《Nature Geoscience》：Antarctic marine-based ice destabilized when warming outpaces solid-Earth feedbacks
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南极冰盖（Antarctic Ice Sheet, AIS）预计将成为未来数百年海平面上升的最大贡献者。此前的平衡态冰盖模拟表明，这是由于跨越了与海洋冰盖不稳定性（marine ice-sheet instability, MISI）相关的分岔点（bifurc
南极冰盖（Antarctic Ice Sheet, AIS）预计将成为未来数百年海平面上升的最大贡献者。此前的平衡态冰盖模拟表明，这是由于跨越了与海洋冰盖不稳定性（marine ice-sheet instability, MISI）相关的分岔点（bifurcation point）。研究人员在此研究易受该不稳定性影响的区域是否会发生速率诱导临界转变（rate-induced tipping, R-tipping），即快速强迫和缓慢基岩抬升在达到分岔点之前触发自持退缩（self-sustained retreat）。研究人员通过将冰盖模型与冰川均衡调整（glacial isostatic adjustment, GIA）模型耦合，并对地幔黏度（mantle viscosity）的不确定性进行采样来检验这一点。研究人员发现，缓慢的基岩调整削弱了GIA的稳定效应，使接地线（grounding lines）更容易到达逆行基岩坡（retrograde bed slopes），并在分岔阈值以下触发自持退缩。尽管西南极冰盖（West Antarctic Ice Sheet, WAIS）受分岔影响，但由于该区域下方地幔黏度较低，它不太可能经历速率诱导临界转变。相比之下，Recovery和Aurora冰下盆地即使在低于当前观测到的变暖速率下也可能发生这种转变。取决于地幔黏度，该机制可将临界全球平均温度异常（global mean temperature anomaly）降低最多0.5 K，对地球系统（Earth system）的长期演化具有重要意义。
研究背景与问题：南极冰盖（Antarctic Ice Sheet, AIS）包含西南极冰盖（West Antarctic Ice Sheet, WAIS）和东南极冰下盆地（East Antarctic subglacial basins, EASBs），其高于浮力面的体积分别约为4.3和19米海平面当量（metres of sea-level equivalent, mSLE）。这些海洋型区域基岩向冰盖内部加深；接地线（grounding line）在逆行基岩坡（retrograde bed slope）后退会增大接地带冰厚，并通过强非线性关系增大外流通量，导致去接地和进一步后退，形成海洋冰盖不稳定性（marine ice-sheet instability, MISI）；其自持退缩对应AIS分岔点（bifurcation point）。MISI驱动高排放下未来南极海平面上升（sea-level rise, SLR）高值预估，到2300年可达4 mSLE，到千年末在高排放情景下可达13 mSLE；低排放情景的部分实现到3000年也有数米贡献。既有稳定机制包括接地带地形侧限、冰架支撑、接地带较高基底摩擦、上游降水增加和冰川均衡调整（glacial isostatic adjustment, GIA）。GIA通过基岩抬升及减弱冰盖对海洋引力而降低相对海平面（relative sea level），对冰退提供负反馈；其时间尺度主要受地幔黏度（mantle viscosity）控制，但多数冰盖模拟假定其均一，实际在东南极克拉通与西南极裂谷系间可横向变化数个量级。问题是：GIA稳定反馈的瞬态滞后是否可使AIS海洋型区域在达到分岔点前发生速率诱导临界转变（rate-induced tipping, R-tipping），且幅度是否受地幔黏度控制；此前暖化下AIS的R-tipping尚未被研究。研究人员将Yelmo热力学三维冰盖模型与FastIsostasy区域GIA模型耦合，采样地幔黏度不确定性，检验上述假设。研究结论表明，Recovery和Aurora冰下盆地可能在低于现今观测的变暖速率下发生R-tipping，WAIS不太可能，Wilkes冰下盆地（Wilkes subglacial basin, WSB）仅边缘；该机制可将临界全球平均温度（global mean temperature, GMT）异常降低最多0.5 K，对地球系统长期演化具有重要意义。该研究发表于《Nature Geoscience》。
