南极冰盖储存的淡水足以使全球海平面上升近60米,但其未来演变轨迹的不确定性长期困扰气候科学界。布鲁塞尔自由大学维奥莱娜·库隆和波茨坦气候影响研究所安-克里斯汀·克洛斯领导的团队在《自然通讯》发表的最新研究通过系统整合区域气候变化、海洋动力学和冰盖底部融化等多重因素,首次量化了不同排放路径下南极冰盖在2300年前的演变范围。

研究结论明确指出,在温室气体高排放情景下,西南极冰盖的长期崩塌几乎不可避免,将导致本世纪末之后全球海平面上升0.7至6米,永久性改变沿海地理格局。相反,若在2100年前实现碳中和,可将南极对海平面上升的贡献限制在负0.1至正1.7米之间,但即便如此西南极冰盖仍可能出现显著消融。

南极冰盖由东南极冰盖和西南极冰盖两大部分组成,它们的物理特征和稳定性存在根本差异。东南极冰盖主要位于高海拔陆地基岩之上,体积约占南极总冰量的90%,相对稳定。西南极冰盖则是典型的海洋性冰盖,其基岩大部分位于海平面以下,且向内陆倾斜,这种地形特征使其对海洋暖化极度敏感。

当海水温度上升导致冰架底部融化加速时,冰架变薄并失去对内陆冰川的支撑作用,冰川流速加快并将更多冰体推向海洋。这一过程形成正反馈循环:接地线后退使更多冰体与温暖海水接触,进一步加速融化。阿蒙森海地区的思韦茨冰川和松岛冰川是这一过程的典型代表,它们的接地线在过去几十年中显著后退。

库隆和克洛斯团队采用了先进的耦合模型系统,将两个独立开发的冰盖模型与多个区域气候模型和海洋环流模型结合。这种多模型集合方法能够系统性探索参数不确定性和气候强迫不确定性对预测结果的影响。

研究人员根据政府间气候变化专门委员会的共享社会经济路径设定了不同排放情景,从极高排放的SSP5-8.5情景到符合巴黎协定目标的低排放情景,并将模拟时间跨度延伸至2300年,远超多数研究仅聚焦本世纪的时间尺度。这一长时间跨度至关重要,因为冰盖对气候强迫的响应具有显著滞后性,本世纪的排放选择将在数百年甚至更长时间内持续影响冰盖演变。

高排放情景下的不可逆转路径

在未采取减排措施的高排放路径下,模拟结果显示出令人担忧的趋势。到2100年,南极冰盖对海平面上升的贡献虽然仍存在较大不确定性范围,但到2300年这一不确定性显著缩小,收敛于高海平面上升值。

具体而言,SSP5-8.5情景下南极对全球海平面上升的贡献范围为0.7至6米,中位值约为3米。这一贡献主要来自西南极冰盖,研究人员认为在该情景下西南极冰盖的长期崩塌是"不可避免的"。东南极冰盖虽然整体更为稳定,但在持续高温强迫下也将出现显著的长期退缩,特别是威尔克斯地和极光地区的边缘冰川盆地可能触发海洋性冰盖不稳定机制。

这种不可避免性源于海洋性冰盖的物理特性和地形反馈。一旦西南极冰盖的主要接地线后退至某些关键阈值位置,向内陆倾斜的基岩地形将导致接地线处冰体厚度增加,进而增强冰通量和海洋融化率,形成自维持的退缩过程。

数值模拟显示,在高排放情景下,阿蒙森海地区的冰盖最早可能在22世纪进入不可逆退缩阶段,即使此后立即停止所有排放,退缩过程也将持续数百年。罗斯海地区和威德尔海地区的冰盖虽然退缩速度较慢,但在23世纪后期也可能越过临界阈值。研究强调,这些长期趋势的确定性远高于本世纪末的预测,表明当前几十年的排放决策具有不可撤销的长期后果。

