Evolving understanding of Antarctic ice-sheet physics and ambiguity in probabilistic sea-level projections
冰架水力压裂和冰崖崩塌等机制可能会迅速增加海洋冰盖的流量。在这里，我们链接到一个小合奏的南极冰盖（AIS）模拟纳入这些物理过程，探讨其对全球平均海平面（GMSL）和相对海平面（RSL）的影响海平面预测的概率框架。我们使用专家评估和结构化专家启发AIS变化的新的预测与过去的结果进行比较。在高温室气体排放下（代表性浓度途径[RCP] 8.5），21世纪GMSL上升的中位数预计从79厘米增加到146厘米。如果没有保护措施，到2100年，修订后的RSL预测中值将达到1.53亿人，增加4400万人。物理模型的使用，而不是简单的参数化假设冰损失的恒定加速，增加强迫敏感性：中央90%的模拟2100年RCP 8.5（93-243厘米）和RCP 2.6（26-98厘米）之间的重叠是最小的。到2300年，RCP 8.5和RCP 2.6的GMSL中位数估计值之间的差距达到10米以上，RCP 8.5的RSL中位数预测危及目前9.5亿人居住的土地（RCP 2.6为1.67亿人）。到2050年AIS对GMSL的贡献与2100年及以后的贡献之间的最小相关性意味着目前的海平面观测不能排除未来的极端结果。2050年后的预测对极不确定的物理学的敏感性突出表明，需要有强有力的决策和适应性管理框架。
2017-11-04 physics.ao-ph
Sea-level projections representing deeply uncertain ice-sheet contributions
未来海平面上升对许多沿海社区构成了重大风险。管理这些风险往往依赖于IPCC提供的共识预测。然而，人们越来越意识到，周围的不确定性可能比通常所认为的要大得多。最近发表的海平面预测出现了很大的分歧和高度敏感的非平凡的模型选择和西南极冰盖（WAIS）可能比以前认为的更不稳定，使快速解体。作为回应，一些机构已经宣布相应地更新其预测。在这里，我们提出了一套概率海平面预测近似深度不确定WAIS的贡献。这些预测旨在通过澄清对非平凡或有争议的假设的敏感性，为稳健的决策提供信息。我们表明，非常不确定的WAIS贡献可以在几十年内主导其他不确定性。这些深刻的不确定性要求制定强有力的适应战略。这些决策需要，反过来，需要面向任务的基础科学，例如关于潜在的路标和WAIS引起的海平面变化的最大速率。
2016-09-22 physics.ao-ph
An Early Warning Sign of Critical Transition in The Antarctic Ice Sheet -- A Data Driven Tool for Spatiotemporal Tipping Point
Clarkson University（克拉克森大学）
我们最近开发的工具，称为定向亲和分割，最初是专为数据驱动的流体系统中的相干集的发现。在这里，我们解释说，它也可以用来指示早期预警信号的关键过渡冰架从遥感数据。我们应用有向谱聚类方法，包括一个不对称的亲和矩阵和相关的有向图拉普拉斯算子，重新处理的冰速度数据和遥感卫星图像的拉森C冰架。我们的工具已经能够从历史数据中模拟预测历史事件，断层线负责导致拉森C冰架裂缝破裂的关键过渡，导致A68冰山。使用过去的数据来预测现在也是过去的事件的方法的这种基准有时被称为事后预测，类似于对未来的预测。我们的方法在实际发生前几个月就预测到了即将到来的危机。
2020-12-31 cs.LG eess.IV math.DS
Comparison and verification of enthalpy schemes for polythermal glaciers and ice sheets with a one-dimensional model
本文用一维平行平板问题验证了多温冰川和冰盖热力学的焓法。焓法本身并不明确地包括在冷温过渡面（CTS），从低温层的上部冷分离的过渡条件。然而，这些条件对于正确确定CTS的位置是重要的。对于多温板问题的数值解，我们考虑了两层前跟踪格式以及三种不同的单层格式（常规单层格式、单层融化CTS格式和单层冻结CTS格式）。计算的稳态温度和含水量剖面与精确解进行了验证，并将单层方案计算的瞬态解与双层方案计算的瞬态解进行了比较，认为是可靠的参考。虽然传统的单层方案（不包括CTS处的过渡条件）可以产生CTS处的熔融条件的正确解，但是明确地强制过渡条件更可靠。对于冻结条件，必须执行它们，因为传统的单层方案不能处理相关的不连续性。建议的数值方案适用于三维冰川和冰盖模式的实施。
2015-06-03 physics.ao-ph physics.geo-ph
Assessing the Impact of Retreat Mechanisms in a Simple Antarctic Ice Sheet Model Using Bayesian Calibration
