如果在20世纪80年代之前提出对冰进行研究—— 也就是现在所说的冰川学——将是启动全球气候变化国 际行动的关键，大多数气候科学家可能会发笑。但这的 确发生了。20世纪70年代苏联在南极洲东部的难以到 达极（Pole of Inaccessibility）进行的项目中取出东方站 冰芯，拉开了这项研究的序幕。到20世纪80年代中期， 法国与苏联的研究人员密切合作，于1987年共同发表了 关于冰芯气泡中稳定的水同位素和温室气体浓度（CH4 和CO2）的结果。这些影响立即被揭示出来：温室气体 浓度与冰盖上空气温度之间存在明显的相关性（由冰中 的同位素比率显示），如图1所示[1,2]。在这件从南极冰 盖以下2 km深取出的冰芯样本中可以观察到持续了约 110 000年的冰川间冰期循环。尽管温度的变化是对地 球轨道几何形状变化的反应，正如以前在深海沉积物记 录中所显示的那样，但温室气体浓度对温度的变化起着 放大作用。第二年，即1988年，联合国组建了政府间气 候变化专门委员会（IPCC），该委员会发布定期报告总 结当时关于气候系统的知识。

《图1》

图1. 东方站冰芯所记录的160 000年以来的气温（蓝线）和温室气体（红 线表示CO2，绿线表示CH4）数据[1,2]。 ppmv：按体积计百万分之几； ppbv：按体积计十亿分之几；ka BP：距今1000年前。

从南极洲和格陵兰岛钻取的冰芯中获得了古气候记 录，它代表了千余年或更大时间尺度上的全球气候变 化。其波动受到南极洲和格陵兰岛当地特点的影响，导 致冰芯样本记录的数据存在有趣的差异[3]。这些差异 基本上是由两个因素造成的。首先，格陵兰岛位于北冰 洋以南，其他许多陆地几乎都位于格陵兰岛北部，如加 拿大东部和斯堪的纳维亚半岛在过去几十万年的冰川 时期由大片冰盖所占据，而格陵兰岛则是在相对较短（10 000年）的间冰期内存在的唯一北半球冰盖。3 km 高的劳伦蒂德冰盖和斯堪的纳维亚冰盖使当时的大气环 流模式与今天存在差异。与北极相反，南极洲被南大洋 包围，连同附近的其他大陆太靠近赤道，即使在寒冷的 冰川时期也无法维持大型的冰盖。因此，南极附近主要 的循环模式在冰川循环中基本保持不变。格陵兰岛与南 极洲的反应不尽相同的第二个原因是由于北大西洋通过 洋流循环将温暖的赤道海水向北方的极地输送。现在， 这些海流为北欧提供了大约30％的热量，使该地区比亚 洲相应纬度地区温暖许多。此环流（被称为大西洋经圈 翻转环流，AMOC）似乎对海洋密度和温度结构的变化 非常敏感。在大部分冰川时期，这种环流比今天更向南 转移，但是该系统也会偶尔转移到与目前相似的地点， 并大大改变当地的温度、海冰范围和格陵兰冰盖的水汽 供应等。这种环流系统的变化使得格陵兰古气候记录比 南极的同期记录更加多变。气候模型表明，在温室气体 浓度持续增加的情况下，大西洋经圈翻转环流将在下一 个或两个世纪中保持平稳下降[4]。

如果冰芯科学表明过去的气候变化既明显又出人意 料，那么自小冰期结束（大约19世纪中叶）以来的冰川 变化的视觉资料（见于绘画和后来的摄影作品）成为了 展示正在进行的气候变化的明显证据。分布于全球山区 的冰川在19世纪或20世纪初达到最大面积，因此为世 纪级的时间尺度上发生的气候变化提供了明确的证据， 即使对一些不流动的冰河也是如此。然而，若全球约 200 000座高山冰川全部融化，也只会使全球平均海平面上升40 cm[5]。虽然这将是一个重大的变化，但它不 会使海平面发生考验沿海城市和基础设施抗灾能力的灾 难性的上升。但是，如果格陵兰和南极冰盖也在一个世 纪的时间尺度上对气候变暖作出反应，那么它们将释放 出巨大的提升全球海平面的能力：在格陵兰，所有冰川 融化将使海平面上升7 m，而南极洲储存的冰川将能使 海平面上升65 m。

