다음 세기 동안 그린란드 빙상 질량 손실의 주요 요인인 얼음 역학

얼음역학

그린란드 빙상의 질량 손실은 강화된 표면 용융으로 인한 표면 질량 균형의 감소와 해양 말단 빙하의 가속 및 후퇴로 인한 얼음 역학의 증가 사이에서 거의 균등하게 분할됩니다. 수치 모델에서 기후 변화에 대한 얼음 동적 반응을 포착하는 문제로 인해 그린란드 빙상의 미래 대량 손실에 많은 불확실성이 남아 있습니다. 여기에서 우리는 표면 질량 균형 강제력, 해양 열 강제력 및 빙산 분만 역학을 포함하는 빙상 전체의 고해상도 빙해 수치 모델을 사용하여 21세기에 걸쳐 그린란드 빙상의 해수면 기여도를 추정합니다. 이 모델은 최근 11년 동안의 빙하 전면 관측으로 보정되어 해양 말단 빙하의 최근 진화를 포착합니다. 일상적인 시나리오에서 우리는 북서쪽과 중서쪽 그린란드 빙하가 얼음 전면 후퇴와 얼음 흐름 가속으로 인해 다른 지역보다 더 많은 질량 손실에 기여할 것임을 발견했습니다. 세기말까지 해양종말빙하로부터의 얼음 방출은 총 질량 손실의 50 ± 20%, 또는 표면 질량 균형의 기여가 세기말로 갈수록 증가하지만 이전에 추정된 것의 두 배를 기여할 것입니다.

 