南极冰盖（AIS）对气候强迫变化的响应是海平面变化的重要驱动因素。人为的气候变化可能会推动相当大的AIS临界点响应，随后增加沿海洪水的风险。许多分析洪水风险的研究使用简单的模型来预测AIS的未来响应及其对海平面的影响。这些分析提供了重要的新见解，但它们通常对海洋冰盖不稳定性（MISI）或海洋冰崖不稳定性（MICI）等潜在重要过程的影响保持沉默。这些近似可以很好地证明，并导致更简约和透明的模型结构。这就提出了一个问题，即这种近似如何影响后报和预测。在这里，我们校准一个以前发表的和相对简单的AIS模型，它忽略了MICI和区域特征的影响，使用组合的观测约束和贝叶斯反演方法。具体来说，我们近似的影响，失踪的MICI比较我们的结果与专家评估更现实的模型和量化的偏差在末次间冰期时，MICI可能已经触发。我们的研究结果表明，该模型可以近似MISI的过程中，并重现预测的中位数融化从以前的一些专家评估在2100年。然而，我们的平均后报大约是末次间冰期观测数据的3/4，我们的平均预测大约是2100年MICI模型平均值的1/6和1/10。这些结果表明，缺少MICI和/或区域特征可能会导致在变暖期间AIS融化的低偏差，因此在预测的海平面和洪水风险中存在潜在的低偏差。
2017-02-07 physics.ao-ph
Ice Melt, Sea Level Rise and Superstorms: Evidence from Paleoclimate Data, Climate Modeling, and Modern Observations that 2°C Global Warming is Dangerous
我们使用数值气候模拟，古气候数据和现代观测来研究南极洲和格陵兰岛的冰融化的影响。融水趋于稳定海柱，诱导放大反馈，增加地下海洋变暖和冰架融化。寒冷的融水和引发的动力学效应导致南大洋和北大西洋的海洋表面冷却，从而增加了地球的能量不平衡和进入全球大部分海洋表面的热通量。南大洋表面变冷，而低纬度地区变暖，增加了南大洋的降水，增加了海洋层化，减缓了深水形成，增加了冰盖质量损失。这些反馈使与海洋接触的冰盖容易加速解体。我们假设，冰质量损失从最脆弱的冰，足以提高海平面数米，是更好地近似为指数比一个更线性的响应。10年、20年或40年翻一番，海平面将在大约50年、100年或200年内上升数米。最近的冰融化加倍时间接近10-40年范围的低端，但记录太短，无法确认反应的性质。包括次表层海洋变暖在内的反馈有助于解释古气候数据，并指出南大洋在控制大气二氧化碳方面的主导作用，这反过来又严格控制了全球温度和海平面。深海通风的千年（500-2000年）时间尺度影响了自然CO2变化的时间尺度，从而影响了古全球气候、冰盖和海平面变化的时间尺度，但这一古千年时间尺度不应被误解为冰盖对快速大人为气候强迫的响应时间尺度。
2016-02-03 physics.ao-ph
Emulation with uncertainty quantification of regional sea-level change caused by the Antarctic Ice Sheet
University of Missouri（密苏里大学）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）；University of New Hampshire（新罕布什尔大学）；Jet Propulsion Laboratory（喷气推进实验室）
针对南极冰盖相关区域海平面变化模拟成本高的问题，本研究构建神经网络仿真器，结合线性回归后处理实现不确定性量化，精度媲美基线模型且计算速度提升约100倍。
2025-11-16 cs.LG physics.ao-ph stat.ML
West Antarctic Meltwater can Prevent an AMOC Collapse
Utrecht University（乌得勒支大学）；Centre for Complex Systems Studies, Utrecht Univeristy（乌得勒支大学复杂系统研究中心）
本研究针对西南极冰盖融水对大西洋经向翻转环流的影响，通过CLIMBER-X模型实验发现其能提升环流对格陵兰融水的恢复力，甚至可完全阻止其崩溃，该效应适用于高排放情景下的冰盖变化轨迹。
2025-02-24 physics.ao-ph physics.geo-ph
Basin stability and limit cycles in a conceptual model for climate tipping cascades
本研究构建了包含五个气候临界元素的概念模型，通过盆地稳定性与分岔分析发现大型冰盖对地球系统恢复力至关重要，并揭示了格陵兰冰盖与AMOC间因负反馈产生的极限环现象。
2020-11-10 physics.ao-ph physics.comp-ph physics.geo-ph
