DOI: https://doi.org/10.5194/tc-19-283-2025
تاريخ النشر: 2025-01-23
المؤلف: Tim van den Akker وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات وملاحظات الكريوسفير
نظرة عامة
تبحث الدراسة في استقرار صفائح الجليد في غرب القارة القطبية الجنوبية (WAIS) في ضوء معدلات فقدان الكتلة الملحوظة، والتي تشكل خطرًا كبيرًا على ارتفاع مستوى سطح البحر العالمي. يتم تقديم طريقة تحسين جديدة لنماذج صفائح الجليد العددية، مما يحسن التوافق المحلي مع الملاحظات الحالية لسمك الجليد، وسرعة السطح، ومعدلات تغيير الكتلة المستمدة من الأقمار الصناعية. تتضمن هذه الطريقة فرضيات حرارية مضبوطة تحت الأرفف الجليدية العائمة والاحتكاك تحت صفيحة الجليد. تشير المحاكاة المستقبلية إلى تراجع بطيء لخط التثبيت يتبعه مرحلة فقدان كتلة سريعة، بمعدل ثابت يبلغ حوالي 3 مم ارتفاع مستوى سطح البحر العالمي (GMSL) سنويًا. تستنتج الدراسة أن انهيار نهر ثويتس الجليدي ونهر جزيرة الصنوبر الجليدي أمر لا مفر منه في ظل الظروف الحالية، مما قد يؤدي إلى ارتفاع مستوى البحر بمقدار متر واحد على الأقل.
تؤكد النتائج أن توقيت بدء الانهيار يختلف بشكل كبير عبر تكوينات النماذج المختلفة، حيث يتراوح من 300 إلى 2500 سنة. على الرغم من هذه المتغيرات، فإن مرحلة الانهيار السريع متوقعة باستمرار أن تستمر حوالي 200 سنة. تقترح الدراسة أن القوة الحرارية الحالية من المحيط كافية لتحفيز ذوبان كبير لصفائح الجليد في WAIS، وأنه فقط من خلال تقليل كبير في درجات حرارة المحيط تحت الأرفف يمكن تجنب هذه النتيجة. كما تبرز الأبحاث دور الظروف البحرية الدافئة في عدم التوازن الملحوظ في خليج أموندسن وتقترح أن جهود النمذجة المستقبلية يمكن أن تستكشف إمكانية التدخلات البشرية للتخفيف من الاحترار في هذه التجاويف الحرجة تحت الأرفف. يمكن أن يؤدي تكرار هذه التجارب مع نماذج صفائح جليدية أخرى إلى مزيد من التحقق من النتائج المتعلقة بحتمية انهيار الجليد دون تقليل كبير في معدلات الذوبان القاعدية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث المساهمات المتوقعة لصفائح الجليد في القارة القطبية الجنوبية في ارتفاع مستوى سطح البحر العالمي (GMSL) بحلول عام 2100، مقدرة نطاقًا يتراوح من 0.03 م إلى 0.34 م اعتمادًا على المسارات الاجتماعية والاقتصادية. تبرز عدم اليقين المحيط بديناميات تغيير كتلة الجليد بعد عام 2100، خاصة بسبب العمليات غير الخطية مثل عدم استقرار صفائح الجليد البحرية (MISI)، والتي قد تؤدي إلى تراجع لا يمكن عكسه للجليد. تم تحديد نهر ثويتس الجليدي (TG) ونهر جزيرة الصنوبر الجليدي (PIG) كعرضة لـ MISI، مع معدلات التراجع الحالية التي تشير إلى إمكانية فقدان كتلة كبيرة. يُلاحظ أن خليج أموندسن (ASE)، الذي يحتوي على هذه الأنهار الجليدية، هو أكبر مساهم في فقدان الكتلة في القارة القطبية الجنوبية، حيث تشير الدراسات إلى أن التراجع المستمر قد يحفز انهيار أجزاء كبيرة من صفائح الجليد في غرب القارة القطبية الجنوبية (WAIS) على مدى قرون.
