Variazioni Annuali della Massa dei Ghiacciai nel Mondo dal 1976 al 2023

Autori: Inés Dussaillant, Romain Hugonnet, Matthias Huss, Etienne Berthier, Jacqueline Bannwart, Frank Paul, Michael Zemp

Affiliazioni:

1. Department of Geography, University of Zurich, Switzerland
2. University of Washington, Civil and Environmental Engineering, Seattle, WA, USA
3. Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology (VAW), ETH Zurich, Switzerland
4. LEGOS, Université de Toulouse, CNES, CNRS, IRD, UPS, Toulouse, France

Corrispondenza a: Inés Dussaillant (ines.dussaillant@geo.uzh.ch)

Abstract: I ghiacciai, distinti dalle calotte glaciali della Groenlandia e dell’Antartide, svolgono un ruolo cruciale nel sistema climatico terrestre influenzando i livelli globali del mare, la disponibilità di acqua dolce, i bilanci di nutrienti ed energia e i modelli climatici regionali. Sono necessarie misurazioni precise delle variazioni di massa dei ghiacciai per comprendere e proiettare l’evoluzione dei ghiacciai e i relativi impatti sul sistema climatico. Due metodi distinti permettono di misurare le variazioni di massa dei ghiacciai ad alta risoluzione spaziale. I dati di elevazione superficiale rilevati a distanza forniscono stime del cambiamento di volume su ampie regioni ghiacciate per periodi multi-annuali a decennali. Le misurazioni glaciologiche sul campo forniscono informazioni risolte annualmente o stagionalmente sul cambiamento di massa dei ghiacciai per un piccolo campione dei ghiacciai mondiali. Combinando i due metodi forniamo serie temporali annuali dei cambiamenti di massa dei singoli ghiacciai e delle relative incertezze che coprono gli anni idrologici dal 1976 al 2023. Le serie temporali per ghiacciaio possono poi essere integrate senza soluzione di continuità in griglie globali risolte annualmente dei cambiamenti di massa dei ghiacciai a risoluzione spaziale specificata dall’utente. I nostri risultati subiscono una convalida incrociata leave-one-out confermando che le stime di incertezza a livello di ghiacciaio sono dal lato conservativo. Il nostro dataset fornisce una nuova base di riferimento per future valutazioni della modellazione dei cambiamenti dei ghiacciai e dei loro impatti sul bilancio energetico, idrico e del livello del mare mondiale. La serie temporale annuale dei cambiamenti di massa dei singoli ghiacciai e il prodotto derivato della griglia globale annuale dei cambiamenti di massa a una risoluzione spaziale di 0,5° di latitudine e longitudine saranno resi disponibili dalla pagina web del WGMS. Durante il processo di revisione, il dataset è temporaneamente disponibile dall’URL: https://user.geo.uzh.ch/idussa/Dussaillant_etal_ESSD_data/.

1. Introduzione

Il monitoraggio dei ghiacciai ha registrato notevoli progressi dai suoi esordi alla fine del XIX secolo, utilizzando sia metodi glaciologici in situ sia metodi geodetici rilevati a distanza per osservare i cambiamenti di elevazione, volume e massa dei ghiacciai (Zemp et al., 2015a; Thomson et al., 2021). Il metodo glaciologico offre dettagliati dati annuali o stagionali sui cambiamenti di massa dei ghiacciai, riflettendo l’impatto delle condizioni atmosferiche prevalenti su vaste aree, estese per diverse centinaia di chilometri (Letréguilly e Reynaud, 1990; Østrem e Brugman, 1991; Cogley e Adams, 1998; Oerlemans, 2001; Kaser et al., 2003; Cogley et al., 2011; Zemp et al., 2013, 2015, 2019; Braithwaite e Hughes, 2020; Fernández e Somos-Valenzuela, 2022). Tuttavia, queste osservazioni in situ si limitano a un campione ristretto di ghiacciai a livello mondiale, rappresentando meno dell’1% o circa 500 ghiacciai. Grazie all’opera di coordinamento del World Glacier Monitoring Service (WGMS) e alla sua rete globale di contributori, quasi tutte le regioni glaciali vengono monitorate. Nonostante il loro valore, queste osservazioni glaciologiche sono soggette a possibili distorsioni e spesso necessitano di essere validate o corrette mediante rilievi geodetici ad alta risoluzione effettuati da aerei (Thibert et al., 2008; Thibert e Vincent, 2009; Zemp et al., 2013).

In aggiunta, il metodo geodetico, che impiega sensori aerotrasportati e satellitari, si è affermato come un efficace strumento per misurare i cambiamenti di elevazione dei ghiacciai su vaste aree glacializzate con alta precisione per periodi che vanno da più anni a decenni (Cogley et al., 2011). La tecnica di differenziazione dei modelli digitali di elevazione (DEM), originariamente applicata ai DEM derivati da mappe (Joerg e Zemp, 2014), fotografie aeree (Finsterwalder, 1954; Thibert et al., 2008; Papasodoro et al., 2015; Belart et al., 2019, 2020) è stata estesa all’uso di dati Lidar aerotrasportati (Echelmeyer et al., 1996; Abermann et al., 2010), altimetria satellitare (Jakob e Gourmelen, 2023) e DEM derivati da satelliti (Toutin, 2001; Berthier et al., 2023). Tecniche avanzate di post-elaborazione (Arendt, 2002; Hagg et al., 2004; Rolstad et al., 2009; Nuth e Kääb, 2011; Gardelle et al., 2013; Huss, 2013; Dehecq et al., 2016; McNabb et al., 2019; Hugonnet et al., 2022), la disponibilità di supercomputer e l’automazione delle procedure di elaborazione (Shean et al., 2016; Girod et al., 2017; Rupnik et al., 2017) hanno ulteriormente potenziato questo metodo. Questi avanzamenti hanno permesso l’applicazione del metodo geodetico a intere catene montuose (Brun et al., 2017; Braun et al., 2019; Dussaillant et al., 2019; Menounos et al., 2019; Shean et al., 2020) e su scala globale (Hugonnet et al., 2021).

Diversi metodi e combinazioni di questi sono stati sviluppati per analizzare i cambiamenti nella massa dei ghiacciai globali, con l’obiettivo di quantificare il loro contributo all’innalzamento del livello dei mari e agli effetti sull’idrologia regionale (Gardner et al., 2013; Wouters et al., 2019; Zemp et al., 2019; Hugonnet et al., 2021; Jakob e Gourmelen, 2023). In particolare, gli studi di Zemp et al. (2019) e di Hugonnet et al. (2021) emergono come le uniche ricerche globali basate su dati ad alta risoluzione spaziale, con quest’ultimo in grado di distinguere i cambiamenti di singoli ghiacciai. Lo studio di Zemp et al. (2019) integra la variabilità temporale delle osservazioni glaciologiche con le tendenze di lungo periodo del metodo geodetico, ottenute dal database FoG, documentando la variabilità annuale dei cambiamenti della massa dei ghiacciai per tutte le 19 regioni glaciali (GTN-G, 2017) a partire dagli anni ’60. Questo approccio offre i vantaggi di una risoluzione annuale e della capacità di estendere temporalmente le osservazioni dei ghiacciai, anche se il campione limitato al tempo dello studio (solo il 9% dei ghiacciai terrestri per numero) comporta incertezze significative, che influenzano la affidabilità delle tendenze a lungo termine, specialmente nei confronti degli anni più recenti rispetto a quelli analizzati da Hugonnet et al. (2021). Al contrario, le stime di Hugonnet et al. (2021) offrono tendenze quasi complete su un arco di 20 anni per singoli ghiacciai, con incertezze validate contro set di dati ad alta risoluzione indipendenti. Sfruttando le ripetute acquisizioni e la copertura globale delle immagini stereo ottiche del satellite ASTER (Raup et al., 2000), la valutazione rileva i cambiamenti di elevazione dei singoli ghiacciai dall’anno 2000 per quasi la totalità dei ghiacciai a livello mondiale (97.4% dell’area dei ghiacciai registrata dal RGI Consortium, 2017). Nonostante i suoi punti di forza, questa metodologia presenta limitazioni, tra cui un periodo osservativo relativamente breve e la difficoltà del metodo geodetico di documentare i cambiamenti annuali della massa dei ghiacciai, dovuta principalmente alle elevate incertezze nei fattori di conversione da volume a massa per brevi periodi (Huss, 2013).

La sfida principale nelle valutazioni basate su osservazioni globali dei cambiamenti dei ghiacciai risiede nella quantificazione dei cambiamenti del ghiaccio glaciale a livello globale precedenti all’anno 2000 e, ancor più importante, nell’analisi della distribuzione spaziale e temporale di tali cambiamenti. Con la copertura quasi completa ora garantita da Hugonnet et al. (2021), che documenta il 96% dei ghiacciai mondiali, unitamente ai numerosi dati sull’elevazione dei ghiacciai derivati da diverse valutazioni geodetiche locali e regionali (che coprono il 17% dei ghiacciai mondiali), è ora possibile eseguire una valutazione globale dei cambiamenti di massa dei ghiacciai su base annua per ciascun ghiacciaio. Questa valutazione si appoggia sulle basi metodologiche definite nei precedenti lavori di Zemp et al. (2019, 2020), e si è evoluta integrando la variabilità temporale dei cambiamenti dei ghiacciai osservata dai dati glaciologici con le tendenze a lungo termine dei dati geodetici ottenuti dall’ultima versione del database Fluctuations of Glaciers (FoG) (WGMS, 2024). Produciamo serie temporali dei cambiamenti di massa annuali a partire dall’anno idrologico 1976 per ogni ghiacciaio catalogato nel Randolph Glacier Inventory (RGI-6.0, Pfeffer et al., 2014; RGI Consortium, 2017).

Questa nuova valutazione dei cambiamenti della massa dei ghiacciai basata su osservazioni sfrutta i punti di forza delle valutazioni precedenti e mette in luce le relative limitazioni. Il nostro metodo si dimostra efficace in aree con osservazioni sufficientemente diverse, continue e rappresentative nel tempo, elementi fondamentali per una ricostruzione accurata della variabilità annuale dei cambiamenti dei ghiacciai e per la calibrazione delle tendenze su più periodi. Offriamo cinque decenni di dati sui cambiamenti della massa dei ghiacciai a livello globale con risoluzione temporale e spaziale elevata, correggendo distorsioni nelle tendenze a lungo termine e migliorando l’accuratezza, riducendo al contempo le incertezze a livello regionale e globale. Validato attraverso un esercizio di convalida incrociata leave-one-out, il dataset documenta in modo realistico e robusto la variabilità interannuale dei cambiamenti dei ghiacciai, tenendo conto delle correlazioni spaziali sia dei dati geodetici (relativi a cambiamenti di elevazione e trasformazioni di densità) che degli errori dei campioni glaciologici (relativi alla variabilità interannuale dei ghiacciai). La versatilità di questo dataset rappresenta un importante vantaggio, permettendo analisi dettagliate dei cambiamenti dei ghiacciai a vari livelli, da quelli individuali fino a valutazioni su scala globale. Questo insieme di dati completo facilita analisi dettagliate dei cambiamenti spaziali e temporali dei ghiacciai su molteplici scale.

2. Dati e Metodi

2.1 Dataset di Input

2.1.1 Inventari dei Ghiacciai

Utilizziamo i contorni digitali dei ghiacciai provenienti dall’Inventario dei Ghiacciai Randolph 6.0 (RGI Consortium, 2017) per localizzare spazialmente i ghiacciai, misurarne l’area e distribuire le osservazioni FoG su ogni singolo ghiacciaio. Questo inventario completo a livello globale dei contorni dei ghiacciai rappresenta l’area dei ghiacciai come era all’inizio del XXI secolo. La versione 6.0 dell’RGI è stata scelta rispetto alla più recente versione 7.0 per due motivi principali: primo, le osservazioni di cambiamento dell’altitudine dei ghiacciai FoG sono disponibili solo per la versione 6.0; secondo, per confrontare con precedenti valutazioni globali basate su osservazioni che utilizzano questa versione. I contorni RGI sono accessibili attraverso il portale online dell’RGI (DOI: 10.7265/N5-RGI-60) e l’iniziativa Global Land Ice Measurements from Space (GLIMS, DOI: 10.7265/N5V98602). A causa dell’elevato numero di ghiacciai mappati erroneamente nella regione del Caucaso e del Medio Oriente (regione 12) in RGI 6.0, le osservazioni geodetiche di Hugonnet et al. (2021) sono state calcolate usando gli ultimi contorni disponibili del GLIMS (Tielidze e Wheate, 2018). Anche il precedente inventario è stato utilizzato in questo studio per mantenere la coerenza. Per la periferia della Groenlandia (regione 5), non sono stati inclusi ghiacciai fortemente connessi alla calotta glaciale (livello di connettività 2 di RGI 6.0).

