极地冰盖物质平衡的最新进展与未来挑战

王慧 孙波 李斐 唐学远 崔祥斌 王甜甜

(1武汉大学中国南极测绘研究中心，湖北武汉430079;2中国极地研究中心，上海200136)

0 引言

冰盖物质平衡是指极地冰盖上的物质收入和物质支出之差，其中物质收入主要来自降雪的积累，物质损失主要来自融水径流、冰架底部融化和冰山崩解。表面物质平衡(Surface Mass Balance，SMB)是冰盖表面的物质收入和支出的净平衡，不包括冰盖边缘地区的排出量:对于南极冰盖，其表面物质损失量很少，因此常用雪积累率来表示SMB;对于北极冰盖，表面融化和径流增加造成的物质损失对SMB的影响较为显著。南极冰盖和格陵兰冰盖分别包含着可使全球海平面上升(Sea Level Rise，SLR)61.1和7.2 m的冰量［1］，冰盖物质平衡的微小变化都会对全球海平面、水循环、大气热动力循环等造成巨大的影响，全球海平面上升又将导致一系列的社会和环境问题。因此，了解极地冰盖物质平衡状况是人类社会减缓与适应海平面上升影响的必然选择，对人类社会应对全球变化具有重要意义。

自AR4以来，使用测高法(雷达测高和激光测高)、干涉测量和重力测量等卫星大地测量技术确定冰盖物质平衡的研究取得了显著进展。其中，Shepherd等［2］汇总了在常用的区域(东南极冰盖、西南极冰盖、南极半岛、格陵兰冰盖以及极地冰盖整体)和时间段内的冰盖物质平衡结果，并基于IMBIE(Ice sheetMass Balance Inter-comparison Exercise)计划，综合上述结果得到了更精确的估值。此外，Whitehouse等［3］用全球卫星定位系统(Global Positioning System，GPS)数据对不同的冰川均衡调整(Glacier Isostatic Adjustment，GIA)模型进行测试评估，得到了适用于南极冰盖的最佳GIA模型。用该GIA模型修正了重力测量方法和卫星测高方法得到的南极物质损失估值，显著减小了南极冰盖物质平衡评估的不确定程度。

冰盖数值模拟是了解和预测当前及未来极地冰盖变化的重要工具，这方面的研究也取得了较大进展。冰盖模式不再拘泥于过度简化的物理假设，能够重建当前冰盖上的冰流速度，并更好地表达冰盖与其基岩、大气和海洋之间的相互作用。为了更准确地预测冰盖未来的变化及其对SLR的贡献，需要解决冰盖非线性物理过程在耦合气候模式中的制约问题，从而实现气候模式与冰盖模式的有机耦合。

1 冰盖物质平衡变化的研究进展

1.1 物质平衡的估算方法

准确地量化极地冰盖对气候变化的响应，以及由此造成的对SLR的影响，是冰盖物质平衡研究的主要目标。总体来说，当前冰盖物质平衡主要是由以下三类方法得到的。

(1)空间重力测量法(GRACE)

空间重力测量是基于重力恢复与气候试验(Gravity Recovery and Climate Experiment，GRACE)得到的时变重力场数据，估算冰盖质量的变化。该方法的优势在于，不需要内插即可得到区域性平均值，可直接测量质量波动所造成的影响，可以进行月度时间采样。其缺点在于，想要有效地从冰盖的短期变化中区分出冰盖变化的长期趋势，需要很长的时间记录:若想以10 Gt·a-2以内的精度估算冰盖物质平衡的加速度，需要南极10年以上和格陵兰20 年的数据［4］。

(2)物质收支法

物质收支方法(Mass Budget，MB)方法是确定物质收入和支出之间的差值。该方法的优势在于，不仅可以分别确定冰盖整体物质平衡的两个分量:表面物质平衡(SMB)和冰盖动力学过程引起的冰盖排出量D(Discharge)［5］，而且可以在各个冰川流域尺度上分别确定这两者［6］。在之前的研究中，通常是用地面实测结果内插得到SMB，由于实测方法(花杆法、雪层剖面法、冰雷达法等)受到测量范围的制约，因此，得到的SMB精度较低;近来的研究中，将区域性的气候模式用于SMB的评估，能达到较高的时间和空间分辨率［7-8］。D的确定需要接地线区域的冰流速度和冰厚数据，合成孔径雷达(InSAR)可提供高精度的冰流速度数据(相对误差小于3%)［9-10］，机载雷达得到的冰厚数据精度可达10 m［11］。

