摘要
冰川和冰盖的融化是目前海平面上升的三分之一1，2，3.超过了体积更大的格陵兰或南极冰盖的质量损失3.，4．北极斯瓦尔巴群岛，其空间气候梯度大于下个世纪预期的时间气候变化5，6这是一个天然实验室，可以限制冰川对气候的敏感性，并预测它们对未来变暖的反应。在这里，我们将历史和现代冰川观测结果联系起来，预测21世纪的冰川变薄速度将是1936年至2010年的两倍多。利用历史航空图像档案7从1936年到1938年，我们使用动态结构摄影测量法重建了整个斯瓦尔巴群岛1594个冰川的三维几何结构。我们将这些重建数据与现代冰高度数据进行比较，以得出70多年时间跨度内的物质平衡空间格局，使我们能够看穿年度和年代际变化的噪音，以量化温度和降水等变量如何控制冰损失。我们发现熔体速率具有很强的温度依赖性，即夏季平均温度上升1°C对应于面积归一化质量平衡下降- 0.28 m年−1水当量。最后，我们设计了一个空间换时间的替换8将我们的历史冰川观测与气候预测结合起来，并对21世纪斯瓦尔巴群岛的冰川变化进行一级预测。
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数据可用性
这里展示的1936/1938年斯瓦尔巴冰川清单包括栅格dem和正射影像(5米分辨率)，以及冰川范围的矢量轮廓(扩展数据图)。3.)．所有数据均可在NPI网站(https://www.doi.org/10.21334/npolar.2021.f6afca5c)和泽诺多(https://doi.org/10.5281/zenodo.5806388)．在这些存储库中，我们还以.laz文件的形式提供原始的(未处理的)3D点云，并提供一个电子表格(.xlsx文件)，其中包含冰川对面积、体积、沉降、∆的估计h/∆t、床面坡度、DEM不确定性和气候场(年平均气温、夏季平均气温、pdd、降雪降水和总降水)。一九三六年至一九三八年的航拍图像及其位置可于https://toposvalbard.npolar.no/．2008-2012年调查的500万区域dem33是否可以作为。tif文件从https://publicdatasets.data.npolar.no/kartdata/S0_Terrengmodell/Delmodell/相关的50厘米正射影可作为WMTS层https://geodata.npolar.no/#basemap-data．
代码的可用性
用于分析1936-2010年质量平衡数据并实现空间-时间替代的代码可在Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.5643856)．
参考文献
Meier, m.f.等人。冰川主导着21世纪的海平面上升。科学317， 1064-1067(2007)。
加德纳，A. S.等。冰川对海平面上升的贡献:2003年至2009年。科学340， 852-857(2013)。
泽普，M.等人。1961 - 2016年全球冰川质量变化及其对海平面上升的贡献自然568， 382-386(2019)。
Hugonnet, R.等人。21世纪初全球冰川质量损失加速。自然592， 726-731(2021)。
van Pelt, W.等人。斯瓦尔巴群岛气候物质平衡、雪况和径流的长期数据集(1957-2018年)。冰冻圈13， 2259-2280(2019)。
汉森鲍尔等人。斯瓦尔巴群岛2100年的气候——气候适应知识库挪威环境署(Miljødirektoratet)委托编写的NCCS第1/2019号报告(挪威气候服务中心，2019)。
午餐，B. Luftkartlegningen på斯瓦尔巴1936。挪威语Geogr。Tidsskr。6， 145-154(1936)。
布洛伊斯，J. L.，威廉姆斯，J. W.，菲茨帕特里克，M. C.，杰克逊，S. T. &费里尔，S.空间可以代替时间来预测气候变化对生物多样性的影响。国家科学院学报美国110， 9374-9379(2013)。
塞瑞兹，M. C. &巴里，R. G.北极放大的过程和影响:研究综合。全球地球。改变77， 85-96(2011)。
Isaksen, K.等人。斯匹次卑尔根群岛最近变暖——大气环流和海冰覆盖的影响。j .地球物理学。研究大气压。121， 11-913(2016)。
NordliØ。et al。回顾了扩展的斯瓦尔巴机场月度温度系列，并编译了1898-2018年相应的日系列。极地Res．(2020)。
