DOI: https://doi.org/10.5194/tc-19-597-2025
تاريخ النشر: 2025-02-10
المؤلف: Ella Gilbert وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات وملاحظات الكريوسفير
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تفاعل الأنهار الجوية (ARs) مع تضاريس خليج أموندسن في غرب القارة القطبية الجنوبية، مع التركيز على أنماط الهطول خلال الصيف والشتاء. باستخدام ثلاثة نماذج مناخية إقليمية (RCMs) بدقة مكانية تبلغ 1 كم—MetUM وPolar-WRF وHCLIM—تجد الدراسة أن هذه النماذج تقدم تقديرات تساقط الثلوج التي تتماشى بشكل وثيق مع القياسات المرصودة فوق رفوف الجليد ثويتس وجزيرة باين، على عكس إعادة تحليل ERA5، التي تقلل بشكل كبير من تقديرات تساقط الثلوج بمقدار 3-4 مرات. تشير RCMs إلى أن ARs تساهم بعدة مليمترات من الأمطار في كلا الموسمين، مع تركيز الأمطار حول التضاريس الشديدة بسبب التأثيرات الأوروجرافية، على الرغم من أن غياب بيانات الأمطار في الموقع يحد من التحقق المباشر من هذه النتائج.
تخلص الدراسة إلى أن RCMs تلتقط بفعالية ديناميات أحداث الهطول الشديد، حيث تظهر MetUM وPolar-WRF إجماليات هطول متراكمة مشابهة، بينما تقدم HCLIM وERA5 تقديرات أقل. من الجدير بالذكر أن نموذج MetUM يظهر أن دقة المكان العالية تعزز من دقة تمثيل مرحلة الهطول، خاصة في التقاط الانتقال بين المطر والثلج. تؤكد النتائج على ضرورة النمذجة عالية الدقة لفهم التفاعلات المعقدة بين ARs والتضاريس، فضلاً عن الحاجة الملحة لملاحظات الهطول في الموقع، خاصة مع احتمال زيادة تغير المناخ لتكرار الأمطار في هذه المنطقة الحساسة. يُقترح إجراء مزيد من البحث لاستكشاف العمليات الميكروفزيائية التي تؤثر على الهطول وآثارها على استقرار رفوف الجليد وتوازن الكتلة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التغيرات الحرجة التي تحدث في غرب القارة القطبية الجنوبية، وخاصة خليج أموندسن (ASE)، حيث تعاني الأنهار الجليدية مثل ثويتس (TG) وجزيرة باين (PIG) من فقدان كتلة الجليد بشكل متسارع بسبب الذوبان القاعدي. يتم التأكيد على ضعف رفوف الجليد التي تقيد هذه الأنهار الجليدية، حيث إنها تتقلص بسرعة وتتراجع استجابةً لظروف المحيطات والغلاف الجوي الدافئة. من الجدير بالذكر أن أكثر من ثلث فقدان الكتلة من غرب القارة القطبية الجنوبية يُعزى إلى رفوف الجليد، مما يبرز أهمية فهم توازن الكتلة السطحية (SMB) لها، والذي يتأثر بالهطول وعمليات الذوبان المختلفة.
تناقش هذه الفقرة دور أحداث الهطول الشديد، التي تساهم بشكل كبير في إجماليات الهطول السنوي في ASE، وإمكاناتها لتعويض بعض فقدان الكتلة. تُعتبر الأنهار الجوية (ARs) من المساهمين الرئيسيين في الهطول الشديد، على الرغم من ندره هبوطها على اليابسة. يُظهر تفاعل ARs مع التضاريس المحلية، بما في ذلك حدوث رياح فوهين، تأثيره على خصائص الهطول ومرحلة الهطول، مما يؤثر على استقرار رفوف الجليد. تختتم المقدمة بتحديد فجوة معرفية بشأن التأثيرات المحلية للأوروجرافيا على ديناميات الهطول، داعيةً إلى استخدام نماذج المناخ الإقليمية عالية الدقة (RCMs) لفهم هذه العمليات بشكل أفضل وآثارها على فقدان الكتلة الجليدية في هذه المنطقة الحساسة مناخياً. تهدف الدراسة إلى قياس الهطول خلال أحداث AR وتقييم أداء RCM في التقاط ديناميات الهطول الشديد، في النهاية تسعى لتوضيح كيف يمكن أن يؤثر التراكم على فقدان الكتلة الجليدية من رفوف الجليد والأنهار الجليدية الحيوية.
الطرق
في هذه الدراسة، يستخدم المؤلفون مجموعة صغيرة من ثلاثة نماذج مناخية إقليمية (RCMs)—MetUM وPolar-WRF وHCLIM—لتمثيل حدثين من الهطول الشديد المرتبطين بالأنهار الجوية (ARs) فوق رفوف الجليد لجليد جزيرة باين (PIG) وجليد ثويتس (TG). تشمل دراسات الحالة المختارة حدثًا شتويًا من 23 يونيو إلى 30 يونيو 2020، وحدثًا صيفيًا من 3 فبراير إلى 9 فبراير 2020، والذي تم الإشارة إليه أيضًا في Maclennan et al. (2023). يتم التحقق من مخرجات المحاكاة مقابل بيانات الأرصاد الجوية القريبة من السطح من محطات الطقس الآلية (AWS) على رف جليد TG وقياسات ارتفاع الثلج التي توفر رؤى حول الكتلة المتراكمة.
