《Nature Communications》：Three-dimensional reconstruction of glacier-derived freshwater in East Antarctica using an end-member-independent hydrographic parameterization
编辑推荐：
摘要译文：南极冰盖的融化对全球海平面上升和广泛的海水淡化有贡献。这一过程的主要驱动力是温暖深水侵入大陆架，从而增强冰架基底融化并削弱其对内陆冰的支撑作用。然而，在东南极，冰川来源淡水的三维分布仍缺乏充分约束。本研究提出一种混合多元线性回归–神经网络（MLR–N
摘要译文：南极冰盖的融化对全球海平面上升和广泛的海水淡化有贡献。这一过程的主要驱动力是温暖深水侵入大陆架，从而增强冰架基底融化并削弱其对内陆冰的支撑作用。然而，在东南极，冰川来源淡水的三维分布仍缺乏充分约束。本研究提出一种混合多元线性回归–神经网络（MLR–NN）框架，利用溶解无机碳（DIC）残差重建冰川来源淡水，而无需预先设定固定的淡水端元组成。将该框架应用于托滕冰架和莫斯科大学冰架附近的水文观测，研究人员估算其淡水排放速率分别为70 ± 7 Gt yr?1和53 ± 9 Gt yr?1。重建的淡水信号延伸至大陆架以南约64°S。研究人员还识别出2010年代与2020年代观测数据之间的淡水排放差异，但稀疏的时间采样使这些差异不足以被解释为稳健的长期趋势。本研究结果提供了该东南极海域冰川来源淡水的三维观测重建，并展示了非端元独立水文参数化方法在数据稀缺的极地环境中研究冰川–海洋相互作用的潜力。
论文解读：研究背景与意义
南极冰盖储存了地球约70%的淡水，若完全融化相当于全球平均海平面上升约58米。在全球变暖背景下，南极冰盖质量损失速率不断加快，尤其是西南极和南极半岛地区，海洋与大气增暖导致的冰架变薄和接地线退缩是主要驱动力。进入21世纪10年代以来，南极对全球海平面上升的贡献显著增加。暖的绕极深层水（CDW）侵入大陆架并进入冰架空腔，增强冰架基底融化，削弱冰架对内陆冰的支撑作用，是当前南极冰盖—海洋相互作用研究的核心问题。然而，在东南极，尤其是托滕冰架和莫斯科大学冰架所在的奥罗拉冰下盆地，冰川来源淡水在海洋中的三维分布仍缺乏系统观测约束。该区域冰架接地线远低于海平面，对暖水入侵高度敏感，但现有观测极为稀疏，传统端元混合分析需要预先定义空间和时间上变化的淡水端元，带来很大不确定性。卫星遥感无法直接观测海洋中的淡水分布，数值模拟则受限于地形、强迫场和物理化学过程的误差。因此，发展一种不依赖固定端元、能够从常规水文观测中重建冰川来源淡水三维分布的方法，对研究东南极冰架—海洋相互作用具有重要意义。
研究人员开展了什么研究
针对上述问题，研究人员提出了一种混合多元线性回归–神经网络（MLR–NN）参数化框架。该框架利用温度（T）、盐度（S）、压力（Pr）和表观耗氧量（AOU）等常规水文变量，分别对南大洋开阔海域（SOopen）和沿海海域（SOcoastal）的溶解无机碳（DIC）浓度进行参数化预测。其核心思想是：DIC浓度可分解为受内部海洋动力过程控制的部分和受外部过程（如冰川淡水输入）控制的部分。通过计算观测DIC与参数化预测DIC之间的残差，即可在不预设淡水端元的情况下估算冰川来源淡水比例（Fg）。研究人员使用GLODAPv2.2023数据集（2000–2021年南大洋观测数据）开发并验证了参数化方程，开放海域参数化基于53,565条观测，R2=0.99，平均绝对偏差（MAD）=3.81 μmol kg