(3)体积测量法

该方法是通过雷达测高(Radar Altimetry，RA)或激光测高(Laser Altimetry，LA)数据确定冰盖体积的变化，然后将体积变化值转换为质量变化，从而得到冰盖物质平衡。卫星测高数据在经过卫星姿态、大气衰减等改正之后，得到的高程变化值已能达到较高精度。因此，该方法最大的误差源来自于将体积变化转换为质量变化的过程［2］。对于激光测高数据，这一转化过程可用粒雪层厚度的波动模型实现［12-13］;对于雷达测高数据，这一转化过程可通过指定的密度模型并考虑降雪随时间的变化来实现［14］。

在用GRACE、雷达测高和激光测高方法评估冰盖物质平衡时，需要精确地消除与GIA有关的垂直基岩运动的影响。GIA是固体地球响应于末次冰期时冰与海洋的质量重新分布而激发的动力学过程。其产生的地表区域性垂直回弹会被GRACE卫星误读为冰质量变化的信号，被雷达和激光测高计误读为冰厚变化的信号，因此需要进行GIA改正，GIA对冰盖物质平衡评估的影响存在以下差异性。

(i)方法差异性:对于测高数据来说，GIA改正占测高仪测得的总高程变化的5%;而对于GRACE数据来说，由于冰和固体地球之间的密度反差，GIA改正与冰质量变化引起的信号数量级相同。此外，对于不同的GRACE数据分析方法，GIA的影响也是不同的［15］。

(ii)区域差异性:对于南极冰盖，GIA对其整体物质平衡的影响可达 130 Gt·a-1［16-17］，即 GIA的准确程度控制着用GRACE数据估算南极冰盖物质平衡的精度;对于格陵兰冰盖，GIA改正只占格陵兰冰盖物质平衡总量的很小一部分［18］。此外，GIA对当前海平面变化的影响也是不均匀的，随着地域而变化。

(iii)模型差异性:不同模型之间的微小差异可以改变由GRACE推算的南极冰盖各流域物质平衡的符号［19］。 基于 Whitehouse等［20］重建的南极冰盖模拟的冰消期历史数据，并用更多的地壳隆升速率和相对海平面观测值与之耦合［21］，提出了南极地区的GIA模型，得到的改正值比之前的降低了50%以上。相比较其他已有的GIA模型，该模型更适用于改正南极冰盖的GRACE数据，为估算当前的冰质量变化提供了更多更精确的约束条件［3］。

Shepherd等［2］综合了不同研究小组利用上述方法得到的结果，对这些结果进行平均得到新的估值(下面简称IMBIE估值)。IMBIE估值与单一方法得到的结果相比，精度明显提高，这是冰盖物质平衡评估方法的重要进展。

1.2 物质平衡的估算结果

过去20年来，格陵兰冰盖和南极冰盖均处于物质损失状态:格陵兰冰盖物质损失的平均速率可能已从1992-2001年间的34(-6-74)Gt·a-1大幅度增至 2002-2011年间的 215(157-274)Gt·a-1;南极冰盖物质损失的平均速率可能从1992-2001年间的 30(-37-97)Gt·a-1增至 2002-2011 年的 147(72-221)Gt·a-1［22］。 而且这一物质损失过程是加速的:格陵兰冰盖的加速度为21.9 ±1 Gt·a-2，南极冰盖的加速度 14.5 ±2 Gt·a-2［5］。造成这一加速的原因到底是冰盖系统固有的变异性，还是反映了长期变化，这一点还未有定论［4］。下面分别介绍不同方法得到的结果并进行总结对比。