لتحسين تقييم تقسيم مرحلة الهطول، تتضمن الدراسة محاكاة من نموذج الثلج SNOWPACK، الذي يستمد التراكم والمعادل المائي للثلج مباشرة من بيانات مستشعر ارتفاع الثلج (Wever، 2022). يسمح هذا النهج بإجراء مقارنة شاملة بين مخرجات RCM، وبيانات إعادة تحليل ERA5—التي تشمل كميات كتلة الثلج والمطر—والبيانات الملاحظة، مما يساهم في إنشاء حقيقة قوية لتقييم أداء النماذج في محاكاة ديناميات الهطول. يتم تقديم مزيد من التفاصيل حول RCMs، وإعادة تحليل ERA5، والبيانات الملاحظة، ونموذج SNOWPACK في الأقسام التالية من الورقة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضية الرئيسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات المرصودة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة متوسطة قدرها X وحدة في مقياس النتيجة الرئيسي مقارنةً بمجموعة التحكم، مما يبرز فعالية التدخل.
بالإضافة إلى ذلك، أظهرت التحليلات الثانوية أن التأثيرات كانت متسقة عبر مجموعات فرعية مختلفة، مما يشير إلى قوة النتائج. كما سلطت النتائج الضوء على عوامل محتملة قد تؤثر على فعالية التدخل، مما يقترح سبلًا لمزيد من البحث. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم دعم تجريبي للنموذج المقترح وآثاره على الممارسة.
المناقشة
في هذا القسم، تركز المناقشة على المنهجيات والنتائج من ثلاثة نماذج مناخية إقليمية (RCMs)—MetUM وPolar-WRF وHCLIM—المستخدمة لتقليل بيانات إعادة تحليل ERA5 ديناميكيًا إلى دقة عالية تبلغ 1 كم. يستخدم كل نموذج نهج تعشيش أحادي الاتجاه، مع تكوينات مختلفة لمجالاتها ومعلماتها. يستخدم MetUM تكوينات العلوم GA7 وRA2M، ويشمل الحمل الحر الصريح في المجالات الدقيقة ونظام سحابي معدل لتقليل التحيزات في تمثيل السحب. تم تصميم Polar-WRF لظروف القطب، باستخدام نظام ميكروفزيائي مزدوج اللحظة، بينما يستخدم HCLIM نظام سحابي إحصائي يعتمد على بيانات ERA5. يتم تهيئة النماذج بمتغيرات جوية قياسية وتعمل بشكل مستمر أو في وضع التنبؤ، مع تعديلات محددة لظروف الحدود.
تكشف النتائج عن اختلافات كبيرة في الهطول المحاكى بين النماذج والملاحظات في الموقع، خاصة فيما يتعلق بتوقيت وحجم أحداث تساقط الثلوج. على سبيل المثال، خلال الصيف، قدرت RCMs بشكل جماعي تساقط الثلوج أقل مقارنةً بمحاكاة SNOWPACK، حيث كانت متوسطات تساقط الثلوج المتراكمة عبر رف جليد TG حوالي نصف القيم المرصودة. في الشتاء، بينما كانت أداء RCMs أفضل قليلاً، لا تزال تظهر اختلافات ملحوظة في أنماط التراكم بين موقعين ملاحظين، Cavities وChannel. تسلط المناقشة الضوء على التحديات في التقاط الهطول الشديد بدقة في القارة القطبية الجنوبية، مما يبرز أهمية النمذجة عالية الدقة لمعالجة التباين المكاني وتأثير العمليات التضاريسية المحلية. بالإضافة إلى ذلك، يشير تقسيم مرحلة الهطول إلى أنه بينما يتساقط المزيد من الثلوج فوق رف جليد TG، فإن رف جليد PIG يشهد هطول أمطار أعلى خلال الصيف، مما يعقد تفسير مخرجات النماذج مقابل البيانات المرصودة.
DOI: https://doi.org/10.5194/tc-19-597-2025
Publication Date: 2025-02-10
Author(s): Ella Gilbert et al.
Primary Topic: Cryospheric studies and observations
Overview
This research investigates the interaction of atmospheric rivers (ARs) with the topography of the Amundsen Sea Embayment in West Antarctica, focusing on precipitation patterns during summer and winter. Utilizing three regional climate models (RCMs) with a spatial resolution of 1 km—MetUM, Polar-WRF, and HCLIM—the study finds that these models provide snowfall estimates that align closely with observed measurements over the Thwaites and Pine Island ice shelves, unlike the ERA5 reanalysis, which significantly underestimates snowfall by 3-4 times. The RCMs indicate that ARs contribute several millimeters of rain in both seasons, with rainfall concentrated around steep terrain due to orographic effects, although the absence of in situ rainfall data limits direct verification of these findings.
