DOI: https://doi.org/10.5194/tc-18-2487-2024
تاريخ النشر: 2024-05-22
المؤلف: Alexis Caro وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات وملاحظات الكريوسفير
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثيرات تراجع الأنهار الجليدية المتسارع على تصريف الأنهار الجليدية في منطقة الأنديز، وخاصة في سياق زيادة ندرة المياه بسبب الجفاف المطول. تستخدم الدراسة نموذج الأنهار الجليدية العالمي المفتوح (OGGM) لمحاكاة تطور الأنهار الجليدية وتغيرات التصريف عبر 786 حوضًا في الأنديز بين 2000-2009 و2010-2019. تتضمن المحاكاة مدخلات مناخية مصححة، مما يكشف عن متوسط انخفاض في حجم الأنهار الجليدية بنسبة 8.3% وانخفاض في المساحة السطحية بنسبة 2.2% خلال الفترات المدروسة. ومن الجدير بالذكر، كان هناك زيادة بنسبة 12% في متوسط ذوبان الأنهار الجليدية السنوي، مما يعادل 86.5 م³/ث، إلى جانب انخفاض بنسبة 2% في هطول الأمطار على الأنهار الجليدية.
تسلط النتائج الضوء على اختلافات إقليمية كبيرة، حيث شهدت الأنديز الاستوائية والجافة أكبر الزيادات في تصريف الأنهار الجليدية – تصل إلى 40% في بعض المناطق – بسبب ذوبان الأنهار الجليدية بشكل أساسي. تؤكد الدراسة على أهمية العوامل المناخية والمحورية المحلية في التأثير على تصريف الأنهار الجليدية، حيث ترتبط الارتفاعات الأعلى والأنهار الجليدية الأكبر بمعدلات ذوبان متزايدة. كما تبرز الأبحاث فائدة المحاكاة الإقليمية المعايرة لتحسين دقة توقعات تصريف الأنهار الجليدية، خاصة في المناطق المعرضة للخطر مثل الأنديز الجافة 1. بشكل عام، تعزز هذه الدراسة فهم الديناميات الهيدرولوجية في أحواض الأنديز وتوفر أساسًا لتوقعات مستقبلية لتصريف الأنهار الجليدية استجابةً لتغير المناخ.
مقدمة
تسلط مقدمة الورقة الضوء على أهمية الأنهار الجليدية في الأنديز، التي تمثل أكبر منطقة جليدية في نصف الكرة الجنوبي خارج القارة القطبية الجنوبية وتوفر موارد مائية أساسية لحوالي 45% من السكان في دول الأنديز. منذ أواخر السبعينيات، شهدت هذه الأنهار الجليدية انكماشًا مستمرًا، مع فقدان متسارع لوحظ في العقدين الماضيين، مما أثر على تصريف الأنهار، خاصة خلال مواسم الجفاف. قدرت الدراسات السابقة مساهمات تصريف الأنهار الجليدية في أحواض الأنديز المختلفة، كاشفة عن تفاعل معقد بين ديناميات الأنهار الجليدية والهيدرولوجيا، تأثرًا بالتغيرات المناخية والتضاريس المحلية.
يؤكد المؤلفون على قيود الأبحاث الحالية، التي غالبًا ما تركز على عدد محدود من الأحواض وتستخدم منهجيات متنوعة، مما قد يخفي الاتجاهات الأوسع عبر الأنديز. يقترحون استخدام نموذج الأنهار الجليدية العالمي المفتوح (OGGM) بالتزامن مع مجموعات بيانات جليدية عالمية لإجراء محاكاة هيدرولوجية جليدية على نطاق واسع. تهدف هذه الطريقة إلى قياس التغيرات في الأنهار الجليدية واستجاباتها الهيدرولوجية عبر 786 حوضًا من 11° شمالًا إلى 55° جنوبًا بين 2000 و2019، مع معالجة عدم اليقين المرتبط ببيانات المناخ وخصائص الأنهار الجليدية. ستفصل الأقسام التالية من الورقة البيانات والأساليب المستخدمة، وتقدم النتائج حول التغيرات في الأنهار الجليدية والاستجابات الهيدرولوجية، وتناقش تداعيات هذه النتائج في سياق الأبحاث السابقة.
