Nature子刊 |“交我算”助力海洋学院李大玮课题组发表冰盖-气候反馈研究成果

    导读

地球南北两极的冰盖可以反映气候变化，冰盖的消融也影响附近海域的气候、生态，并产生全球影响。近日，上海交通大学海洋学院长聘教轨副教授李大玮在 Nature 杂志子刊 Nature Communications上，以第一兼通讯作者发表了题为 “Competing climate feedbacks of ice sheet freshwater discharge in a warming world” 的研究论文，研究结果表明，与冰盖淡水通量有关的冰盖-气候相互作用有正反馈和负反馈，分别对应着增强和减弱冰盖对气候变化的敏感性。然而，已有的研究大都在冰盖-气候离线耦合的框架下进行，冰盖和气候的变化不能实时作用于对方并回馈到自身的响应上，从而无法合理反映冰盖-气候相互作用下的反馈过程。目前仍不明确在全球变暖下哪类反馈占主导作用，这对预估全球变暖下两极冰盖的消融和相应的海平面上升增加了额外的不确定性。该论文由上海交通大学与马萨诸塞大学、宾夕法尼亚州立大学、北京大学合作完成，上海交通大学为本成果第一和通讯单位。

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 同步耦合三维冰盖数值模式与全球气候模式

冰盖是体积巨大的陆地冰体，是地球上最主要的淡水储库，格陵兰冰盖和南极冰盖的冰量分别相当于7米和58米的全球平均海平面上升。全球变暖气候背景下两极冰盖正加速消融，这一方面使全球平均海平面上升、威胁世界的沿海地区，也使大量冰盖淡水进入冰盖周边的海洋，影响盐度的垂直结构和大洋经向翻转环流并产生局地和全球尺度的气候影响。气候系统对冰盖淡水通量的响应引起冰盖所处的大气-海洋物理环境改变，从而可以反作用于冰盖的消融过程，成为冰盖-气候相互作用和反馈的重要组成部分。

图1.双向耦合的 PSUICE3D 和 UVic-ESCM 模拟的 SSP5-8.5 情景下的冰盖-气候反馈效应

本研究将三维冰盖数值模式与全球气候模式进行同步耦合，使冰盖-气候相互作用和反馈机制可以得到自洽的模拟。研究考虑了一系列有代表性的未来碳排放情景和气候模式气候敏感度的组合，探讨冰盖-气候反馈在不同的未来全球升温情形下的异同。数值模拟的结果揭示，来自冰盖的淡水注入增强冰盖周边海洋的层化、抑制深对流的发生和大气-海洋间的热量交换，使深层海洋升温，海表和大气降温。在各情形下，南极冰盖与南极和全球气候通过冰盖淡水通量的相互作用都存在着正、负两类反馈过程：深层海洋升温加剧冰架底部的消融，进一步增加冰盖的淡水通量，为正反馈；海表和大气的降温减少冰架和冰盖表面的消融和冰架的崩解，减少表面融水和冰山淡水通量，为负反馈。

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开拓两极冰盖之间的相互作用研究

在小幅和缓慢的全球变暖情景下，南极冰盖与气候通过冰盖淡水通量的相互作用由正反馈主导，冰盖淡水引起的气候效应使南极冰盖自身的消融加剧；而在高碳排放、全球快速升温的情景下，当西南极冰盖发生不稳定的退缩、冰架大多崩解后，南极冰盖淡水-气候的相互作用由正反馈转变为负反馈，冰盖淡水在南极产生的降温作用可减缓冰盖的质量损失。相比之下，格陵兰冰盖由于缺少大面积的冰架，淡水通量相关的气候反馈效应由负反馈主导：冰盖淡水注入使大西洋经向翻转环流（AMOC）减弱，海洋向北极地区的热量输送减少，使格陵兰地区降温，减缓冰盖的消融。

图2. 在两种CO2情景和四种淡水通量（FWF）配置中，使用耦合冰盖-气候模型进行的10成员集合模拟中若干变量的时间序列

本研究构建的冰盖-气候耦合模式使研究消融中的两极冰盖之间的相互作用成为可能。模拟结果显示，格陵兰冰盖的淡水通量抑制北大西洋深层水的生成，使 AMOC 减弱，而南极冰盖的淡水通量减小南极中层水的密度，使北大西洋深层水更易下沉，从而使 AMOC 加强。AMOC 的强度变化影响南-北半球间的热量交换，产生两极温度反向变化的“两极跷跷板”效应。AMOC 对冰盖淡水注入的响应使两极冰盖的消融存在相互促进的作用，即南极或格陵兰冰盖的消融可加剧对方的质量损失。

图 3. 南极冰盖消融-淡水通量反馈因子随冰盖质量损失速率的变化

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“交我算”为科研提速增效

气候环境的模拟与预测需要海量的计算资源。本研究构建的耦合模型包含三维冰盖动-热力学模型、三维海洋模型、陆地模型和二维能量水分平衡大气模型。准确理解冰盖-气候反馈的性质和两极冰盖间的相互作用有助于更好地限定冰盖对气候变化的敏感性和预估未来全球变暖下冰盖的消融速率和海平面上升。“交我算”的“思源一号”集群总算力 6 PFLOPS（每秒千万亿次），是目前国内高校领先的超算集群，CPU 共938个计算节点, GPU共92块A100显卡，其强大的算力帮助科研团队完成了各种模型训练。

   结语

本研究揭示的冰盖-气候反馈过程的复杂性凸显了冰盖淡水通量对预估冰盖消融和海平面上升的重要性。国际上多个模式开发中心正在发展包含冰盖模块的地球系统模式，本研究的结果可为未来采用更复杂模式的研究工作提供前驱参考。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-49604-3

文字编辑：李瑞

来源：上海交通大学海洋学院

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