?1；沿海海域参数化基于3,683条观测，R2=0.97，MAD=3.71 μmol kg
?1。随后，将该框架应用于日本南极考察队（JARE）59-65航次以及GLODAPv2.2023中托滕冰架和莫斯科大学冰架附近的水文观测数据，并结合2022–2024年布设在托滕冰架前缘TM1锚系站（116.51°E，66.60°S，水深1020 m）的500、880和1000 dbar三层时间序列观测，重建了2012–2024年间该海域冰川来源淡水的三维分布。
主要研究结果
淡水来自东南极冰川融化
研究人员建立了SOopen和SOcoastal两个区域的混合MLR–NN DIC参数化方程，并利用DIC残差估算了Fg。参数化方程的预测精度较此前仅用多元线性回归（MLR）的方法提高了近40%。DIC因空间变异性大、分析精度高、对淡水输入敏感，被选为目标变量；总碱度（TA）虽也进行了评估，但DIC适用浓度范围更广、预测精度更高。Fg的估算不确定度约为24%。
东南极冰川融化淡水的空间分布
在托滕和莫斯科大学冰架前缘的萨布丽娜海槽内、约66°S以南，深度约100 dbar以浅的表层水中，Fg普遍超过10‰，该层以低盐、低温为特征，反映海冰融水和冰山输入的影响。在约100–500 dbar深度范围内，Fg维持在约2‰左右，此结果与此前基于δ1?O端元计算的冰川融水估算一致。在文森斯湾（约107°E，66°S），表层以下Fg接近零，不同于冰架前缘区域。在约65°S以北的SOopen海域，100 dbar以浅仅有轻微正值，100 dbar以下接近零，深水平均异常仅为0.3‰，这些区域的近零信号为参数化方法提供了独立验证。TM1锚系站数据显示，2022–2024年期间托滕冰架前缘的年均Fg在1000 dbar为2.1±0.4‰，880 dbar为2.8±0.4‰，500 dbar为2.0±0.6‰，总体上浅层Fg更高，与暖mCDW进入冰架空腔、诱发基底融化、融水富集海水浮力增加并向上混合的物理过程一致。
讨论部分总结
在托滕和莫斯科大学冰架前缘，经海冰校正的水柱平均淡水比例Fg(c)ave超过2‰，向海方向逐渐减小，至64°S附近趋近于零，反映淡水与周围海水混合稀释的过程。基于观测约束的数值模拟给出的顺时针陆架环流气候平均输运量为0.8–1.2 Sv（1991–2020年），研究人员取中值1.0 Sv乘以两区域的平均Fg(c)ave（托滕区域2.23±0.21‰，莫斯科大学区域1.67±0.28‰），估算出托滕冰架前缘基底融水通量Rm为70±7 Gt yr
?1，莫斯科大学冰架前缘为53±9 Gt yr
?1；若将输运量±20%的不确定性纳入，则分别为70±16 Gt yr
?1和53±14 Gt yr
?1。这些估算与此前基于卫星的基底融化速率估算在误差范围内一致，验证了该方法的可靠性。此外，2010年代与2020年代相比，托滕区域Rm估计增加130±26%，莫斯科大学区域增加218±46%，可能与mCDW入流增强导致的冰架融化加剧有关，但受观测时间稀疏限制，这些差异不能解释为稳健的长期趋势。
研究结论
本研究提出并验证了一种非端元独立的水文参数化方法，利用溶解无机碳（DIC）残差重建了东南极托滕和莫斯科大学冰架前缘海域冰川来源淡水的三维分布。研究估算出托滕冰架前缘基底融水通量为70±7 Gt yr
?1，莫斯科大学冰架前缘为53±9 Gt yr
?1，淡水信号可延伸至约64°S。该方法不依赖固定的淡水端元组成，可在大范围时空尺度上利用常规水文观测数据估算冰川来源淡水，为极地数据稀缺环境下监测冰川—海洋相互作用提供了新的有效工具。该成果发表在《Nature Communications》。
