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后工业化时期北极变暖对格陵兰径流的非线性响应

自然体积564，页面104 - 108 (2018）引用本文

主题

摘要

格陵兰冰盖(GrIS)对全球海平面上升的影响越来越大1最近的冰质量损失主要是由地表融水径流造成的2，3.．卫星观测显示GrIS地表融化程度呈积极趋势4，但在卫星时代之前，融化变化、强度和径流仍然不确定。在这里，我们提出了GrIS地表融化强度和径流的第一个连续的、多世纪的和观测约束的记录，揭示了最近GrIS融化的程度至少在过去350年里是异常的。我们通过对格陵兰岛中西部冰芯的地层分析开发了这一记录，并证明了在渗透区冰芯中再冻结融化层的测量可以用于定量和可重复地重建过去的融化速率。我们显示显著(P< 0.01)以及这些冰芯衍生的融化记录与模拟的融化速率之间的空间广泛相关性5，6以及卫星得出的融化持续时间4更广泛地覆盖格陵兰岛，使重建过去冰盖规模的表面融化强度和径流成为可能。我们发现，GrIS融化的开始增加紧跟19世纪中期工业时代北极变暖的开始，但GrIS融化的幅度直到最近才超出自然变率的范围。由于地表融化对夏季气温升高的非线性响应，持续的大气变暖将导致GrIS径流和海平面贡献的迅速增加。

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图1:格陵兰岛表面融化的积极趋势和用于重建过去表面融化变化的冰芯位置。
图2:CWG表面融化从冰芯开始的多世纪演化。
图3:CWG冰芯捕捉到的融化过程的空间广义表示。
图4:格陵兰冰盖径流异常增加和气候变暖背景。

数据可用性

冰芯融化记录、衍生的径流重建以及来自NU、GC和GW核的其他记录可通过NSF北极数据中心(http://arcticdata.io)及通讯作者要求提供的资料。此外，图的源数据。2，4均在本文的在线版本中提供。RACMO2模型输出5以及缩小的1公里表面质量平衡数据可从B.P.Y.N.和M.R.v.d.B.要求。MAR模型输出6应要求可从X.F.处获得。格陵兰气温数据51可从http://www.dmi.dk/laer-om/generelt/dmi-publikationer/tekniske-rapporter/．海冰数据29，30.可从https://nsidc.org/data/g10010而且//www.sabinai-neji.com/articles/nature10581．北极气温重建数据21可从//www.sabinai-neji.com/articles/nature19082．卫星融化数据4，41可从http://www.cryocity.org．

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下载参考

确认

资助由美国国家科学基金会(NSF)授予S.B.D的OPP-1205196和PLR-1418256, ARC-1205062授予B.E.S.， OPP-1205008授予m.j.e.l.d.t.，感谢罗文大学和伍兹霍尔海洋研究所Doherty博士后奖学金的机构支持。M.B.O.承认来自国防部海军研究办公室，国防科学与工程研究生(NDSEG)奖学金，32 CFR 168a的支持。核心D5的收集、分析和解释由NSF拨款0352511资助给J.R.McC。B.P.Y.N.和M.R.v.d.B.感谢荷兰科学研究组织极地计划(NWO/NPP)和荷兰地球系统科学中心(NESSC)的支持。为了运行MAR模型，由比利时科学研究基金会(FRS-FNRS)资助的Équipements de computational Intensif财团(CÉCI)提供了计算资源，授权号为2.5020.11，以及由瓦隆地区资助的Fédération Wallonie Bruxelles基础设施的一级超级计算机(Zenobe)，授权协议号为1117545。我们感谢M. Waszkiewicz和IDPO/IDDO对冰芯钻探的支持。我们感谢NSF冰芯设施(以前的NICL)， A. York, M. Bingham, M. Hatch, S. Zarfos, Z. Li和米尔顿学院的学生对冰芯采样和处理的支持。我们感谢R. Banta在D5核心方面的帮助，以及A. Arienzo和N. Chellman在分析NU核心方面的帮助。我们感谢M. Tedesco提供了图3d中使用的卫星融化持续时间数据。图1a、图3和扩展数据图3、图4中的地图是用NCAR命令语言(https://www.ncl.ucar.edu)，图1b和扩展数据图6用Esri ArcGIS完成。我们承认在NASA/HQ提供资金的情况下，NASA/GSFC/地球科学数据和信息系统(ESDIS)运行的地球观测系统(LANCE)的陆地、大气近实时能力快速响应图像在图1b中得到了使用。