الطرق
في هذا القسم، يحدد المؤلفون البيانات والمنهجيات المستخدمة في إطار نمذجةهم، كما هو موضح في الشكل 1. استخدمت الدراسة مجموعتين متميزتين من بيانات المدخلات: واحدة لتنفيذ نموذج الأنهار الجليدية العالمي المفتوح (OGGM) وأخرى لتصحيح وتقييم درجة حرارة TerraClimate ($cTC_t$) وهطول الأمطار ($cTC_p$). ركزت عملية المعايرة على توازن الكتلة وحجم الأنهار الجليدية، مع تقييم النتائج لـ $cTC_t$ وتوازن الكتلة الجليدية في 34 محطة أرصاد جوية و15 نهرًا جليديًا سجلت ملاحظات توازن الكتلة.
كما يميز المؤلفون بين التصحيحات التي تمت داخل إطار OGGM وتلك التي أجريت خارجيًا. ومن الجدير بالذكر، أن تقدير معدلات انخفاض درجة الحرارة تم اشتقاقه من قياسات في الموقع وتم دمجه لاحقًا في نموذج OGGM كقيمة معلمة. تضمن هذا النهج الشامل أن تكون مخرجات النموذج موثوقة بدقة مقارنة بالبيانات التجريبية، مما يعزز موثوقية النتائج.
النتائج
في هذا القسم، تقارن الدراسة نتائجها حول توازن الكتلة الجليدية والمساهمات الهيدرولوجية عبر ثلاثة أحواض – لا باز، مايبو، وباكر – مع الأبحاث السابقة. في حوض لا باز، تشير الدراسة الحالية إلى توازن كتلة أقل سلبية قدره -0.56 ± 0.19 م مكافئ ماء سنويًا، مقارنة بـ -1 م مكافئ ماء سنويًا من سوروكو وآخرون (2015)، والذي يُعزى إلى مساحة جليدية أكبر (14.1 كم² مقابل 8.3 كم²). تقدر المساهمة السنوية المتوسطة لتصريف الأنهار الجليدية بـ 22%، متجاوزة التقدير السابق البالغ 15%، على الأرجح بسبب فترة المناخ الأكثر دفئًا المدروسة (2010-2019). ومن الجدير بالذكر، أن الدراسة تجد زيادة كبيرة في تصريف الأنهار الجليدية خلال موسم الأمطار (26% من أكتوبر إلى مارس) وذروة خلال موسم الانتقال (45% من سبتمبر إلى نوفمبر)، مما يتماشى مع الاتجاهات الملحوظة لفقدان الكتلة الجليدية.
في حوض مايبو، تحدد الدراسة مساحة جليدية أصغر قليلاً (325 كم² لعام 2000) مقارنةً بـ أيالا وآخرون (2020) وتلاحظ توازن كتلة أكثر سلبية بعد عام 2008، تزامنًا مع جفاف ضخم. يبلغ تصريف الأنهار الجليدية السنوي النموذجي حوالي 15%، ويصل إلى 36% في الصيف (يناير إلى مارس)، وهو ما يتماشى مع نتائج أيالا وآخرون. ومع ذلك، يحذر المؤلفون من أن المقارنات محدودة بسبب الاختلافات في بيانات المدخلات والمنهجيات. في حوض باكر، تقدر الدراسة زيادة بنسبة 10% في ذوبان الأنهار الجليدية وزيادة بنسبة 11% في هطول الأمطار على الأنهار الجليدية، مما يتناقض مع هوس وهوك (2018)، الذين لم يجدوا تغييرات كبيرة. تعتبر مساهمة هطول الأمطار في تصريف الأنهار الجليدية كبيرة، حيث تمثل ما يقرب من 30%، مما يؤكد النتائج التي توصل إليها كروغ وآخرون (2014) بشأن أنماط الهطول في حقل الجليد الشمالي في باتاغونيا.