그린란드 빙하의 질량 손실

그린란드 빙상은 지난 수십 년 동안 질량이 줄어들었고 2002년 이후로 ~ 0.8 mm/yr의 비율로 해수면에 기여하고 있습니다. 최근 몇 년 동안 빙상 표면에서 녹는 것의 증가가 이 질량 손실의 큰 부분을 차지했지만, 빙하 역학은 궁극적으로 지난 46년 동안 총 질량 손실의 66%를 책임지고 있습니다. 얼음 가장자리를 따라 빙하 역학의 증가에 책임이 있는 물리적 과정에는 얼음 얇아짐으로 인한 접지선 후퇴, 바다에 의한 용융으로 인한 강제 접지선 후퇴 및 강화된 분만이 포함됩니다. 얼음 역학 변화의 주요 원인은 북대서양에서 피요르드로의 해양 열 전달 강화로 인한 표층 해수 온도의 증가로 생각됩니다. 해양 말단 빙하가 더 따뜻한 지하수에 노출되고 빙하하 용융수 배출이 강화됨에 따라 빙하 말단에서 해양으로 인한 언더커팅과 떠다니는 빙붕 아래의 융해가 상당히 증가했으며, 이는 아마도 광범위한 빙하 퇴각 및 얼음 흐름 가속으로 이어질 것입니다. 빙하 역학은 해양과 대기 온도가 계속 높게 유지되거나 미래에 계속 증가한다면 빙하 질량 손실에서 계속 중요한 역할을 할 것입니다. 그린란드의 미래 변화를 현실적으로 예측하려면 빙붕이 녹고 끝 부분이 잘려지는 것과 더불어 급속한 빙산이 쪼개지는 메커니즘에 대한 현실적인 설명을 포함하는 빙하 진화에 대한 수십 년간의 정밀한 관찰에 의해 검증된 수치 모델을 사용하는 것이 필수적입니다. 빙하 역학에 초점을 맞춰 그린란드의 미래 해수면 기여도를 예측하기 위해 여러 연구가 진행되었습니다. 이러한 연구에는 표면 질량 균형(SMB)의 모델링된 변화가 포함되지만, 종종 거친 격자 해상도 또는 단순화된 물리학을 사용하고 빙하 규모와 수십 년의 관측으로 모델을 보정하지 않습니다. 많은 연구에서 그린란드의 개별 해양 종단 빙하를 충실하게 표현하는 데 필요한 공간적 및 시간적 해상도가 없습니다. 이는 얼음 역학이 질량 손실에 대한 주요 제어인 경우 주요 제한 사항입니다. 개별 빙하의 후퇴를 보정하지 않고 거친 분해능으로 작동하는 모델은 얼음과 바다 상호 작용의 변화에 대한 빙하 반응이 불완전하게 조사되기 때문에 질량 손실에 대해 지나치게 보수적인 추정치를 생성할 수 있습니다. 이 추정치는 현재 기후변화에 관한 정부간 협의체(IPCC) 평가 보고서에 언급된 유일한 추정치입니다. 이러한 예측에 따르면 해수면에 대한 그린란드의 미래 기여는 SMB의 변화에 의해 지배될 것이며 해양 열 강제력의 영향은 작게 유지될 것이며, 이는 1990년대 이후 가속 후퇴의 관측과 일치하지 않습니다. 일부 연구는 유동대 모델에 의존하거나 개별 출구 빙하를 포함하기 위해 더 높은 수평 분해능 모델을 사용했지만, 바닥 지형 기하학의 중요한 세부 사항을 해결하지 못한 채 몇몇 출구 빙하로 제한되었습니다. 이 빙하의 최근 변화를 포착하지 마십시오. 보정되지 않은 모델은 사후 및 예측 시뮬레이션 모두에서 얼음 배출에 큰 불확실성을 제공합니다. 여기에서 우리는 해안을 따라 200 m의 높은 공간 해상도로 진화를 조사하기 위해 해양 및 대기 강제력에 대한 그린란드 빙상의 반응을 모델링합니다. 2007년으로 거슬러 올라가 수집된 데이터로 고해상도 모델을 초기화합니다. 모델 초기화 후 2007년부터 2017년까지 모델을 실행하고 모델이 관찰된 속도와 일치하도록 각 빙하 배수 유역에 대한 분만 매개변수화를 보정합니다. 얼음 전면 위치의 변화 및 얼음 얇아지는 속도 프로세스는 빙상의 현재 상태뿐만 아니라 처음 10년 동안의 질량 손실 추세를 포착하여 단기 예측에 대한 신뢰성을 향상시킵니다. 이 접근 방식은 최근 북서 그린란드 모델링에 사용되었지만 전체 빙상의 규모에서는 사용되지 않았습니다. 우리는 막 응력과 수직 전단을 모두 설명하기 위해 3D 고차 모델(HO)을 사용합니다. 이는 빠른 출구 빙하와 빙상 내륙의 느린 이동 영역을 모두 모델링하는 데 적합합니다. 빙상 모델 상호 비교에 의해 선택된 결합 모델 상호 비교 프로젝트 5단계(CMIP5) 및 6단계(CMIP6)의 일반 순환 모델(GCM) 출력 제품을 사용하여 2100년까지 그린란드의 미래 해수면 기여도를 시뮬레이션합니다. CMIP6(ISMIP6)용 프로젝트. ISMIP6에서 제공한 데이터와 달리, 우리는 빙하 불안정화의 맥락에서 중요한 SMB 및 해양 온도의 계절적 주기를 포착하기 위해 1년 대신 이러한 기후 강제력에 대해 1개월의 시간 분해능을 사용합니다.

 