تتوسع المقدمة أكثر في تعقيدات نمذجة ديناميات صفائح الجليد، مشددة على عدم اليقين في التوقعات بسبب عوامل مثل تهيئة النموذج والضغط المناخي. تميز بين طريقتين رئيسيتين للتهيئة: استيعاب البيانات، الذي ينسق حالات النموذج مع الظروف الملاحظة، و”سبين-أب”، الذي يطور النموذج على مدى فترات طويلة تحت ظروف تاريخية. تقترح الدراسة إضافة مبتكرة إلى طريقة “سبين-أب” لتتناسب بشكل أفضل مع معدلات تغيير الكتلة الملاحظة دون الاعتماد على بيانات تاريخية غير مؤكدة. يتم تطبيق هذه الطريقة على نموذج صفائح الجليد المجتمعي (CISM) ونموذج صفائح الجليد بحجم محدود في أوترخت (UFEMISM)، مما يوضح أنها يمكن أن تهيئ صفائح الجليد في القارة القطبية الجنوبية في عدم توازنها الملحوظ، مما يؤدي إلى محاكاة متسقة لتراجع الأنهار الجليدية تحت ظروف المناخ الحالية.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون طرق التهيئة المستخدمة في نموذج صفائح الجليد الخاص بهم، مع التركيز بشكل خاص على نهجين: “سبين-أب” التوازني و”سبين-أب” المتغير. تعمل طريقة “سبين-أب” التوازني على تحسين معلمات الاحتكاك القاعدي ودرجات حرارة المحيط لتتوافق مع سمك الجليد المودل مع الملاحظات، مما يسمح بوجود خطأ معتدل (H₀ = 100 م) لمنع الإفراط في التكييف. تفترض هذه الطريقة وجود صخور قاعدية ثابتة ولا تأخذ في الاعتبار التعديلات الإيزوستاتية، مما يحقق تقارب النموذج في حوالي 10,000 سنة نموذجية. يتم تعريف التهيئة المستقرة من خلال الحد الأدنى من انحراف النموذج وغياب فقدان كبير لكتلة الجليد في المناطق الحرجة بعد تشغيل مستمر لمدة 2000 سنة.
تستند طريقة “سبين-أب” المتغيرة إلى النهج التوازني من خلال دمج معدلات تغيير الكتلة الملاحظة كهدف، مما يمكّن النموذج من ضبط سمك الجليد وفقًا للملاحظات من الأقمار الصناعية في بداية التشغيل الأمامي. يتم تطبيق مصطلح تصحيح للحفاظ على هندسة الجليد قريبة من القيم الملاحظة خلال “سبين-أب”، مما يدرب النموذج بشكل فعال على تكرار معدلات تغيير الكتلة خلال المحاكاة اللاحقة. يتم التعبير عن ميزانيات الكتلة لكلتا طريقتي التهيئة من خلال المعادلتين (8) و(9)، حيث تقترب الجوانب اليسرى مثاليًا من الصفر في نهاية عمليات التهيئة. يؤكد المؤلفون على أن النموذج يجب أن يظهر حدًا أدنى من الانحراف وعدم فقدان كبير للجليد خلال تجربة الانحراف لمدة 2000 سنة، مع إجراء تعديلات لتقليل انحراف النموذج في العمليات الأمامية.
النتائج
في قسم النتائج، تفحص الدراسة الحالة المستقبلية لصفائح الجليد في القارة القطبية الجنوبية (AIS) تحت الضغط المناخي الحالي، مع التركيز على فقدان الكتلة من نهر ثويتس الجليدي (TG) ونهر جزيرة الصنوبر الجليدي (PIG). في البداية، على مدى الأربعمائة عام الأولى، يبلغ متوسط فقدان الكتلة 0.5 مم GMSL سنويًا، وهو أقل قليلاً من المعدلات الحالية بسبب بعض التثخين في صفائح الجليد في شرق القارة القطبية الجنوبية. ومع ذلك، بعد 500 سنة، يتسارع فقدان الكتلة حيث ينهار كلا النهرين الجليديين، مع تراجع خط التثبيت في TG بشكل أسرع من ذلك في PIG. تتمثل ميزة كبيرة تم تحديدها في وجود نتوء ضحل في صخور TG القاعدية يعمل كنقطة تثبيت حرجة، بعد ذلك يحدث انهيار سريع. بحلول 750 سنة، يكون TG وPIG تقريبًا خاليين من الجليد المثبت، مما يساهم بحوالي 1.2 م في ارتفاع مستوى سطح البحر العالمي.
تستكشف الدراسة أيضًا تأثيرات معدلات الذوبان القاعدية المتغيرة على ديناميات الانهيار. يمكن أن يؤدي التوقف الكامل للذوبان القاعدي إلى إيقاف الانهيار، بينما تؤدي التخفيضات في معدلات الذوبان إلى تأخيره فقط. تشير النتائج إلى أن التراجع المتسارع يشبه آلية عدم استقرار صفائح الجليد البحرية (MISI)، على الرغم من أن وجود رف جليدي داعم يعقد هذه الديناميكية. تشير النتائج إلى أن الذوبان القاعدي المستمر ضروري للحفاظ على التراجع، مما يبرز التفاعل بين التغير الطبيعي وتغير المناخ الناتج عن الإنسان في التأثير على معدلات الذوبان تحت الأنهار الجليدية. بالإضافة إلى ذلك، تؤكد المقارنة مع محاكاة UFEMISM أن انهيار TG وPIG متسق عبر نماذج صفائح جليدية مختلفة، مما يعزز قوة النتائج.