Nonsmooth Invariant Manifolds in a Conceptual Climate Model
人们普遍认为，在地球的过去，冰盖在海平面的热带纬度流入海洋。这些极端冰河时期是否是雪球地球事件，整个表面都被冰覆盖，或者赤道附近的海水是否仍然没有冰，仍然存在争议。对于后一种情况的发生，正的冰反作用反馈的影响必须被阻尼，以稳定远离赤道的前进冰盖。在本文中，我们分析了一个概念模型，包括一个纬向平均表面温度方程耦合到动态冰线方程。这个差分方程模型通过一个适当选择的多项式函数与这些大冰期的寒冷世界相一致。使用谱方法，分析导致一个非光滑的奇异扰动问题。Hadamard图变换方法被应用于证明持久性的不变流形，从而提供洞察模型的行为。一个稳定的气候状态与冰线休息在热带纬度，但与开放的水域赤道，被证明存在。还提出了局部光滑和非光滑分岔的参数有关的大气CO $_2$浓度和对流热传输的效率，分别是不同的。
2017-05-08 math.DS physics.ao-ph
Paleoclimate Implications for Human-Made Climate Change
古气候数据帮助我们评估气候敏感性和潜在的人为气候影响。我们的结论是，在过去百万年中最温暖的间冰期，地球比全新世温暖不到1°C。这些间冰期和上新世的极地温暖并不意味着在今天的气候和危险的变暖之间仍然存在大量的缓冲，而是地球准备经历强烈的放大极地反馈，以应对适度的全球变暖。因此，将人为变暖限制在2°C的目标是不够的-它们是灾难的处方。冰盖解体是非线性的，由放大的反馈刺激。我们认为，冰盖的质量损失，如果变暖继续有增无减，将更好的特点是质量损失率的两倍的时间比线性趋势。卫星重力数据虽然过于短暂，无法得出结论，但与10年或更短时间的翻倍时间一致，这意味着本世纪海平面可能会上升数米。观测到的加速冰盖质量损失支持了我们的结论，即地球温度现在超过了全新世的平均值。人类需要迅速减少化石燃料的排放，才能成功地保护一个与文明发展所在的星球相似的星球。
2011-07-20 physics.ao-ph
Climate Sensitivity, Sea Level, and Atmospheric CO2
新生代温度、海平面和CO2的共同变化为气候对外部强迫的敏感性和海平面对气候变化的敏感性提供了见解。气候敏感性取决于初始气候状态，但可能可以从精确的古气候数据中准确推断。如果使用相对于末次冰盛期（LGM）的全新世变暖作为校准，更新世气候震荡对4 W/m2 CO2强迫产生3 +/- 1°C的快速反馈气候敏感性，但由于定义不清的LGM全球温度和全新世可能的人类影响，误差（不确定性）很大，部分是主观的。导致先前（Eemian）间冰期的冰期-间冰期气候变化不那么模糊，意味着上述范围的上部敏感，即，对于4 W/m2 CO2强迫，3-4°C。缓慢的反馈，特别是冰盖的大小和大气中的二氧化碳的变化，放大总的地球系统的敏感性的量，取决于所考虑的时间尺度。冰盖响应时间定义不清，但我们表明，在现行的冰盖模型的缓慢响应和滞后被夸大。我们使用一个全球模式，简化为基本过程，调查国家对气候敏感性的依赖，发现增加对温暖的气候的敏感性，低云量减少，增加水蒸气升高对流层顶。我们的结论是，燃烧所有化石燃料将使地球上的大部分地区不适合人类居住，从而使强调适应气候变化的战略受到质疑。
2013-04-02 physics.ao-ph
Glacial Cycles and Milankovitch Forcing
使用最近的概念模型的冰川间冰期周期，我们提出了更多的证据米兰科维奇周期的触发退缩和形成的冰盖的周期。该模型基于无限维模型的有限近似，该模型有三个组成部分：Budyko的能量平衡模型描述了纬度的年平均温度，Widiasih的ODE描述了冰盖边缘的行为，Walsh等人引入了雪线来解释冰川堆积和消融区。模型中的某些变量取决于米兰科维奇周期，特别是地球的自转轴和地球轨道的偏心率。结果我们看到，冰川消退和冰川作用的发生主要是由于重力和某种程度上的偏心。
2015-11-18 math.DS physics.ao-ph
Research and experimental verification on low-frequency long-range sound propagation characteristics under ice-covered and range-dependent marine environment in the Arctic
Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources（自然资源部海洋研究所）；Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院声学研究所）
本文基于简正波理论推导翘曲变换，结合实测环境模拟与超1000km北极实验，揭示地形、声速剖面及冰盖对低频远距离声传播的影响，并首次实现单水听器简正波分离与色散提取。
2023-11-13 cs.NA cs.SD math.NA
