南极冰盖储存了地球上大部分的淡水，其未来的稳定性是预测全球海平面上升的核心不确定性来源。尽管当前冰量损失主要由海洋过程导致的基底融化主导，但大气强迫，特别是大气河流相关的极端天气事件，在未来可能产生日益重要的影响。大气河流作为远距离水汽输送的关键驱动因子，能够引发强降雪和表面融化，从而对南极冰量平衡带来显著的不确定性，并通过淡水输入影响海洋层化和混合层深度，最终调节海气交换。这些地球系统各组分（大气、海洋、冰川）间的相互作用尚未被当前全球气候模型和观测充分捕捉。
1 引言
南极冰盖储存的冰量相当于超过57米的全球海平面上升潜力。从1992年至2020年，南极冰盖平均每年损失约92 ± 18吉吨的冰量。在高排放情景下，到2100年，南极冰盖可能贡献0.03至0.34米的海平面上升，成为未来预测中最大的不确定性来源。南极冰盖通过降雪积累质量，并通过其浮动冰架的基底融化和冰山崩解损失质量。冰架的减弱通常与海洋过程导致的基底融化、大气强迫影响的崩解以及内部冰应力有关。目前，海洋过程对南极冰量损失的影响大于大气强迫。然而，到本世纪末，南极表面融化可能翻倍，使冰架更加脆弱。大气强迫通过暖平流和降水直接影响冰面，或通过改变海洋表面属性间接产生影响。南极冰盖物质平衡预测的不确定性源于南极快速变化的条件以及大气、海洋和冰冻圈之间增强的反馈机制，这些在当前气候模型中未能得到充分体现。大气河流是一种突出的大气现象，在南极引发了多次极端天气事件，并对冰面产生了实质性影响。大气河流是低对流层中从低纬度向高纬度输送强水汽的狭长瞬变通道。它们不仅可能引发广泛的表面融化，危及冰架稳定性，也可以通过强降雪抵消南极冰量损失。在变暖的气候下，预计到本世纪末，南极沿海地区可能经历更频繁和更强的降雨。本文概述了各地球系统组分间的相互作用及其对南极变化的影响，特别强调大气河流及相关极端天气事件，指出了当前预测南极冰量及其相关海平面上升影响的不确定性，并提出了推进南极研究的可行建议。
2 海洋和大气对南极的强迫
2.1 海洋驱动的基底融化
在1994年至2018年间，大多数南极冰架的基底融水通量表现出显著变化，这取决于冰架暴露于冷海水还是暖海水。基底融化约占南极冰架质量损失的50%，可归因于三种不同的海洋学过程。对于冷水冰架，接地线深处的融化是高盐度陆架水流入的结果。相反，对于暖水冰架，环极深层水侵入冰架下方的空腔促进了更显著的融化，导致支撑效应减弱。冰架前缘附近的底部融化则受季节性变暖的南极表层水影响，这与海表温度波动和沿海海洋波浪的动态相互作用有关。与这三种主要水团相关的海洋过程受到大气环流、海洋条件和海冰覆盖的影响。海冰覆盖减少及随之而来的海表温度升高，增强了南极表层水驱动的基底融化。在未来极端变暖情景下，由于无海冰海洋的辐射加热和增强的环极深层水入侵，南极表层水和环极深层水的贡献加剧，可能导致冰架基底融化显著加速。此外，海冰作为抵御破坏性海洋波浪的保护屏障，并增强了对冰架的支撑作用。这些过程相互关联并形成复杂的反馈循环。例如，海洋层化会减少冷淡水与暖咸的环极深层水之间的混合，从而加速基底融化。增加的基底融化可能导致更大的融水通道，并因冰架底部的粗糙度促进破裂。
2.2 对冰面的大气强迫