审核人信息

自然感谢J. Briner和B. Vinther对这项工作的同行评审所做的贡献。

作者信息

作者及隶属关系

  1. 罗文大学地质系，美国新泽西州格拉斯伯勒

    卢克·d·特鲁塞尔

  2. 美国马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所地质与地球物理部

    Luke D. Trusel & Sarah B. Das

  3. 美国麻省理工学院/伍兹霍尔海洋研究所海洋学联合项目

    马修·b·奥斯曼

  4. 惠顿学院化学系，诺顿，马，美国

    马修·j·埃文斯

  5. 美国华盛顿州西雅图华盛顿大学应用物理实验室极地科学中心

    本·e·史密斯

  6. 比利时Liège大学地理系，Liège

    泽维尔Fettweis

  7. 美国内华达州雷诺市沙漠研究所水文科学部

    约瑟夫·r·麦康奈尔

  8. 荷兰乌得勒支大学海洋和大气研究所

    Brice p.y. Noël & Michiel R. van den Broeke

作者
  1. 卢克·d·特鲁塞尔
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  2. 莎拉·达斯
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  3. 马修·b·奥斯曼
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  4. 马修·j·埃文斯
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  5. 本·e·史密斯
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  6. 泽维尔Fettweis
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  7. 约瑟夫·r·麦康奈尔
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  8. 布莱斯P. Y. Noël
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  9. 迈克尔·r·范登·布鲁克
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贡献

L.D.T.和S.B.D.根据m.b.o.b.e.s.的意见构思并设计了这项研究，S.B.D.， M.J.E.和L.D.T.确定了冰芯的位置。S.B.D, L.D.T, M.B.O.和m.j.e收集了冰芯。L.D.T.分析了NU、GC和GW岩心的熔体地层。S.B.D J.R.McC。L.D.T.分析了D5岩心。M.J.E.和J.R.McC。分析了冰芯化学成分。冰芯年代学由M.B.O.主导，b.e.s.， s.b.d.， J.R.McC提供资料。L.D.T. M.B.O.根据L.D.T. B.P.Y.N.的输入开发了熔体重建代码，M.R.v.d.B.提供RACMO2模型输出和专业知识。X.F.提供MAR模型输出和专业知识。 L.D.T. led the data analyses and interpretation, and wrote the manuscript, with input from S.B.D. and M.B.O. All authors read and commented on the manuscript.

相应的作者

对应到卢克·d·特鲁塞尔．

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有利益竞争。

额外的信息

出版商的注意:施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。

扩展的数据图形和表格

扩展数据图1样例芯截面和附加的年度熔体记录。

一个，示例核心扫描图像(上)和蓝色的数字化熔化层(下)。b， CWG堆芯的年融化百分比时间序列。粗体线表示5年移动平均线。见图。1的位置。c最上面的面板显示了在特定的一年里，在我们三个最长的冰芯中存在(蓝色)或不存在(灰色)任何数量的再冻结表面融化，显示了每个位置每年定期发生融化。底部面板显示,当过滤只显示年融化百分比大于18世纪意味着融化在每一个网站,一个模式对最近更频繁,更厚(因此更强烈)出现融化。由于核心GC没有跨越18世纪，因此附近D5核心的平均18世纪融化也被用作GC的基线。