(1)GRACE

由于GIA模型的改进，南极的GIA改正值与之前相比降低了50%以上，从而使得用GRACE方法得到的物质平衡估值在用该GIA模型改正后显著减小［15，19，23-24］。 其中，King等［19］将该 GIA模型应用于2002年8月-2012年2月的南极GRACE数据，得到大陆尺度上冰量变化为-69±18 Gt·a-1，该值是之前已发布结果的1/3-1/2;Sasgen等［23］根据2003年1月到2012年9月的GRACE数据，得到物质平衡值为-114±23 Gt·a-1(图1)。两者均通过确定流域尺度上的物质平衡，发现南极冰盖的物质损失及其加速过程，都集中发生在沿阿蒙森海岸线，而东南极呈现正平衡状态。

(2)物质收支法

通过物质收支法可以分别确定物质平衡的两个分量:SMB和D，从而确定在物质平衡中占主导地位的因素。Enderlin等［6］的研究结果表明:D对于格陵兰冰盖物质平衡影响的相对重要性显著降低，从2005年之前的58%降为2005-2009年的36%，到2009-2012年又降低到32%。2009年以来的物质损失率的增加，84%都归因于表面融化和径流的增加［6］。近来一些冰盖模式的预测结果也支持了这一观点，即在年代际以及更大的时间尺度上，SMB是格陵兰冰盖物质损失的首要驱动因素，而非D［4，25-26］。

(3)卫星测高法

Zwally等［27］用 ERS(欧洲遥感卫星)和 ICESat数据确定了1992-2008年的南极冰盖物质平衡，认为呈现显著正平衡状态。

图1中总结了上述各方法得到的结果，可看出不同结果之间的差异较之前已大幅减小。这一差异具有系统性:不论是南极冰盖还是格陵兰冰盖，物质收支方法得到的物质损失值都是最大的，激光测高最小，GRACE介于两者之间。对于格陵兰冰盖，不同方法得到的结果，符号是一致的，仅大小不同:20世纪90年代的物质损失为 -51±65 Gt·a-1，2005-2010年物质损失值已增加到-263±30 Gt·a-1。对于南极冰盖，情况并不像格陵兰冰盖那么清晰，Zwally等［27］用卫星测高方法得到的结果就显示南极冰盖的物质收入显著大于支出，呈现正平衡状态;而IMBIE估值表明南极冰盖在90年代时处于微弱负平衡状态，2005-2010年的物质损失为-45--120 Gt·a-1之间。

为了更全面地对各方法进行比较，Sasgen等［2］计算了2003年10月-2008年12月的极地冰盖物质平衡(在该时间段内，基于这4种技术的卫星均处于最佳运行状态)。图2中可看出2003-2008年的IMBIE估值分别为:南极冰盖-72±43 Gt·a-1，格陵兰冰盖-232±23 Gt·a-1，与之前发布的结果相比，精度显著提高。GRACE和IMBIE估值符合得很好，两者的最大和最小值之间仅相差30-50 Gt·a-1，该范围约为之前发布范围的1/2。对于激光测高方法来说，在南极半岛和西南极冰盖两个区域，它与GRACE得到的结果符合地很好;在东南极冰盖，它得到2003-2008年间的物质平衡为+101 Gt·a-1，该值远大于GRACE得到的+35 Gt·a-1;它对于极地冰盖总体物质平衡的评估结果为-140±133 Gt·a-1，略超出IMBIE估值的范围(图2中的灰色区域)。除此之外，对于东南极冰盖、西南极冰盖、南极半岛、南极冰盖整体以及格陵兰冰盖，各方法得到的结果都能在IMBIE平均值的范围内与之符合。综上所述，对于某个特定方法来说，有时得到的结果精度较低，但是综合所有方法之后得到的IMBIE估值精度已明显提高。

图1 (a)2012年之前的研究结果.不同颜色代表不同方法，方框的宽、高分别表示研究所涉及的时间段、平均物质变化率的误差;(b)2012 年的研究结果，包括 IMBIE估值［2］(实线).Sasgen 等［23，28］和 King等［19］得到的结果用虚线表示，Zwally等［27］的结果用点划线表示，Harig和 Simons［29］和 Ewert等［30］的结果用点线表示，由文献［31］改绘Fig.1.(a)Estimates published before 2012，line color indicatesmass assessment technique，each estimates of a temporally averaged rate ofmass change is represented by a box whose width indicates the time period studied，and whose height indicates the error estimate;(b)2012 studies in b compromise IMBIE combined estimates(solid line)［2］， estimates by Sasgen and others［23，28］，and King et al.［19］(dashed lines)， Zwally et al.［27］(dot-dashed lines)， Harig et al.［29］and Ewert et al.［30］(dotted lines).Reprinted from Hanna［31］