南极经历了长期的变暖，温度趋势表现出显著的时空变异性。南极半岛在过去60年中经历了超过3°C的长期变暖，尽管自20世纪90年代末以来出现了短暂的冷却期，但20世纪末极端高温事件频率增加。西南极洲在1958年至2012年间显示出最显著的变暖趋势，随后在2010年代初期出现冷却趋势。相比之下，东南极洲表现出强烈的空间变异性，内陆地区显著变暖。南极表面温度受到热带海表温度通过大尺度大气遥相关、区域环流型以及局地驱动因子的影响。例如，正位相的南半球环状模通常导致南极半岛地区变暖和南极大陆其他地区冷却，而负位相则与相反的模式相关。在南极大陆大部分地区，近期南半球环状模的正趋势抑制了长期变暖信号，而潜在的背景变暖可能归因于人为强迫。这些驱动因子相互关联，可导致表面温度显著的内部变化。更深的阿蒙森海低压通常与拉尼娜和正位相南半球环状模相关，它加强了吹向南极半岛和西南极洲的偏北风，常导致温度升高。更强的西风促进了南极半岛背风坡更频繁的温暖干燥的焚风，进一步提高了表面温度。
在南极夏季，随着温度升高，南极冰面，特别是沿海冰架上的表面融化呈指数增长。液态降水也可能为显著的表面融化创造条件。一旦表面融水形成，它可以在裂隙中积聚并重新冻结，产生压力诱发水力破裂，这可能引发冰架崩解并加速流出冰川的流动。融水还通过降低反照率和在再冻结过程中释放潜热来加剧表面融化，导致不透水冰透镜的形成，并增加未来融池发展的可能性。除了表面融化，大气强迫还可通过降雪导致表面积累，以及由强风和干燥条件引起的侵蚀和升华导致表面消融。
2.3 海洋与大气的相互作用
海洋和大气之间的相互作用对南半球气候研究至关重要，并可间接影响南极冰量平衡。首先，离岸风通过改变环极深层水在深海上方流动的深度，显著影响其接近南极大陆冰架的程度。环极深层水的入侵是导致冰川变薄的关键机制之一，特别是在阿蒙森海海域，自1996年以来，该海域主要由于海洋强迫已贡献了9.2 ± 1.2毫米的全球海平面上升。此外，由大气环流控制的南大洋中高纬度地表风约占深层水上涌的80%。这种深层水缓解了人为变暖并吸收了大气二氧化碳，显著影响了全球气候，特别是在南极地区。
其次，南极冰量损失或降水产生的淡水输入可导致海洋表面淡化、冷却和海冰扩张，进而驱动大气条件的变化。南极海冰覆盖的变化可能对淡水输入量敏感。值得注意的是，南极海冰自2016年开始持续减少，从2022年起其年最小范围一直低于200万平方公里，并在2023年2月达到了179万平方公里的历史最低记录。这标志着2016年之前观察到的海冰稳定增长趋势发生逆转，进一步强调了复杂的大气-海洋相互作用及其对海冰变率的复合影响。总之，南大洋整体在变暖，而南极表面温度表现出强烈的空间变异性。由于地球系统各组分间复杂且未被充分理解的相互作用，特别是在大气河流等极端天气情景下，它们未来的轨迹仍然不确定。
3 近期极端大气河流活动的警示
大气河流在南极充当了通过水汽和热量输送加强海洋、大气和冰川之间联系的桥梁。例如，大气河流从其中纬度路径上的海洋收集水汽，并通过降水将淡水输送回高纬度海洋，这可能影响翻转环流。尽管在南极发生频率相对较低，但与大气河流相关的极端天气事件能够显著改变南极物质平衡。值得注意的是，自卫星时代以来，大气河流在南极半岛地区和印度洋扇区呈现出多个检测方法一致的正趋势。因此，在极地预测年南半球冬季联合观测期间的合作努力促成了极地增强型大气河流等级的发展。该等级纳入了适用于极地地区的附加类别，具有更低的综合水汽输送阈值，改进了对南极大气河流强度和影响的表征，用于预报和研究应用。