Nuth, C.， Moholdt, G.， Kohler, J.， Hagen, J. O. & Kääb, A.斯瓦尔巴冰川海拔变化及其对海平面上升的贡献。j .地球物理学。地球冲浪．115(2010)。
Dowdeswell, J. A.等。环北极冰川的质量平衡与最近的气候变化。皮疹。Res。48， 1-14(1997)。
哈根，J. O.科勒，J.梅尔沃尔德，K. &温特，J.- g .。斯瓦尔巴群岛冰川:物质平衡、径流和淡水通量。极地Res。22， 145-159(2003)。
哈根，梅尔沃尔德，K.，平洛特，F. & Dowdeswell, J. A.关于挪威北极斯瓦尔巴群岛冰川和冰盖的净质量平衡。Arct。Antarct。高山。Res。35， 264-270(2003)。
Möller, M. &科勒，J.斯瓦尔巴冰川地区1900-2010年不同气候物质平衡演变。前面。地球科学．6， 128(2018)。
Østby, t.i.等。诊断1957-2014年斯瓦尔巴冰川气候物质平衡的下降。冰冻圈11， 191-215(2017)。
Aas, K. S.等。斯瓦尔巴冰川的气候物质平衡:一个大气-冰川物质平衡耦合模型的10年模拟。冰冻圈10， 1089-1104(2016)。
舒勒，t.v.等。协调斯瓦尔巴冰川的物质平衡。前面。地球科学．8， 156(2020)。
Bjørk, A. A.等。格陵兰岛东南部与气候相关的冰川波动的80年鸟瞰图。Geosci Nat。5， 427-432(2012)。
凯尔森，K. K.等。公元1900年以来格陵兰冰盖质量损失的时空分布。自然528， 396-400(2015)。
Child, s.f.， Stearns, l.a, Girod, L. & Brecher, H. H.结合来自卫星数据的地面控制的南极历史航空照片的运动摄影测量结构。远程Sens。13， 21(2021)。
杜尔格洛夫，M. B.和迈耶，M. F.二十世纪气候变化:来自小冰川的证据。国家科学院学报美国97， 1406-1411(2000)。
WGMS。冰川波动数据库(世界冰川监测服务，2020年2月15日访问)。
比柳，C. &基利克，R.从记忆中识别气候数据的趋势和变化。j .爬。31， 9519-9543(2018)。
Sasgen, I.等人。GRACE-FO卫星探测到格陵兰岛冰层快速融化，2019年冰层融化创纪录。Commun。地球环境。1， 8(2020)。
Velicogna, I.， Sutterley, T. & Van Den Broeke, M.使用GRACE时变重力数据在格陵兰岛和南极洲冰质量损失的区域加速。地球物理学。卷。41， 8130-8137(2014)。
盖曼，E. C.，马鲁夫，A. C. & Dyer, B.海平面变化是如何在碳酸盐地层中编码的?地球的星球。科学。列托人。560， 116790(2021)。
沙利文，m.j.等人。地球热带森林的长期热敏感性。科学368， 869-874(2020)。
刘杰，温柏平，彭丽娟，殷永勇，杨志强。北方高纬度森林对气候变暖响应的观测约束。AGU的睡觉。e2020AV000228(2020)。
卢克曼，A.等人。潮汐冰川的崩解速率与海洋温度有很大的不同。Commun Nat。6， 8566(2015)。
柯恩德林克，范多恩，A. J.仿射结构的运动。J.选择社会。点。一个8， 377-385(1991)。
斯瓦尔巴群岛特伦莫德尔(S0特伦莫德尔)(挪威极地研究所，2014)。
海，C. C.，莫罗，E.，柯普，R. E.和米特罗维察，J. X.二十世纪海平面上升的概率再分析。自然517， 481-484(2015)。
Oerlemans, J。冰川与气候变化(CRC出版社，2001)。
Oerlemans, J. & Fortuin, J.冰川和小冰盖对温室变暖的敏感性。科学258， 115-117(1992)。
雷珀，S. C. &布雷斯韦特，R. J.全球变暖下山地冰川和冰盖的低海平面上升预测。自然439， 311-313(2006)。
Nöel, B.等。斯瓦尔巴特冰川的低海拔导致了高质量损失变异性。Commun Nat。11， 4597(2020)。
波特，C.等。ArcticDEM(2018)。
Girod, L.， Nielsen, N. I.， Couderette, F.， Nuth, C. & Kääb, A.使用1936年高斜影像从斯瓦尔巴群岛精确提取DEM。Geosci。Instrum。方法数据系统。7， 277-288 (2018)
