基于MGWR降尺度的格陵兰冰盖高空间分辨率质量变化及其与格陵兰阻塞和北大西洋涛动的关联

《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》：High spatial resolution Greenland Ice Sheet mass change linked to Greenland Blocking and North Atlantic Oscillation

　　

高空间分辨率格陵兰冰盖质量变化与格陵兰阻塞和北大西洋涛动相联系。研究人员利用多尺度地理加权回归（MGWR）对格陵兰冰盖冰质量变化进行降尺度；连续降尺度结果保持空间格局并显示更精细的信号；连续降尺度结果利用自由空气重力异常进行验证；讨论了四个阶段中影响冰质量变化的气候机制。

格陵兰冰盖（Greenland Ice Sheet, GrIS）是1990年代以来全球海平面上升的最大贡献者之一，卫星测高时期表面质量损失加速，准确估算其质量损失对理解海平面变化和气候变暖响应具有重要意义。常用体积-质量法（volume-derived mass method, VMM）、质量收支法（mass budget method, MBM）和重力质量法（gravimetric mass method, GMM）。VMM对压实密度和雷达穿透雪层等物理过程信息不足；MBM依赖通量门冰厚、冰速和区域气候模式估算表面质量平衡（surface mass balance, SMB）；重力恢复与气候实验（Gravity Recovery and Climate Experiment, GRACE）精度高但空间分辨率约300—400 km，且GRACE与GRACE后续任务（GRACE Follow-On, GRACE-FO）间有11个月空档，GRACE足迹约200,000 km2限制中小尺度应用。Shi et al. (2024)重建的RCSR Mascon可降低噪声和不确定性。降尺度方面，Mascon可提高到约200 km但计算复杂且受GRACE/GFO带宽限制；点质量法25 km计算密集并可能抑制高频；统计降尺度较动力降尺度高效、误差少、依赖物理模型少，但像素-时间降尺度受原像素限制，像素-空间降尺度忽略空间异质性易过拟合。多尺度地理加权回归（multiscale geographically weighted regression, MGWR）允许各变量具有独特带宽并揭示尺度动态，已有研究表明其优于地理加权回归（geographically weighted regression, GWR），但MGWR在GrIS降尺度的效率和精细信号揭示能力尚不清楚，且缺乏原位验证。为此，研究人员用MGWR融合高分辨率测高和气候变量，提高GRACE衍生冰质量变化分辨率，并以自由空气重力异常（free-air gravity anomaly）独立验证，增强GRACE/GFO小尺度应用并理解气候机制。

关键方法：使用Shi et al. (2024)重建的GRACE/GRACE-FO CSR RL06 Mascon数据（2002年4月—2020年12月，RCSR Mascon）；辅助数据包括MAR v3.12.1的SMB、升华（SU）、降雪（SF）、降雨（RF）、径流（RU），Zhang et al. (2022a)的5 km地表高程变化（Ele），以及HadISST的海表温度（SST）和海冰浓度（SIC）；以偏最小二乘回归（PLSR）的变量投影重要性（VIP）和方差膨胀因子（VIF）筛选预测因子；用MGWR建立RCSR Mascon与0.25°预测因子关系并作残差校正，经最近邻和Gaussian空间平均插值到5 km；用Sander AIRGrav自由空气重力异常（5 km×7 km）验证，采用相关系数（CC）、均方根误差（RMSE）和偏差（Bias）评价。

3.1 空间变化特征。PLSR显示Ele、SMB、SU、RF、SF、RU的VIP>0.80，VIF显示Ele、SF、SMB、SU共线性低。比较2012年7月、2017年9月、2019年8月及趋势，降尺度结果与RCSR Mascon空间格局相似，但残差校正后更细更平滑，CC为0.94—0.97、RMSE为20.69—37.15 cm、Bias为5.41—7.03 cm；断面显示降尺度结果揭示RCSR Mascon未发现的空间信号。2012和2019年夏季NW、CW、NE质量损失范围扩展/退缩，NW总扩展北45 km、南60 km、东35 km，CW东55 km、北15 km、南65 km，NE西15 km、北5 km、南10 km；方向性变化归因于冰流，仅降尺度结果可见。

3.2 时间变化特征。降尺度与RCSR Mascon时间序列在GrIS和子区CC=0.99；RMSE为1.50 Gt（NE）至11.06 Gt（SE），平均5.41 Gt；绝对Bias为0.21 Gt至6.15 Gt，平均3.29 Gt；GrIS RMSE为16.38 Gt与误差累积有关。去趋势和季节项后年际CC/RMSE/绝对Bias均值0.99/2.49 Gt/1.53 Gt。与Swarm、卫星激光测距（SLR）、MBM比较，与SLR的CC>0.98各子区和全GrIS；与GRACE/GFO信号CC均值Swarm为0.56—0.88、SLR为0.91—0.97；MBM趋势相似但有差异，全GrIS降尺度速率为-180.60±1.54 Gt/yr，MBM为-218.96±1.87 Gt/yr，MBM可能高估质量损失，差异来自冰川均衡调整（GIA）、固体冰排放（D）和SMB不确定性。