المناقشة
ت outline قسم المناقشة في ورقة البحث المنهجيات المستخدمة لجمع البيانات ومعالجتها، مع التركيز على بيانات المناخ التاريخية وخصائص الأنهار الجليدية عبر الأنديز. تم استخدام مجموعتين رئيسيتين من البيانات: إعادة تحليل TerraClimate وقياسات أرصاد جوية في الموقع. قدمت مجموعة بيانات TerraClimate، التي تم التحقق منها مقابل الشبكة العالمية لتاريخ المناخ، بيانات درجة الحرارة وهطول الأمطار، بينما تم استخدام قياسات في الموقع من 35 محطة أرصاد جوية لتصحيح وتقييم هذه المتغيرات المناخية. استخدمت الدراسة معدلات انخفاض درجة الحرارة الرأسية لضبط بيانات درجة حرارة TerraClimate لارتفاعات الأنهار الجليدية، وتم تعديل هطول الأمطار باستخدام قياسات توازن الكتلة من الأنهار الجليدية المراقبة. كانت معايرة المعلمات، مثل عامل الذوبان، حاسمة للحصول على محاكاة دقيقة لتوازن الكتلة الجليدية.
شملت الأبحاث أيضًا جردًا شاملًا للأنهار الجليدية، باستخدام جرد الأنهار الجليدية راندولف (RGI) لتقييم خصائص الأنهار الجليدية والمساحة السطحية عبر مناطق جليدية مختلفة. تشير النتائج إلى انخفاض كبير في حجم الأنهار الجليدية والمساحة السطحية من 2000 إلى 2019، مع فرق متوسط سنوي في توازن الكتلة قدره -0.5 ± 0.3 م مكافئ ماء سنويًا. ومن الجدير بالذكر، أن 93% من الأحواض شهدت فقدانًا في الحجم، حيث أظهرت الأنديز الرطبة أكبر انخفاض. تسلط الدراسة الضوء على أهمية عوامل الذوبان المعايرة، التي تختلف إقليميًا، وتؤكد على الحاجة إلى بيانات مناخية دقيقة لفهم المساهمات الهيدرولوجية للأنهار الجليدية في سياق التغيرات المناخية المستمرة. تؤكد النتائج على الدور الحاسم للأنهار الجليدية في الهيدرولوجيا الإقليمية وتداعيات تراجعها على موارد المياه في الأنديز.
القيود
ت stem القيود المفروضة على المحاكاة المقدمة في هذه الدراسة من عوامل متعددة، بما في ذلك دقة بيانات المدخلات، ومعايرة هطول الأمطار وعوامل الذوبان، والقيود النموذجية الكامنة. ومن الجدير بالذكر، أن بيانات درجة حرارة TerraClimate المصححة تظهر انحيازًا متوسطًا قدره 2.1 °م في الأنديز الاستوائية، مما يفشل في تمثيل كل من درجات الحرارة الشهرية المنخفضة والعالية بدقة، مما يؤثر سلبًا على قدرة وحدة ذوبان الجليد والثلج على محاكاة فترات الذوبان. بالمقابل، تظهر درجات الحرارة المصححة في الأنديز الجافة والرطبة توافقًا أقرب مع الملاحظات في الموقع (انحياز متوسط = 0.2 °م)، مما يؤدي إلى معلمات نموذج أكثر موثوقية تتماشى مع الأبحاث السابقة.
تنشأ قيود إضافية من تمثيل الأنهار الجليدية في مجموعة بيانات RGI v6.0، حيث قد يتم تجميع عدة أنهار جليدية في كيان واحد، مما قد يقلل من تقديرات التغيرات في مساحة الأنهار الجليدية ويؤثر على أداء وحدة الحجم. كما تسلط الدراسة الضوء على التباين في قيم عوامل الهطول عبر مناطق الأنديز المختلفة، والتي، رغم توافقها مع الدراسات السابقة، قد تؤدي إلى تقديرات مفرطة إذا تم تعيينها مرتفعة جدًا. علاوة على ذلك، تؤثر عدم اليقين في عوامل الذوبان المعايرة على بيانات المناخ وبيانات توازن الكتلة الجيوديسية، حيث تلعب عتبة درجة حرارة الذوبان دورًا حاسمًا في تحديد بداية الذوبان. يتم التقليل من تقدير توازن الكتلة السنوي الإجمالي للنموذج بمقدار 185 مم مكافئ ماء سنويًا، ومع ذلك يبقى مرتبطًا بالبيانات في الموقع (r = 0.7). تشير النتائج إلى أنه بينما يلتقط النموذج توزيع الذوبان الموسمي، يجب توخي الحذر في تطبيق عوامل الذوبان المعايرة، خاصة في الأنديز الاستوائية، حيث يمكن أن تؤدي تقديرات درجة الحرارة المفرطة إلى تحريف النتائج. بالإضافة إلى ذلك، تفرض القيود الهيكلية للنموذج، مثل عدم التمييز بين ذوبان الجليد وذوبان الثلج وغياب عمليات التسامي، قيودًا إضافية على دقة محاكاة تصريف الأنهار الجليدية وتوازن الكتلة.