Midgley, N. & Tonkin, T.从档案斜航图像重建前冰川表面地形。地貌学282， 18-26(2017)。
Mertes, J. R.， Gulley, J. D.， Benn, D. I.， Thompson, S. S. & Nicholson, L. I.使用结构从运动创建冰川dem和从历史陆地和斜向航空图像的正射影像。地球上冲浪。流程的地形42， 2350-2364(2017)。
二十世纪早期斯瓦尔巴群岛费迪南德冰川的演变，基于历史照片和运动结构技术。Geogr。安。一个102， 57-67(2020)。
Aldegondabreen冰川自1910年以来的变化，从存档的陆地和航空照片的结构-运动摄影测量:利用历史档案获得世纪规模的斯瓦尔巴冰川质量损失。j . Glaciol。67， 107-116(2021)。
张震。基于立体视觉的单应性校正计算。1999年IEEE计算机学会计算机视觉与模式识别会议(Cat。No PR00149) Vol. 1, 125-131 (IEEE 1999)。
交给,O。线性代数及其应用第五版(皮尔逊，2013)。
Westoby, m.j.， Brasington, J.， Glasser, n.f.， Hambrey, m.j. & Reynolds, j.m.“运动结构”摄影测量:一种低成本、有效的地球科学应用工具。地貌学179， 300-314(2012)。
McNabb, R.， Nuth, C.， Kääb, A. & Girod, L.冰川体积变化估算对DEM空洞插值的敏感性。冰冻圈13， 895-910(2019)。
威廉姆斯，C. &拉斯穆森，C. E.;机器学习的高斯过程卷2,302,303(麻省理工学院出版社，2006)。
Nuth, C. & Kääb, A.用于量化冰川厚度变化的卫星高程数据集的联合配准和偏差校正。冰冻圈5， 271-290(2011)。
Kaab,。山地冰川与冻土蠕变的遥感研究48(地理学院大学，2005)。
James, m.r.， Robson, S, d 'Oleire Oltmanns, S. & Niethammer, U.优化无人机地形测量处理结构从运动:地面控制质量，数量和束调整。地貌学280， 51-66(2017)。
罗尔斯塔德，C.， Haug, T. & Denby, B.基于地质统计分析的空间集成大地冰川质量平衡及其不确定性:在挪威斯瓦蒂森冰盖西部的应用。j . Glaciol。55， 666-680(2009)。
美国华盛顿，北喀斯喀德国家公园的冰川变化(1958-1998)。j . Glaciol。52， 251-256(2006)。
König, M.， Nuth, C.， Kohler, J.， Moholdt, G. & Pettersen, R.;斯瓦尔巴群岛的数字冰川数据库229-239(施普林格，2014)。
Nuth, C.等。从斯瓦尔巴群岛的多时间冰川清单的年代际变化。冰冻圈7， 1603-1621(2013)。
将测地冰川体积变化转换为质量变化的密度假设。冰冻圈7， 877-887(2013)。
范佩尔，W. J. J.等。斯瓦尔巴群岛的数十年气候和季节性雪况。j .地球物理学。地球冲浪。121， 2100-2117(2016)。
Fürst, J. J.等。斯瓦尔巴群岛的无冰地形。地球物理学。卷。45， 760-769(2018)。
Fürst, J. J.等。应用两步法绘制斯瓦尔巴群岛各种冰川类型的冰层厚度图。冰冻圈11， 2003-2032(2017)。
Morlighem等人。冰川厚度的质量守恒方法。地球物理学。卷．38(2011)。
Hagedoorn, J. & Wolf, D.斯瓦尔巴群岛的更新世和最近的冰川消退:对潮汐计、GPS和VLBI测量的影响。j . Geodyn。35， 415-423(2003)。
佐藤，T.等。在北极斯瓦尔巴群岛Ny-Ålesund观测到的长期位移和重力速率的地球物理解释-冰川后反弹和今天冰融化的影响。地球物理学。j . Int。165， 729-743(2006)。
李志刚，李志刚，李志刚。斯瓦尔巴群岛冰川融化引起的地表变形。地球物理学。j . Int。179， 1-13(2009)。
北美东部冰川均衡调整与异常潮计记录。自然379， 331-333(1996)。
乌帕拉，S. M.等。ERA-40再分析。Q. J. R.气象学家。Soc。131， 2961-3012(2005)。