大气河流可以通过低层含液态水云增强的向下长波辐射、雨雪事件以及放大的地形强迫，在沿海冰架上驱动大范围的表面融化和冰架不稳定性。在南半球夏季，从1979年至2017年，大气河流导致了罗斯冰架40%的表面融水，以及西南极洲玛丽伯德地区近100%的表面融水。相比之下，大气河流对南极冰盖的质量增加贡献主要发生在冬季积雪季节。2022年3月18日，东南极洲经历了一次前所未有的大气河流四级事件，导致强降雪和估计约306吉吨的冰量增加。总体而言，大气河流目前对南极表面质量平衡有正面贡献，并且预计未来会增强这一作用，有助于缓解全球海平面上升。然而，其净影响仍不确定，因为在未来更暖的气候中，极端大气河流事件可能 destabilize 冰架并抵消这些增益。
大气河流还可以通过辐射效应、降水和表面风改变边缘冰区的海冰厚度、密集度和范围，从而强烈影响极地海冰系统，进而影响全球气候和冰盖动力学。例如，大气河流引发的夜间暖雪可以作为绝缘层，减少冷空气侵入并抑制海冰再冻结。此外，大气河流可以触发近岸冰间湖的形成，调节大气-海洋相互作用。考虑到南极海冰自2016年急剧下降后恢复缓慢，大气河流活动的长期趋势及其对海冰的影响值得进一步研究。
4 南极冰量损失对全球沿海地区意味着什么？
南极研究的一个关键动机是南极冰量损失可能产生的重大全球影响。在1992年至2017年间，南极冰量损失导致了7.6 ± 3.9毫米的全球海平面上升。在1997年至2001年间，南极冰盖融化仅占全球海平面上升的1.6%；然而，其在2017年至2020年间已增加至7.9%。到2100年，在高排放情景下，仅南极洲就可能贡献高达0.34米的海平面上升。此外，海平面上升并非均匀发生，某些沿海地区面临的风险更大。除北极地区外，海平面上升的区域变率主要受海洋密度结构控制，而密度结构又受温度和盐度变化的影响。与陆地冰融化导致固体地球响应相关的非气候因子也会影响区域海平面上升，垂直陆地运动可在局部尺度引起进一步的海平面变化。沿海灾害与区域或相对海平面上升关系更密切，而局地脆弱性还受到地理位置、暴露于局地自然灾害的程度以及人口密度和社会经济状况等因素的影响。
海平面上升将通过放大低气压系统和强风引发的高潮和风暴潮，增加全球低洼沿海地区的洪水风险。在1980年至2017年间，中国南部和越南沿海的风暴潮增加了高达1米。孟加拉国等低地国家已经受到季风驱动的河流洪水影响，正日益容易受到海平面上升和更强烈降水事件复合影响的冲击。在欧洲沿海地区，1960年至2018年间海平面上升和风暴潮极端事件的匹配趋势进一步强调了复合沿海灾害可能性增加。在美国，2010年至2022年间东南部和墨西哥湾沿岸加速的海平面上升，加上近期破纪录的飓风季节，放大了风暴影响和沿海洪水。除了飓风和温带气旋，美国西海岸大气河流期间的经向风和低气压也助长了风暴潮，10%至63%的高潮洪水事件与大气河流同时发生。
