Prediction of Long-Term Trend of Polar Motion in the 21st Century Driven by Global Surface Mass Redistribution

ZHU Shenghong; ZHANG Xiaohong; JIAO Jiashuang; MA Pengfei

doi:10.13203/j.whugis20260299

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Prediction of Long-Term Trend of Polar Motion in the 21st Century Driven by Global Surface Mass Redistribution

Geodesy and Survey Engineering | 更新时间：2026-10-15

- Prediction of Long-Term Trend of Polar Motion in the 21st Century Driven by Global Surface Mass Redistribution
- Geomatics and Information Science of Wuhan University Vol. 51, Issue 11, Pages: 2287-2296(2026)
- 作者机构：
  
  1.武汉大学中国南极测绘研究中心，湖北武汉，430079
  2.武汉大学极地环境监测与公共治理教育部重点实验室，湖北武汉，430079
  3.武汉大学测绘学院，湖北武汉，430079
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13203/j.whugis20260299
  CLC： P228
- Received：04 August 2026，
  
  Published：05 November 2026
- 稿件说明：
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朱圣鸿,张小红,焦佳爽，等.全球地表质量迁移驱动的21世纪极移长期趋势预测[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(11):2287-2296.

ZHU Shenghong,ZHANG Xiaohong,JIAO Jiashuang,et al.Prediction of Long-Term Trend of Polar Motion in the 21st Century Driven by Global Surface Mass Redistribution[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(11):2287-2296.
朱圣鸿,张小红,焦佳爽，等.全球地表质量迁移驱动的21世纪极移长期趋势预测[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(11):2287-2296. DOI：10.13203/j.whugis20260299

ZHU Shenghong,ZHANG Xiaohong,JIAO Jiashuang,et al.Prediction of Long-Term Trend of Polar Motion in the 21st Century Driven by Global Surface Mass Redistribution[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(11):2287-2296. DOI：10.13203/j.whugis20260299

摘要

气候变化导致的冰盖冰川消融与陆地水储量变化会引起地表质量重新分布，并对地球极移的长期变化具有激发作用。以2026—2100年为研究时段，综合采用格陵兰冰盖、南极冰盖、山地冰川和陆地水储量多模型预测数据，选取第六次耦合模式比较计划气候情景框架中的低强迫情景SSP1-2.6和高强迫情景SSP5-8.5，利用旋转弹性地球海平面方程求解引力自洽的海平面指纹，进而计算极移质量激发函数，并通过Liouville方程预测气候诱发极移的长期演化轨迹。

在此基础上，定量分析不同质量源的相对贡献、模型集合不确定性及其引起的固体地球极潮效应。研究结果表明，相对于2026年，在SSP1-2.6与SSP5-8.5情景下，至2100年气候驱动的地极位移分别为8.86 m和19.62 m，后者约为前者的2.21倍。4类质量源按照对极移长期趋势的影响程度由大到小排序，依次为格陵兰冰盖、南极冰盖、山地冰川和陆地水储量，其中格陵兰冰盖为最主要的单体贡献源，在SSP5-8.5情景下分别贡献

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2.87866688

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和

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2.79399991

3.97933316

分量变化的67%和97%。在高强迫情景下，至2100年气候驱动固体地球极潮垂向位移的最大绝对值约为20.96 mm，部分中纬度区域达到厘米量级。研究结果定量揭示了地表质量迁移对21世纪中后期极移及固体地球极潮的长期影响，可为气候诱发极移分量的预测、毫米级测站坐标改正和高精度地球参考框架维护提供参考。

Abstract

Objectives

Climate change-induced melting of ice sheets and glaciers

together with terrestrial water storage variations

causes global surface mass redistribution and exerts long-term excitation on polar motion.

Methods

This paper investigates the climate-induced polar motion from 2026 to 2100 under the low-forcing SSP1-2.6 and high-forcing SSP5-8.5 climate scenarios within the coupled model intercomparison project phase 6 (CMIP6) framework. The Greenland Ice Sheet

the Antarctic Ice Sheet

mountain glaciers and terrestrial water storage are integrated for multi-model projections. The rotating elastic Earth sea-level equation is used to solve for gravitationally self-consistent sea-level fingerprints. Polar motion excitation functions associated with surface mass redistribution are subsequently calculated

and the long-term evolution of climate-induced polar motion is predicted by solving the Liouville equation. The relative contributions of different mass sources

multi-model ensemble uncertainties

and the associated solid Earth pole tide effects are quantitatively evaluated.

Results

Relative to 2026

the climate-induced polar displacements by 2100 reach approximately 8.86 m and 19.62 m under SSP1-2.6 and SSP5-8.5

respectively

with the latter being about 2.21 times larger than the former. Among the four mass sources

their contributions to the long-term polar motion trend decrease in the order of the Greenland Ice Sheet

the Antarctic Ice Sheet

mountain glaciers

and terrestrial water storage. The Greenland Ice Sheet is the dominant individual contributor

accounting for approximately 67% and 97% of the changes in

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3.38666677

3.72533321

and

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3.21733332

4.57200003

components

respectively

under SSP5-8.5 scenario. Under the high-forcing SSP5-8.5 scenario

the maximum absolute vertical displacement caused by the climate-driven solid Earth pole tide reaches approximately 20.96 mm by 2100

with centimeter-level responses occurring in some mid-latitude regions.

Conclusions

The results quantitatively reveal the long-term impacts of surface mass redistribution on polar motion and the solid Earth pole tide during the mid-to-late 21st century. These findings provide a reference for predicting climate-induced polar motion components

correcting millimeter-level station coordinate variations

and maintaining high-precision terrestrial reference frames.

关键词

Keywords

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