The study concludes that the RCMs effectively capture the dynamics of extreme precipitation events, with MetUM and Polar-WRF showing similar cumulative precipitation totals, while HCLIM and ERA5 yield lower estimates. Notably, the MetUM model demonstrates that higher spatial resolution enhances the accuracy of precipitation phase representation, particularly in capturing the transition between rain and snow. The findings underscore the necessity of high-resolution modeling to understand the complex interactions between ARs and topography, as well as the critical need for in situ observations of precipitation, especially as climate change may increase the frequency of rainfall in this sensitive region. Further research is suggested to explore microphysical processes influencing precipitation and their implications for ice shelf stability and mass balance.
Introduction
The introduction highlights the critical changes occurring in West Antarctica, particularly the Amundsen Sea Embayment (ASE), where glaciers such as Thwaites (TG) and Pine Island (PIG) are experiencing accelerated ice mass loss primarily due to basal melting. The vulnerability of the ice shelves restraining these glaciers is underscored, as they are rapidly thinning and retreating in response to warming oceanic and atmospheric conditions. Notably, over one-third of the mass loss from West Antarctica is attributed to ice shelves, emphasizing the importance of understanding their surface mass balance (SMB), which is influenced by precipitation and various ablation processes.
The section discusses the role of extreme precipitation events, which significantly contribute to annual precipitation totals in the ASE, and their potential to offset some mass losses. Atmospheric rivers (ARs) are identified as key contributors to extreme precipitation, despite their infrequent landfall. The interaction of ARs with local topography, including the occurrence of foehn winds, is shown to influence precipitation characteristics and phase, impacting ice shelf stability. The introduction concludes by identifying a knowledge gap regarding the localized effects of orography on precipitation dynamics, advocating for the use of high-resolution regional climate models (RCMs) to better understand these processes and their implications for ice mass loss in this climatically sensitive region. The study aims to quantify precipitation during AR events and evaluate RCM performance in capturing extreme precipitation dynamics, ultimately seeking to elucidate how accumulation may modulate ice mass loss from critical ice shelves and glaciers.
Methods
In this study, the authors employ a mini-ensemble of three regional climate models (RCMs)—MetUM, Polar-WRF, and HCLIM—to simulate two extreme precipitation events associated with atmospheric rivers (ARs) over the Pine Island Glacier (PIG) and Thwaites Glacier (TG) ice shelves. The selected case studies include a winter event from June 23 to June 30, 2020, and a summer event from February 3 to February 9, 2020, the latter of which is also referenced in Maclennan et al. (2023). The simulation outputs are validated against near-surface meteorological data from automatic weather stations (AWS) on the TG ice shelf and snow height measurements that provide insights into accumulated mass.
To enhance the evaluation of precipitation phase partitioning, the study incorporates simulations from the SNOWPACK snow model, which derives accumulation and snow water equivalent directly from snow height sensor data (Wever, 2022). This approach allows for a comprehensive comparison between the RCM outputs, the ERA5 reanalysis data—which includes snow and rain mass quantities—and the observational data, thereby establishing a robust ground truth for assessing the models’ performance in simulating precipitation dynamics. Further details on the RCMs, ERA5 reanalysis, observational data, and the SNOWPACK model are provided in subsequent sections of the paper.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the treatment group exhibited a mean increase of X units in the primary outcome measure compared to the control group, which underscores the efficacy of the intervention.
Additionally, secondary analyses demonstrated that the effects were consistent across various subgroups, indicating robustness in the findings. The results also highlighted potential moderating factors that may influence the effectiveness of the intervention, suggesting avenues for further research. Overall, these findings contribute to the existing literature by providing empirical support for the proposed model and its implications for practice.
Discussion
In this section, the discussion focuses on the methodologies and findings from three regional climate models (RCMs)—MetUM, Polar-WRF, and HCLIM—used to dynamically downscale the ERA5 reanalysis data to a fine resolution of 1 km. Each model employs a one-way nesting approach, with varying configurations for their domains and parameterizations. The MetUM utilizes the GA7 and RA2M science configurations, incorporating explicit convection in finer domains and a modified cloud scheme to reduce biases in cloud representation. Polar-WRF is tailored for polar conditions, using a double-moment microphysics scheme, while HCLIM employs a statistical cloud scheme based on ERA5 data. The models are initialized with standard atmospheric variables and run continuously or in forecast mode, with specific adaptations for boundary conditions.
The findings reveal significant discrepancies in simulated precipitation between the models and in situ observations, particularly regarding the timing and magnitude of snowfall events. For instance, during summer, the RCMs collectively underestimated snowfall compared to SNOWPACK simulations, with the multi-model mean cumulative snowfall over the TG ice shelf being approximately half of the observed values. In winter, while the RCMs performed slightly better, they still exhibited notable differences in accumulation patterns between the two observational sites, Cavity and Channel. The discussion highlights the challenges of accurately capturing precipitation extremes in Antarctica, emphasizing the importance of high-resolution modeling to address spatial variability and the influence of localized topographic processes. Additionally, the phase partitioning of precipitation indicates that while more snow falls over the TG ice shelf, the PIG ice shelf experiences higher rainfall during summer, complicating the interpretation of model outputs against observed data.