해양 종말 빙하

이 모델에는 광범위한 떠다니는 빙붕이 있는 북부 그린란드의 6개 빙하를 포함하여 215개의 해양 종단 빙하가 포함됩니다. 이 215개의 해양 종단 빙하는 빙상 배출의 90% 이상과 그린란드(얼음 배출 및 SMB)에서 관찰된 질량 손실의 85%를 제어합니다. 분만에 대한 응력 임계값을 보정함으로써 우리는 대부분의 빙하에서 관찰된 후퇴 거리를 일치시킬 수 있습니다. 115개 빙하의 얼음 전선은 관측된 후퇴로부터 1 km 이내에서 보정됩니다. 33개의 추가 빙하에 대해 8개 빙하의 후퇴를 최대 3 km까지 과대 평가하고 2007년부터 2017년까지 25개 빙하의 후퇴를 최대 24 km 과소 평가했습니다. 잘 구속되지 않은 침대 지형 빙하의 경우 시뮬레이션 중에 비물리적 동작을 피하기 위해 얼음 전면을 제 시간에 고정합니다. 흥미롭게도 115개의 잘 시뮬레이션된 빙하는 2007년에 얼음 방출의 79%를 제어했는데, 이는 후퇴가 과대평가된 빙하의 경우 3%, 후퇴가 과소평가된 빙하의 경우 13%, 수심 측정이 잘 알려지지 않은 빙하의 경우 5%였습니다. . 동일한 운동을 반복하기 위해 그린란드의 초기 수심지형 지도를 사용하는 경우 일부 빙하가 육지에서 종료되었기 때문에 많은 빙하를 보정하는 것이 불가능하다는 점에 주목합니다. 해양 종결 빙하 대신 오래된 지도의 빙하 또한 이전 데이터 세트에서는 일반적으로 바닥 지형이 너무 얕고 피요르드 수심 측량이 일반적으로 존재하지 않습니다. 각 해양 종결 빙하에 대해 2007년부터 2100년까지의 얼음 질량, 누적 SMB 및 얼음 배출의 변화를 예상합니다. 미래 예측을 위해 모델을 강제 실행하기 위해 대표 농도 경로(RCP) 4.5 및 8.5 시나리오를 기반으로 하는 CMIP5의 MIROC5, CanESM2 및 NorESM1 모델 출력과 CESM2, CNRM-CM6, CNRM-ESM2 및 UKESM1-CM6 모델 출력을 사용합니다. 공유 사회경제적 경로(SSP) 585 시나리오를 기반으로 하는 CMIP6에서. 여기서는 논의를 단순화하기 위해 MIROC5(기후에 관한 학제간 연구 모델) 시뮬레이션의 결과에 초점을 맞추고 결과를 표시하기로 결정했습니다. 우리의 시뮬레이션은 많은 출구 빙하가 미래의 모든 기후 변화 시나리오에서 얼음 전선 후퇴를 계속 경험한다고 제안합니다. 모델링된 후퇴 패턴은 빙하마다 크게 다르며, 이는 관측 및 이전 모델링 연구14,28와 일치합니다. 예를 들어, 그린란드 중부에서 Eqip Sermia 빙하와 Jakobshavn Isbræ는 동일한 기후 강제력에 다르게 반응합니다. MIROC5 RCP8.5 시나리오에서 Eqip Sermia 빙하의 질량 변화는 주로 SMB에 의해 제어됩니다. 