3.3 自由空气重力异常验证。用Sander机载重力异常，处理为2004—2009异常，差值比较重叠飞行线和交点并3σ剔除异常。重叠线降尺度变化与重力异常变化平均CC为0.32，RCSR Mascon为0.13；RMSE为1.13 vs 1.36。交点平均CC为0.29 vs 0.06，RMSE为1.05 vs 1.33。NW和NE优于南部，SW和CW部分线不理想；整体降尺度结果更能捕捉动态质量变化，RCSR Mascon缺乏小尺度变化。

4 气候与冰质量变化的联系。用累积格陵兰阻塞指数（GB_I^Σ）和累积北大西洋涛动指数（NAO_I^Σ）回归去线性/年/半年项，并用SST和SIC解释D。Phase 1（2002年4月—2009年12月）平均GBI异常0.02、NAOI异常-0.08；东南格陵兰正位势高度（GPH）异常、西北欧强低压。MDI-GB_I^Σ西部高于东部；GB_I^Σ增加、NAO_I^Σ略降；GB通过增强降水、减少径流驱动南部和西部质量积累，NAO通过减少降水贡献东西差异；二者共同增加SW/CW冰质量、降低NO/NE；SE的D最大，NO/NE/NW的D较低，SW/CW较高。Phase 2（2010—2012）GBI异常0.36、NAOI为-0.45；SE海岸SW-NE反气旋，负NAO和增强Arctic Dipole放大GB，格陵兰最强GPH异常。MDI-GB_I^Σ造成沿海质量损失，MDI-NAO_I^Σ呈强东西分布；降水SE减少、NE增加；南部沿海径流较高；东部SIC增、西部SIC减；NE的D增加最少，SW/SE变化小于Phase 1，NW/CW的D显著增加。Phase 3（2013—2017）GBI异常-0.22、NAOI为0.19，经典正NAO；SE附近负GPH异常、中大西洋副高。NAO主导GB驱动质量损失；GB_I^Σ和NAO_I^Σ趋势相反且空间分布相反协同影响；NAO对降水贡献大于GB；持续负GB导致广泛冷却和融化减少；NAO减少径流强于GB增加径流；解释质量损失减速；西部SIC增SST降、东部SST暖；GrIS的D低于Phase 2；SE和CW的D下降，NW和NE的D增加最大，SW和NO稳定。Phase 4（2018—2020）GBI异常-0.16、NAOI为0.34；2019年GBI峰值、2018年NAO高正相位；东加拿大和GrIS高GPH异常，SE低压、西北欧高压。MDI-GB_I^Σ东部高、MDI-NAO_I^Σ沿海高；NAO_I^Σ和GB_I^Σ均上升；NAO通过减少径流驱动沿海质量累积，GB略增径流；极端质量损失反映南部降雪亏缺和NE径流放大；西部SIC低SST高；SW/CW/NW的D明显减少，东部和NO的D略持续增加。

讨论表明，Phase 1反气旋将湿暖空气导向东格陵兰，GB径流系数显著且与MDI-GB_I^Σ空间格局一致，支持GB比NAO更直接关联径流；SE高SIC但D较高，SW/CW低SIC通过减弱支撑增加D。Phase 2格陵兰中心反气旋导致暖干夏季，高GB通过热力联系造成极端温度异常，负NAO减少云量/反照率增强融化，南部沿海径流较高，SW/SE的D稳定，CW/NW的D增加。Phase 3正NAO减弱东北风，干冷空气进入西部、湿暖空气进入东部，东西SST/SIC对比由正NAO极地干冷空气平流引起，质量损失减速主要因NAO减少径流，NW/NE的D增加因SIC减少。Phase 4 GB与正NAO共存表明驱动极端条件的大气格局不同；2019反气旋带来湿暖空气导致创纪录融水径流，NAO_I^Σ引起的质量累积部分抵消GB_I^Σ损失；正NAO减少基底润滑使SW/CW/NW的D减少，NO的D略增由降雪减少、反照率降低和SIC减少增强支撑；Jakobshavn Isbr?在CW的D受海洋强迫和冬季正NAO冷却影响。结论翻译：极区GRACE降尺度研究有限，GRACE/GFO CSR Mascon粗分辨率阻碍区域动态分析，基于高分辨率分析GB和NAO贡献差异的研究少。本研究用MGWR将RCSR Mascon从0.25°提高到5 km，降尺度结果与RCSR Mascon高度一致（CC为0.94—0.97，RMSE为20.69—37.15 cm），时间序列CC达0.99，噪声少于MBM、Swarm和SLR；自由空气重力异常验证显示重叠线平均CC由0.13升至0.31，交点平均CC由0.06升至0.29、平均RMSE由1.33降至1.05。GB和NAO通过降水和径流影响冰质量变化：2002—2009 NAO更相关降水，GB通过温度影响；2010—2012快速损失主要由高GB相关高温驱动；2013—2017 NAO影响显著大于GB；2018—2020正NAO和GB共存因对径流相反影响和对降水协同增加使质量损失低于2010—2012；SST和SIC可部分解释D变化。