Reistad, M.等人。北海、挪威海和巴伦支海的高分辨率风和浪的后延j .地球物理学。海洋》116(2011)。
Førland, E. J.等。斯瓦尔巴群岛的历史降水趋势测量和模拟。j . Hydrometeorol。21， 1279-1296(2020)。
Huybers, P. & Curry, W.年度，米兰科维奇和连续温度变化之间的联系。自然441， 329-332(2006)。
Amdur, T.， Stine, A. & Huybers, P.全球表面温度对11年太阳周期强迫的响应与一般环流模式结果一致。j .爬。34， 2893-2903(2021)。
海斯，J. D.因布里，J. &沙克尔顿，N.地球轨道的变化:冰河时代的起搏器。科学194， 1121-1132(1976)。
早更新世冰川旋回与综合夏季日照强迫。科学313， 508-511(2006)。
Benn, D. I.等人。来自潮汐冰川的融化切割和浮力驱动的冰解:来自离散元素和连续介质模型模拟的新见解。j . Glaciol。63， 691-702(2017)。
库菲，K. M. &帕特森，W. S. B.。冰川的物理学(文献出版社，2010)。
Gabbi, J.， Carenzo, M.， Pellicciotti, F.， Bauder, A. & Funk, M.冰川响应长期模拟的经验和物理基础冰川表面融化模型的比较。j . Glaciol。60， 1140-1154(2014)。
Fujita, K. & Ageta .通过质量平衡模型揭示青藏高原夏季累积对冰川质量平衡的影响。j . Glaciol。46， 244-252(2000)。
奈格里，K. & Huss .山地冰川质量平衡对裸冰反照率变化的敏感性。安。Glaciol。58， 119-129(2017)。
劳伦蒂德冰原的狂欢/清除振荡是北大西洋海因里希事件的一个原因。古海洋学8， 775-784(1993)。
Oerlemans, J。最小冰川模型(乌得勒支出版与档案服务，2008)。
Oerlemans, J. Jania, J. & Kolondra, L.最小冰川模型在汉斯布林，斯瓦尔巴群岛的应用。冰冻圈5， 1-11(2011)。
Florentine, C.， Harper, J.， Fagre, D.， Moore, J. & Peitzsch, E.局部地形对退缩的cirque冰川的质量平衡影响越来越大。冰冻圈12， 2109-2122(2018)。
莫特，R.等人。雪崩和微气象驱动阿尔卑斯山最低常年冰原的质量和能量平衡:一个案例研究。冰冻圈13， 1247-1265(2019)。
金斯莱克，J.等。全新世期间南极西部冰盖的广泛后退和再推进。自然558， 430-434(2018)。
Etzelmüller, B.等。20世纪和21世纪斯瓦尔巴永久冻土温度演变的模拟。冰冻圈5， 67-79(2011)。
舒勒，t.v.等。协调斯瓦尔巴冰川的物质平衡。前面。地球科学．8， 156(2020)。
bvaszczyk, M. Jania, J. & Hagen, J. O.斯瓦尔巴群岛的潮汐冰川:最近的变化和冰解通量的估计。波兰极地保留区．30.(2009)。
胡斯，M. &霍克，R.全球冰川变化和海平面上升的新模型。前面。地球科学．3.， 54(2015)。
Radíc, V.等。根据全球气候模式的气候情景对21世纪冰川质量变化的区域和全球预测。爬。直流发电机。42， 37-58(2014)。
Marzeion, B. Jarosch, A. & Hofer, M.从冰川表面质量平衡的过去和未来海平面变化。冰冻圈6， 1295-1322(2012)。
雅各布，T，瓦尔，J，普费弗，W. T. &斯文森，S.冰川和冰盖对海平面上升的最近贡献。自然482， 514-518(2012)。
Matsuo, K. & Heki, K.来自卫星重力测量的北极群岛(冰岛，斯瓦尔巴群岛和俄罗斯北极高地)小冰川系统的当前冰损失。恐怖分子。大气海洋。科学。24， 657-670(2013)。
莫霍特，G.，努斯，C.，哈根，J. O. &科勒，J.基于ICESat激光测高的斯瓦尔巴冰川近期海拔变化。遥感，环境。114， 2756-2767(2010)。
Lang, C. Fettweis, X. & Erpicum, M. 1979-2013年尽管北极变暖，斯瓦尔巴群岛的稳定气候和表面物质平衡。冰冻圈9， 83-101(2015)。