Per delimitare spazialmente i ghiacciai nelle regioni climatiche del mondo, utilizziamo le 19 regioni dei ghiacciai di primo ordine come definite dalla Global Terrestrial Network for Glaciers (GTN-G, 2017), illustrate nella Fig. 1. Le regioni dei ghiacciai sono implementate direttamente nel dataset RGI e sono accessibili tramite lo stesso DOI. La posizione dei contorni dei ghiacciai e delle regioni usate in questo studio è rappresentata nella Fig. 1. La copertura ipsoometrica completa regionale è illustrata con barre grigie nella Fig. 1.

Osservazioni sul Cambiamento dell’Altezza e della Massa dei Ghiacciai

Utilizziamo osservazioni annuali del cambiamento di massa ottenute tramite metodi glaciologici, oltre a tendenze pluriennali dei cambiamenti di elevazione derivati dai metodi geodetici, come riportato nell’ultimo aggiornamento del database Fluctuations of Glaciers (FoG). Queste rilevazioni sui cambiamenti dei ghiacciai sono raccolte annualmente dal WGMS attraverso una rete globale di corrispondenti nazionali e principali ricercatori. Con l’integrazione delle nuove osservazioni, omogeneizzate e corrette, viene pubblicata una nuova versione del database FoG, accessibile tramite il portale online del WGMS (https://wgms.ch/data_databaseversions/). I risultati discussi si basano sulla versione WGMS (2024), disponibile qui: https://doi.org/10.5904/wgms-fog-2024-01. La copertura osservativa quasi completa dell’ultima versione del database FoG, WGMS (2024), è illustrata nella Figura 1, con il campione geodetico che comprende il 96% dei ghiacciai mondiali, coprendo completamente la loro ipsoimetria. Le principali caratteristiche delle osservazioni sul cambiamento di massa e di elevazione dei ghiacciai sono sintetizzate nella Tabella 1. Per maggiori dettagli sui dati di input specifici, dati ausiliari, algoritmi di estrazione e stima delle incertezze delle osservazioni indipendenti di cambiamento di elevazione e di massa dei ghiacciai del FoG, si rimanda a (WGMS, 2024). Dettagli aggiuntivi sul metodo glaciologico sono disponibili in Østrem e Brugman (1991), Kaser et al. (2003) e Zemp et al. (2013, 2015). Per informazioni sul metodo geodetico e sulle sue fonti di errore consultare WMO (2023), mentre per la misurazione dei cambiamenti di massa dei ghiacciai dallo spazio si veda Berthier et al. (2023).

La Tabella 1 presenta le caratteristiche chiave delle osservazioni relative ai cambiamenti di elevazione e massa dei ghiacciai, come disponibili dal database Fluctuations of Glaciers (WGMS 2024). La tabella è divisa in due sezioni principali: cambiamenti dell’elevazione dei ghiacciai e cambiamenti della massa dei ghiacciai. Di seguito una spiegazione dettagliata di ciascuna sezione e delle relative sottosezioni.

Cambiamenti dell’Elevazione dei Ghiacciai

• Simbolo: dh/dt ∂h/∂t
• Metodo: Metodo geodetico DEM differencing, che utilizza differenze di Modello Digitale di Elevazione per calcolare i cambiamenti di altezza.
• Piattaforma: Dati raccolti in situ, da aeromobili e satelliti.
• Risoluzione Spaziale: Media del ghiacciaio con pixel da metri a decametri.
• Copertura Spaziale: Mondiale, coprendo 28,000 ghiacciai.
• Risoluzione Temporale: Intervallo da multi-annuale a decennale.
• Copertura Temporale: Dati disponibili dal ventesimo secolo al presente.
• Unità di Misura: Metri (m).

Cambiamenti della Massa dei Ghiacciai

• Simbolo: B_glac
• Metodo: Metodo glaciologico, che sfrutta misurazioni dirette.
• Piattaforma: Dati raccolti in situ.
• Risoluzione Spaziale: Media del ghiacciaio da misurazioni puntuali interpolate.
• Copertura Spaziale: Mondiale, con dati su 500 ghiacciai.
• Risoluzione Temporale: Dati raccolti su base stagionale a annuale.
• Copertura Temporale: Dati che iniziano tra il 1915 e il 1976 (a seconda della regione) fino al presente.
• Unità di Misura: Metri equivalenti d’acqua (m w.e.).

Questa tabella fornisce un quadro dettagliato delle metodologie e delle caratteristiche tecniche delle osservazioni glaciologiche utilizzate nello studio per monitorare i cambiamenti nei ghiacciai su scala globale, fondamentali per comprendere le dinamiche climatiche e ambientali.

1. Simbolo per il Cambiamento dell’Elevazione dei Ghiacciai: dhdt\frac{dh}{dt}dtdh​
   • Definizione: Questo simbolo rappresenta il tasso di cambiamento dell’elevazione del ghiacciaio nel tempo.
   • Interpretazione: dh-dt indica un cambiamento differenziale nell’altezza (elevazione) del ghiacciaio, mentre dtdtdt rappresenta l’intervallo di tempo durante il quale si verifica questo cambiamento. Mettendo questi due elementi in rapporto, il simbolo dhdt\frac{dh}{dt}dtdh​ descrive quindi come varia l’altezza del ghiacciaio, generalmente misurato in metri per anno (m/anno). Questo parametro è fondamentale per valutare l’abbassamento o l’innalzamento dei ghiacciai, che può essere influenzato da fattori climatici come la temperatura e le precipitazioni.
   • Metodo di Misurazione: Questo dato è solitamente raccolto utilizzando il metodo geodetico, che implica tecniche come le differenze di Modello Digitale di Elevazione (DEM), ottenute tramite osservazioni satellitari o rilievi aerei.
2. Simbolo per il Cambiamento della Massa dei Ghiacciai: B_glac​
   • Definizione: Questo simbolo rappresenta il bilancio di massa del ghiacciaio.
   • Interpretazione: Il bilancio di massa B_glac​ misura la differenza tra l’accumulo di massa (principalmente neve che si trasforma in ghiaccio) e la perdita di massa (attraverso processi come il fusione, sublimazione o calving, cioè la rottura di pezzi di ghiaccio che diventano iceberg). Questo indicatore è spesso espresso in metri d’acqua equivalente per anno (m w.e./anno), permettendo di valutare se un ghiacciaio sta crescendo o diminuendo in termini di massa complessiva.
   • Metodo di Misurazione: Viene calcolato attraverso il metodo glaciologico, che include misurazioni dirette sul campo delle variazioni di spessore del ghiaccio e delle precipitazioni nevose, oltre che le perdite attraverso ablazione o altri processi.

Questi simboli sono essenziali per la ricerca glaciologica, poiché forniscono dati quantitativi critici su come i ghiacciai stanno rispondendo alle variazioni ambientali e climatiche, essenziali per modelli predittivi e per la comprensione dell’impatto dei cambiamenti climatici sui sistemi glaciali globali.

La Figura 1 illustra in modo dettagliato la copertura spaziale e ipsoimetrica delle osservazioni glaciologiche e geodetiche per ciascuna delle 19 regioni di primo ordine nel mondo. Ecco una descrizione delle componenti principali:

1. Mappa Centrale:
   • Mostra la distribuzione geografica dei ghiacciai con marcatori che indicano le aree di campionamento glaciologico (rosso) e geodetico (blu).
   • L’area dei ghiacciai è visibile in scala di grigio.
2. Grafici Ipsoimetrici:
   • Associati a ogni regione, questi grafici mostrano l’altitudine dei ghiacciai.
   • La distribuzione ipsoimetrica dal Registro Glaciologico Internazionale (RGI 6.0) è rappresentata in grigio.
   • Le modifiche dell’elevazione geodetica sono in blu e le campionature glaciologiche in rosso.
3. Dati per Ogni Regione:
   • Area dei Ghiacciai e Numero Totale (N): Informazioni sull’area totale e sul numero di ghiacciai.
   • Percentuale dell’Area Coperta: Mostra quanta area dei ghiacciai è stata osservata.
   • Numero di Ghiacciai Osservati e Non Osservati (N_unobs): Dettaglia i ghiacciai monitorati e quelli non inclusi.
   • Anomalie dei Ghiacciai Valide (Glac anomalies): Indica il numero di anomalie glaciologiche considerate valide.
4. Note:
   • Utilizzo dell’inventario di Tielidze e Wheate (2018) disponibile da GLIMS.
   • Ghiacciai fortemente connessi alla calotta glaciale esclusi dall’analisi.

Questa figura è essenziale per comprendere la distribuzione e variazione degli studi sui cambiamenti dei ghiacciai nelle diverse parti del mondo, fornendo una visione comparativa che evidenzia le regioni più e meno studiate, nonché le tendenze nei cambiamenti di elevazione e massa dei ghiacciai.

Metodi

Per preparare i dati per l’elaborazione principale, selezioniamo dal database FoG i registri che coprono l’intero ghiacciaio con osservazioni disponibili su cambiamenti di massa e altitudine, identificati da un WGMS-Id. Questi sono collegati al loro corrispondente identificativo del contorno RGI (RGIId) attraverso una tabella di collegamento da WGMS-Id a RGIId. Escludiamo i record geodetici con periodi di indagine inferiori a cinque anni a causa dell’elevata incertezza nella conversione della densità, come indicato da Huss nel 2013. Per semplicità, in questo studio gli anni idrologici sono rappresentati dall’ultimo anno del ciclo idrologico (ad esempio, 1976), che inizia il 1° ottobre e finisce il 30 settembre nell’Emisfero Settentrionale e dal 1° aprile dell’anno precedente (ad esempio, 1975) al 31 marzo dell’anno corrente (ad esempio, 1976) nell’Emisfero Meridionale. Nelle regioni a bassa latitudine, consideriamo l’anno idrologico coincidente con l’anno calendario, dal 1° gennaio al 31 dicembre.

Il nostro algoritmo di elaborazione si articola in quattro passaggi principali illustrati in Figura 2. Inizialmente, ci concentriamo su un ghiacciaio specifico nell’inventario RGI-6.0 (Figura 2a), e stimiamo la variabilità temporale detrendizzata del cambio di massa annuale del ghiacciaio, definita come anomalia media annuale del ghiacciaio. Questa viene estratta dalla variabilità interannuale delle serie temporali glaciologiche vicine (Figura 2b). Successivamente, calibriamo l’anomalia media annuale in base ai trend a lungo termine del campione geodetico disponibile per il ghiacciaio in questione (Figura 2c). Infine, integriamo tutte queste serie temporali calibrate in una media unica ponderata per area, generando una serie temporale di cambiamento di massa annuale fusione dei dati, specifica per ogni singolo ghiacciaio (Figura 2d).

La Figura 2 illustra i passaggi metodologici utilizzati per analizzare il cambiamento di massa dei ghiacciai, con un focus sul ghiacciaio Hintereisferner in Europa Centrale. Ecco una spiegazione dettagliata di ciascun pannello della figura:a. Campione Glaciologico: Questo pannello mostra una ricerca spaziale della distanza attorno al ghiacciaio Hintereisferner, indicato dal punto viola. Le croci rosse rappresentano ghiacciai vicini con osservazioni glaciologiche disponibili. In un raggio di 60 km sono stati localizzati 22 ghiacciai.

b. Anomalia Annuale Media di Hintereisferner: Le linee grigie rappresentano le anomalie individuali dei ghiacciai selezionati spazialmente, con solo 10 ghiacciai che mostrano anomalie durante il periodo di riferimento. Questo grafico mette in evidenza la variabilità della massa del ghiacciaio Hintereisferner rispetto a un valore di riferimento medio.

c. Calibrazione dell’Anomalia Annuale Media: Le linee rosse e blu indicano la calibrazione dell’anomalia media annuale rispetto alle osservazioni di cambiamento di massa geodetico del ghiacciaio Hintereisferner. Le linee grigie rappresentano le serie temporali calibrate individuali basate su osservazioni geodetiche (di durata pari o superiore a 5 anni).

d. Serie Temporali di Cambiamento di Massa Calibrata Media di Hintereisferner: La linea nera mostra la serie temporale media calibrata del cambiamento di massa per il ghiacciaio Hintereisferner, mentre le aree grigie indicano l’incertezza associata a queste stime.