얼음 전면이 현재 위치에서 5 km 상류에서 안정화되면 얼음 배출이 감소하기 때문입니다. Jakobshavn Isbræ의 경우, 이 모델은 얼음 전선이 2070년까지 현재 얼음 전선 위치의 상류에 있는 과도하게 깊어진 지층 지형을 따라 계속 후퇴하고 그 후 접지선이 일시적으로 안정화됨에 따라 얼음 방출이 전체 세기에 걸쳐 질량 손실을 지배한다고 제안합니다. 현재 위치에서 상류로 약 56 km 상류로 다시 해저면이 상승하는 위치. 우리의 모델은 야콥스하운 이스브라이의 최근 감속을 포착하지 못합니다. 왜냐하면 우리의 모델링된 해양 열 강제력은 지난 20년 동안 관찰되지 않은 지난 2년 동안의 해수 냉각을 포착하지 못하기 때문입니다. 빙하 사이의 이러한 대조적인 행동에 책임이 있는 주요 요인은 해저 기하학이지만 최근 Jakobshavn Isbræ의 감속에서 볼 수 있듯이 해양 열 강제력도 빙하의 후퇴에 영향을 미칠 수 있습니다. 지층 지형이 분만 전선의 안정적인 위치를 결정하고 결국 빙하 질량 손실을 결정하는 데 중요한 역할을 한다는 것은 잘 알려져 있습니다. RCP8.5 시나리오에서 서로 다른 지역의 두 빙하, 남서부의 Narsap Sermia(SW) 및 북서부의 Kakivfaat Sermiat(NW)에 대해 얼음 방출은 처음 20년 동안 질량 균형의 변화를 지배합니다. 30년 얼음 전선이 상류에서 안정화되어 빙하가 느려질 때까지. 2060년 이후 SMB는 시뮬레이션의 지난 30년 동안 빙하 질량 손실을 지배하기 위해 크게 감소합니다. 따라서 질량 손실의 주요 요인은 후퇴와 개별 빙하의 역학에 따라 시간이 지남에 따라 변합니다. 이 두 빙하의 후퇴 범위는 크게 다르지만 두 후퇴는 모두 지층 지형에 의해 제어됩니다. 깊은 지층 지형은 MIROC5 RCP8.5 시나리오에서 그린란드 남동부의 Kangerlussuaq Gletscher에 의해 설명된 것처럼 빠른 빙하 후퇴를 의미하지 않습니다. 이 빙하는 얼음 방출로 인해 지속적으로 질량이 감소하지만 SMB는 얼음 방출로 인한 질량 손실을 보상하는 이 지역에서 대체로 양의 값을 유지할 것으로 예상됩니다. 이 긍정적인 SMB 효과는 시뮬레이션이 끝날 때까지 계속되어 깊은 골짜기에서 후퇴하는 대신 얼음 전선을 현재 위치에 유지합니다. 바닥 지형의 모양은 주어진 빙하의 잠재적인 안정성과 취약성에 대한 단서를 제공하지만 측면 전단 또는 지지와 같은 여러 요인은 깊은 바닥 지형 또는 역행 바닥 경사 영역 내에서도 후퇴를 지연시키거나 늦출 수 있습니다. 따라서 수치 모델은 주어진 시나리오에서 빙하가 후퇴할지 여부를 결정하는 데 필요하며 기후 강제력 및 기하학의 불확실성과 관련된 모델의 불확실성을 평가하는 것이 중요합니다.

