[论文解读] Implications of ice-shelf hydrofracturing and ice-cliff collapse mechanisms for sea-level projections

Robert E. Kopp, Robert M. DeConto+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2017

Cryospheric studies and observations被引用 9

一句话总结

本研究将冰架水力破裂与冰崖崩塌机制整合入概率性海平面预测中，采用南极冰盖模拟的小集合，揭示在RCP 8.5情景下，这些过程使21世纪中叶全球平均海平面（GMSL）上升的中位数从约80厘米增至约150厘米，对沿海人口及2100年以后的长期预测具有深远影响。

ABSTRACT

Probabilistic sea-level projections have not yet integrated insights from physical ice-sheet models representing mechanisms, such as ice-shelf hydrofracturing and ice-cliff collapse, that can rapidly increase ice-sheet discharge. Here, we link a probabilistic framework for sea-level projections to a small ensemble of Antarctic ice-sheet (AIS) simulations incorporating these physical processes to explore their influence on projections of global-mean sea-level (GMSL) and relative sea-level (RSL) change. Under high greenhouse gas emissions (Representative Concentration Pathway [RCP] 8.5), these physical processes increase median projected 21st century GMSL rise from $\sim80$ cm to $\sim150$ cm. Revised median RSL projections would, without protective measures, by 2100 submerge land currently home to $>79$ million people, an increase of $\sim25$ million people. The use of a physical model, rather than simple parameterizations assuming constant acceleration, increases sensitivity to forcing: overlap between the central 90\% of the frequency distributions for 2100 for RCP 8.5 (93--243 cm) and RCP 2.6 (26--98 cm) is minimal. By 2300, the gap between median GMSL estimates for RCP 8.5 and RCP 2.6 reaches $>10$ m, with median RSL projections for RCP 8.5 jeopardizing land now occupied by $\sim900$ million people (vs. $\sim80$ million for RCP 2.6). There is little correlation between the contribution of AIS to GMSL by 2050 and that in 2100 and beyond, so current sea-level observations cannot exclude future extreme outcomes. These initial explorations indicate the value and challenges of developing truly probabilistic sea-level rise projections incorporating complex ice-sheet physics.

研究动机与目标

• 评估基于物理过程的冰盖机制——特别是冰架水力破裂与冰崖崩塌——对概率性海平面升高预测的影响。
• 解决当前概率性框架中常依赖简化、恒定加速度参数化而非动态冰盖物理机制的局限性。
• 量化这些机制如何改变不同温室气体情景下全球平均海平面（GMSL）和相对海平面（RSL）变化的预测结果。
• 评估预测对强迫的敏感性及其对长期沿海风险的影响，特别是2100年以后的风险。

提出的方法

• 将概率性海平面预测框架与一个包含冰架水力破裂和冰崖崩塌机制的南极冰盖（AIS）模拟小集合相连接。
• 模拟采用代表性浓度路径（RCP）8.5和RCP 2.6强迫情景，以对比高排放与低排放的未来情景。
• 该框架使用统计方法传播模型参数和强迫的不确定性，从而实现对GMSL和RSL变化的概率估计。
• 通过评估不同情景下2100年GMSL预测中位数90%频率分布的重叠程度，评估预测的敏感性与不可逆性。
• 通过将2100年和2300年RSL预测与当前人口分布进行比较，估算受淹没威胁的陆地面积。
• 通过比较2050年与2100年南极冰盖对海平面上升的贡献，评估当前观测对极端未来结果的可预测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高排放情景下，冰架水力破裂与冰崖崩塌机制如何影响概率性全球平均海平面升高预测？
• RQ2 与采用恒定加速度参数化的模型相比，这些物理过程在多大程度上增加了海平面预测对辐射强迫的敏感性？
• RQ3 这些机制对2100年和2300年相对海平面升高及沿海淹没风险有何影响？
• RQ4 鉴于2050年与2100年南极冰盖对海平面上升的贡献之间缺乏相关性，当前海平面观测在多大程度上能排除极端未来结果？
• RQ5 到2300年，RCP 8.5与RCP 2.6情景下的中位数海平面升高预测差异是多少？每种情景下分别有多少人面临风险？

主要发现

• 在RCP 8.5情景下，引入冰架水力破裂与冰崖崩塌机制后，21世纪中叶全球平均海平面升高的中位数从约80厘米增至约150厘米。
• 到2100年，RCP 8.5情景下的RSL预测将导致目前居住超过7900万人的陆地被淹没，较不考虑这些机制的预测结果增加约2500万人。
• RCP 8.5情景下2100年GMSL预测中位数90%频率分布（93–243厘米）与RCP 2.6情景（26–98厘米）之间重叠极小，表明对强迫具有高度敏感性。
• 到2300年，RCP 8.5与RCP 2.6情景下GMSL中位数差异超过10米，RCP 8.5情景的预测将威胁目前居住约9亿人的陆地。
• 南极冰盖对海平面上升的贡献在2050年与2100年之间相关性极低，表明当前观测无法排除极端未来结果。
• 与简单参数化方法相比，使用物理模型显著提高了预测对辐射强迫的敏感性，凸显了在今后评估中纳入复杂冰盖动力学的重要性。