المناقشة
تم استخدام نموذج صفائح الجليد المجتمعي (CISM) ونموذج صفائح الجليد بحجم محدود في أوترخت (UFEMISM) لمحاكاة ديناميات صفائح الجليد في القارة القطبية الجنوبية (AIS)، مع التركيز على نهر ثويتس الجليدي (TG) ونهر جزيرة الصنوبر الجليدي (PIG). استخدمت الدراسة طريقة تهيئة معدلة تتماشى مع هندسة صفائح الجليد الملاحظة ومعدلات تغيير الكتلة، مما يعالج قيود الطرق السابقة. تشير المحاكاة إلى أن TG وPIG مستعدان للانهيار خلال عدة قرون بسبب عدم التوازن في الكتلة المدفوع بالمحيط الحالي، مع تراجع تدريجي يتبعه مرحلة انهيار سريع تسهم بحوالي 3 مم سنويًا في ارتفاع مستوى سطح البحر العالمي (GMSL) خلال الانهيار.
تؤكد النتائج حساسية توقيت الانهيار لمختلف معلمات النموذج، خاصة تلك المتعلقة بالذوبان القاعدي وقوانين الاحتكاك. بينما يختلف توقيت بدء الانهيار بشكل كبير عبر سيناريوهات مختلفة، تشير الاتجاهات العامة إلى أن الضغط الحراري المحيطي الحالي هو مقدمة حاسمة لذوبان كبير لصفائح الجليد في غرب القارة القطبية الجنوبية (WAIS). تبرز الدراسة الحاجة إلى مزيد من الاستكشاف للتغيرات المتزامنة في المعلمات وإدراج عمليات إضافية، مثل تطور ديناميات الانزلاق القاعدي والتغذية الراجعة من المياه العذبة الناتجة عن ذوبان الأرفف الجليدية، لتعزيز دقة التنبؤ لنماذج صفائح الجليد.
DOI: https://doi.org/10.5194/tc-19-283-2025
Publication Date: 2025-01-23
Author(s): Tim van den Akker et al.
Primary Topic: Cryospheric studies and observations
Overview
The research investigates the stability of the West Antarctic Ice Sheet (WAIS) in light of observed mass loss rates, which pose a significant risk of global sea level rise. An improved initialization method for numerical ice sheet models is introduced, optimizing local agreement with current observations of ice thickness, surface velocity, and satellite-derived mass change rates. This method incorporates tuned thermal forcing beneath floating ice shelves and friction under the ice sheet. Future simulations indicate a slow grounding-line retreat followed by a rapid mass loss phase, with a consistent rate of approximately 3 mm global mean sea level (GMSL) rise per year. The study concludes that the collapse of Thwaites Glacier and Pine Island Glacier is inevitable under present-day conditions, potentially leading to a sea level rise of at least one meter.
The findings emphasize that the timing of the collapse onset varies significantly across different model configurations, ranging from 300 to 2500 years. Despite this variability, the fast collapse phase is consistently projected to last about 200 years. The study suggests that the current thermal forcing from the ocean is sufficient to trigger significant deglaciation of the WAIS, and that only a substantial reduction in sub-shelf ocean temperatures could avert this outcome. The research also highlights the role of warm ocean conditions in the observed imbalance in the Amundsen Sea Embayment and suggests that future modeling efforts could explore the potential for anthropogenic interventions to mitigate warming in these critical sub-shelf cavities. Replicating these experiments with other ice sheet models could further validate the findings regarding the inevitability of glacier collapse without significant reductions in basal melt rates.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the projected contributions of the Antarctic Ice Sheet to global mean sea level rise (GMSL) by 2100, estimating a range from 0.03 m to 0.34 m depending on socioeconomic pathways. It highlights the uncertainty surrounding the dynamics of ice mass change post-2100, particularly due to nonlinear processes such as marine ice sheet instability (MISI), which could lead to irreversible glacier retreat. The Thwaites Glacier (TG) and Pine Island Glacier (PIG) are identified as vulnerable to MISI, with current retreat rates indicating significant mass loss potential. The Amundsen Sea Embayment (ASE), containing these glaciers, is noted as the largest contributor to Antarctic mass loss, with studies suggesting that continued retreat could trigger the collapse of substantial portions of the West Antarctic Ice Sheet (WAIS) over centuries.