 

지역 변경

우리는 그린란드를 6개의 큰 지역으로 나눕니다. 남서부(SW), 중서부(CW), 북서쪽(NW), 북쪽(N), 북동쪽 (NE), 남동부(SE) 및 시뮬레이션 기간 동안 각 지역에 대한 누적질량수지, SMB 및 얼음 배출을 계산합니다. NW(-71.1 Gt/yr 관찰 대 모델링된 질량 손실 -58.5 Gt/yr) 및 N(-25.5 Gt/yr 관찰 대 -21.6 Gt/yr 관찰)의 질량 손실에서 모델링 및 관찰된 경향 간에 더 나은 일치를 찾습니다. 그린란드의 동쪽 지역(SE 및 NE)보다 두 지역 모두 2007년과 2017년 사이에 실제로 약 952 Gt의 얼음이 손실된 동안 보정 기간 동안 모델에서 질량을 얻었습니다. 이 지역은 모델과 관측 사이에 약한 일치를 생성하는 많은 빙하의 지층 지형의 잔류 불확실성에 의해 영향을 받습니다. 이전 연구에서와 같이 우리는 모델을 안정화하기 위해 이 지역에 있는 많은 빙하의 얼음 전면 위치를 고정하여 지역적 질량 손실이 과소 평가된 결과를 유지합니다. 그 빙하와 일치하도록 더 깊은 피요르드가 있는 더 정확한 지층 지형 데이터가 있다면, 후퇴하는 얼음 전선과 함께 얼음 방출로 인해 이 지역에서 더 많은 질량 손실이 발생할 수 있습니다. RCP8.5 시나리오에서 MIROC5에 의해 강제된 6개 지역에 대한 2007년부터 2100년까지 SMB 및 얼음 배출과 함께 얼음 질량의 누적 변화를 보여줍니다. 남서부에서는 2100년까지 9581Gt의 얼음이 손실되거나 해수면이 26.5 mm 상승합니다. 질량 손실의 주요 동인은 2060년부터 시작되는 SMB의 큰 감소입니다. 15개의 해양 종결 빙하의 얼음 배출은 SMB의 감소에 대한 응답으로 2060년 이후에 감소합니다. CW에서 시뮬레이션은 빙하가 해수면을 26.1 mm(9462Gt의 얼음) 상승시킬 것임을 보여줍니다. 전체 SMB는 2060년까지 양수이고 2100년까지 감소합니다. 대부분의 질량 손실(65%)은 Jakobshavn Isbræ 빙하의 광범위한 후퇴로 인한 것입니다. 나머지 빙하는 세기말까지 3360Gt의 얼음을 잃습니다. 북서부 지역은 유사한 패턴을 가지며 2100년까지 10,809Gt의 얼음(29.8 mm 해수면 등가물)을 잃으며 60개 이상의 빙하에서 방출된 얼음이 총 신호의 66%를 차지합니다. N 지역은 2100년까지 해수면에 10.9mm를 기여할 것이며, 훔볼트 빙하에서만 33%, 주로 SMB에서 발생합니다. 북동쪽은 2100년까지 2237Gt의 얼음 덩어리를 잃을 것으로 예상되며, 주로 Nioghalvfjerdsfjorden(79North)과 Zachariæ Isstrøm 빙하에서 방출이 증가합니다. SE는 NE와 유사한 패턴을 보여줍니다. 2100년까지 8594Gt의 양의 SMB 대 얼음 방출을 통한 141Gt/년 질량 손실. 이 결과는 SE가 최근 수십 년을 포함하여 지난 46년 동안 해수면 상승에 가장 크게 기여한 요인 중 하나라는 점을 감안할 때 질량 손실을 과소평가한 것으로 볼 수 있습니다. 전반적으로 CMIP5 RCP8.5 및 CMIP6 SSP585에 의해 강제된 시뮬레이션에서 모델은 북부를 포함하여 금세기 동안 그린란드의 모든 부문이 계속해서 질량을 잃을 것이며 질량 손실 비율이 증가함을 보여줍니다. 이 질량 손실은 표면 온도의 증가와 표면 알베도의 감소로 인한 SMB의 감소로 인해 표면에서 더 높은 용융 속도를 초래합니다. 또한, 얼음 방출은 높은 수준으로 유지되거나 모든 해양 말단 빙하에 대해 증가할 것입니다. 빙하 방출의 증가는 빙하의 약 60%가 육지로 소멸되는 남서부를 제외하고 전체 기간 동안 질량 손실의 주요 동인입니다. CMIP6(ISMIP6)에 대한 빙상 모델 상호 비교 프로젝트의 최근 다중 모델 연구에서 SW는 해수면에 가장 큰 기여를 하는 것으로 강조되었습니다. 대조적으로, 우리의 모델은 빙하의 90% 이상이 해양으로 끝나는 CW 및 NW와 같이 더 북쪽에 있는 섹터가 모든 시나리오에서 해수면 상승에 거의 동등하게 기여할 것임을 보여줍니다. ISMIP6에 참여하는 모델은 매개변수화된 얼음 전선 후퇴 또는 거친 격자 해상도를 사용하여 RCP8.5에서 CW 및 NW 섹터의 약한 동적 응답으로 이어집니다. 그러나 우리의 보정된 모델은 이 두 부문이 지난 수십 년간의 관측과 일치하여 금세기 동안 빙상 질량 변화에 주요 기여자로 남을 것으로 예상합니다. 그린란드의 북부 지역(북부와 북동부)은 SMB의 감소와 결합된 얼음 배출의 지속적인 이상으로 인해 계속해서 질량을 잃을 것입니다. 이 지역에서 모의된 해수면 기여도는 이 지역에서 모델의 약한 보정, 빙붕 용해 매개변수화의 한계 및 바닥 지형의 잔류 불확실성으로 인해 여전히 과소평가되었습니다. 예를 들어, 이 모델은 N과 NE의 32개 빙하 중 21개에 대해 관찰된 빙전선 후퇴를 포착하지 못합니다. 이 중 4개는 떠다니는 빙붕이 있습니다. 13개 빙하의 얼음 전선은 시뮬레이션 중에 수정되어 얼음 전선이 비현실적으로 작동하지 않도록 방지했습니다. N과 NE의 질량 균형의 미래 변화를 보다 현실적으로 추정하려면 이 지역에서 해저 지형과 해양 열강제력에 대한 더 나은 관찰이 필요할 것입니다.