DOI: https://doi.org/10.5194/tc-18-2487-2024
Publication Date: 2024-05-22
Author(s): Alexis Caro et al.
Primary Topic: Cryospheric studies and observations
Overview
This research investigates the impacts of accelerated glacier retreat on glacier runoff in the Andean region, particularly in the context of increasing water scarcity due to prolonged droughts. The study employs the Open Global Glacier Model (OGGM) to simulate glacier evolution and runoff changes across 786 Andean catchments between 2000-2009 and 2010-2019. The simulations incorporate corrected climate inputs, revealing an average glacier volume reduction of 8.3% and a surface area decrease of 2.2% over the studied periods. Notably, there was a 12% increase in mean annual glacier melt, amounting to 86.5 m³/s, alongside a 2% decrease in rainfall on glaciers.
The findings highlight significant regional variations, with the tropical and Dry Andes experiencing the most pronounced increases in glacier runoff—up to 40% in some areas—primarily due to glacier melt. The study emphasizes the importance of local climatic and morphometric factors in influencing glacier runoff, with higher elevation and larger glaciers correlating with increased melt rates. The research also underscores the utility of calibrated regional simulations for improving the accuracy of glacier runoff projections, particularly in vulnerable zones like Dry Andes 1. Overall, this work enhances understanding of the hydrological dynamics in Andean catchments and provides a foundation for future projections of glacier runoff in response to climate change.
Introduction
The introduction of the paper highlights the significance of Andean glaciers, which represent the largest glacierized area in the Southern Hemisphere outside Antarctica and provide essential water resources for approximately 45% of the population in Andean countries. Since the late 1970s, these glaciers have been experiencing continuous shrinkage, with accelerated loss observed in the past two decades, impacting river discharges, particularly during dry seasons. Previous studies have estimated glacier runoff contributions in various Andean catchments, revealing a complex interplay between glacier dynamics and hydrology, influenced by local climatic and topographic variations.
The authors emphasize the limitations of existing research, which often focuses on a limited number of catchments and employs diverse methodologies, potentially masking broader trends across the Andes. They propose utilizing the Open Global Glacier Model (OGGM) in conjunction with global glaciological datasets to conduct large-scale glaciohydrological simulations. This approach aims to quantify glacier changes and their hydrological responses across 786 catchments from 11°N to 55°S between 2000 and 2019, while addressing uncertainties related to climatic data and glacier characteristics. The subsequent sections of the paper will detail the data and methods used, present findings on glacier changes and hydrological responses, and discuss the implications of these results in the context of previous research.
Methods
In this section, the authors outline the data and methodologies employed in their modeling framework, as illustrated in Figure 1. The study utilized two distinct groups of input data: one for executing the Open Global Glacier Model (OGGM) and another for correcting and evaluating TerraClimate temperature ($cTC_t$) and precipitation ($cTC_p$). The calibration process focused on mass balance and glacier volume, with results for $cTC_t$ and glacier mass balance assessed at 34 meteorological stations and 15 glaciers that have recorded mass balance observations.
The authors also differentiate between corrections made within the OGGM framework and those conducted externally. Notably, the estimation of temperature lapse rates was derived from in situ measurements and subsequently incorporated into the OGGM model as a parameter value. This comprehensive approach ensures that the model’s outputs are rigorously validated against empirical data, enhancing the reliability of the findings.
