北极海冰消退及其主要驱动机制

刘忠方

同济大学 海洋与地球科学学院，海洋地质国家重点实验室，上海 200092

作为地球气候系统的重要组成部分，北极海冰不仅是全球气候变化的指示器，也是全球气候变化的放大器。随着全球变暖加剧，北极海冰正在加速消退。据IPCC气候模式预测，到21世纪中期，北极海域将面临夏季无冰的状况[1-2]，而实际状况比预测的还要糟。根据卫星观测数据，如果北极海冰维持现在的消退速率，这种夏季无冰的状况可能会提前到21世纪30年代[3]。由于海冰的加速减少，北极正在进入一种全新的气候状态，科学家将其称之为“新北极”[4]。“新北极”的出现不仅改变了北极地区的生态和环境，还通过大尺度的海气环流影响中纬度，甚至是全球的天气和气候[5-9]。北极海冰消退已受到学术界和社会公众的广泛关注。为了寻求其加速消退的原因，学术界提出了不同的驱动机制。本文对近年来有关北极海冰消退及其驱动机制的研究进行了简要综述。

1 北极海冰时空变化

北冰洋地处地球的最北端，常年被广袤的海冰覆盖，是地球气候的冷源之一。北极海冰具有显著的季节变化：北半球夏季时，由于太阳辐射加强，气温升高，海冰开始消融，海冰覆盖面积持续减小，并在9月份达到年度最低值(约7×106km2)；此后，随着极夜的到来，海冰不断增长，在次年的3月份达到最大值(约15×106km2)[10]。长期以来，北极海冰变化一直保持着这样相对稳定的轨迹，周而复始、循环往复。然而，从20世纪中期开始，这种节奏悄然发生了改变，全球变暖导致北极地区迅速升温，延长了海冰的消融期，推迟且缩短了冻结期，导致海冰的覆盖范围和厚度急剧下降。卫星观测数据表明，在1979—2018年期间，9月和3月的海冰覆盖面积分别以大约每10年10.5%和2.6%的速率减少[11]，为过去近1 500年来所未有(图1)[12]。特别是进入21世纪以来，北极海冰消退的速率大大超出人们的预期，覆盖面积屡创新低，截至2020年9月，北极海冰覆盖范围为374万km2，仅略高于2012年的历史最低值(334万km2)，约为1979—2000年平均值(670万km2)的一半[13]。据IPCC气候模式预测，到21世纪中期，北极海域恐将面临夏季无冰的状况[1-2]。实际上北极海冰的消退比大多数气候模式预测的还要快，如果以卫星观测的消融速率推算，夏季无冰的状况可能会提前到21世纪30年代[3]。

图1 过去1 450年以来北极夏季海冰覆盖范围变化重建[12]

尽管北极海冰在加速消退，但其速率存在明显的时空差异。美国国家冰雪数据中心(NSIDC)提供的海冰密集度数据显示，在1979—2016年期间，夏季海冰减少最快的地区主要集中在西北冰洋海域(包括波弗特海、楚科奇海和东西伯里亚海)，其海冰密集度以大约每10年15.4%的速率减少(图2(a), (c))；而冬季最大消退区主要集中在巴伦支海和喀拉海，其海冰密集度以大约每10年6.4%的速率减少(图2(b), (d))。从时间上来看，两个季节的海冰均存在明显的年际和年代际变化：夏季海冰自20世纪90年代中期开始加速消退，最低值发生在2007年(图2(c))；而冬季海冰则自2000年开始加速消退，最低值发生在2012年(图2(d))。

图2 卫星观测的1979—2016年期间北极夏季(a, c)和冬季(b, d)海冰密集度变化趋势(单位：%/10 a)：(a, b)空间变化；(c, d)最大消融区年际变化及线性趋势。 (a)和(b)中绿线包围区域分别为夏季(西北冰洋)与冬季(巴伦支海与喀拉海)海冰最大消融区，“+”区域表示通过95%的显著性检验

2 主要驱动机制

2.1 温室气体强迫

据美国夏威夷MLO站观测数据，2021年大气中CO2浓度为420 ppm(1 ppm=10-6)，比工业革命前(280 ppm)增加了50%，但这一增长主要发生在过去的60年里。持续增加的CO2浓度导致全球增温，特别是在北极地区，其增温速率超过全球平均速率的两倍，出现所谓的“北极放大效应”[14]。北极海冰消退主要发生在20世纪中期以后(图1)，这与CO2排放导致的全球变暖和北极放大现象一致，因此，学术界认为CO2可能是导致北极海冰消退的主要原因。最近的研究发现，北极海冰消融与人为CO2排放存在很好的线性关系[15]：人类每排放1 t的CO2，会导致北极海冰覆盖面积减少约3 m2。如果不考虑其他因素，人类再向大气排放10 000亿t的CO2将可能导致北极夏季海冰在未来20～25年内消失殆尽。这意味着，即使我们按照《巴黎协定》达成的共识，平均增温幅度维持在2℃以内(允许再排放10 000亿t的CO2)，也无法挽救北极夏季海冰即将消失的事实。