 

그린란드의 해수면 기여도

우리의 시뮬레이션은 전반적으로 세기말까지 그린란드 빙상이 해수면에 기여하는 범위가 RCP8.5 기후 강제 시나리오에서 79~147mm 범위일 것으로 예상합니다. ISMIP6 추정치 최신 CMIP6 SSP585 기후 강제력에 기초하여, 2100년까지 모의된 그린란드 해수면 기여도는 94에서 167mm 범위이며, 이는 CMIP5 RCP8.5 모의의 범위 이상입니다. 이것은 CMIP5 모델33에 비해 많은 CMIP6 모델에서 증가된 미래 온난화 때문입니다. CMIP5 RCP4.5에 따르면 그린란드 빙상은 금세기 말까지 해수면을 54~79 mm 높일 것입니다. 전반적으로 질량 손실 비율은 계속 증가할 것이지만 증가 비율은 적용된 기후 강제력에 따라 다릅니다. 흥미롭게도 CMIP6 SSP585 강제 시뮬레이션은 CMIP5 RCP8.5 데이터이며 이는 SMB의 더 큰 감소에 기인합니다. 얼음 배출의 변화로 인한 얼음 손실은 두 시나리오에서 유사한 비율로 2100년까지 계속됩니다. SMB의 변화는 2050년까지 작지만 2060년 경에 크게 증가합니다. SMB의 변화가 빠르게 증가하지만 얼음 배출은 금세기 동안 총 질량 손실의 주요 기여자로 남아 있으며 CMIP5 RCP8.5 및 22의 경우 38-70%를 차지합니다. 2100년에 CMIP6 SSP585에 대해 각각 -56%. 이 추정치는 이전 연구보다 훨씬 더 크며 예측에 얼음 역학의 변화를 포함하는 것이 필수적임을 시사합니다. 얼음 배출의 변화로 인한 질량 손실은 다른 CMIP5 및 CMIP6 모델에서 유사하지만 SMB의 질량 손실은 CMIP5 및 CMIP6 모델 간에 크게 다릅니다. 우리는 이 행동을 많은 해양 말단 빙하가 해양 온난화에 의해 촉발된 얼음 전선 후퇴 상태에 참여하고 후퇴가 주로 해저 지형에 의해 유도되고 이차적으로 초기에 의해 유도되기 때문에 SMB와 독립적으로 얼음 후퇴를 진행한다는 사실에 기인합니다. 해양 열강제력의 증가. 예를 들어, RCP4.5와 RCP8.5 시나리오에서 Jakobshavn Isbræ 빙하는 얼음 전선이 바다에 의해 현재 위치에서 밀려나면 비슷한 속도로 같은 거리(56 km)에 걸쳐 깊은 골짜기를 따라 계속 후퇴합니다. 열 강제력은 유사한 질량 손실로 이어집니다.

 

그린란드 빙상 질량 손실의 주요 요인인 얼음 역학

우리는 개별 해양 말단 빙하의 얼음 전면 변화, 빙산의 분화 역학 및 해양의 열 강제력을 설명하는 고해상도 모델을 사용하여 그린란드의 미래 해수면 기여도를 예측했습니다. CMIP5 RCP8.5 및 CMIP6 SSP585 배출 시나리오에서 그린란드는 2100년까지 해수면에 79~167 mm를 기여할 것이며, 이는 최근 그린란드 전체 모델링 추정치보다 높습니다. 표면 질량 균형이 질량 손실에 대한 기여도가 2100년까지 증가하지만 2100년까지 총 질량 손실의 22~70%를 차지하거나 이전 연구보다 1.5~3배 더 크다는 것을 발견했습니다. 해수면에 대한 이러한 더 높은 기여는 NW 및 CW 그린란드의 대규모 질량 손실로 인해 발생합니다. 이 곳에서는 해양 온도의 변화로 인해 해양 말단 빙하의 광범위한 후퇴가 우리 모델에 의해 예측됩니다. 우리는 NW와 CW에서 빙하 변화의 복제가 수심 측량 및 바닥 지형 매핑의 최근 발전으로 인해 가능했다는 점에 주목합니다. SE, N 및 NE 그린란드에서 우리의 예측은 불완전한 수심 측량과 해저 지형적 제약으로 인해 여전히 빙하 손실을 과소 평가합니다. 이러한 제한은 지난 수십 년간의 관측을 복제하고 차례로 그린란드의 해수면 상승 예측을 개선하고 이러한 변화를 상당히 과소평가할 위험을 최소화하기 위해 적절한 경계 조건과 해양을 포함한 기후 강제력을 도출하는 기본적인 역할을 강조합니다.