In sintesi, questa figura illustra come gli scienziati utilizzano osservazioni glaciologiche e geodetiche da ghiacciai vicini per calcolare e calibrare le variazioni di massa del ghiacciaio Hintereisferner, fornendo una stima accurata delle variazioni di massa e delle relative incertezze nel tempo.​

Calcolo dell’Anomalia Media Annuale basata su Osservazioni Glaciologiche Vicine

Le osservazioni glaciologiche annuali dirette vengono registrate nel database FoG con le relative incertezze espresse in metri di acqua equivalente. Quando una serie di dati glaciologici non include una stima dell’incertezza per un determinato anno, assumiamo che questa sia pari alla media delle stime di incertezza annuale valide presenti nella serie. Se manca una stima dell’incertezza per l’intero periodo di una serie, presumiamo che corrisponda alla media delle incertezze annue di tutte le serie glaciologiche di ghiacciai situati nella stessa regione.

Per ciascun ghiacciaio, calcoliamo un valore di anomalia annuale basato sulle misurazioni di massa glaciologica dell’anno in questione, sottraendo il valore medio di cambiamento di massa registrato durante un periodo di riferimento recente, che va dal 2011 al 2020. La scelta di un periodo di riferimento recente ci permette di includere un campione più ampio di dati glaciologici, migliorando così la rappresentazione delle variabilità temporali dei ghiacciai in tutte le regioni. È necessario avere almeno otto anni di osservazioni glaciologiche nel decennio di riferimento per poter calcolare un’anomalia annuale affidabile per il ghiacciaio.

Partendo dallo studio di un ghiacciaio specifico, ad esempio l’Hintereisferner, utilizziamo le anomalie dei ghiacciai vicini per tracciare la variabilità temporale dei suoi cambiamenti di massa. Eseguiamo una ricerca spaziale delle anomalie annuali dei ghiacciai nelle vicinanze, estendendo la ricerca fino a cinque distanze radiali da 60 a 1000 chilometri dal centro del ghiacciaio. Per garantire che la rappresentazione della variabilità temporale sia affidabile, selezioniamo le anomalie di più di due ghiacciai. La ricerca termina quando raggiungiamo una distanza in cui questa condizione viene soddisfatta. Se non troviamo anomalie annuali individuali del ghiacciaio entro il limite di 1000 chilometri, selezioniamo manualmente le anomalie dei ghiacciai appartenenti alla stessa regione RGI di primo ordine o alle regioni adiacenti. Infine, calcoliamo l’anomalia media annuale del ghiacciaio utilizzando una media ponderata delle anomalie dei ghiacciai vicini, tenendo conto della loro distanza dal ghiacciaio di interesse.

Per determinare l’incertezza dell’anomalia media annuale, combiniamo due tipi di errori indipendenti. Inizialmente, consideriamo l’incertezza media derivante dal campione glaciologico selezionato in base alla posizione geografica. Se una serie di dati glaciologici manca di una stima di incertezza per un certo anno, assumeremo che questa corrisponda alla media delle incertezze annuali valide della serie. Se mancano stime di incertezza per l’intera serie, utilizzeremo la media delle incertezze annue di tutte le serie dei ghiacciai della stessa regione geografica. Inoltre, valutiamo la variabilità delle anomalie annuali dei ghiacciai selezionati, considerando il doppio dell’errore standard. Questo calcolo tiene conto della deviazione standard delle anomalie annuali dei ghiacciai selezionati per il periodo in esame, normalizzata in base al numero di osservazioni disponibili per quell’anno. Questo metodo consente di attribuire errori maggiori agli anni con meno osservazioni e viceversa. La combinazione di questi due tipi di errori avviene seguendo la teoria della propagazione degli errori casuali.

Le serie glaciologiche meno affidabili sono state rimosse dal database FoG. Per le regioni meno campionate, come l’Artico Canadese Meridionale, l’Artico Russo, il Sud-Est e il Sud-Ovest Asiatico e la Nuova Zelanda, abbiamo integrato anomalie dei ghiacciai da regioni limitrofe per calcolare le anomalie medie dei ghiacciai, come indicato nella Tabella 2. È fondamentale che le anomalie annuali medie di tutti i ghiacciai coprano almeno il periodo dagli anni idrologici 1976 al 2023. Nei casi in cui le anomalie annuali medie dei ghiacciai non risalgano al 1976, utilizziamo le serie glaciologiche meglio correlate delle regioni vicine, climaticamente simili, per colmare le lacune, come specificato in vari studi (Zemp et al., 2019, 2020; Braithwaite e Hughes, 2020; Fernández e Somos-Valenzuela, 2022). Per minimizzare l’effetto delle differenze climatiche tra le regioni vicine, normalizziamo l’ampiezza delle anomalie glaciali complementari all’ampiezza dell’anomalia glaciale media del periodo di riferimento.

La Tabella 2 fornisce una panoramica regionale sul trattamento delle anomalie dei ghiacciai per il calcolo delle anomalie medie, specialmente nelle aree dove il campionamento è stato insufficiente. La tabella è strutturata in tre colonne principali:

1. Anomalie dei ghiacciai escluse: Elenco delle specifiche anomalie dei ghiacciai che sono state escluse dalla media dei calcoli per ogni regione, identificate tramite il codice RGI (Randolph Glacier Inventory).
2. Anomalie dei ghiacciai complementari aggiunte: Indica le anomalie aggiunte come dati complementari nelle regioni con dati insufficienti, per supportare il calcolo di una media più accurata delle anomalie dei ghiacciai.
3. Anomalie dei ghiacciai complementari (Normalizzate): Mostra quali anomalie sono state normalizzate e utilizzate esclusivamente negli anni con lacune nei dati per estendere la serie storica.

Ogni riga corrisponde a una diversa regione geografica, con un codice RGI specifico, e dettaglia i ghiacciai esclusi e quelli utilizzati come complementari. Ad esempio, nella regione con codice 02-WNA, le anomalie di ACN sono state aggiunte come dati complementari, e le anomalie di Taku sono state normalizzate e impiegate per colmare le lacune temporali.

Questa tabella è essenziale per capire come i dati sono stati gestiti in varie regioni per ovviare ai problemi legati al sottocampionamento e per assicurare che le serie storiche siano il più complete e rappresentative possibili.

Calibrazione dell’Anomalia Media Annuale basata sui Dati Geodetici del Ghiacciaio

Le osservazioni geodetiche vengono inserite nel database FoG e riportano le incertezze come variazioni medie dell’elevazione in metri per un periodo specifico di registrazione. Questi dati possono variare a seconda delle date delle immagini DEM (Digital Elevation Model) utilizzate, rappresentate da barre di colore rosso e blu nella Figura 2c. Per calcolare il tasso di cambiamento di massa del ghiacciaio a partire dai cambiamenti di elevazione, è necessario applicare un fattore di conversione della densità.

L’incertezza del tasso di cambiamento di massa geodetico si calcola combinando l’incertezza sulla variazione di elevazione con quella del fattore di conversione della densità, secondo metodi standard di propagazione degli errori.

Successivamente, avviene un passaggio di fusione dei dati, in cui l’anomalia media annuale, derivante dalle osservazioni glaciologiche, viene calibrata rispetto al tasso di cambiamento di massa geodetico specifico del ghiacciaio. Questo processo coinvolge l’aggiunta dell’anomalia media annuale al tasso di cambiamento di massa geodetico durante il periodo di registrazione. A causa delle notevoli incertezze nella conversione del volume in massa su periodi brevi, solo le osservazioni geodetiche con durata superiore ai cinque anni vengono considerate per la calibrazione.

L’incertezza nella serie di dati di cambiamento di massa calibrata viene infine determinata combinando l’incertezza dei tassi di cambiamento di massa geodetici individuali con quella dell’anomalia media annuale del ghiacciaio, applicando nuovamente i principi di propagazione degli errori casuali.

Combinazione delle Serie Temporali per Ottenere la Serie di Cambiamento di Massa Annuale Media Calibrata

Il cambiamento di massa annuale medio calibrato del ghiacciaio g viene calcolato come la media ponderata delle diverse serie temporali calibrate disponibili. Queste serie sono disponibili in numero pari alle osservazioni geodetiche che superano i cinque anni per il ghiacciaio in questione. Per la ponderazione, si utilizzano due criteri distinti: il primo basato sull’incertezza del cambiamento di massa geodetico, dove si dà maggiore peso alle serie con minor incertezza; il secondo si basa sul ritardo temporale delle serie temporali rispetto agli anni iniziali e finali del periodo di osservazione geodetica. L’intento è di attribuire un peso maggiore alle serie temporali più vicine temporalmente al periodo di osservazione.

Nel processo di calcolo finale, si considerano e si separano le diverse fonti di errore, ciascuna correlata specificamente con i propri valori durante il processo di media delle serie calibrate. Questi errori derivano principalmente dalle variazioni di elevazione, dalla conversione della densità e dalle stime delle anomalie. L’incertezza totale per il cambiamento di massa annuale medio calibrato viene quindi determinata combinando questi diversi tipi di errore per assicurare la precisione del risultato finale.

Integrazione dei Cambiamenti di Massa dei Ghiacciai nelle Regioni più Vaste

Ogni ghiacciaio dotato di osservazioni geodetiche disponibili presenta un cambiamento di massa annuale medio calibrato, coprendo circa il 97.4% della superficie glaciale mondiale, che comprende all’incirca 205.000 ghiacciai. I ghiacciai che non sono stati osservati sono considerati nel calcolo come se rispecchiassero la media regionale dei ghiacciai osservati. Questo metodo permette di integrare le serie temporali di cambiamento di massa annuale medio calibrato di ogni singolo ghiacciaio in regioni più grandi che includono più ghiacciai.

Il bilancio di massa calibrato per ogni regione specifica per un dato anno viene calcolato come la media ponderata per area delle serie temporali di ogni ghiacciaio osservato appartenente a quella regione. Questo calcolo tiene conto sia della distribuzione geografica dei ghiacciai sia delle loro dimensioni relative.

Per determinare l’incertezza del bilancio di massa calibrato regionale, è necessario considerare la correlazione spaziale tra le incertezze del bilancio di massa di ogni ghiacciaio. Abbiamo identificato tre principali fonti di errore che mostrano una significativa correlazione spaziale: il cambiamento di elevazione, la conversione della densità e la previsione delle anomalie annuali. Gli errori di elevazione sono in gran parte dovuti al rumore degli strumenti e all’interpolazione temporale per adattarsi a periodi di stima specifici.

Inoltre, gli errori nella conversione della densità sono influenzati da variazioni significative nella precipitazione e nella densificazione del firn a livello locale e regionale, che causano errori correlati spazialmente rispetto al valore medio.

Infine, combiniamo tutte le fonti di errore, considerate indipendenti l’una dall’altra, per ottenere una stima complessiva dell’incertezza a livello regionale.

Il cambiamento totale della massa dei ghiacciai in una regione, misurato in gigatonnellate d’acqua, si calcola moltiplicando il cambiamento specifico di massa per l’area glaciale della regione, considerando anche le variazioni dell’area. L’incertezza totale su questo cambiamento di massa regionale viene determinata combinando tre tipi di errori: l’errore relativo al cambiamento specifico di massa nella regione, l’errore relativo all’estensione dell’area regionale e l’errore relativo al cambiamento di questa area. Questi errori vengono aggregati seguendo principi standard di propagazione degli errori.

Il cambiamento di massa annuale e cumulativo globale, in gigatonnellate e il suo equivalente in livello del mare, vengono poi calcolati sommando i cambiamenti di massa di tutte le regioni, assumendo che le incertezze associate a queste perdite di massa regionale siano indipendenti e non correlate tra loro.