图2 2003-2008年由4种不同的大地测量技术:雷达测高(青)、物质收支(红)，激光测高(绿)和重力测量(蓝)得到的格陵兰冰盖、南极半岛、东南极冰盖、西南极冰盖、南极冰盖和两极冰盖整体物质平衡估值的比较.IMBIE估值的范围以灰色区域表示［2］Fig.2.Intercomparison of mass balance estimates of the GrIS，AP， WAIS， AIS， and the AIS plus GrIS， derived from the four independent geodetic techniques of RA(cyan)，MB(red)，LA(green)，gravimetry(blue)over the period 2003 to 2008.Also shown is the reconciled results(gray)［2］

除了冰盖的整体物质平衡，在评估流域尺度上的局部物质平衡方面也取得了新进展。对于格陵兰冰盖，分别用不同的方法确定了其8个流域的局部物质平衡，如图3所示。利用物质收支方法的优势，可以在流域尺度上确定物质平衡的两分量:SMB和D，而物质收支方法与其他方法可以较好地符合，又能为这一实践提供校验标准。Anderson等［32］在这一理论基础上，分别确定了格陵兰冰盖18个流域上的物质平衡各分量，发现2007-2011年间61%的物质损失来自SMB。另有研究发现，2000-2008年间SMB占物质损失总量的50%［33］，2009-2012年间 SMB占68%［24］。确定流域尺度上SMB和D在物质平衡中各自所占比例，有利于了解物质损失的主导因素及其空间分布，Sasgen 等［23］对此研究发现，2003-2009 年间，格陵兰冰盖北部的物质变化与大气有关，而在南部，物质变化的控制因素则为冰盖动力学过程。

图3 用测高法(A)、重力测量法(G)、物质收支法(MB)分别得到格陵兰冰盖8个主要流域的物质平衡估值.方框的水平范围表示观测时间段，方框的高表示误差范围;实线表示的是冰盖物质平衡估值，虚线还包括了冰川在内Fig.3.Mass balance estimates for Greenland's eightmajor drainage basins(inset)derived through altimetry(A)， gravimetry(G)，and mass budget(MB)approaches.The horizontal extent of each box denotes observation period，while the vertical extent denotes reported uncertainty.Solid lines denote estimates for the ice sheet proper，while dashed lines denote estimates that include peripheral glaciers

2 冰盖数值模拟的研究进展

2.1 冰盖模式的改进

无论是想要了解冰盖过去的演变过程，还是预测冰盖未来的变化，数值模拟研究都是十分必要的。模拟冰盖物质平衡可以改进对冰盖重要过程的理解，把物质平衡与气候变化的趋势联系起来，预测冰盖对持续的气候变化的响应，以及对海平面造成的影响。为了能对此做出更真实的预测，冰盖模式在以下几个方面均做出了很大改进。

首先，冰流模式所采用的力学近似理论有所改变。冰流模式对于预测极地冰盖的物质平衡至关重要。之前的冰流模式通常是基于浅冰近似和浅冰架近似理论的，或者是基于两者结合的混合(Hybrid)模式:(1)基于浅冰近似的冰流模式是假设冰流的所有阻力均来自于垂直方向的剪应力梯度［34］，这只适用于描述冰盖上的蠕变流。若要对冰盖-冰架系统的耦合以及接地线迁移等动态过程进行模拟，则必须要考虑水平剪应力梯度;(2)基于浅冰架近似的冰流模式考虑了水平剪应力梯度，却忽略了垂直剪应力的影响［35］，这对于底部牵引力较小的快速冰流有效;(3)基于两者结合的模式同时考虑了发生在冰架处的水平应力以及搁浅冰内冰流的垂直应力［36-37］。上述三种模式计算效率较高，但它们都对冰流机制进行了过于简化的物理假设，因而不完全适用于冰盖-冰架系统的所有区域，尤其是接地线附近这种正经历着快速变化的地区，并且无法在各溢出冰川的尺度上确定冰流量对冰盖物质平衡的影响。为此有研究提出了更精细的冰流模式:(1)基于静水近似假设的高阶冰流模式，假设冰内任一点的压力只取决于其本身的重量而与冰流无关，与之前的模式相比，该模式能够更精确地解释垂直方向的应力耦合，但仍未解决溢出冰川的模拟问题［38］;(2)最精细的模式是未作任何假设而进行求解的模式(Full Stokesmodels)［39-40］，在已有的冰体运动的观测数据基础上，利用反演方法更好地约束了一些未知参数，如底部阻滞，并且以可变分辨率的非结构化网格分解溢出冰川，其模拟的冰流量能在大陆尺度上与观测值符合得很好。这种模式能够以较高的空间分辨率模拟整个冰盖上的冰流，从而提高对冰盖未来演变的预测能力。