关键技术方法：研究人员采用Yelmo热力学三维冰盖模型（16 km水平分辨率、10个垂直层；Glen流律指数n=3；接地带潮汐部分融水参数化；von Mises型崩解；局部能量平衡基底水文；正则化Coulomb基底摩擦；以现代表面高程和速度反演基底摩擦系数，误差处于ISMIP6范围）与区域GIA模型FastIsostasy（解析岩石圈厚度、上地幔黏度横向变化及海面高程变化）耦合；将三维黏度扰动?2σ、?1σ、0、+1σ、+2σ聚为二维有效黏度，岩石圈厚度固定。强迫将GMT异常按1.8倍转为区域大气异常并叠加至RACMO2.3 2023气候场，考虑?6.5 K km
?1递减率、5% K
?1降水异常和正度日法表面融水；南大洋增温取区域大气增温的25%，叠加至ISMIP6现今海洋温度并以二次非局部定律转为冰架底部融水。无样本队列来源。
研究结果：
Slow bed uplift could lead to R-tipping：研究人员基于理想动力系统中稳定反馈瞬态滞后可在分岔点下触发临界转变的认识，提出高上地幔黏度会延迟接地带相对海平面降低、特别是在高强迫速率下促进接地带向逆行坡后退并起始MISI的假设；通过Yelmo-FastIsostasy耦合、五个黏度设置及模型误差处于ISMIP6范围的设置进行检验，岩石圈厚度因不确定性可忽略而固定。该小节支持慢基岩抬升可导致R-tipping的机制框架。
Equilibrium stability of the AIS：通过准平衡与分支实验评估分岔点。以+1.2 K为起点，自适应强迫仅在AIS体积损失率低于观测2000–2017年平均的三分之一时以0.05 K kyr
?1缓慢增温，否则保持强迫恒定；0σ情况下每0.1 K GMT异常分支30 kyr。结果显示平衡点接近自适应强迫曲线，五个最大分岔对应WAIS（3.3 mSLE）、WSB（5 mSLE）、Recovery冰下盆地（Recovery subglacial basin, RSB；2.2 mSLE）以及Aurora冰下盆地（Aurora subglacial basin, ASB）外部和内部区域（1.7和3.2 mSLE）。在±1σ、±2σ准平衡实验中，黏度增加使RSB和ASB分岔点略向低强迫移动，RSB最明显但?2σ至+2σ仅0.2 K；分岔幅度上WSB的+2σ较?2σ多损失约2 mSLE，其他盆地差异多小于1 mSLE。结论是采样现实地幔黏度范围仅边际影响AIS分岔。
R-tipping of the East Antarctic subglacial basins：通过从1.2 K阶跃至目标GMT异常（无限强迫速率，最大化R-tipping），以约0.05 K间隔寻找导致盆地崩溃的最小目标值作为R-tipping点，并与分岔点之差定义为R-tipping gap。结果显示WAIS的gap为0 K；WSB为[?0.15, 0] K，RSB为[?0.3, ?0.1] K，ASB外部为[?0.1, 0] K，ASB内部为[?0.4, ?0.05] K；幅度随黏度扰动增加，且在高地幔黏度区域更大。进一步用理想ramp实验（升至目标后恒定）覆盖古气候至未来变暖速率：RSB的R-tipping随黏度增加，gap随ramp斜率增大，并在与黏性基岩抬升时间尺度一致时消失；最大gap（?0.3 K）已在约0.07 K per century达到，远小于现今和未来速率，因冰盖作为低通滤波器限制冰退速率；慢速率（<0.1 K per century）已足以产生时间尺度分离。ASB呈相同定性行为。RCP8.5（Representative Concentration Pathway 8.5）到2300年平均8 K GMT异常可提供足够强迫，除渐进冰退造成大SLR外，可能超过WAIS和WSB分岔（约8 mSLE自持SLR贡献）并可能触发RSB和ASB的R-tipping（约7 mSLE自持SLR贡献）。