Uno dei vantaggi di produrre serie temporali del cambiamento di massa per singoli ghiacciai è la possibilità di aggregarle, utilizzando una media ponderata per area, a qualsiasi risoluzione spaziale desiderata, come griglie regolari, subregioni, regioni o bacini idrografici. In questo studio, abbiamo integrato i cambiamenti di massa dei ghiacciai sia a livello regionale, per le 19 regioni del primo ordine del RGI, sia a livello globale, per consentire un confronto diretto con le valutazioni basate su osservazioni globali precedenti. Inoltre, sfruttando le serie temporali annuali per ghiacciaio, abbiamo generato un prodotto grigliato globale dei cambiamenti di massa dei ghiacciai per il Copernicus Climate Change Service (C3S) Climate Data Store (CDS). Per garantire la coerenza con altri set di dati di osservazione climatica, abbiamo presentato i cambiamenti dei ghiacciai su una griglia globale regolare di 0,5° di latitudine e longitudine. Per mantenere la coerenza temporale in tutte le regioni, abbiamo limitato le serie temporali globali all’anno idrologico 1976, diversamente da studi precedenti che risalivano agli anni ’60. Questo adattamento è stato necessario a causa della mancanza di osservazioni annuali nelle regioni dell’emisfero meridionale prima del 1976. Le serie temporali regionali iniziano dall’anno del primo record di cambiamento di massa disponibile per ogni regione. Questo approccio completamente operativo ci permette di produrre aggiornamenti annuali non appena nuove osservazioni dei ghiacciai vengono inserite nel database FoG del WGMS.

Progressi Metodologici nella Fusione di Dati Glaciologici e Geodetici Le migliorie metodologiche apportate nella fusione dei dati glaciologici e geodetici nell’ambito di questa valutazione, rispetto a quelle documentate da Zemp et al. (2019), sono illustrate dettagliatamente nella Tabella 3.

La Tabella 3 presenta i miglioramenti metodologici nella fusione dei dati glaciologici e geodetici rispetto allo studio di Zemp et al. (2019). Ecco i dettagli dei cambiamenti introdotti:

1. Estrazione della variabilità temporale:
   • Precedentemente: I dati erano raggruppati spazialmente secondo le regioni di primo e secondo ordine.
   • Attualmente: La selezione è automatica rispetto alla distanza dal ghiacciaio, con interventi manuali per la rimozione di dati specifici.
2. Strategia di selezione delle serie temporali:
   • Precedentemente: Basata su cluster spaziali.
   • Attualmente: Automatizzata basata sulla distanza e corredata da rimozioni manuali.
3. Combinazione delle anomalie glaciologiche:
   • Precedentemente: Utilizzo di un modello di decomposizione della varianza.
   • Attualmente: Ponderazione basata sulla distanza usando una funzione di correlazione.
4. Selezione delle anomalie complementari:
   • Precedentemente: Scelte arbitrariamente dagli esperti.
   • Attualmente: Selezionate per la migliore correlazione con le serie temporali regionali.
5. Normalizzazione delle anomalie glaciologiche complementari:
   • Precedentemente: Usate come ricevute.
   • Attualmente: Normalizzate rispetto all’ampiezza delle serie regionali nel periodo di riferimento.
6. Calibrazione dell’anomalia annuale media:
   • Precedentemente: Utilizzo di tutte le stime geodetiche disponibili.
   • Attualmente: Esclusione delle stime geodetiche di bassa fiducia.
7. Strategia di calibrazione:
   • Precedentemente: Calibrazione regionale combinata e media per ghiacciaio.
   • Attualmente: Calibrazione su ogni misura geodetica, con ponderazione media considerando incertezze e distanza.
8. Stima dell’incertezza e validazione:
   • Precedentemente: Assunzione di non correlazione per campioni di oltre 50 ghiacciai.
   • Attualmente: Segue una funzione empirica per la correlazione spaziale e validazione incrociata indipendente.
9. Trattamenti speciali per regioni specifiche:
   • Precedentemente: La regione degli Andi Meridionali era considerata come un’entità unica.
   • Attualmente: Suddivisa in due regioni RGI di secondo ordine per meglio rappresentare le diverse condizioni climatiche.

Questi miglioramenti metodologici mirano a raffinare l’accuratezza e l’efficacia della fusione dei dati, permettendo analisi più precise e dettagliate dei cambiamenti nei ghiacciai a livello globale.

Descrizione dei Dataset

I dataset prodotti in questo studio sono dettagliati nella tabella 4. Il dataset principale, denominato Dataset 1, consiste in serie temporali del cambiamento di massa annuale dei singoli ghiacciai, fornite in file .csv organizzati per regioni del primo ordine RGI. Ogni ghiacciaio è identificato dal suo RGIId e dalle coordinate del centroide, latitudine e longitudine, che corrispondono alla geometria del contorno del ghiacciaio RGI60. L’inizio delle serie temporali del Dataset 1 varia a seconda della regione e comincia dall’anno del primo dato disponibile sul cambiamento di massa per quella regione. Il Dataset 2, derivato dal primo, rappresenta l’integrazione delle serie temporali dei singoli ghiacciai su una griglia globale regolare di 0.5° di latitudine e longitudine. Questa scelta di risoluzione e il formato netCDF sono stati adottati per garantire che il prodotto del cambiamento dei ghiacciai sia coerente e facilmente integrabile con altri dataset di osservazioni climatiche, come quelli del C3S. Questo dataset copre il periodo che va dal 1976 al 2023, assicurando una rappresentazione globale completa dei cambiamenti di massa annuale dei ghiacciai.

La Tabella 4 descrive i dettagli dei dataset di output relativi ai cambiamenti annuali della massa dei ghiacciai. Di seguito, trovi una spiegazione dettagliata dei contenuti di questa tabella, divisa per le due tipologie di dataset elencate:Dataset 1: Serie Temporali del Cambiamento Annuale della Massa dei Singoli Ghiacciai

• Accesso ai Dati: I dati sono disponibili online, con link specifici per la revisione e la pubblicazione.
• Formato dei File: I dati sono forniti in formato CSV, con un file separato per ciascuna regione RGI di primo ordine.
• Formato dei Dati: Include dettagli come RGIId, latitudine e longitudine del centroide, e l’anno idrologico indicato come l’ultimo anno del ciclo idrologico.
• Copertura Spaziale: Copre ghiacciai individuali su scala globale.
• Risoluzione Spaziale e Temporale: Le serie temporali iniziano a partire dal primo anno di dati disponibili per ciascuna regione e sono aggiornate annualmente fino al 2023.
• Convenzioni e Proiezione: Utilizza il sistema di coordinate geografiche WGS 84 e identifica ogni ghiacciaio tramite il centroide definito dalla geometria del contorno del ghiacciaio RGI60.

Dataset 2: Cambiamenti della Massa dei Ghiacciai su una Griglia Globale Regolare

• Accesso ai Dati: Similmente al Dataset 1, i dati sono accessibili online con dettagli di pubblicazione.
• Formato dei File: I dati sono disponibili in formato NetCDF, con un file per ciascun anno idrologico.
• Variabili: Comprende dati come cambiamento di massa del ghiacciaio (in Gt e m w.e.), incertezza del cambiamento, e area del ghiacciaio per punto della griglia.
• Dimensioni e Punti della Griglia: I dati sono organizzati in una griglia di 0.5° di latitudine e longitudine, con ogni punto centrato sulle coordinate specificate.
• Copertura e Convenzioni: Copertura globale e convenzioni NetCDF CF-1.8, con coordinate geografiche nel sistema EPSG:4326.

Questi dataset offrono un’analisi dettagliata e strutturata dei cambiamenti di massa dei ghiacciai, essenziali per le ricerche climatiche e ambientali. Il primo dataset fornisce un’analisi dettagliata per ogni singolo ghiacciaio, mentre il secondo aggrega i dati in una visione sintetica e globale, utilizzabile per studi su scala più ampia.

4. Risultati

4.1 Cambiamenti della Massa dei Ghiacciai a Livello Globale

I nostri risultati aggiornano i cambiamenti annuali della massa dei ghiacciai a partire dall’anno idrologico 1975/76, considerati a vari livelli spaziali: per singolo ghiacciaio (Fig. 5 e 7), regionalmente e su scala globale (Fig. 3, 4 e 5, Tabella 4). Globalmente, i ghiacciai hanno perso 8226 ± 845 Gt di acqua (o 172 ± 27 Gt annui), contribuendo a un aumento del livello del mare di 22,7 ± 2,3 mm dal 1976. Quasi metà del totale della perdita (44%), equivalente a 10 mm di innalzamento del livello del mare, è avvenuta nell’ultima decade, dal 2014 al 2023 (Tabella 4). Nel 2023, abbiamo registrato una perdita di massa globale record per i ghiacciai, con una perdita totale di 602 ± 69 Gt di acqua, i tassi annuali più elevati mai registrati (circa 100 Gt in più rispetto a qualsiasi altro anno registrato) e il maggiore contributo annuale all’innalzamento medio globale del livello del mare documentato dal 1976. In un solo anno, il disgelo dei ghiacciai ha contribuito a innalzare i livelli degli oceani di 1,7 mm, corrispondente a circa il 7% del totale del contributo al livello del mare degli ultimi cinque decenni da parte di tutti i ghiacciai del mondo, perso in un solo anno. Sorprendentemente, la curva di perdita di massa dei ghiacciai globali mostra una pendenza di perdita esponenzialmente crescente negli ultimi anni, indicando una continua o crescente perdita di massa dei ghiacciai nei prossimi anni. A livello regionale, le perdite medie di spessore del ghiaccio nel 2023 variano da 0,5 m nelle regioni meno impattate fino a 3,0 m nel Nord America occidentale. Una perdita di massa dei ghiacciai superiore alla media è stata inoltre segnalata in Alaska, Europa centrale, Ande meridionali, Alta Asia montuosa e Nuova Zelanda. È notevole che quattro degli ultimi cinque anni hanno registrato la più alta massa di ghiaccio globale nella storia documentata, con il 2022 e il 2023 come i primi anni in cui tutte le regioni dei ghiacciai hanno sperimentato una perdita di ghiaccio.

Figura 3: Variazione Annuale Specifica della Massa dei Ghiacciai per le 19 Regioni GTN-G

1. Grafici a Linea:
   • Ogni grafico a linea visualizza la serie temporale del cambiamento specifico della massa annuale per ciascuna delle 19 regioni GTN-G, espressa in metri d’acqua equivalente (m w.e.).
   • Le diverse linee colorate mostrano l’evoluzione della perdita di massa dei ghiacciai per ogni regione specifica durante il periodo dal 1976 al 2023.
2. Diagrammi a Torta:
   • I diagrammi a torta illustrano la massa totale persa (in gigatonnellate, Gt) per regione e a livello globale dal 1976.
   • Le sezioni colorate dei diagrammi a torta indicano la massa persa nell’ultima decade, dal 2014 al 2023, evidenziando una maggiore perdita di massa in questo intervallo temporale.
3. Mappe di Calore:
   • Le mappe di calore sotto i grafici rappresentano le variazioni della massa glaciale in metri d’acqua equivalente per ogni anno idrologico dal 1976 al 2023, sia per le regioni che a livello globale.
   • Queste mappe offrono una rappresentazione visiva dell’intensità e della distribuzione temporale della perdita di massa dei ghiacciai.
4. Risultati Globali (1976-2023):
   • La figura include sia la rappresentazione del cambiamento specifico della massa (barre e mappa di calore) sia i cambiamenti cumulativi della massa in gigatonnellate.
   • Questi risultati sono presentati per fornire un quadro complessivo della perdita di massa glaciale su scala mondiale.
5. Inizio delle Serie Temporali Regionali:
   • Le serie temporali regionali iniziano dall’anno del primo record di cambiamenti di massa disponibile per ciascuna regione, garantendo una rappresentazione personalizzata basata sulla disponibilità dei dati.

La Figura 3 è un importante strumento visivo che sintetizza in modo efficace la perdita di massa glaciale, sottolineando l’accelerazione della perdita nell’ultima decade e fornendo un contesto storico essenziale per comprendere l’impatto dei cambiamenti climatici sui ghiacciai globali.