扩展数据图2熔体和气候记录的光谱特征分析。

一个- - - - - -d，我们冰芯的多锥法谱功率图，格陵兰阻塞指数59北大西洋涛动58．e， NU融化与格陵兰岛西南部温度的交叉小波变换图51．在光谱图中(一个- - - - - -d)，个别光谱功率峰值所对应的年份以数字表示，但许多峰值的周围是一段光谱功率较高的年份。阴影区域代表95%的置信范围，我们注意到许多峰值在白噪声阈值以上没有显著显示(5%置信)。在交叉小波图中e，主要(P< 0.05)的相干性被一条黑线包围。白色阴影区域表示由于边缘效应无法确定相干性的区域。箭头表示相位关系:向右(向左)箭头表示相内(相外)关系，而向下(向上)箭头表示熔体先导(滞后)温度。我们的分析发现，与单一气候指数相比，NU和气温之间的相干性最强，且通常是同步的，这表明多种气候模式对GrIS融化的综合影响可以用气温很好地表示(方法)。

扩展数据图3 CWG芯中熔体过程在空间上广泛表示的进一步证据。

CWG融雪叠加与marv3.7模拟年融雪之间的Spearman秩序相关性(一个)和融雪径流(b)。与RACMO2和卫星熔体的相关性(图。3.)，这里只显示了在核心数据集与模拟数据集共同重叠的至少50%的年份(18年)中，mar模拟的融化或径流的相关关系。有显著相关性的地区(P< 0.01)用点状图案表示。CWG堆栈中使用的核心位置用黄色表示(一个)或黑色(b)点。

扩展数据图4局部和冰盖一体化融化过程之间的关系。

皮尔逊相关系数(r)在每个网格单元的gris集成表面熔体与表面熔体之间(一个)、gris集成径流及每个网格单元的径流(b)，以及每个网格单元的gris集成径流和地表融水(c)．计算1958-2013年RACMO2.3p2的相关性(左图)和1979-2013年MARv3.7的相关性(右图)。整合gris的融体/径流年际变化可以很好地用当地尺度的融体/径流年际变化来表示。因此，原位融化记录(例如，来自位置良好的渗透区冰芯，能够捕捉年际融化变化)可以用于量化gris集成的融化和径流。

扩展数据图5流域径流重建。

利用校准到RACMO2.3p2的19个地表流域的NU和CWG冰芯融化记录重建径流47对于完整的GrIS，通过每个盆地的总和(右下;如图所示。4)．注意唯一的垂直轴。所示的重建统计数据是在20个逐步校准/验证间隔内实现的每个度量的最大值。径流重建周围的阴影区域代表95%的置信范围。建模数据集使用5年Lowess过滤器平滑。有关重建的详细信息，请参见方法见扩展数据图。6用于盆地定位和进一步的统计评估。

图6盆地特定和gris集成重建统计。

径流重建技能统计数字中位数(r2， CE, RE)超过20个逐步校准/验证间隔，计算每个地表流域(左侧图中盆地数)和整个GrIS(插入图)。孵化表示至少有一半的校准/验证间隔在统计上显著的区域P< 0.1水平，使用10,000个蒙特卡罗模拟确定(参见方法)．所有盆地至少有一个校准/验证间隔，其中三个验证统计量中至少有一个显著。看到方法关于重建方法的详细信息。

扩展数据表1本研究中使用的冰芯和冰芯的详细信息
全尺寸表
表2冰芯与CWG气温的统计关系
全尺寸表
表3冰芯、重建径流与泛格陵兰气温的统计关系
全尺寸表
表4趋势启动时间和气候出现时间
全尺寸表

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特鲁塞尔，l.d.，达斯，s.b.，奥斯曼，M.B.et al。后工业化时期北极变暖对格陵兰径流的非线性响应。自然564， 104-108(2018)。https://doi.org/10.1038/s41586-018-0752-4

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  • DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-018-0752-4

关键字

  • 体现融化
  • 记录融化
  • 格陵兰冰盖(GrIS)
  • 融水径流
  • 不均匀的融化

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