其次，提高了冰盖模式的空间分辨率。目前大部分模式的空间分辨率都＞20 km，但这样的分辨率仍不足以分解冰流，因为冰流通常只有几千米宽。此外，接地线迁移和冰崩过程的模拟更是需要亚千米级的分辨率。为解决该问题，Cornford等［41］基于自适应网格加密(adaptive mesh refinement)用分块结构化的方法实现了冰盖的三维数值模拟，以较高的分辨率分解接地线附近的狭窄区域，同时以较低的分辨率分解冰盖的剩余部分，该方法与均匀网格模拟的结果符合，并且计算成本更低。

最后，综合利用卫星和地基测量来更好地约束冰盖数值模拟。冰盖模式的性能很大程度上取决于初始条件和边界条件，但由于缺乏冰岩界面上的底部阻滞数据而限制了模拟能力。为解决该问题，有研究将反演方法应用于冰盖模式，来反演底部阻滞的分布，模拟得到的表面速度与观测值能较好地符合。因此，在模式初始化运行中建立最佳初始状态时，该方法成为了标准程序［39-42］。

上述这些改进使得冰盖模式能够重建当前冰盖上的冰流速度，这是近年来冰盖数值模拟的重要进步。

2.2 冰盖动力学过程的模拟

对接地线的迁移、底部滑动和冰崩等重要过程及其耦合机制的准确理解，有助于确定冰盖物质平衡中由这些动力学过程造成的物质损失。

接地线的迁移及其稳定性的理论研究发现，失去支撑(buttressing)时，接地线会在上倾基岩上沿冰流的方向不稳定地后退。如图4所示，当温暖的变性绕极深层水(mCDW)流向冰架底部时，会引起接地线处冰体的融化，进而导致冰架开始变薄，接地线后退(图4a);接地线在上倾基岩上不稳定地后退时，海洋性冰盖在缺少支撑的情况下也变得不稳定，冰通量随着接地线处冰体厚度的增加而增加，导致冰盖向海洋的排出量增加，冰架持续减薄，接地线进一步后退，直到到达新的下倾基岩才会稳定下来。表面融化和冰架的进一步崩解也会引起冰盖和冰架的减薄(图4b)。只有考虑上述过程中接地线区域的水平应力传递，并且要达到足够高的空间分辨率，才能在冰盖模式中解释接地线的迁移过程［35］。Joughin等［43］基于该理论预测了派因艾兰(Pine Island)冰川处的接地线，发现冰架底部融化的小幅增加可能会造成接地线截至2100年后退25 km。

图4 海洋性冰盖及其与海洋的交互作用示意图［31］Fig.4.Illustration of amarine ice sheet and its interaction with the ocean［31］

底部滑动是受内陆的底部水文条件和过程控制的。表面融水通过冰川竖井到达基岩，这可能会对底部润滑作用造成影响。但是，由于冰川下水系演变的缓冲作用，这样的影响比预想的小很多［44］。要在大尺度的冰盖模式中实现底部滑动的模拟，仍很大程度上依赖基于冰流季节性变化观测的经验参数化方案。