Variazioni Regionali della Massa dei Ghiacciai

Nel corso degli ultimi decenni, le regioni glaciali hanno subito una significativa perdita di ghiaccio. In particolare, durante l’ultimo decennio (2014-2023), regioni come l’Alaska, il Canada occidentale e gli USA, Svalbard, l’Artico russo, l’Asia settentrionale, il Caucaso, l’Asia centrale, l’Asia orientale, le Ande meridionali, la Nuova Zelanda e l’Antartide hanno registrato un incremento delle perdite di massa. Si sono osservati tassi decennali regionali estremamente negativi, con picchi fino a -1.2 metri d’acqua equivalente (m w.e.) all’anno, in Alaska, Nord America occidentale ed Europa centrale. Nel corso degli anni, sono stati registrati tassi annuali record di perdita, superiori a -2.5 m w.e., in località come il Nord America occidentale (1958, 2023), l’Islanda (2010), le Ande centrali (1999, 2018) e l’Europa centrale, con un picco senza precedenti di -3.1 m w.e. nel 2022. È interessante notare che le maggiori perdite annuali totali non sono state confinate alle regioni con i volumi più grandi; infatti, perdite superiori a 100 gigatonnellate (Gt) in un solo anno sono state registrate in Antartide (2012 e 2022), Groenlandia (2011) e Alaska (dodici anni in totale, di cui cinque nell’ultimo decennio), con record di perdita di massa annuale di 174 ± 45 Gt e 173 ± 42 Gt nel 2004 e nel 2019 rispettivamente. Il ghiaccio perduto in questi specifici 15 anni (1834 ± 158 Gt) equivale alla quantità totale di ghiaccio presente nell’anno 2000 in Europa centrale, Caucaso, Scandinavia, basse latitudini, Nuova Zelanda, Asia settentrionale e Canada occidentale, che ammontava a 1690 ± 98 Gt.

La Figura 4 illustra i cambiamenti nella massa dei ghiacciai regionali dal 1976 fino al presente, per le 19 regioni monitorate dal GTN-G (Global Terrestrial Network for Glaciers). Il grafico è suddiviso in due parti principali che analizzano diversi aspetti delle variazioni glaciali:

1. Cambiamenti specifici della massa in metri di acqua equivalente (m w.e.): Questo aspetto del grafico misura la riduzione media dell’altezza dello strato d’acqua che era precedentemente contenuta nei ghiacciai, con valori espressi in metri. I valori fortemente negativi indicano le regioni dove i ghiacciai hanno subito le perdite più consistenti. Ogni tracciato colorato rappresenta una regione specifica, permettendo confronti diretti tra diverse aree geografiche.
2. Cambiamenti cumulativi della massa in gigatonnellate (Gt): Il secondo grafico mostra la perdita complessiva di massa dei ghiacciai convertita in gigatonnellate di acqua. Questo dato corrisponde al volume totale d’acqua perso, dove 1 km³ di acqua equivalente si traduce in 1 Gt. Le varie linee tracciano i cambiamenti per ogni regione e i contributi al livello medio globale del mare, indicato in millimetri.

Alcuni dei punti chiave includono:

• La tendenza generale negativa, rappresentata dalla linea nera, evidenzia una perdita continua e significativa di massa glaciale a livello globale.
• Regioni come l’Alaska e l’Antartide mostrano alcune delle perdite più significative sia in termini di massa specifica che di cambiamenti cumulativi.
• Al 2023, si osserva una perdita cumulativa globale di -8226 Gt, corrispondente a un innalzamento del livello del mare di 22.7 mm.

Queste informazioni sono essenziali per comprendere le implicazioni dei cambiamenti climatici sui ghiacciai globali e l’impattante correlato sull’innalzamento del livello del mare.

La Tabella 4 riporta i tassi annui di cambiamento della massa dei ghiacciai nelle varie regioni globali, secondo la classificazione GTN-G. I dati sono espressi in gigatonnellate (Gt) e metri d’acqua equivalente (m w.e.) e sono comparati per il periodo dal 1976 al 2023 e per l’ultimo decennio, dal 2014 al 2023. Di seguito sono descritti i principali elementi della tabella:

1. GTN-G Region: Ogni numero da 01 a 19 rappresenta una regione specifica, come l’Alaska (01) e il Canada occidentale e USA (02), tra gli altri. Queste aree sono monitorate per analizzare l’evoluzione dei loro ghiacciai.
2. Mean area (km²): Indica l’area media dei ghiacciai in ogni regione, espressa in chilometri quadrati, che fornisce un contesto per le misure di cambiamento di massa.
3. Start hydrological year of time series: L’anno in cui iniziano le serie temporali di rilevamento per ciascuna regione, essenziale per comprendere l’arco temporale delle osservazioni.
4. Mass change rate (Gt yr⁻¹): Presenta il cambiamento annuo della massa glaciale in gigatonnellate. I valori sono divisi tra il periodo completo dal 1976 al 2023 e l’ultimo decennio. Valori negativi indicano una perdita di massa, riflettendo il ritiro dei ghiacciai.
5. Mass change rate (m w.e. yr⁻¹): Mostra il cambiamento annuo della massa espressa come l’equivalente in metri di colonna d’acqua. Anche in questo caso, i dati sono suddivisi per il periodo storico lungo e per l’ultimo decennio.

Per esempio, la regione dell’Alaska mostra un tasso di perdita di massa di -54.9 ± 45.7 Gt all’anno dal 1976 al 2023, che aumenta a -99.5 ± 41.7 Gt all’anno nell’ultimo decennio. In termini di m w.e., questo è equivalente a una perdita annua di -0.63 ± 0.50 m w.e. dal 1976 al 2023, che aumenta a -1.20 ± 0.50 m w.e. nell’ultimo decennio, indicando un’accellerazione della perdita di massa glaciale in tempi recenti.

Questa tabella fornisce un’importante panoramica dell’impatto dei cambiamenti climatici sui ghiacciai a livello regionale, mostrando tendenze di lungo periodo e variazioni recenti significative.

5. Discussione

5.1 Dimensioni Spaziali Multiple delle Serie di Cambiamenti Annuale della Massa

Il dataset rivisto offre numerosi vantaggi, in particolare grazie al miglioramento della risoluzione temporale che permette di osservare i cambiamenti dei ghiacciai su base annuale. Inoltre, fornisce la possibilità di integrare i dati su molteplici dimensioni spaziali, dal singolo ghiacciaio fino al livello globale. Per esempio, la Figura 5 illustra queste dimensioni spaziali attraverso dati di singoli ghiacciai in serie temporali annue (Fig. 5i) e serie temporali aggregate su scale più ampie, come celle di griglia regolari di 0,5 gradi di latitudine e longitudine (ad es. Fig. 5ii o a risoluzione personalizzata dall’utente), fino a cambiamenti della massa specifica da regionali a globali (Fig. 5iii e Fig. 3) e cambiamenti totali della massa (Fig. 5iv, Fig. 8). Questa flessibilità consente di identificare anni specifici con cambiamenti glaciali rilevanti e di rilevare aree con impatti diversificati. Ad esempio, è possibile localizzare i ghiacciai che hanno subito variazioni climatiche annuali specifiche (come siccità, inondazioni, ondate di calore, ecc.), nonché identificare quelli che hanno influenzato maggiormente o meno significativamente l’idrologia annuale e l’innalzamento del livello del mare.

La Figura 5 mostra le caratteristiche multidimensionali del dataset globale utilizzando come esempio la regione 6, l’Islanda. Gli anni rappresentati sono stati selezionati arbitrariamente e includono l’anno idrologico iniziale e ultimo considerato nella valutazione globale, l’anno idrologico notevolmente negativo del 2010, legato all’eruzione del vulcano Eyjafjallajökull (Belart et al., 2019, 2020; Möller et al., 2019), e l’anno più positivo della serie nel 2015. Questo esempio evidenzia una perdita di massa glaciale relativamente omogenea nell’anno 2010, con i maggiori ghiacciai islandesi tutti sotto i -2 m w.e. e alcuni ghiacciai più piccoli tra -1.5 e -2 m w.e., mentre altri anni mostrano variabilità maggiori tra i ghiacciai e i punti griglia. Questa analisi dimostra l’ampia utilità del dataset per interpretare i cambiamenti della massa dei ghiacciai a diverse scale spaziali e per un’analisi più profonda dell’impatto spaziale e temporale di tendenze e anomalie glaciologiche note, come per esempio la Megaseceta delle Ande (Gillett et al., 2006; Garreaud et al., 2017, 2020; Dussaillant et al., 2019) o l’anomalia del Karakoram (Farinotti et al., 2020; Gao et al., 2020; Ougahi et al., 2022), con una risoluzione temporale annuale senza precedenti.

La Figura 5 illustra le dimensioni spaziali multiple delle serie di cambiamenti annui della massa dei ghiacciai, presentando un caso specifico per la regione dell’Islanda durante anni selezionati. La figura è suddivisa in quattro parti principali, ciascuna rappresentando un livello diverso di aggregazione dei dati:

1. (i) Serie annue dei cambiamenti di massa di singoli ghiacciai: Questo pannello visualizza i cambiamenti annuali nella massa dei singoli ghiacciai. Ogni ghiacciaio è rappresentato con una sfumatura di colore che riflette il bilancio di massa, con colori più scuri che indicano perdite maggiori.
2. (ii) Serie grigliate dei cambiamenti annui della massa: In questa sezione, i dati sono aggregati in celle di griglia che mostrano la distribuzione dei cambiamenti di massa su un’area più ampia. Le variazioni cromatiche dal blu al rosso scuro rappresentano una scala di bilancio di massa da positivo a estremamente negativo.
3. (iii) Cambiamento annuale specifico regionale della massa in metri d’acqua equivalente (m w.e.): Questo pannello aggrega i dati a livello regionale, mostrando l’estensione e la severità del cambiamento della massa dei ghiacciai attraverso l’intera regione. È fornito un riferimento sia all’area totale interessata sia al cambiamento di massa specifico.
4. (iv) Cambiamento della massa regionale in Gt: Questa parte della figura rappresenta il cambiamento totale della massa in gigatonnellate (Gt) per gli anni selezionati, visualizzato attraverso cerchi proporzionali alla quantità di massa persa o guadagnata. Questo panello offre una panoramica dell’impatto a lungo termine sui cambiamenti della massa glaciale nella regione.

In conclusione, la Figura 5 mette in luce la capacità di visualizzare e analizzare i cambiamenti della massa glaciale a diversi livelli di dettaglio, dal locale (singoli ghiacciai) al regionale (tutta la regione). Questo facilita una comprensione più approfondita delle tendenze di perdita dei ghiacciai e del loro impatto sia a livello regionale che globale.

5.2 Validazione Incrociata Leave-one-out

Data la scarsità di misurazioni indipendenti per confrontare e convalidare la nostra analisi dei cambiamenti dei ghiacciai, abbiamo implementato un’esercizio di validazione incrociata leave-one-out su ghiacciai di riferimento selezionati. I ghiacciai di riferimento del WGMS sono scelti per la loro affidabilità e per essere ben documentati, rappresentando una serie di osservazioni a lungo termine distribuite globalmente con oltre 30 anni di misurazioni continue e attuali del bilancio di massa glaciale. Questi ghiacciai sono scelti per le loro fluttuazioni principalmente determinate da fattori climatici, evitando così l’influenza di altri fattori significativi come valanghe, calving, dinamiche di flusso rapido, copertura di detriti pesanti, produzione di neve artificiale o protezione dallo scioglimento. Inoltre, il WGMS raccomanda periodicamente la rianalisi e la calibrazione delle serie di cambiamenti di massa dei ghiacciai con risultati provenienti da sondaggi geodetici di alta qualità per eliminare i potenziali bias associati al metodo glaciologico (Zemp et al., 2013). Di conseguenza, questi ghiacciai rappresentano siti di test ideali per la validazione dei dati glaciologici e geodetici e dei relativi metodi di produzione. Per questo esercizio, sono state selezionate 32 serie temporali di ghiacciai di riferimento validate per la validazione incrociata.

Per ogni ghiacciaio di riferimento, confrontiamo la serie temporale originale dei cambiamenti di massa (Ba), disponibile dal database FoG, con la sua serie temporale di cambiamenti di massa calibrata leave-one-out (Leave-one-out Ba). Quest’ultima viene ottenuta seguendo la metodologia originale, calibrando l’anomalia media annuale del ghiacciaio rispetto al suo campione geodetico, escludendo questa volta l’anomalia del ghiacciaio di riferimento selezionato dal processo. Sebbene i ghiacciai di riferimento siano generalmente ben monitorati con molteplici fonti di osservazioni geodetiche per vari periodi, oltre l’80% dei ghiacciai nel mondo ha solo una fonte di osservazioni geodetiche, ovvero i tassi di variazione dell’elevazione di 20 anni da Hugonnet et al. (2021). Per testare la validità del nostro metodo su questi ghiacciai meno monitorati, consideriamo solo i tassi geodetici da Hugonnet et al. (2021) per la calibrazione. L’Errore Assoluto Medio (MAE) e la deviazione standard della differenza (STDdiff) servono come misura della deviazione della serie temporale di validazione incrociata calcolata rispetto alla serie di riferimento.