模拟还揭示了气候系统内部变率对冰盖演变的调制作用。南极绕极流的位置和强度变化、南极涛动的年代际振荡以及厄尔尼诺-南方涛动对南极气候的遥相关,都会在年际至年代际尺度上影响冰架底部融化率和表面质量平衡。这种自然变率解释了为何不同模型集合成员在本世纪末的预测存在较大离散度。然而,随着时间推移,外部气候强迫的信号逐渐主导系统响应,内部变率的相对重要性下降,导致长期预测的不确定性收窄并趋向高海平面上升值。这一从短期不确定性到长期确定性的转变是研究的关键发现之一。

强力减排的有限保护效应

在符合巴黎协定目标的低排放情景下,即全球升温控制在1.5至2摄氏度并在2100年前实现碳中和,南极冰盖的命运显著改善但并非完全安全。模拟显示,该情景下到2300年南极对海平面上升的贡献范围为负0.1至正1.7米,中位值约为0.5米。负值的出现是由于降雪增加可能部分抵消冰川流出量的增加,但这种可能性在模型集合中占比较小。大部分模拟仍预测净冰损失,表明即使强力减排也难以完全避免南极对海平面上升的贡献。

更令人关注的是,即便在低排放情景下,西南极冰盖的部分区域仍可能经历不可逆退缩。思韦茨冰川和松岛冰川所在的阿蒙森海地区由于海洋深层暖水侵入的物理机制,可能已经接近或越过临界稳定性阈值。近年观测显示这两条冰川的质量损失在加速,接地线以每年数百米的速度后退。研究表明,即使未来几十年成功大幅减排,由于海洋热惯性,深层海水温度在数十年内仍将持续上升,导致冰架底部融化在本世纪中叶前难以明显减缓。这种承诺性海洋变暖意味着西南极冰盖的部分区域可能已经锁定在退缩轨道上。

不过,强力减排的价值在于保护东南极冰盖和限制西南极冰盖的退缩范围。东南极冰盖的大部分区域在低排放情景下可以保持稳定甚至因降雪增加而略有增长。西南极冰盖的退缩速度和最终损失量也显著低于高排放情景。从海平面上升角度看,低排放和高排放情景在2300年的差异可达数米,这对沿海城市和基础设施具有决定性意义。研究作者强调,每一分温室气体减排都有价值,即使无法完全阻止冰盖消融,也能显著降低其速度和幅度,为适应措施争取宝贵时间。

科学不确定性与政策含义

尽管研究采用了最先进的模型系统,南极冰盖未来演变仍存在重要的不确定性来源。冰架断裂和冰崖失稳等快速动力学过程在当前模型中的表达仍不完善。冰架断裂可能在短时间内移除大面积冰架,使内陆冰体迅速暴露于海洋融化。冰崖失稳假说认为,如果冰架完全消失导致冰川前缘形成高度超过100米的冰崖,冰崖可能因自重发生结构性崩塌,触发冰川快速退缩。虽然这一机制在现代观测中尚未被明确证实,但古气候记录显示地质历史上可能发生过由此驱动的快速冰盖消融事件。

基岩响应也是重要的不确定性因素。南极冰盖下方的地幔黏度较低,当冰体减少使地壳压力降低时,基岩会发生隆起,这种均衡调整过程可以改变海床地形,进而影响海洋环流和冰川动力学。最近的研究表明,考虑基岩反弹效应可使2500年的海平面上升预测减少约40%,但这一效应的时间尺度和空间模式在不同地区差异很大。此外,海洋环流模式对南极冰架底部融化率的影响仍存在结构性不确定性,特别是大陆架区域的复杂地形如何调制暖水侵入尚需更高分辨率的观测和模拟。

从政策角度看,这项研究传递的核心信息是时间窗口的紧迫性。库隆强调,未来几十年的行动将决定南极洲数千年的命运。克洛斯补充指出,减少排放不仅关乎稳定气温,更关乎保护全球海岸线和沿海社区的长期生存。考虑到全球约40%人口居住在距海岸100公里范围内,数米的海平面上升将造成数万亿美元的经济损失和数亿人口的迁移。除了减缓措施,研究也突显了适应战略的必要性,包括沿海防护工程、城市规划调整和脆弱社区的迁移准备。多边气候行动和国际合作对于应对这一全球性挑战不可或缺,因为海平面上升的影响将跨越国界,需要协调一致的全球响应。