The introduction further elaborates on the complexities of modeling ice sheet dynamics, emphasizing the uncertainties in projections due to factors such as model initialization and climate forcing. It distinguishes between two primary initialization methods: data assimilation, which aligns model states with observed conditions, and spin-up, which evolves the model over extended periods under historical conditions. The study proposes an innovative addition to the spin-up method to better match observed mass change rates without relying on uncertain historical data. This approach is applied to the Community Ice Sheet Model (CISM) and the Utrecht Finite Volume Ice-Sheet Model (UFEMISM), demonstrating that it can effectively initialize the Antarctic Ice Sheet in its observed disequilibrium, leading to consistent simulations of glacier retreat under current climate conditions.
Methods
In this section, the authors describe the initialization methods employed in their ice sheet model, specifically focusing on two approaches: equilibrium spin-up and transient spin-up. The equilibrium spin-up method optimizes basal friction parameters and ocean temperatures to align modeled ice thickness with observations, allowing for a modest misfit (H₀ = 100 m) to prevent overfitting. This approach assumes a static bedrock and does not account for isostatic adjustments, achieving model convergence within approximately 10,000 model years. A stable initialization is defined by minimal model drift and the absence of significant ice mass loss in critical regions after a 2000-year continuation run.
The transient spin-up method builds upon the equilibrium approach by incorporating observed mass change rates as a target, enabling the model to adjust ice thickness in accordance with satellite observations at the start of the forward run. A correction term is applied to maintain the ice geometry close to observed values during spin-up, effectively training the model to replicate mass change rates during subsequent simulations. The mass balances for both initialization methods are articulated through equations (8) and (9), where the left-hand sides ideally approach zero at the end of the initialization processes. The authors emphasize that the model should exhibit minimal drift and no significant ice loss during the 2000-year drift experiment, with adjustments made to reduce model drift in forward runs.
Results
In the results section, the study examines the future state of the Antarctic Ice Sheet (AIS) under current climate forcing, focusing on the mass loss from Thwaites Glacier (TG) and Pine Island Glacier (PIG). Initially, over the first four centuries, the mass loss averages 0.5 mm GMSL yr$^{-1}$, slightly less than current rates due to some thickening in the East Antarctic Ice Sheet. However, after 500 years, mass loss accelerates as both glaciers collapse, with TG’s grounding line retreating faster than that of PIG. A significant feature identified is a shallow ridge in the TG bedrock that acts as a critical pinning point, after which rapid collapse occurs. By 750 years, TG and PIG are nearly devoid of grounded ice, contributing approximately 1.2 m to global mean sea level rise.
The study also explores the effects of varying basal melt rates on the collapse dynamics. Complete cessation of basal melting can halt the collapse, while reductions in melt rates only delay it. The findings suggest that the accelerated retreat resembles the Marine Ice Sheet Instability (MISI) mechanism, although the presence of a buttressing ice shelf complicates this dynamic. The results indicate that ongoing basal melting is necessary to sustain the retreat, highlighting the interplay between natural variability and anthropogenic climate change in influencing melt rates beneath the glaciers. Additionally, a comparison with the UFEMISM simulation confirms that the collapse of TG and PIG is consistent across different ice sheet models, reinforcing the robustness of the findings.
Discussion
The Community Ice Sheet Model (CISM) and the Utrecht Finite Volume Ice-Sheet Model (UFEMISM) were employed to simulate the dynamics of the Antarctic Ice Sheet (AIS), focusing on the Thwaites Glacier (TG) and Pine Island Glacier (PIG). The study utilized a modified initialization method that aligns the model with observed ice sheet geometry and mass change rates, addressing limitations of previous methods. The simulations indicate that TG and PIG are poised for collapse within several centuries due to current ocean-driven mass imbalances, with a gradual retreat followed by a rapid collapse phase contributing approximately 3 mm per year to global mean sea level (GMSL) during the collapse.
The findings underscore the sensitivity of collapse timing to various model parameters, particularly those related to basal melting and friction laws. While the timing of collapse initiation varies significantly across different scenarios, the overall trend suggests that the present oceanic thermal forcing is a critical precursor to large-scale deglaciation of the West Antarctic Ice Sheet (WAIS). The study highlights the need for further exploration of simultaneous parameter changes and the inclusion of additional processes, such as evolving basal sliding dynamics and freshwater feedbacks from melting ice shelves, to enhance the predictive accuracy of ice sheet models.