在理解冰架崩解方面，有研究提出了基于随机模型和断裂理论的冰崩规律，将接地线-崩解面处的厚度与崩解速率联系起来［45］。越来越多的研究将环境因素考虑进去，把表面融水径流、冰架底部融化与冰裂隙加宽以及随后的冰崩过程联系起来［46］。尽管已取得这些进展，但由于缺乏数据，仍无法实现对冰崩的基于过程的完整评估，未来冰盖模式的发展可能仍有赖基于冰崩过程的经验参数化方案。

3 冰盖未来的变化

在全球气候变暖的背景下，预计格陵兰冰盖和南极冰盖都将持续损失质量［47］。对于格陵兰冰盖，由于表面融化和径流的增加造成的物质损失将占主导地位［12］。对于南极冰盖，SMB预计将增加，但海洋性冰盖与冰架对于海洋强迫的响应机制还存在不确定性。

在夏季，格陵兰冰盖的大部分区域的表面融化都在增加，2012年时其融化范围更是创下了有卫星测量技术以来的最高纪录(高达冰盖范围的97%)［48］。因此，温度上升将主要通过增加夏季的表面融化而造成物质损失，而一些反馈机制可能加速这一过程:(1)由于北冰洋的海冰范围缩小造成全球变暖在极地的扩大化，及与之相关的反照率反馈机制;(2)与冰盖裸冰区范围扩大相关的雪反照率反馈机制［49］;(3)由于表面融化和冰流量增加造成冰盖减薄，及与之相关的高程反馈机制［8］。上述反馈机制均为正反馈，加速格陵兰冰盖的表面物质损失，从而影响其表面物质平衡。据预计，在年代际以及更大的时间尺度上，表面物质平衡将成为格陵兰冰盖物质损失的首要控制因素［27，50］。

对于格陵兰冰盖，由于底部润滑作用增强、冰崩和海洋变暖而引起的动态变化仍难以预测。Price等［50］对过去十年格陵兰冰盖上冰川后退过程进行了模拟，并预测截至2100年格陵兰冰盖至少对SLR贡献6±2 mm，当将循环的强迫应用于模拟过程时，这一贡献值最高可达45 mm，低于Nick等［26］预测的结果:40-85 mm。两者均是对数据最多的几个溢出冰川的物质损失进行精确评估后，根据这些冰川在冰盖内所占面积的比例，外推出整个冰盖的物质损失值，从而得到冰盖对SLR的贡献。Enderlin等［6］认为，后者得到的结果偏大，原因在于其所选的溢出冰川在2000-2012年的物质损失占冰盖整体的42%，并不与其所占的面积成比例。但是，这些估值仍然低于之前的研究结果，这是因为随着冰盖边缘的后退，冰架崩解等动力学过程对于物质平衡的重要性相对降低［47］。

对于南极冰盖，据预计，它对SLR的贡献随着全球温度上升会呈对数增加，但是变化极小，在接下来的100-200年内，甚至可能是负贡献［47］。首先，虽然海冰范围缩小也会引起全球变暖在南极扩大化，但比北极小得多。其次，目前南极冰盖表面融化极小，预计在未来的100年内温度上升也并不会导致表面融化的显著增加［47］。最后，由于温度上升，降雪的增加预计会更显著，从而使得SMB增加，与此相关的高程反馈为负反馈。目前为止，仍缺少一个大陆尺度南极冰盖，可以将发生在冰盖-冰架-海洋界面上的过程全部考虑在内，从而更准确地预测南极冰盖未来的演变［26］。

4 未来挑战

对过去20年的冰盖物质平衡评估的结果发现，南极冰盖和格陵兰冰盖的整体物质平衡均为负平衡，其中南极冰盖对SLR的贡献为0.2 mm·a-1［2］，格陵兰冰盖、南极半岛和西南极的部分区域总共以相当于海平面平均上升1 mm·a-1的速度损失质量(其中70%的贡献来自格陵兰冰盖)，而且速度越来越快。上述结果是基于IMBIE对所有结果进行算数平均得到的，因此，不同方法之间的不一致性仍然存在，需要对各方法可能存在的系统误差进行进一步研究。在雷达测高方面，需要对ENVISat雷达测高数据的表面密度改正和短期改正进行进一步评估［51］，使得经过这些改正后物质变化的估计更加准确。在物质收支法方面，NASA的Ice Bridge项目中的机载雷达数据将改进对SMB的估计，而用雷达对接地线区域冰厚的监测将提高物质输出估计的水平。重力测量和激光测高方面将分别有GRACE和ICESat-2后续任务(预计分别在2017年和2016年发射)，这将为冰盖整体物质平衡提供理想的年代际记录。但是，无论实地测量还是卫星遥感，都有其各自的局限性，两者结合以弥补各自缺陷，仍是未来冰盖物质平衡研究的主要发展方向。