I risultati della validazione sono mostrati per tutti i ghiacciai di riferimento nella Figura 6. Considerando tutti i cambiamenti di massa annuale, troviamo un MAE di 0,41 e uno STD-diff di 0,25 m w.e. della serie temporale di validazione incrociata leave-one-out rispetto alla serie temporale di riferimento. In generale, le regioni con un ricco campione glaciologico, come le Alpi Europee, la Scandinavia, Svalbard, l’Islanda e il Nord del Canada Artico, mostrano buone prestazioni (Fig. 7 a-f). Hintereisferner, situato nella regione dell’Europa Centrale meglio campionata (anomalia media stimata da sette ghiacciai nel raggio di 60 km, Fig. 7a) presenta un MAE di 0,2 m w.e. e uno STD-diff di 0,24 m w.e.; al contrario, il ghiacciaio Gulkana in Alaska, presenta MAE e STD-diff più elevati, rispettivamente 0,66 e 0,81 m w.e., con un’anomalia media stimata da soli tre ghiacciai distanti (Fig. 7l). Le statistiche dei rimanenti ghiacciai di riferimento si collocano tutte tra Hintereisferner e Gulkana, rispettivamente i migliori e i peggiori scenari.

Non troviamo errori sistematici per Ba (Fig 6a, 7), verificato dall’equivalente RMSE e STD-diff dei residui della validazione incrociata leave-one-out per tutti i ghiacciai di riferimento. Questo significa che ci sono solo errori casuali generati dal nostro metodo. Le differenze nelle tendenze a lungo termine (MAE 0,18 m w.e., Fig 6b) possono derivare dai diversi set di dati geodetici utilizzati per la calibrazione. Le serie di cambiamenti di massa dei ghiacciai di riferimento dovrebbero subire una rianalisi e una calibrazione con stime geodetiche locali e di lungo termine di alta qualità, mentre la nostra metodologia combina tutte le stime geodetiche disponibili per il ghiacciaio ponderando le loro tendenze (vedi metodi).

**Alcuni ghiacciai mostrano una leggera tendenza a sottovalutare i valori estremi della variabilità di Ba, la cui ampiezza è espressa dalla StdDev (Fig 6c). Notabilmente in Afoltbreen la maggior parte degli anni negativi (più positivi) nella serie di riferimento Ba sono stimati come meno negativi (meno positivi) nel Leave-one-out Ba (Fig 7g). Questo effetto è chiaramente rappresentato dal leggero spostamento verso deviazioni standard più piccole delle serie di cambiamenti di massa rispetto alla serie di riferimento (Fig. 6c). Questo bias può derivare da una leggera smussatura dei valori estremi dell’anomalia annuale media quando si media la serie temporale glaciologica vicina. I nostri risultati di validazione incrociata mostrano che questo bias è ben considerato nella valutazione dell’incertezza, tuttavia notiamo che c’è spazio per il miglioramento dell’algoritmo in questo aspetto. L’errore calcolato delle serie temporali di cambiamenti di massa calibrati dei ghiacciai di riferimento (𝜎𝐵̅ 𝑐𝑎𝑙,𝑔,𝑌 ) è in media 0,2 m w.e. maggiore del MAE della validazione incrociata (Fig. 6d), confermando che la nostra stima dell’incertezza è entro un intervallo accettabile e può catturare fonti di errori sistematici o errori casuali introdotti dal metodo di previsione. Possiamo concludere che l’estrapolazione spaziale basata sulla calibrazione dell’anomalia media, in media, non introduce nuovi errori sistematici e ha un errore casuale per ghiacciaio ben rappresentato basato sul campione di ghiacciai di riferimento. I risultati della validazione incrociata leave-one-out dimostrano che il nostro algoritmo può catturare la variabilità annuale dei cambiamenti di massa dei singoli ghiacciai su ghiacciai che non presentano serie temporali glaciologiche (99% dei ghiacciai globali). È comunque importante notare che i ghiacciai di riferimento sono, in generale, situati in regioni dove ci sono spesso altre serie per compensare la loro esclusione. A causa di ciò, l’analisi leave-one-out non rappresenta necessariamente un ghiacciaio tipico in una regione con scarsità di dati. Miglioramenti in questo aspetto saranno raggiunti solo con un miglior campione di serie temporali di bilancio di massa dei ghiacciai a lungo termine in tutte le regioni dei ghiacciai.

La Figura 6 illustra i risultati della validazione incrociata Leave-one-out per i ghiacciai di riferimento, mostrando come i dati calcolati si confrontano con le misurazioni osservate. Questa figura è divisa in quattro pannelli principali, ognuno dei quali analizza aspetti specifici del confronto tra i cambiamenti di massa previsti e quelli osservati nei ghiacciai.

1. (a) Confronto del cambiamento annuale di massa calcolato (Leave-one-out Ba) contro il cambiamento di massa annuale osservato (Ba): Questo grafico traccia i cambiamenti di massa calcolati rispetto a quelli osservati per ogni anno. Gli indicatori statistici come RMSE (Root Mean Square Error), MAE (Mean Absolute Error), e STDdiff (Standard Deviation of the Difference) sono utilizzati per quantificare l’accuratezza delle previsioni rispetto ai dati reali.
2. (b) Deviazione standard del cambiamento di massa calcolato contro le tendenze di cambiamento di massa dei ghiacciai di riferimento (1976-2023): In questo grafico, la deviazione standard delle previsioni è messa a confronto con le tendenze osservate nel cambiamento di massa dei ghiacciai di riferimento. È utile per valutare quanto variabilmente il modello cattura i cambiamenti nei ghiacciai rispetto alle tendenze a lungo termine.
3. (c) Tendenze del cambiamento di massa calcolate contro la deviazione standard del cambiamento di massa dei ghiacciai di riferimento (1976-2023): Qui, le tendenze predette dal modello sono confrontate con la variabilità effettiva osservata nei ghiacciai, fornendo una misura della consistenza delle previsioni del modello rispetto alla variabilità reale.
4. (d) MAE della validazione incrociata Leave-one-out dei ghiacciai di riferimento contro l’incertezza stimata della stima calibrata media Ba: Questo grafico confronta l’errore assoluto medio (MAE) risultante dalla validazione incrociata con l’incertezza stimata delle previsioni calibrate per ogni ghiacciaio. Questo confronto aiuta a stabilire se l’incertezza modello è allineata con l’errore osservato durante la validazione incrociata.

Ogni simbolo nei grafici rappresenta uno dei 32 ghiacciai di riferimento utilizzati per la validazione, e la dimensione del simbolo è proporzionale all’area del ghiacciaio di riferimento. Questa rappresentazione visiva facilita una comprensione immediata della precisione e dell’affidabilità del modello nel prevedere i cambiamenti nei ghiacciai a livello annuale.

La Figura 7 mostra esempi selezionati dei risultati della validazione incrociata Leave-one-out per singoli ghiacciai. Questa figura è organizzata in pannelli, ognuno dedicato a un ghiacciaio specifico, con due tipi di grafici che illustrano l’efficacia del modello nel riprodurre i cambiamenti di massa annuale dei ghiacciai.

1. Grafici a destra: Questi grafici tracciano le serie temporali del cambiamento di massa annuale dei ghiacciai di riferimento (in grigio) rispetto alle stime generate tramite il metodo Leave-one-out (in blu). L’intento è di visualizzare quanto bene le stime corrispondano alle osservazioni effettive, anno per anno. La corrispondenza tra le due linee indica l’accuratezza delle stime Leave-one-out nel replicare i dati reali.
2. Grafici a sinistra: Questi grafici confrontano direttamente i valori di cambiamento di massa annuale osservati (asse verticale) con quelli stimati (asse orizzontale) tramite Leave-one-out. Ogni punto rappresenta un’osservazione annuale. Una linea diagonale rappresenta la perfetta corrispondenza; pertanto, la vicinanza dei punti a questa linea riflette la precisione delle stime rispetto alle misurazioni reali.

In aggiunta, ogni grafico è accompagnato da un elenco dei ghiacciai vicini utilizzati per calcolare l’anomalia zonale, inclusa la loro distanza dal ghiacciaio di riferimento. Questo dettaglio fornisce ulteriori informazioni su come le stime sono state influenzate dalla prossimità e dalle caratteristiche simili tra i ghiacciai nella stessa area.

Complessivamente, la Figura 7 fornisce una valutazione dettagliata dell’accuratezza del metodo Leave-one-out nel catturare le variazioni di massa dei ghiacciai su base annuale. Offre una rappresentazione visiva chiara delle tendenze generali e delle discrepanze particolari tra i dati stimati e quelli osservati, evidenziando l’efficacia del modello in diversi contesti glaciali.

5.4 Miglioramenti rispetto alle Valutazioni Precedenti

Una panoramica generale dei miglioramenti rispetto alle precedenti valutazioni effettuate da Zemp et al. (2019) e Hugonnet et al. (2021) è presentata nella Tabella 5. I risultati dei cambiamenti della massa dei ghiacciai a livello regionale e globale per le tre stime basate su osservazioni sono confrontati nella Figura 8 (in Gt). In modo complessivo, il nostro nuovo approccio corregge efficacemente il bias negativo osservato nelle tendenze a lungo termine descritte da Zemp et al. (2019), grazie all’integrazione dei cambiamenti di elevazione dei ghiacciai riportati da Hugonnet et al. (2021). Questo ha portato a una significativa riduzione delle incertezze, sia regionali che globali, particolarmente evidenti negli anni più recenti (Fig. 8). A livello globale, i tassi di cambiamento della massa dei ghiacciai tra il 1976 e il 2016 sono risultati meno negativi (-131,6 ± 28 Gt anno-1) rispetto a quelli precedentemente stimati da Zemp et al. (2019) (-203,8 ± 45,4 Gt anno-1, Tabella 6). La perdita di massa cumulativa media per il periodo è il 58% di quella predetta da Zemp et al. (2019) (9290 Gt). Le principali discrepanze derivano da regioni come l’Alaska, le isole antartiche e subantartiche, la periferia della Groenlandia e l’Artico russo (Tabella 6) — tutte aree con copertura geodetica limitata, come già evidenziato da Zemp et al. (2019). Tanto a livello regionale quanto globale, gli anni successivi al 2000 sono ben allineati alle tendenze di Hugonnet et al. (2021), grazie alla calibrazione delle loro tendenze geodetiche con copertura globale.

Le maggiori deviazioni nelle tendenze regionali sono state osservate nelle regioni con campioni geodetici limitati durante la valutazione di Zemp et al. (2019), ovvero quelle aree che coprono meno del 50% dell’area regionale con osservazioni valide. In particolare, l’Alaska, il Canada Artico del Nord, il Nord America Occidentale, l’Artico Russo, il Caucaso, le basse latitudini, la Nuova Zelanda e le Ande meridionali mostrano tendenze generali meno negative. Al contrario, le tendenze nella regione dell’Asia del Nord sono più negative, e quelle del Canada Artico del Sud lo sono state maggiormente in passato. Complessivamente, le tendenze regionali sono ben allineate con quelle di Hugonnet et al. (2021) per il periodo di sovrapposizione 2000-2019 (Tabella 6). Sono state rilevate deviazioni superiori a 5 Gt anno-1 in Alaska, nella periferia della Groenlandia e nelle isole antartiche e subantartiche.