Oerlemans, J.等人。估算北极冰川对未来100年海平面变化的贡献。安。Glaciol。42， 230-236(2005)。
Wouters, B.， Gardner, A. S. & Moholdt, G. GRACE卫星任务期间的全球冰川质量损失(2002-2016)。前面。地球科学．7， 96(2019)。
博克斯，j.e.等。北极陆地冰对全球海平面的贡献:1971-2017。环绕。卷。13， 125012(2018)。
Ciracì， E.， Velicogna, I. & Swenson, S.来自GRACE和GRACE后续任务的世界冰川和冰盖大规模损失的连续性。地球物理学。卷。47， e2019GL086926(2020)。
Radíc, V. & Hock, R.山地冰川和冰盖对未来海平面上升的区域差异贡献。Geosci Nat。4， 91-94(2011)。
斯特拉内奥,F。et al。峡湾动力和冰川径流对海尔海姆冰川附近环流的影响。Geosci Nat。4， 322-327(2011)。
伯南，D. B.，克里斯蒂安，J. E. &克里斯蒂安森，K.北大西洋气候变化对挪威、瑞典和斯瓦尔巴群岛冰川物质平衡的影响。j . Glaciol。65， 580-594(2019)。
本恩，D.，福勒，A. C.，休伊特，I.和塞韦斯特，H.冰川涌动的一般理论。j . Glaciol。65， 701-716(2019)。
邓斯，T.等人。由水热力学反馈促进夏季融化的冰川激增机制。冰冻圈9， 197-215(2015)。
Morris, A, Moholdt, G. & Gray, L.由CryoSat-2揭示的斯瓦尔巴冰川质量损失到巴伦支海边缘的传播。j .地球物理学。地球冲浪。125， e2019JF005357(2020)。
确认
我们感谢F. Simons, c.y。Lai, P. Wennberg, P. Moore, B. Dyer, G. Moholdt, R.A. Morris, E. Isaksson, A. Schomacker, C. Nuth, E. Schytt Holmlund和B. Geyman的谈话，改善了手稿。wj.j.v.p.感谢瑞典国家航天局(189/18项目)的资助。E.C.G.得到了普林斯顿大学1960年丹尼尔·m·萨克斯全球奖学金、斯瓦尔巴科学论坛北极领域赠款以及范尼和约翰·赫兹基金会的支持。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
E.C.G.和J.K.设计了这项研究。心电图进行SfM重建和数据分析。wj.j.v.p.收集并缩小了区域气候模式的结果。A.C.M.对空间换时间的概念做出了贡献。hfaa负责监督1936/1938年影像档案的数字化工作。E.C.G.写了手稿，所有作者都做了修改。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
同行评审信息
自然感谢Jaime Otero和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。同行评审报告是可用的。
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
图1斯瓦尔巴群岛对海平面上升的估计贡献:过去和未来。
的x-轴表示总冰损失，以毫米全球海平面当量(SLE)表示。SLE被标准化为100年的周期，以方便对不同长度的历史观测和21世纪的预测进行比较。仅模拟气候物质平衡的历史模型19，我们加入了一个崩解通量86为- 6.75±1.7 Gt年−1估算总质量平衡，便于与大地测量和重力观测进行比较。因为数据是从许多来源编译的2，3.，4，- - - - - -5，12，13，14，15，16，- - - - - -17，85，87，88，89，90，91，92，93，94，95，96，97，- - - - - -98，103，误差条表示不同的量。在大多数情况下，阴影条表示报告的±1σ不确定度。对于Marzeion等人(2012)，柱状图表示不同集合运行结果的范围，而对于“本研究”，柱状图表示从使用未来降水估计的第5百分位到第95百分位的范围。4)．本研究的21世纪预测分为3组:(1)基于1936-2010年的质量平衡观测，使用夏季平均温度作为冰损失的解释变量(†;无花果。3.- - - - - -4)， (2)，这些数据基于2000-2019年的卫星观测4以夏季平均气温计算(∗；扩展数据图。10)，以及(3)基于1936-2010年采用正度日观测所得的数据(‡;扩展数据图。9)．这三种方法都对21世纪的冰损失做出了相似的估计。在最极端的变暖情景下(RCP8.5)，预测开始出现分歧。6，采用基于正度日(PDD)方法的空间换时间替代(扩展数据图。9)得出海平面上升的最高估计数。请注意，斯瓦尔巴群岛的总冰量是估计的59是∼6199公里3.这相当于海平面上升15毫米。因此，21世纪预测红斑狼疮超过15毫米87，88，89都是不可行的。
