格陵兰冰盖裸冰区融水再冻结过程对径流的削减效应及其对海平面上升预测的改进意义

本研究针对当前气候模型高估格陵兰冰盖裸冰区径流的问题，通过野外测量与数值模拟相结合的方法，首次证实裸冰川冰中存在显著的融水滞留与再冻结过程。研究发现该过程使西南格陵兰年均径流减少11–17 Gt a–1，相当于气候模型模拟值的9–15%。这一机制解释了气候模型长期高估径流的现象，揭示了裸冰区作为径流增长缓冲带的关键作用，为改进冰盖物质平衡预测和海平面上升评估提供了关键理论依据。

　　

随着全球气候变暖，格陵兰冰盖（GrIS）的物质损失已成为海平面上升的主要贡献者之一。1992年至2018年间，格陵兰冰盖消融导致全球海平面上升约10.8±0.9毫米，而气候模型预测到2100年还将增加70-130毫米。其中，冰盖消融区（ablation zone）的融水径流是物质损失的主要来源。近年来，由于气温升高和夏季降雪减少，消融区内裸露冰川冰的范围不断扩大。这些暗色的裸冰表面比明亮雪面吸收更多太阳能（可达三倍），进一步加速了表面融化过程。因此，准确理解裸冰区融水的归宿对于预测海平面变化至关重要。

然而，越来越多的证据表明，当前气候模型可能系统性高估了裸冰区的径流量。传统模型假设裸冰如同不透水的高密度介质，所有表面产生的融水均立即汇入海洋。这与多孔 firn（粒雪）区的处理方式截然不同——在 firn 中，部分融水可被滞留或再冻结。这种简化处理可能与实际情况存在显著偏差，因为野外研究逐渐发现裸冰表面同样存在融水滞留和再冻结现象。由于格陵兰冰盖超过78%的融水产自裸冰区，即使小比例的滞留或再冻结也可能对物质平衡产生重大影响，并解释模型持续高估径流的现象。

为验证这一假设，研究人员在《Nature Communications》上发表论文，结合野外实测与数值模拟，深入探究了裸冰区的融水再冻结过程及其对径流的削减效应。

研究团队采用了多种技术手段来确保数据的全面性和模型的准确性。主要包括：1）利用声学多普勒流速剖面仪（ADCP）在西南格陵兰RB流域连续监测冰上河流量，获取每小时径流数据；2）布设竹制花杆网络测量冰面降低速率，辅以自动气象站（AWS）的压力传感器记录；3）钻取浅冰芯分析裸冰密度、孔隙度和含水量；4）基于WorldView卫星影像和无人机航拍进行流域边界划定和地表分类；5）开发两个过程模型——SkinModel（模拟传统气候模型表面能量平衡）和IceModel（模拟裸冰内部辐射传输与热力学过程）；6）整合区域气候模型（MAR3.11、RACMO2.3p2/p3）和再分析数据（MERRA-2）输出进行对比；7）利用MODIS卫星反演冰面反照率驱动模型。

研究结果通过多个层面验证了裸冰再冻结过程的存在及其影响：

Field evidence of meltwater refreezing in bare glacier ice

通过在RB流域的野外实验，研究团队直接观测到裸冰表面在夜间低温下出现融水再冻结现象（图3c-d）。冰芯分析显示表层冰体密度仅为690 kg m^?3，远低于气候模型假设的900 kg m^?3，证实了冰体的多孔特性及其储水能力。

Climate models overestimate meltwater runoff from the bare-ice ablation zone

对比显示，所有气候模型均高估了实测径流量，偏差范围从MERRA-2的偏低7%到RACMO2.3p3的偏高58%。即使反照率模拟最准确的RACMO2.3p3也出现严重高估，表明能量平衡的准确模拟并不足以保证径流预测的准确性。

Runoff overestimation explained by meltwater refreezing in bare ice

IceModel模拟表明，裸冰内部存在显著的热力学过程：短波辐射穿透冰体导致内部融化，融水在孔隙中滞留并在夜间再冻结（图3a）。该过程使净径流量减少，且模型预测的冰面降低速率与花杆测量高度一致（图4a），而传统模型（SkinModel）则持续高估。

Nocturnal refreezing of meltwater in the Greenland Ice Sheet ablation zone

模拟与实测数据均呈现清晰的日循环特征：白天吸热融化，夜间冷却再冻结（图3a-b）。这一过程消耗了大量能量，减少了净径流输出。

Regional significance of bare-ice refreezing

区域模拟（2009–2018年）表明，西南格陵兰裸冰区再冻结使年均径流减少11–17 Gt a^?1，相当于该区域年径流总量的9–15%（图5）。对比六个独立观测点（包括冰上湖体积填充和冰川前河流流量），IceModel表现出最低的平均偏差（-2% ±18%），而气候模型普遍高估9–47%。

研究结论强调，裸冰区融水再冻结是一个长期被忽视的物理过程，其显著削减了格陵兰冰盖的径流输出量。这一发现解释了多代气候模型持续高估径流的系统性偏差，揭示了裸冰区作为径流增长"缓冲带"的重要作用。该机制不仅对当前物质平衡评估具有修正意义，也为未来海平面上升预测提供了关键过程参数。研究者建议气候模型亟需纳入裸冰区的水文热力学过程，以提升对冰盖消融响应气候变化的预测能力。随着裸冰区范围的持续扩大，该过程的调控作用将愈发重要，需通过更多原位观测、模型开发和敏感性试验予以量化。