海平面上升的另一个后果是盐水侵入地下水，这会加剧沿海地区的水资源压力并降低农田生产力，而这些地区通常是经济中心并且是淡水的主要消耗者。在高排放情景下，预计居住在当前海岸线10公里范围内的约6000万人将因海平面上升损失约5%的淡水地下水资源。这一问题影响全球100多个国家，在美国、中国、印度、澳大利亚、湄公河三角洲、地中海沿岸和尼罗河三角洲尤为严重。在这些地区中，越南预计将面临最高的盐水入侵风险，到2050年，在高排放情景下，内陆入侵延伸可达53.9公里。在2011年至2018年间，美国盐水-淡水界面最大的内陆推移报告发生在南佛罗里达。在美国东海岸的德尔马瓦半岛，盐水入侵沿海农田已损害了农业活动，可见的盐斑在2011年至2017年间几乎翻倍，导致重大利润损失。在美国西海岸，加利福尼亚州缺乏珊瑚礁或红树林等天然屏障，使其暴露于侵蚀和咸水入侵的威胁之下，这危及地下水——这是一种重要资源，供应该州平均约40%的用水，在干旱时期占比更高。值得注意的是，盐水入侵还由风暴潮和高潮洪水驱动，特别是对于主要城市，加剧了海平面上升的整体影响。
考虑到社会经济影响，加勒比和太平洋岛屿的小岛屿发展中国家土地和资源有限，面临海平面上升的严重威胁，且适应气候变化的能力有限。雅加达等人口稠密的城市中心仅占全球海岸线的一小部分，但由于沿海淹没、地面沉降和极端天气的风险不断升级，有可能影响数十亿人。截至2018年，全球约10%的人口居住在海岸线5公里范围内，预计这些数字在不久的将来还会增加，使更多人面临海平面上升的风险。此外，在经济重要地区，海平面上升产生重大影响，加剧了现有的极端事件并导致更重大的经济损失。目前，欧洲经济受到区域海平面上升的严重影响，且存在巨大的空间差异。另一个有力证据是2012年的飓风桑迪，其中约80亿美元的经济损失归因于人为导致的海平面上升，这扩大了洪水范围。在高排放情景下，预计到2100年，欧盟和英国的经济损失将达到约8720亿欧元，意大利的部分地区，如威尼托和艾米利亚-罗马涅，将受到特别严重的影响。中国的经济中心上海未来也可能面临热带气旋引发的沿海洪水淹没的严重风险。美国东海岸可能因风暴潮和区域海平面上升的共同影响而遭受更大的累积损害，海平面上升的影响可能超过风暴本身。在美国另一侧的沿海地区，未来1.8米的海平面上升，加上反复出现的风暴，可能影响超过48万加利福尼亚居民和估值约1190亿美元的财产。仅在洛杉矶县，目前就有19.7万至87.4万人口和360亿至1080亿美元财产价值面临超过30厘米洪水的风险。到2100年，在高排放情景下，美国东南海岸的海平面上升预计将达到近2米，与全球其他海岸线一样，淡水贡献的很大一部分可能来自南极。对于人口稠密、经济活动活跃以及已经暴露于局地自然灾害的地区，准确估算区域海平面上升至关重要，因为即使小幅增加也会加剧风险。因此，减少南极冰量损失预测的不确定性对于完善这些区域估算至关重要。
5 讨论：研究空白与未来计划
格陵兰冰盖最近已进入持续的冰量损失状态，这归因于冰川出口处冰通量增加以及通过降雪添加到冰盖的正质量减少。如果不采取行动，冰量超过格陵兰9倍以上的南极冰盖也可能岌岌可危。南极冰盖的稳定性受到持续气候变化的威胁，而大气河流为预测海平面上升这一艰巨任务增添了更多不确定性。南极研究最紧迫的问题包括：极端天气事件的预测/预估；理解意外变化的成因、驱动因素和影响；冰盖稳定性预测的不确定性；发展用于冰-海-气相互作用的区域耦合模型；以及加强南半球的观测覆盖。理解南极冰量变化对全球沿海的影响涉及审视不同地球系统组分间复杂的相互作用，强调需要通过促进合作、优先考虑关键研究需求和探索种子基金机会，促进气象学、海洋学、冰川学和地下水文学等多个不同领域之间的沟通。国际社会努力扩大对南极等偏远地区气象驱动因素，特别是大气河流的关注，将进