扩展数据图2整个斯瓦尔巴群岛过去和未来的温度和降水估计。
(a-c)斯瓦尔巴群岛的1888条冰川跨越了一个海拔范围38> 1200 m， >10°C， >降水变化4倍(<0.5 ~ 2.0 m.w.e. yr)−1)．(a)中的高程图使用挪威极地研究所S0地形模型33，年平均气温(b)和年平均降水(c)使用降尺度NORA10数据集估算5(1公里分辨率，1957-2018)。(d-i) RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下北极CORDEX 2010-2100年夏季冰川平均温度(d-f)和固体降水估估(g-i)6．夏季平均温度(T年代(d-f)中的地图以1936-2010年T的上界为中心年代(第95百分位= 2.2°C;无花果。3.)．因此，棕色表示，在图中的空间-时间替换中。4在美国，我们正在预测冰川的行为，以响应高于校准模型的观测数据的温度上升。
扩展数据图3 1936/1938年航测概况7以及从这项研究中获得的新数据集。
(a)在制图运动期间所获得的5 507张高斜度航空照片的位置71936年和1938年。坐标显示在WGS84 / UTM区域33N。(b)我们用收敛的相机几何形状将图像分为17组，用于Agisoft Metashape中的SfM重建(扩展数据图。4)．我们提供了斯瓦尔巴群岛范围内(c) 1936年正射光度计，(d) 1936年数字高程模型(DEM)，以及(e) 1936-2010年高程变化(∆h)，分辨率分别为20 m和50 m。我们还提供了1936-2010年5 m分辨率的∆h数据集，不过，由于文件大小的限制，这些数据被分为图中所示的每个斯瓦尔巴地区的8个文件。二维．(c)中17个区域SfM重建中未处理的点云以.laz文件的形式提供。除了(c-e)中的栅格数据集外，我们还提供了一个.shp文件，其中列出了1936年斯瓦尔巴群岛冰川的范围，以及记录∆h/∆t、∆M/∆t、DEM不确定性和NORA10气候场等统计数据的电子表格5(夏季平均气温、降水如雪等)。参见数据可用性。
扩展数据图4来自运动(SfM)管道的图像预处理和结构概述。
为了改善SfM重建过程中的特征选择，我们使用Adobe Lightroom中的Dehaze工具通过直方图拉伸和锐化特征增加对比度来增强数字化图像。这一辐射增强步骤改善了冰雪上的摄影测量重建，这往往比周围的土地对比度低。最后，由于扫描不保留内部几何(图像可以旋转、平移和扭曲)，我们定位每个图像边缘上的四个基准标记，并应用投影转换将图像映射到标准化的内部几何。由于数据集中有大量的图像，我们使用自动化管道进行基准标记识别。我们用一个理想化的基准模板卷积图像的边缘来识别目标区域。接下来，在目标区域内，我们用拉普拉斯高斯滤波器卷积图像来定位基准点。我们在Agisoft Metashape 1.6.0的标准摄影测量工作流中处理航空照片。简而言之，我们首先从每张图像中提取多达40,000个关键点。所有图像之间的关键点匹配提供了求解未知参数的约束条件，包括相对摄像机位置/方向和摄像机畸变参数。添加具有指定(x,y,z)位置的地面控制点(GCPs)，可以实现模型的绝对地理引用。 Finally, a multi- view stereo (MVS) reconstruction converts the sparse 3D model to a dense 3D point cloud. We perform the MVS reconstruction with a Dense Quality of Medium (meaning that depth maps are generated at 1/4 the image resolution) and Dense Filtering at Moderate to Aggressive.