为了进一步验证海冰消融与CO2排放的关系，该研究还对第5次耦合模式比较计划(CMIP5)中的36个气候模式进行分析，结果发现了相似的线性关系，但气候模式却明显低估了CO2排放对北极海冰消融的影响(每排放1 t的CO2导致海冰减少约1.75 m2)。这种低估表明，除人类温室气体排放引起的全球变暖导致北极海冰消退外，还有其他机制在起作用[16-17]。

2.2 大气环流

北极海冰不仅存在长期减少的趋势，还存在巨大的年际变率和空间差异(图2)，这显然并不能仅用温室气体增加来解释。最近的一系列研究表明，北极海冰减少还受到气候系统内部变率的影响[14,18]，特别是大尺度的大气环流，它们可以通过多个热力和动力过程导致北极海冰消退[19-23]。

早期的研究发现，北极海冰消融可能与北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation, NAO)和北极涛动(Arctic Oscillation, AO)异常有关。在20世纪80年代至90年代中期，持续上升的NAO/AO指数(正位相)加速了北冰洋欧亚海盆的海冰消退[24-27]。然而，自90年代中期以后，NAO/AO指数开始下降，并逐渐趋于正常，但北极海冰的消融并没有减速[24,28]。Wu等[29]将其归结为北极偶极子(Arctic dipole, AD)的影响，其间AD处于正位相，北冰洋欧亚大陆一侧低压加强，而北美一侧高压加强，这一方面导致北极海冰向东经过弗拉姆海峡流入北大西洋，另一方面加强了北太平洋向北极的水汽和热量输送[29-30]，从而加速了北极海冰的消退。最近的研究则认为，北极海冰减退主要受极地反气旋环流控制，其贡献了30%～60%的夏季海冰消退[19,22,31]。例如，Liu等[22]发现，西北冰洋地区的反气旋环流同太平洋-北美型遥相关(Pacific North American, PNA)密切相关，持续上升的PNA趋势加强了西北冰洋地区的反气旋环流(图3(a)～(c))，其一方面通过下沉气流产生的绝热增温加剧了北极变暖，另一方面通过北太平洋地区向极的热量和水汽输送增加了该地区的温度和湿度，而上升的温度和湿度又增强了向下的长波辐射(图3(d)～(f))，最终加速了该地区的海冰消融。尽管这些环流代表北半球不同的大气模态，但它们在北极地区具有相似的空间特征，在物理机制上也存在相互关联[32]，均可以通过热力过程加速北极海冰消退。

图3 太平洋-北美型遥相关(PNA)对北极夏季海冰消融的影响：(a)夏季500 hPa位势高度(单位：m)相对于标准化的西北冰洋海冰密集度指数(图2(c)所示)回归；(b)夏季500 hPa位势高度(单位：m)相对于PNA指数的回归；(c)1979—2016年期间夏季500 hPa位势高度线性趋势(单位：m/10 a)；(d) 低对流层温度(阴影)和大气热量传输(箭头)与PNA指数的相关性；(e)低对流层湿度(阴影)和大气水汽传输(箭头)与PNA指数的相关性；(f) 表面向下长波辐射与PNA指数的相关性。“+”区域表示回归系数或相关性通过95%的显著性检验

除了上述热力过程外，大气环流通过动力过程对北极海冰的影响也不可忽视。当NAO/AO处于正位相时期，波弗特反气旋环流减弱，中北冰洋海冰流动的气旋性加强，穿极漂流西移，更有利于北极海冰从弗拉姆海峡输出至大西洋，而东部形成更多薄而新的海冰[27](图4(a))。这种结构有些类似于AD负位相[32]或PNA负位相[23]的海冰流速场。相反，当NAO/AO处于负位相时期，波弗特反气旋环流加强，引发东风异常风，导致更多海冰从北极海盆西部向东部输送，并通过弗拉姆海峡流入北大西洋，但输出量相对较少[33](图4(b))。

图4 北极涛动(AO)对北极海冰输出的影响：(a)AO正位相时期；(b)AO负位相时期(据参考文献[27]改绘)

2.3 海洋向极热量输送

海洋热量向极输送也是北极海冰消退的主要驱动因素之一。北冰洋的热通量一部分来自太阳短波辐射，还有一部分来自低纬度地区海洋的向极热量输送。北冰洋周边大部分区域被北美大陆与欧亚大陆环抱，其与低纬大洋的连通有两个主要通道：西侧通过白令海峡与太平洋相通，东侧则通过弗拉姆海峡和巴伦支海与北大西洋相通(图5)。自20世纪90年代以来，通过白令海峡进入加拿大海盆的太平洋暖水通量增多，一方面直接加速了该海域的海冰消融，另一方面则在冬季作为一个热源增加了次表层海水温度，导致西北冰洋地区的海冰厚度持续减小[34-35]。根据1991—2007年的观测记录，由白令海峡进入北冰洋的海洋热通量在2007年达到最高值，是导致该年夏季海冰覆盖面积创记录低值的一个重要因素[36]。但是，由于白令海峡宽度较小(85 km)，水深仅有50 m，年平均入流量一般维持在0.8 Sv(1 Sv=106m3·s-1)左右[36]，对北极海冰消退的影响有限。