La Tabella 5 presenta un confronto dettagliato delle ameliorazioni metodologiche rispetto ai precedenti studi di Zemp et al. (2019) e Hugonnet et al. (2021), evidenziando i miglioramenti introdotti in questo studio. Le categorie chiave di confronto sono le seguenti:

1. Copertura Spaziale: Indica la percentuale della superficie dei ghiacciai analizzata. Mentre Zemp et al. (2019) avevano una copertura del 9%, Hugonnet et al. (2021) migliorano notevolmente raggiungendo il 97,4% di ogni ghiacciaio, e questo studio copre il 96% dell’area glaciale.
2. Risoluzione Spaziale: Mostra l’unità di misura utilizzata per l’analisi dei ghiacciai. Questo studio utilizza ghiacciai individuali RGI-6 con una griglia globale regolare, offrendo un dettaglio senza precedenti rispetto agli studi precedenti.
3. Copertura Temporale: Descrive il lasso di tempo coperto dai dati. Rispetto agli altri studi, questo estende la copertura dal 1976 al 2023, permettendo un’analisi più lunga e dettagliata.
4. Risoluzione Temporale: Specifica la frequenza delle misurazioni dei cambiamenti della massa dei ghiacciai. Questo studio fornisce dati con una risoluzione annuale, migliorando la capacità di catturare variazioni a breve termine rispetto ai precedenti studi.
5. Fonti di Incertezza per i Ghiacciai Individuali/Regionali: Illustra come l’incertezza viene calcolata nei diversi studi. Questo studio introduce metodi avanzati come funzioni di correlazione spaziale empirica e propagazione dell’anomalia glaciale, arricchendo l’analisi dell’incertezza.
6. Aggiornamenti Annuali: Mostra la frequenza con cui i dati vengono aggiornati. A partire dal 2022, questo studio offre aggiornamenti annuali, permettendo di monitorare i cambiamenti dei ghiacciai con maggiore frequenza.
7. Inventario dei Ghiacciai: Indica quale inventario viene utilizzato per catalogare e analizzare i ghiacciai. Tutti gli studi utilizzano GLIMS, ma solo questo studio e quello di Zemp et al. includono dati specifici per la regione del Caucaso (RGI-6 per la regione 12).

In sintesi, la Tabella 5 evidenzia come questo studio abbia portato a significativi miglioramenti metodologici nella stima dei cambiamenti della massa dei ghiacciai, migliorando la risoluzione, la copertura e la precisione delle analisi rispetto agli studi precedenti.

La Figura 8 illustra i cambiamenti annuali della massa dei ghiacciai espressi in gigatonnellate (Gt), confrontando i risultati di questo studio con quelli precedenti di Zemp et al. (2019) e Hugonnet et al. (2021). Questa figura è suddivisa in diversi pannelli che rappresentano varie regioni geografiche, oltre a un grafico complessivo che mostra i cambiamenti a livello globale. Ecco i dettagli di ciascun componente:

1. Grafico Globale (in alto a sinistra): Presenta i cambiamenti della massa glaciale su scala mondiale dal 1960 al 2020. Le linee rappresentano le stime di questo studio (verde), Zemp et al. (2019) (nero), e Hugonnet et al. (2021) (azzurro). Le aree colorate intorno alle linee indicano l’incertezza associata a ciascuna stima, offrendo una visualizzazione dell’intervallo di variazione possibile.
2. Grafici Regionali: Ogni pannello fornisce una vista dettagliata dei cambiamenti di massa per specifiche regioni, come Alaska, Artico Canadese (Nord e Sud), Periferia della Groenlandia, Islanda, Svalbard, Scandinavia, e altre. Questi grafici mostrano come le stime di questo studio si confrontano con quelle precedenti, evidenziando eventuali revisioni significative o conferme delle tendenze di perdita di massa glaciale.
3. Colori e Simboli:
   • Le linee verdi indicano le stime attuali di questo studio.
   • Le linee nere mostrano i dati di Zemp et al. (2019).
   • Le linee azzurre rappresentano i risultati di Hugonnet et al. (2021).
   • Le aree colorate rappresentano l’incertezza delle stime, evidenziando la variabilità e le differenze tra i diversi approcci di studio.
4. Interpretazione dei Dati: I grafici sono fondamentali per valutare l’efficacia delle metodologie attuali rispetto a quelle precedenti e per osservare dove le nuove tecniche o i nuovi dati hanno portato a una migliore comprensione o a una revisione delle stime di cambiamento della massa glaciale.

In conclusione, la Figura 8 fornisce una panoramica essenziale delle differenze e delle somiglianze tra le stime correnti e quelle passate dei cambiamenti della massa dei ghiacciai, mettendo in evidenza come i nuovi approcci metodologici e le recenti analisi possano influenzare la nostra comprensione delle dinamiche glaciali a livello regionale e globale.

In regioni specifiche come la Periferia della Groenlandia e le Isole Antartiche e Subantartiche, si notano forti discrepanze nei periodi passati. I risultati di questo studio mostrano tendenze significativamente meno negative rispetto a quelli di Zemp et al. (2019). La variazione osservata in Groenlandia può essere attribuita alla rimozione delle osservazioni geodetiche non pubblicate dal nostro processo di elaborazione dati, che potrebbero aver influito eccessivamente sulle tendenze riportate in Zemp et al. (2019).

Per la calibrazione della nuova serie temporale di cambiamento di massa, ci siamo affidati ai dati di Hugonnet et al. (2021) per il periodo 2000-2019 e di Huber et al. (2020) per il periodo 1985-2000, utilizzati rispettivamente come riferimenti per i periodi recente e passato. La regione delle Isole Antartiche e Subantartiche è particolarmente soggetta a grandi incertezze, come evidenziato in tutti gli studi citati. Sebbene i risultati concordino all’interno delle ampie incertezze, i nostri dati indicano una leggera tendenza verso un incremento di massa di 21,7 ± 99,2 Gt annui, contro i 5,5 ± 152,0 Gt annui riportati da Zemp et al. (2019) per il periodo 1976-2016.

Inoltre, osserviamo un cambiamento di massa leggermente meno negativo di -10,7 ± 21,2 Gt annui rispetto ai -20,9 ± 4,9 Gt annui di Hugonnet et al. (2021) durante il 2000-2019. Le discrepanze con le tendenze di Hugonnet et al. (2021) possono derivare dal diverso campione geodetico regionale esaminato. Specificamente, i tassi di cambio di elevazione per 535 ghiacciai, che rappresentano il 4% dell’area glaciale nella regione RGI 19 studiata da Hugonnet et al. (2021), non sono stati inclusi nel nostro database FoG e, di conseguenza, nella nostra valutazione a causa della loro insufficiente copertura nelle mappe di variazione di elevazione (meno del 50%).

La regione delle Isole Antartiche e Subantartiche non ha misurazioni glaciologiche o geodetiche disponibili prima del 2000. La variabilità annuale passata (prima del 2000) è influenzata unicamente dalla serie temporale molto distante di Echaurren Norte e le tendenze storiche sono calibrate solo basandosi sui dati del 2000-2019 di Hugonnet et al., che probabilmente sovrastimano il periodo precedente al 2000 con valori troppo positivi.

Non esistono prove sufficienti che supportino l’aumento di massa dei ghiacciai osservato prima del 2000, né nella nostra valutazione né in quella di Zemp et al. (2019). È probabile che i risultati per la regione antartica siano distorti dalla mancanza di osservazioni, rendendo quindi le stime altamente incerte, come indicato dalle nostre ampie barre di errore. Nonostante ciò, questi dati sono stati inclusi per fornire una visione completa dei cambiamenti della massa glaciale globale a partire dal 1976. Di conseguenza, i cambiamenti globali della massa in gigatonnellate rappresentano un limite superiore per il periodo antecedente al 2000, a causa dell’importante peso della regione delle Isole Antartiche e Subantartiche, che costituisce il 18% della superficie glaciale globale.

La maggior parte delle regioni mostra un aumento dell’ampiezza della variabilità interannuale rispetto ai precedenti studi. Il metodo di regressione gaussiana utilizzato da Hugonnet et al. (2021) per adattare le serie temporali del DEM tende a levigare l’ampiezza annuale fino al punto di non rilevare più la variabilità annuale, come illustrato nella Figura 8. Analogamente, il modello di decomposizione della varianza impiegato da Zemp et al. (2019) ha dimostrato di attenuare leggermente il segnale di ampiezza annuale.

Il nostro approccio migliora la rappresentazione dell’ampiezza interannuale dei ghiacciai a livello individuale. Questo è supportato dall’esercizio di validazione incrociata Leave-one-out, i cui effetti sono evidenti sia a livello regionale che globale, come mostrato nelle Figure 6c e 7.

Inoltre, il nostro studio riduce significativamente le incertezze a livello globale e regionale rispetto a quelle riportate da Zemp et al. (2019), come documentato nella Tabella 4. Questo miglioramento deriva principalmente dall’uso del campione quasi completo di osservazioni di Hugonnet et al. (2021) come riferimento per la calibrazione, il che ha ridotto drasticamente le incertezze dopo il 2000. Abbiamo anche implementato miglioramenti significativi agli algoritmi, come la ricerca spaziale delle anomalie dei ghiacciai e la normalizzazione delle serie temporali dei ghiacciai vicini con ampiezze regionali originali.

Utilizzando funzioni empiriche per propagare gli errori dalle diverse fonti, otteniamo stime di incertezza più realistiche rispetto ai lavori precedenti. Questi miglioramenti sono ulteriormente confermati dalla validazione incrociata leave-one-out effettuata sui ghiacciai di riferimento, che conferma la prudenza delle nostre stime di incertezza. Rispetto ai risultati di Hugonnet et al. (2021), i nostri dati concordano entro le incertezze, ma mostrano errori stimati sistematicamente maggiori in tutte le regioni a causa della propagazione delle incertezze dell’anomalia media, una fonte di errore non considerata nei risultati annuali di Hugonnet et al.

Il nostro metodo corregge in modo affidabile le tendenze assolute del cambiamento di massa dei ghiacciai, riducendo le incertezze per i singoli ghiacciai, le regioni e il globo. Un punto di forza notevole del metodo è la capacità di fornire dati sui cambiamenti della massa dei ghiacciai nel tempo, risalenti fino al 1976 a livello globale e persino più indietro in tempo nelle regioni con record osservativi più lunghi, come l’Europa Centrale dal 1915. È importante sottolineare che possiamo catturare la variabilità temporale annuale dei cambiamenti dei ghiacciai a livello di singolo ghiacciaio con una stima dell’incertezza realistica. Combinando i punti di forza delle due precedenti valutazioni globali basate su osservazioni, miglioriamo sia la risoluzione spaziale che la variabilità temporale dei cambiamenti della massa dei ghiacciai globali, permettendo di produrre un nuovo prodotto grigliato di cambiamenti annui dei ghiacciai basato puramente su osservazioni.

Tabella 6: Tassi annuali di cambiamento della massa dei ghiacciai per regione (1976-2016) confrontati con i risultati da Zemp et al. (2019) e per il periodo (2000-2019) confrontati con Hugonnet et al. (2021)

Dettagli della Tabella:

• La “Area Media” riflette la dimensione media dei ghiacciai nelle regioni GTN-G dal 1976 al 2016.
• “Cambiamento di Massa 1976-2016” e “Cambiamento di Massa 2000-2019” mostrano rispettivamente i tassi di cambiamento della massa dei ghiacciai nei periodi indicati, confrontati con gli studi di Zemp et al. (2019) e Hugonnet et al. (2021).
• Valori negativi indicano una perdita di massa, mentre valori positivi indicano un guadagno di massa dei ghiacciai.

5.3 Limitazioni Conosciute

5.3.1 Scarsità di Osservazioni Glaciologiche In Situ

La mancanza di dati glaciologici rappresenta un ostacolo significativo nella valutazione della variabilità dei cambiamenti dei ghiacciai con il metodo attualmente impiegato. In regioni come l’Alta Asia, le Ande del Sud, il Canada Artico Meridionale, l’Artico Russo, la Groenlandia e l’Antartide, dove le osservazioni sono scarse, le variazioni annue nei cambiamenti dei ghiacciai si basano su serie temporali limitate e non sempre rappresentative delle variazioni locali. Questo porta a elevate incertezze nelle serie temporali sul cambiamento della massa dei ghiacciai annuali, stimato realisticamente attraverso il nostro approccio.

Si rileva una notevole carenza di osservazioni nell’emisfero australe, dove la variabilità del cambiamento della massa dei ghiacciai prima del 2000 è determinata unicamente dalla serie temporale del lontano ghiacciaio Echaurren Norte. Questo enfatizza eccessivamente la sua rilevanza a livello globale. Per proseguire efficacemente, mantenendo l’indipendenza e l’approccio basato su osservazioni dirette – essenziale per la calibrazione e la validazione dei modelli dei ghiacciai – è fondamentale potenziare i programmi di monitoraggio dei ghiacciai in loco in queste aree. Nel breve termine, è cruciale assicurare la continuità del monitoraggio glaciologico in situ nell’emisfero meridionale e considerare la correzione delle serie storiche a lungo termine.