扩展数据图5 1936年和2008-2011年斯瓦尔巴群岛冰川的3D对比示例。
(a)奥地利/西部br ø gererbreen， (b)中部/奥地利Lovénbreen， (c) Grønfjordbreen， (d) Tungebreen， (e) Gløttfjellbreen， (f) Pedâsenkobreen。1936-2010年间，斯瓦尔巴冰川体积减少了11%。2)．2008-2011年的模型使用了NPI 500万区域dem33及相关的50厘米正射影像(https://geodata.npolar.no/)．
扩展数据图6高斯过程(GP)回归的数据覆盖和填充。
(a)黑色区域表示1936/1938年航拍图像中有3D摄影测量(SfM)限制的区域(图。1)和白色区域表示填充了GP回归(方法)的空白区域。sfm生成的点云在低对比度区域由于遮挡和较差的特征匹配而存在空洞区域。奥斯方纳东部没有重建。2)，因为在1936/1938年的探险中没有获得该地区的照片7(扩展数据图。3)．(b-e)应用于斯瓦尔巴群岛西部奥斯卡二世土地的填空程序说明。为了填补1936年DEM中的空白，我们首先计算∆h图，将∼2010年参考1936年重建的DEM (b)。接下来，我们训练GP回归来估计空白区域的∆h值。使用x、y和z(2010年高程)作为预测变量来训练GP回归，从而推断∆h为响应变量，从而合并(a)中的空间信息和(c)中所示的∆h的高程依赖关系。(d) GP回归填充值的误差是在模型训练中得到的随机数据点子集(60%)上估计的。最后，从2010年参考DEM中减去(e)中填充的∆h图，得到1936年的曲面(扩展数据图。3 d)．
图7气候和几何对冰川质量平衡的控制。
(a-b)失冰温度控制。(a-b)中的散点图与正文图的关系相似。3做减法(T年代Vs.∆h/∆t)，除(a-b)中的y轴还包括固体降水分量外。具体地说,F出= P固体−b，其中P固体是从缩小的NORA10数据集中提取的5， b为∆h/∆t换算为M.W.E. yr−1使用密度57850千克米−3．由于冰川特定降水估计是有噪声的，(a-b)中的图比正文中的图显示出更大的散射。3做减法．用F来检查数据的好处是出它能让我们提取物理量k吗1，它描述了冰损失的预期增长(m.w.e.年)−1)，夏季平均气温每上升1°C。(a-b)中的灰色带描述了T的第25 - 75百分位不确定性包膜年代与F出回归(所有冰川)。请注意，海洋末端冰川的冰损失不仅受气温驱动F的调节融化还受到峡湾温度，水深测量和循环控制F产犊31，73，99．我们采用一阶方法，用不同的k常数来拟合陆地和海洋末端冰川。在两者(a-b)中，k1陆地冰川的系数大于海洋冰川的系数。这一观察结果表明F敏感性较弱出空气温度与F值一致出海洋末端的冰川部分是由与气温脱钩的峡湾过程驱动的。由于卫星时代观测(b)的间隔较短，因此∆h/∆t数据更容易受到年度变化的影响One hundred.浪涌周期101，我们只将∆h/∆t拟合在第10 - 90百分位范围内的冰川。这个范围以外的冰川用灰色圆点描绘。注意估计的k1来自1936-2010年观测(a)和卫星时代数据集的系数4(b)彼此不确定。(c-d)冰川坡度调节对变暖的敏感性。(a)简单的冰川理论模型79预测坡度较陡的冰川对气温上升不太敏感。其基本原理是，对于坡度较低的冰川，给定的ELA上升x米将把冰川面积的更大一部分从堆积区转移到消融区38，导致冰川平均∆h/∆t下降更为明显。(b)我们测试了是否有证据表明床坡控制冰川对温度上升的敏感性79在我们的1936-2010数据集中(图;2)，通过估计T年代低、中、高坡冰川∆h/∆t。床层坡度计算为床层地形的∆z/∆x59沿着每个冰川的中心线56．(b)中的分布表示对数据集的重复随机50%子样本进行加权总最小二乘回归得到的回归斜率。
图8区域T年代vs.∆h/∆t
(A -b) 2020年融化季节接近尾声时(A)斯匹次卑尔根省东北部和(b)埃吉ø亚省冰川的视觉比较。请注意，与(a)中的冰川相比，(b)中的冰川没有剩余的冬季雪，即使在冰川的最高部分，也暴露出颜色较深、富含碎片的冰。换句话说，冰川表面100%位于消融带内。Sentinel-2图像来自2020年8月1日，坐标位于UTM区域33N。(c-d) 1936年和2010年的冰川范围。(e-i)在整个斯瓦尔巴群岛1936-2010年数据集中搜索阈值行为的证据。(e-f)如果一个强大的临界点已经达到，这样，在高T年代，冰川偏离了图中的线性行为。3.，人们可能会认为是T年代与(f)中描述的∆h/∆t的关系。但是(e)对(f)中的模型没有很强的支持。接下来，我们在t中寻找区域信号年代与∆h/∆t的关系。我们将整个斯瓦尔巴数据集划分为(h)所示的8个区域，每个区域都有不同的平均T年代(g)和∆h/∆t。(i)对于每个区域，我们研究了Svalbard-wide线性T之间的残差年代Vs.∆h/∆t (e)和区域观测值。残差计算为预测减去观测值，因此负值表明观测到的质量平衡比预测值更负。(i)中的区域是根据区域平均冰川床坡度排序的(扩展数据图)。7 c)，由小到大。像(b)中那些完全融化(没有积累)的冰川似乎遵循类似的T年代与∆h/∆t的关系为(a)中更健康(接近平衡)的冰川。