相比之下，北大西洋暖水输送对北极海冰消退的影响更为突出，其向北传输过程中，一部分以挪威沿岸流的形式向东穿过巴伦支海进入北冰洋，另一部分则继续向北，沿西斯匹茨卑尔根流经弗拉姆海峡进入北冰洋(图5)。两个分支在喀拉海北部相遇混合[37]，通过对流潜沉，在冷而淡的北极表层水下形成一个中层水[38]，然后沿环极边界流输送到北冰洋各个海盆。北大西洋暖水厚度可达数百米，经过弗拉姆海峡和巴伦支海的年平均流量分别可达9.5 Sv[38]和2.3 Sv[39]，不仅直接影响欧亚海盆的海冰消融，还通过中层水的向上热量传输导致北极海冰厚度下降[40-41]。最近的观测记录表明，自20世纪70年代以来，北大西洋暖水温度和输送至北极的热通量显著增加[42]，其增速可能是过去2 000多年来所未有的[43]，导致欧亚海盆地区海冰覆盖减少，分层减弱，垂直混合增加，出现“大西洋化”的趋势[42,44]。

图5 海洋向极热量输送对北极海冰消融的影响(据参考文献[58]改绘)

2.4 辐射反馈机制

北极海冰的加速消退还与一系列复杂的辐射反馈机制有关，主要包括海冰-反照率反馈、云-辐射反馈、水汽-辐射反馈和温度递减率反馈等。其中，海冰-反照率反馈最受关注，主要表现为北极变暖导致海冰覆盖范围持续减少，大量海水出露使得反照率降低，吸收太阳短波辐射增加，从而引发北极放大效应并形成正反馈机制，加速海冰消退。观测证据显示[45-46]，过去30年间北极表面反照率大幅度下降，导致吸收到的太阳辐射增加约6.4 W/m2，是形成北极放大效应、海冰加速消融的重要因素[47-48]。云-辐射反馈包括两个相反的方面：一方面通过反射太阳辐射导致极地变冷；另一方面通过吸收长波辐射导致大气温室效应，使得极地变暖。研究表明，除夏季外，云覆盖对北极地表总体呈现加热作用[47]，特别是低云，其变化主要受当地海水蒸发产生的水汽控制[49]。当海冰消融后，海表湍流输送导致对流层底部湿度和云量增加，使得向下的长波辐射增多，从而加速了海冰的消融。因此，在北极地区，低云和水汽密切相关，它们通过温室效应加速海冰消融，形成正反馈机制[50-51]。最近的观测和模拟证据表明，近40年以来，北极地区非消融期的大气水汽和云量均呈显著上升趋势，进一步支持了水汽/云-辐射正反馈机制在海冰消融过程中所扮演的角色[52-53]。除此之外，温度递减率反馈也被认为是导致北极海冰消融的一种重要因素：极地由于缺乏湿绝热过程，变暖主要发生在对流层大气底部，从而抑制了向外的大气长波辐射，放大了北极升温使海冰加速消融[54-56]。

3 总结与展望

在全球变暖加速的背景下，北极地区发生了剧烈的变化，一个“新北极”正在形成[4]。海冰消退是“新北极”最重要的特征，也是“新北极”产生的助推器。为了探寻北极海冰消退的机理，更好地预测未来北极气候变化，学术界提出一系列可能导致北极海冰消退的因素。综合目前各种研究发现，北极海冰消退是人类活动、气候系统内部变率和多个反馈机制共同作用的结果。人类温室气体强迫导致北极海冰长期下降的趋势，而短期内的随机波动则受大尺度的海气环流调控，各种辐射反馈机制进一步放大了这种趋势和波动。

尽管上述机制对于理解北极海冰消退具有重要意义，但详细认识这些机制并不容易，因为其涉及高-低纬过程、海-冰-气相互作用和多重互馈机制等。对于这些过程，我们大部分并不太了解。例如，增加的极地大气水汽是导致海冰消融的一个重要驱动因素，但这些水汽主要源自当地蒸发还是低纬大气向极输送，我们并不清楚[50,57]。另外，针对一些机制，不同研究之间仍存在大的争议。例如，有研究认为北大西洋经向翻转流(AMOC)增强可导致输送至极地的北大西洋暖水增多，从而加速海冰消融[43,57-58]，但观测证据表明，随着北极海冰的消融，AMOC在20世纪初开始呈显著减弱趋势[59-60]，因此，AMOC更可能是北极海冰消融导致的结果，而非驱动因素[7,9]。其他一些过程，如大气气溶胶[61]、低纬植物生理过程[62]等也可以通过影响北极地区能量平衡而对海冰消融产生影响。针对上述问题，未来的研究工作不仅要深入认识影响北极海冰消退的不同过程以及它们之间的内在关联，更要量化和对比这些过程对北极海冰消退的贡献，只有这样才能系统地揭示北极海冰消退的机理，提高对北极海冰的预测精度，为应对北极和全球气候变化提供科学依据。

(2021年7月1日收稿)■