Results
In this section, the study compares its findings on glacier mass balance and hydrological contributions across three catchments—La Paz, Maipo, and Baker—with previous research. In the La Paz catchment, the current study reports a less negative mass balance of -0.56 ± 0.19 m w.e. yr$^{-1}$, compared to -1 m w.e. yr$^{-1}$ from Soruco et al. (2015), attributed to a larger glacierized area (14.1 km$^2$ vs. 8.3 km$^2$). The estimated mean annual glacier runoff contribution is 22%, exceeding the earlier estimate of 15%, likely due to the warmer climate period considered (2010-2019). Notably, the study finds a significant increase in glacier runoff during the wet season (26% from October to March) and a peak during the transition season (45% from September to November), aligning with observed glacier mass loss trends.
In the Maipo catchment, the study identifies a slightly smaller glacierized area (325 km$^2$ for 2000) compared to Ayala et al. (2020) and notes a more negative mass balance post-2008, coinciding with a mega-drought. The modeled mean annual glacier runoff is approximately 15%, peaking at 36% in summer (January to March), which is consistent with Ayala et al.’s findings. However, the authors caution that comparisons are limited due to differences in input data and methodologies. In the Baker catchment, the study estimates a 10% increase in glacier melt and an 11% increase in rainfall on glaciers, contrasting with Huss and Hock (2018), who found no significant changes. The contribution of rainfall to glacier runoff is significant, accounting for nearly 30%, corroborating findings by Krogh et al. (2014) regarding precipitation patterns in the Northern Patagonian Icefield.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the methodologies employed for data collection and preprocessing, focusing on historical climate data and glacier characteristics across the Andes. Two primary datasets were utilized: TerraClimate reanalysis and in situ meteorological measurements. The TerraClimate dataset, validated against the Global Historical Climatology Network, provided temperature and precipitation data, while in situ measurements from 35 meteorological stations were used to correct and evaluate these climate variables. The study employed vertical temperature lapse rates to adjust TerraClimate temperature data for glacier elevations, and precipitation was scaled using mass balance measurements from monitored glaciers. The calibration of parameters, such as the melt factor, was critical for accurate simulations of glacier mass balance.
The research also included a comprehensive glacier inventory, utilizing the Randolph Glacier Inventory (RGI) to assess glacier characteristics and surface area across various glaciological zones. The findings indicate a significant decrease in glacier volume and surface area from 2000 to 2019, with an overall mean annual mass balance difference of -0.5 ± 0.3 m water equivalent per year. Notably, 93% of the catchments experienced volume loss, with the Wet Andes showing the most substantial decline. The study highlights the importance of calibrated melt factors, which varied regionally, and emphasizes the need for accurate climate data to understand the hydrological contributions of glaciers in the context of ongoing climatic changes. The results underscore the critical role of glaciers in regional hydrology and the implications of their decline for water resources in the Andes.
Limitations
The limitations of the simulations presented in this study stem from various factors, including the accuracy of input data, calibration of precipitation and melt factors, and inherent model constraints. Notably, the corrected TerraClimate temperature data exhibit a mean bias of 2.1 °C in the tropical Andes, failing to accurately represent both low and high monthly temperatures, which adversely affects the ice and snow melting module’s ability to simulate melting periods. In contrast, the corrected temperatures in the Dry and Wet Andes show a closer alignment with in situ observations (mean bias = 0.2 °C), leading to more reliable model parameters consistent with previous research.
Additional limitations arise from the representation of glaciers in the RGI v6.0 dataset, where multiple glaciers may be aggregated into a single entity, potentially underestimating changes in glacier area and impacting the volume module’s performance. The study also highlights the variability in precipitation factor values across different Andean regions, which, while aligned with prior studies, may lead to overestimations if set too high. Furthermore, uncertainties in calibrated melt factors are influenced by the climate and geodetic mass balance datasets, with the melting temperature threshold playing a critical role in determining the onset of melting. The model’s overall annual mass balance is underestimated by 185 mm w.e. yr⁻¹, yet remains correlated with in situ data (r = 0.7). The findings suggest that while the model captures seasonal melt distribution, caution is warranted in the application of calibrated melt factors, particularly in the tropical Andes, where temperature overestimations could skew results. Additionally, the model’s structural limitations, such as the lack of differentiation between ice and snowmelt and the omission of sublimation processes, further constrain the accuracy of glacier runoff and mass balance simulations.