扩展数据图9冰川对变暖的敏感性和基于正度日(PDD)估计的21世纪预测。
(a-g)与图相似的图形。3.，除了采用正度日(pdd)来模拟冰损失通量(eqns。12- - - - - -13)，而不是夏季平均气温。在(g)中，只显示了代表n≥20个冰川的箱子。(h-k) pdd是夏季平均温度的非线性函数。对于每个冰川，我们使用1957年到现在的日温度时间序列5(h)来理解夏季平均温度与pdd (k)之间的关系。具体来说，我们以0.5°C的步长迭代地向上平移(h)时间序列，并计算新的pdd数。(k)中的红色虚线描述了如果融化季节不再延长，PDD估计将会是什么，这类似于T年代(图;3.- - - - - -4)．如(j)所示，pdd数量的增加不仅是因为夏季平均温度的升高，还因为融化季节持续时间的增加。(h-k)为Bungebreen冰川(76.814)◦16.097 N,◦E).我们重复对斯瓦尔巴群岛上所有冰川的分析，以得出夏季平均温度和pdd (k)之间的冰川特定关系。(l)我们使用1936-1990年的数据来校准模型，测试基于pdd的时空替代，然后将1990-2010年区间的预测与dem推导的独立质量平衡估计进行比较。我们发现模型和观测结果非常吻合。接下来，我们使用该模型预测21世纪(2010-2100年)的质量平衡。(m-n)使用PDD方法的预测与使用夏季平均温度的预测几乎相同(图2)。4RCP2.6 (m)和RCP4.5 (n)场景。然而，PDD方法在RCP8.5下产生了更多的负质量平衡估计值，因为在较高夏季温度(k)下，PDD曲线与简单线性函数的发散性。(m-o)中的括号显示了使用预测冬季降水的第5百分位和第95百分位的模拟结果6．
图10卫星时代温度对冰川物质平衡的控制4(2000 - 2019)。
与Figs类似的图形3.- - - - - -4，但采用了ASTER dem推算的2000-2019年∆h/∆t4．夏季平均温度值提取自降尺度NORA10数据集5．(c) Austfonna第3盆地的极负∆h/∆t表示该地区正在出现激增，估计有冰解通量102为4.2±1.6 Gt年−1这相当于整个斯瓦尔巴群岛冰损失的四分之一103．(e-g)为了减少回归分析中异常值的影响，我们只纳入了夏季平均温度和∆h/∆t值落在斯瓦尔巴全数据集第10至90百分位内的冰川。(e)如图。3 e，自举重采样方案的回归斜率分布不重叠0 m yr−1°C−1，表明∆h/∆t具有显著的温度依赖性。估计的回归斜率为−0.28[−0.36，−0.22]m yr−1°C−1(中位数在25-75百分位范围内)，略小于负值，但仍在图中估计值的不确定性包线内。3.(−0.37[−0.43，−0.29]m yr .−1°C−1)．(h)检验2000-2019年观测结果4足够长来表征温度和降水对冰损失的控制(扩展数据图。7)，我们使用2000-2019年的观测数据和NORA10的温度和降水估算，训练了空间-时间替代5估算1936-1990年期间的质量平衡。与dem导出的独立观测结果∆h/∆t相比，时空估计的误差为0.05 m yr−1．(h)中模拟的1936-1990年质量平衡可能比观测到的质量平衡有更大的扩散，这是由于有些更大的噪声(受波动、年际变化的影响)One hundred.等)用于校准模型的卫星时代数据。(i-k)我们使用空间-时间替代，使用2000-2019年的观测数据进行训练4在相同的三种气候情景下，预测21世纪全斯瓦尔巴地区∆h/∆t6如图所示。4罪犯．括号显示了模型在模拟冬季降水的第5和第95百分位上运行6．
补充信息
补充信息
关于方法的额外说明和细节。再现空间换时间分析所需的代码和相关数据集可从以下网站下载https://doi.org/10.5281/zenodo.5643856．1936/1938年完整的三维冰川重建数据集可从https://doi.org/10.5281/zenodo.5644415．
补充数据
冰川统计数据，如冰川损失、气候参数和21世纪预测。
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盖曼，e.c.， j.j.范佩尔特，W.，马鲁夫，A.C.et al。斯瓦尔巴群岛冰川的历史变化预示着到2100年冰川的质量损失将翻一番。自然601， 374-379(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-021-04314-4
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