对未来一个世纪内冰盖物质平衡进行评估发现，格陵兰冰盖表面物质平衡的变化对未来海平面的贡献为正，而南极冰盖表面融化仍将很少，且预计降雪量将增加，使得南极冰盖表面物质平衡对未来海平面的贡献为负。西南极冰盖很有可能持续对SLR做出贡献，东南极冰盖在未来一个世纪中对海平面贡献的符号仍不确定。为了更准确预测未来海平面的变化，需要持续改进冰盖模式，使之能更好地表达冰盖上的重要过程。虽然在这方面已取得了较大进展，但需要进行进一步研究的重点问题也非常明显。

首先，需要对模式进行升尺度参数化，使得较低分辨率的模式也可以更好地表达冰盖的重要物理过程。目前，已有人针对接地线迁移过程提出参数化方案［35-36］，并用其他完整的模式进行了检验［52］。 尽管在理论水平上已有所提高，但在冰流数值模式中实现冰崩过程的模拟仍依赖于未经过物理模型检验的参数化方案，因此，准确描述冰盖变化的物理过程并改进参数化方案，是冰盖模式在今后相当长一段时期内的发展方向之一。

其次，冰盖模式的初始化运行方面已有所进展，通过使用反演技术让初始状态与观测结果更为接近，但底部阻滞的非线性特点及其对底部水文条件的依赖性仍是一个有挑战的关注点。已有的模式并未完全实现底部阻滞随时间演变过程的模拟，一部分原因是，还未建立冰下的水文模型;另一部分原因是，缺乏用于校准底部摩擦随空间位置变化规律的数据。近来有研究分别发布了南极冰盖［9］和格陵兰冰盖上的冰流速度图［10］，前者重新定义了对冰盖动力学的观点，对重建冰盖过去的演变和预测未来有深远影响。后者给出的不同时间段内的冰流速度分布，为解决上述问题带来了希望。

最后，耦合改进之后的冰盖模式和大气/海洋模型以及GIA模型，能够以足够高的分辨率来解释不同的物理系统之间的所有反馈机制。为此，一方面，须持续加强观测并提高观测精度，获得不同的时间和空间尺度下的目标观测值;另一方面，把针对冰盖变化的大量观测结果的分析研究和参数化改进相结合，解决冰盖非线性物理过程在耦合气候模式中的制约问题，推动冰盖物理过程参数化继续向精细化方向迈进，从而构建更合理的数值模式，以便较准确地描述并预估极地冰盖-快速冰流-冰架系统的变化，进而回答其对海平面的影响等全球性问题。

就中国对于极地冰盖物质平衡的研究来讲，与国际上还有一定差距。对物质平衡的研究主要针对南极局地开展，受到卫星资料获取困难等因素的影响，系统研究较少。对使用气候资料模拟冰盖物质平衡这一研究不够重视，其中一个重要原因是相关学科与国际水平相比有较大差距，目前没有成熟的气候模式或大气环流模式可供使用。

因此，须以中国在两极地区的科学考察和观测系统为依托，基于已有观测数据、参数化方案和冰盖模式，通过尺度转换、模式集成耦合、实证检验及模拟能力的对比分析等途径，研究极地冰盖典型冰流系统的动力过程及其对气候系统的响应机制，预估其未来变化。此外，仍需以新型空间科学技术为支撑，持续改进冰盖对气候变化响应的监测与模拟，在此基础上完善对冰冻圈其他要素物理过程的描述，建立包括冰冻圈所有要素在内的全球和区域气候耦合模式，这对于改进气候模式的预测精度至关重要。对未来气候更准确的预估，反过来又可提高极地冰盖物质平衡及其对海平面影响的预测精度，从而为解决减缓与适应当前全球海平面加速上升的迫切需求提供科学依据。

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