5.3.1 Disponibilità di Osservazioni Geodetiche Passate

La mancanza di osservazioni geodetiche antecedenti al 2000 è comune nella maggior parte delle regioni dei ghiacciai ed è particolarmente critica per ottenere risultati accurati nelle valutazioni delle aree meno monitorate, come evidenziato nelle Isole Antartiche e Subantartiche. Per correggere eventuali deviazioni nelle serie storiche, è essenziale calibrarle confrontandole con le variazioni di altezza dei ghiacciai ottenute tramite rilevazioni geodetiche precise a lungo termine.

Le osservazioni geodetiche possono essere ampliate temporalmente in tutte le aree, utilizzando archivi storici di immagini satellitari spia (es. Hexagon, Corona) e archivi nazionali di immagini aeree storiche. Per valutare correttamente i cambiamenti nella massa dei ghiacciai, è fondamentale considerare ogni ghiacciaio come un’entità unica e indivisibile. Un approccio glaciologico efficace per integrare i cambiamenti a livello di ghiacciaio in un sistema di griglia regolare consiste nel considerare un ghiacciaio appartenente a un punto di griglia se il suo centroide si trova all’interno dei confini di quel punto. Se la cella di griglia è abbastanza grande, essa includerà più ghiacciai nel loro estensione completa, e il cambiamento medio della massa del punto di griglia verrà calcolato di conseguenza. Tuttavia, se la cella di griglia è più piccola dell’area del ghiacciaio, il punto di griglia contenente il centroide del ghiacciaio rappresenterà il cambiamento di massa dell’intero ghiacciaio, anche se non tutta l’estensione del ghiacciaio è contenuta nel punto di griglia (vedi Figura 8a). Questo problema diventa evidente soprattutto nelle regioni polari oltre i 60° di latitudine quando si integrano i cambiamenti della massa con una griglia globale di 0.5°. I punti di griglia polari, essendo relativamente piccoli rispetto ai grandi ghiacciai polari, possono portare a stime distorte del cambiamento di massa nel punto di griglia che contiene il centroide dei ghiacciai e conseguentemente i punti di griglia vicini non hanno una stima del cambiamento di massa (vedi Figura 9b).

Questa problematica potrebbe essere particolarmente rilevante nell’analizzare i segnali dei ghiacciai per la gravimetria o altre applicazioni nelle regioni polari, data la grossolanità della risoluzione dei dataset ausiliari, generalmente non inferiore a 0,5°. Una soluzione potenziale per applicazioni su larga scala che impiegano una risoluzione spaziale più grossolana potrebbe essere l’assegnazione di un peso per area a ciascuna area glaciale, introducendo però un ulteriore bias legato alla divisibilità del segnale del ghiacciaio.

La Figura 9 presenta un esempio pratico del problema legato all’uso delle griglie nei punti in regioni polari. Analizziamo entrambe le parti della figura:

Spiegazione della Figura 9: Artifatti del Punto di Griglia nelle Regioni Polari

• Parte (a): Questa parte della figura mostra le sagome dei ghiacciai delineate in bianco e i loro centroidi indicati con punti blu nella regione dell’Arctico Canadese Nord. Le celle di griglia di 1° sono utilizzate per rappresentare i cambiamenti della massa dei ghiacciai. Si osserva che molti ghiacciai estendono i loro confini oltre una singola cella di griglia, evidenziando una potenziale problematica nel catturare accuratamente il cambiamento di massa su larga scala con questa risoluzione di griglia.
• Parte (b): In questa illustrazione si vede come viene effettuata l’integrazione del bilancio di massa con una griglia a 0,5°. Le aree colorate in tonalità di rosso rappresentano le celle di griglia dove è stato possibile stimare il cambiamento di massa, mentre le aree in bianco o toni più chiari indicano le celle che non contengono il centroide di un ghiacciaio e quindi non contribuiscono alla stima del cambiamento di massa. Questa parte della figura dimostra come la scelta della dimensione della griglia possa influenzare significativamente le stime di cambiamento di massa, soprattutto nelle regioni polari, dove le dimensioni dei ghiacciai possono superare quelle delle celle di griglia, portando a possibili inesattezze e bias nelle analisi finali.

La Figura 9 mette in luce le difficoltà nell’uso di griglie fisse per calcolare le variazioni di massa dei ghiacciai in regioni estese come quelle polari. La dimensione delle griglie, quando non adeguatamente scelta, può non riuscire a rappresentare correttamente l’estensione e i cambiamenti di massa dei grandi ghiacciai, risultando in stime distorte o incomplete.

5.3.3 Anni Calendario rispetto agli Anni Idrologici

I nostri dati illustrano le variazioni nella massa dei ghiacciai regionali che si estendono attraverso gli anni idrologici dal 1976 al 2023. È riconosciuto in glaciologia che l’anno idrologico inizia in inverno con l’inizio della stagione di accumulo e termina alla fine della stagione di ablazione o estiva (Cogley et al., 2011). Pertanto, l’anno idrologico differisce a seconda delle regioni, come gli emisferi Sud e Nord e i Tropici, e non coincide con l’anno calendario.

Per i punti di griglia, le variazioni della massa dei ghiacciai non saranno uniformi per un determinato anno idrologico. Nei punti griglia situati nell’emisfero nord, le variazioni corrispondono al periodo dal 1° ottobre dell’anno precedente al 30 settembre dell’anno corrente. Invece, i punti griglia nell’emisfero sud rappresentano le variazioni della massa dei ghiacciai dal 1° aprile dell’anno precedente al 31 marzo dell’anno corrente. Questa discrepanza, derivante dai dati di input, introduce inconsistenze e incertezze nelle valutazioni globali grigliate, che gli utenti dovrebbero riconoscere.

Per i valori aggregati su periodi più estesi, le differenze diventano meno rilevanti. Risolvere questo problema richiederebbe un aumento nella risoluzione temporale dei dati di input fino a raggiungere osservazioni mensili, che attualmente non è realizzabile a livello globale solo con le osservazioni.

5.3.4 Tassi di Cambiamento dell’Area Specifica dei Ghiacciai

Nel valutare l’impatto delle variazioni dell’area dei ghiacciai sulle stime di cambiamento di massa regionale, ci basiamo sull’approccio adottato da Zemp et al. (2019). In tale studio precedente, l’evoluzione dei tassi di cambiamento dell’area è stata calcolata per ogni regione glaciale di primo ordine in modo indipendente, analizzando due momenti temporali: un periodo passato senza variazioni di tasso, seguito da un tasso di cambiamento lineare determinato su un campione di ghiacciai regionali osservati. Questa supposizione è considerata forte poiché le variazioni dell’area dei ghiacciai non sono lineari, ma rappresenta la migliore stima possibile alla luce delle osservazioni disponibili.

In questo studio, ipotizziamo ulteriormente che i tassi di variazione dell’area specifici dei ghiacciai seguano i tassi medi di cambiamento regionali. Questa assunzione potrebbe introdurre un bias aggiuntivo, dato che i tassi di variazione dell’area specifica dei ghiacciai dipendono strettamente dalle dimensioni dei ghiacciai considerati. È stato osservato che la media e la variabilità delle variazioni dell’area relativa aumentano man mano che le dimensioni dei ghiacciai diminuiscono (Paul, 2004; Fischer et al., 2014). Questo suggerisce anche che il cambiamento medio ottenuto per una regione più vasta dipenda dalla distribuzione delle dimensioni dei ghiacciai inclusi nel campione specifico, che può o non può rappresentare l’intera gamma di dimensioni dei ghiacciai presenti nell’inventario RGI60 utilizzato qui.

6. Disponibilità dei Dati

Le serie temporali annue del cambiamento della massa dei singoli ghiacciai, nonché il prodotto derivato globale grigliato del cambiamento annuale della massa con risoluzione spaziale di 0,5° di latitudine e longitudine, saranno rese disponibili con la pubblicazione di questo articolo tramite il World Glacier Monitoring Service (https://doi.org/10.5904/Dussaillant et al. 2024-MM-DD). Durante il processo di revisione, i dati saranno accessibili temporaneamente al seguente URL: https://user.geo.uzh.ch/idussa/Dussaillant_etal_ESSD_data/. Versioni precedenti del prodotto grigliato sono disponibili attraverso il servizio web Copernicus Climate Data Store (CDS) (Dussaillant et al. 2023, DOI 10.24381/cds.ba597449). Questa versione attuale verrà inclusa nella prossima fase del C3S. La versione del database FoG attualmente utilizzata (WGMS, 2024; https://doi.org/10.5904/wgms-fog-2024-01) può essere scaricata dal sito del WGMS (https://wgms.ch/data_databaseversions/). La versione 6.0 del RGI è disponibile presso il National Snow and Ice Data Center (NSIDC, consorzio RGI 2017; https://doi.org/10.7265/4m1f-gd79).

7. Disponibilità del Codice

Il codice è disponibile per il download all’indirizzo https://github.com/idussa/mb_data_crunching. Ci proponiamo di pubblicare la versione definitiva alla conclusione del processo di revisione.

8. Conclusioni

Basandoci sui punti di forza e sulle osservazioni delle precedenti valutazioni globali, abbiamo sviluppato un approccio integrato che fornisce un dettaglio comprensivo dei cambiamenti annuali della massa dei ghiacciai per ogni ghiacciaio e le relative incertezze dal 1976 al 2023. Questo studio evidenzia un’accelerazione allarmante nello scioglimento dei ghiacciai, con un impatto significativo sull’innalzamento del livello del mare, particolarmente marcato nell’ultimo decennio. Nel 2023, abbiamo registrato una perdita record di 602 ± 69 Gt. Nel complesso, nei passati cinque decenni, i ghiacciai hanno perso globalmente 8226 ± 845 Gt di acqua, contribuendo a un innalzamento del livello del mare di 22.7 ± 2.3 mm. Quasi la metà di questa perdita (44%) si è verificata nell’ultimo decennio, con un 7% solo nel 2023.

Il nostro nuovo dataset estende le osservazioni del cambiamento annuale dei ghiacciai a cinque decenni, integrando dati geodetici estesi e correggendo i bias nelle tendenze a lungo termine. Ciò permette di stima la variabilità interannuale a livello di singolo ghiacciaio, migliorando la risoluzione spaziale e temporale delle valutazioni precedenti, mantenendo al contempo l’indipendenza e la natura osservativa dei dati. Una validazione tramite cross-validation “leave-one-out” conferma l’accuratezza del dataset nel catturare le variazioni annuali di massa dei ghiacciai con stime di incertezza realistiche.

La principale limitazione di questa valutazione rimane la scarsità delle osservazioni glaciologiche, specialmente in regioni dove le serie temporali dei cambiamenti di massa sono sparse e distanziate. Questo può portare a rappresentazioni non accurati della variabilità locale nelle regioni sottocampionate. Migliorare l’accuratezza delle regioni climatiche potrebbe incrementare la precisione, ma miglioramenti significativi dipendono dall’ampliamento dei campioni glaciologici. È essenziale sostenere e continuare il monitoraggio in situ per aggiornare le valutazioni globali del cambiamento della massa dei ghiacciai, indirizzando il supporto verso regioni con poche misurazioni in situ e risorse limitate o remote. Inoltre, è fondamentale mantenere le missioni spaziali per osservazioni della criosfera per assicurare la completezza e l’accuratezza a lungo termine dei dati sui cambiamenti dei ghiacciai globali.

I ghiacciai sono riconosciuti come una delle Variabili Climatiche Essenziali (ECV). Questa valutazione fornisce prove empiriche nuove sull’evoluzione dei ghiacciai a scala locale, regionale e globale, fondamentali per orientare le strategie di mitigazione e adattamento. I dati raffinati evidenziano la necessità urgente di azioni climatiche globali per comprendere e contrastare gli effetti negativi dello scioglimento accelerato dei ghiacciai e i suoi impatti su sistemi ambientali. I nostri risultati, disponibili gratuitamente attraverso il WGMS e il C3S CDS, offrono numerose potenzialità per applicazioni in vari campi, inclusi gli esercizi di confronto internazionale sull’osservazione della criosfera, i prodotti multi-Variabili Climatiche Essenziali, la calibrazione e validazione di modelli climatici e l’avanzamento della comprensione degli impatti più ampi dello scioglimento dei ghiacciai su livelli del mare, risorse idriche, bilanci energetici globali e ciclo dei nutrienti. Questo lavoro apre opportunità per future valutazioni dei cambiamenti della massa dei ghiacciai globali con risoluzioni temporali maggiori, promuovendo analisi più dettagliate dei loro impatti climatici e idrologici a livello mondiale.

https://essd.copernicus.org/preprints/essd-2024-323