水体，且低估<1000 m2水体的数量（图5）。因此，卫星产品严重低估了融水总面积。基于无人机数据，黑暗带2015年7月21日的辐射效应为0.9±0.5 W·m?2，占该区域冰川冰反照率变化总辐射效应（19.1 W·m?2）的4.7±2.6%，显著高于卫星预测值（2018年0.2±0.1 W·m?2，占1.0%；2019年0.3±0.2 W·m?2，占1.7%）。若在辐射效应更强的下渗浸带（如西南格陵兰1600-1800 m区）也存在类似低估，融水积聚的贡献可能高达总短波辐射效应的9%。

结论与讨论

本研究通过多源遥感数据首次全面评估了格陵兰冰盖融水积聚的辐射效应，得出四项核心结论：第一，融水积聚对局地反照率空间变异具有重要影响，尤其在渗浸带；第二，其辐射效应在渗浸带最强，边缘区最弱；第三，2019年夏季融水积聚贡献全冰盖短波辐射效应的0.7±0.4%；第四，辐射效应随夏季气温升高而增加（+5.7±5.2 PJ·d?1·K?1）。鉴于能量吸收与融水径流的密切关系，以及气候变暖下融水积聚的潜在增加，当前冰盖-气候模型需纳入这一过程以提升预测精度。

卫星基准结果应视为辐射效应的下限，因为无人机高分辨率影像揭示中小规模水体（<1000 m2）占融水总面积的63.6%，其辐射效应被中分辨率卫星低估3-4倍。此外，研究指出液态水还可通过增大雪粒尺寸和填充雪粒间隙（slush formation）降低雪反照率，其在渗浸带的辐射效应可能远超融水积聚，需未来研究重点关注。

总之，该研究为融水-反照率反馈机制提供了关键观测约束，强调耦合气候-冰盖模型需引入融水积聚的辐射效应，从而更准确预测格陵兰冰盖对海平面上升的贡献。在气候持续变暖的背景下，忽视这一过程可能导致对未来融化速率的系统性低估。