今天许多冰川问题建模者面对的一个重要挑战是， 我们预计下一个或两个世纪中冰川的融化会引起海平面 上升多少？这个问题最近由于南极边缘周围许多大型冰 架的坍塌而成为焦点，并且有研究者提出，过去这些年 海平面上升显得较为灵敏，冰川这个庞大的惯性系统 对气候变暖的响应速度比此前的预期快得多[7]。冰架， 也就是浮动的冰川，而不是冰冻的海冰，是由于大陆冰 盖的冰川移动入海而形成的，它们也充当阻挡内陆冰川 自由流动的冰坝。这些冰架通过在大陆架海域的浅滩上 与海底接触而产生支撑力（图2）。

《图2》

图2. 由于支撑效应的消除，冰架损失对陆基冰川的动态影响的示意 图。绿色虚线轮廓表示冰川和冰架的剖面，并演示了它们在冰架借由 浮动冰架下面的基岩来提供显著背应力的情况下会发生怎样的变化。 如果由绿色色块代表的冰架变薄，典型情况是通过底部融化（绿色 向上箭头），则冰架与基岩顶部失去接触，从而降低支撑力。这使得 冰能够更快地离开陆地（红色箭头），使内陆冰川高度降低（绿色 向下箭头），导致海平面上升。冰架一旦失去与陆地的接触，通常 会迅速破碎并退回内陆（如冰架终点附近的裂缝所示）。蓝色虚线 代表海平面。

冰架有可能迅速瓦解，在短短的几年或几十年内，数千平方千米的形成于数千年前的冰块可能会分崩离 析。这种冰架坍塌主要有两种机制[6]。在第一种机制 中，由较高气温产生的冰架表面融水填补了冰架上的裂 隙或底部凹陷。由于反照率低，蓄积的融水吸收更多太 阳辐射并持续升温，最终导致冰架一直破裂至底部，甚 至可以达到表面以下数百米，这一过程称为“水力压裂”。第二种机制是通过基部融化和温暖海水对冰架的削弱，相对于大气层，这通常可以向冰架提供更高数量 级的热量。随着冰架变薄，它变得无法支撑自身的重量 而分裂[8]（图3），并表现为一个自组织的临界系统。

《图3》

图3. 高80 m、长500 m的部分浸没冰块的离散颗粒模拟模型。冰块运 动终止于40 m深的水中，并因其自重而断裂。单个模拟冰川颗粒为 1 m3 ，旨在模拟冰的黏弹性行为。注意碎片尺寸的现实分布和裂缝的 大小，这与单纯的岩石或砂堆雪崩的碎片和裂缝的大小完全不同（图 片由Jyrki Hokkanen提供，CSC-IT科学中心）。

温度的上升促进了冰架加速坍塌的两个机制。但为 使内陆冰快速流动，则冰需要位于反向倾斜的基岩上， 也就是说，基岩必须深入内陆。许多位于西南极洲阿 蒙森海和别林斯高晋海的大型冰川填充槽就属于这种 情况。仅用十年的数据，GRACE（重力恢复和气候试验） 重力异常卫星就已经表明，这一地区（包含松岛和斯韦 茨冰川）表现出非常明显的负质量平衡[9]。也就是说，在该区域已经发生了从冰盖到海洋的质量损失。未来的 质量损失率取决于基岩几何形状的关键细节和与南大洋 相连的海洋空腔的水深测量。冰架的快速融化必然会使 温水进入冰架空腔，这种温水通常很深（500 m或更深）， 这是因为它的密度远远高于较轻、较冷的地表水。然而， 一个典型的冰架开始在1 km左右的水深处浮动。这条接 地线是融化发生得最快的地方，也是冰架从受基岩摩擦 而减速转变到自由浮动的临界过渡的地方。

全球在海平面上升领域获得了丰硕的研究成果，其 中包括为高黏度流体[8]设计的冰动力学模型中的断裂 过程，以及冰架-海洋的相互作用[10]。虽然这些课题还 不成熟，但其结果是规划者、工程师和政界人士所需要 的，他们需要知道未来一个世纪当地海平面可能会上升 多少，特别是由于海平面变动会产生怎样的极端洪水事 件[11]。

《致谢》

致谢

国家重点基础研究发展计划资助项目 （2015CB953602）。