Controls on the R-tipping gap：通过同一ramp实验比较不同黏度，研究人员发现黏度增加使RSB接地带关键区域基岩抬升更慢，+2σ较?2σ在数千年后基岩抬升亏缺超过100 m，妨碍分岔点下有效稳定，表现为体积曲线分叉。沿接地线后退方向剖面，临界时步显示：?2σ较快基岩抬升部分补偿后退并在x = 80 km形成钉扎点（pinning point），阻止海洋融化和进一步进入逆行坡；0σ和+2σ抬升不足，钉扎点不出现；+2σ在t = 22 kyr后接地线很快到达逆行基岩并进入不稳定；0σ接近形成钉扎点并显著延迟，但未能在x = 160 km处逆行坡前稳定。机制上，基岩抬升对冰载荷线性，但与水深地形相互作用可产生强非线性：海平面以下接地带部分暴露于更大底部融化。高黏度还可导致R-tipping和更低分岔点（RSB的+2σ较?2σ约低0.2 K）；后者可能为稳定景观实际移动或准平衡模拟中持续的速率诱导效应，研究人员认为后者更可能，但验证需过长模拟。
Implications for future sea-level rise：RCP8.5到2300年平均强迫表明高排放情景会超过多数AIS区域的分岔和速率诱导阈值；超过临界强迫不必然意味着盆地崩溃，若随后冷却足够快且幅度足够大；但这种overshoot带来大SLR速率风险及最多40–45 mSLE的committed SLR，且可能低估，因为包含反照率反馈而非固定GMT至区域异常转换的AIS平衡模拟可触发AIS完全崩溃。虽然情景理想化，对现实SLR预估有重要意义：若冰盖模型耦合的GIA模型未考虑固体地球横向变化，排放情景触发R-tipping的可能性可能在WAIS被高估、在EASBs被低估；支持大陆尺度AIS模拟采用解析横向变化的GIA模型。AIS平衡图有时由阶跃实验获得，但阶跃实验最大化R-tipping可能性并可能偏倚分岔估计。原文以指标总结SLR速率：五个最大分岔的自主崩溃持续约5 kyr（WAIS）至约12 kyr（Recovery），平均自主SLR速率0.1（RSB）至0.5 mm yr
?1（WAIS），最大0.4（ASB外部）至1.8 mm yr
?1（WAIS）；现实GMT到2300年单调增加，故自主SLR速率为下界。9 K阶跃实验给出上界：平均和最大SLR速率通常增加一个数量级以上，WAIS平均最大达25.2 mm yr
?1，约为融水脉冲1A（Meltwater Pulse 1A, MWP1A）重建SLR速率的一半；Recovery和Aurora最大分别达5.7和2.8 mm yr
?1，而1992–2017年南极平均贡献仅0.4 mm yr
?1。上述界限保守且受冰–海相互作用等模型限制，数字为指示性而非最终评估。
讨论部分总结：地幔黏度是AIS海洋型区域R-tipping的强控制因素，需更好约束。以?2σ分岔点与各黏度R-tipping点之差定义的累积gap，在ASB和RSB可达0.5 K；关闭GIA的相关结果为准平衡分岔点提供上界。WAIS与WSB几乎无R-tipping：两区失稳前冰减薄和GIA响应较小，前几千年临界接地带平均基岩抬升仅约1.5 m和18 m，而RSB和ASB可达150 m和170 m；一般规则是只有滞后负反馈在失稳前平衡态具显著幅度时，瞬态模拟才出现R-tipping。所用黏度场在东南极?2σ低于多数文献、+2σ在典型范围，研究区间可能偏向低黏度，故WSB、RSB、ASB实际R-tipping幅度可能更接近0σ、+1σ、+2σ；西南极名义黏度相对文献偏大，GIA可能更快，进一步降低WAIS R-tipping可能性；结果对文献常见值具稳健性。计算上，大量16 km分辨率模拟约100 Myr模型时间由FastIsostasy实现；MISI可靠量化需<5 km分辨率但系统研究不可行，故本研究重在解释R-tipping可能性，稳健量化需模型比较；R-tipping不限于海洋型，也可源于非GIA时间尺度分离；本结果中R-tipping随速率单调增加，而有些系统可非单调。研究结论翻译：总之，研究人员表明Recovery和Aurora冰下盆地可能受R-tipping影响，即使强迫速率远小于未来排放情景预测值。模拟表明，GIA响应虽然在平衡态中可观，但在速率低至约0.01 K per century时也可能被强烈延迟并因此几乎缺失。这种延迟源于Recovery和Aurora地区高上地幔黏度，并使接地带向逆行基岩部分迁移更容易，从而触发自持退缩。在地幔黏度估计的±2σ范围内，R-tipping可能边缘化，也可能达到0.5 K GMT异常的间隙。这凸显更好约束南极地幔黏度以获得更可靠SLR预测的重要性。同样重要的是，WAIS中R-tipping可忽略，WSB仅边缘，主要由于MISI起始前GIA响应较小和局部较低地幔黏度。继续该工作的自然方式是研究过去冰盖的R-tipping；例如Hudson Bay和Kara Sea沿岸地幔黏度高于全球平均，可能曾导致Laurentide和Eurasian冰盖R-tipping。
