北極海冰消退及其主要驅動機制

劉忠方

同濟大學 海洋與地球科學學院，海洋地質國家重點實驗室，上海 200092

作為地球氣候系統的重要組成部分，北極海冰不僅是全球氣候變化的指示器，也是全球氣候變化的放大器。隨著全球變暖加劇，北極海冰正在加速消退。據IPCC氣候模式預測，到21世紀中期，北極海域將面臨夏季無冰的狀況[1-2]，而實際狀況比預測的還要糟。根據衛星觀測數據，如果北極海冰維持現在的消退速率，這種夏季無冰的狀況可能會提前到21世紀30年代[3]。由于海冰的加速減少，北極正在進入一種全新的氣候狀態，科學家將其稱之為“新北極”[4]?！靶卤睒O”的出現不僅改變了北極地區的生態和環境，還通過大尺度的海氣環流影響中緯度，甚至是全球的天氣和氣候[5-9]。北極海冰消退已受到學術界和社會公眾的廣泛關注。為了尋求其加速消退的原因，學術界提出了不同的驅動機制。本文對近年來有關北極海冰消退及其驅動機制的研究進行了簡要綜述。

1 北極海冰時空變化

北冰洋地處地球的最北端，常年被廣袤的海冰覆蓋，是地球氣候的冷源之一。北極海冰具有顯著的季節變化：北半球夏季時，由于太陽輻射加強，氣溫升高，海冰開始消融，海冰覆蓋面積持續減小，并在9月份達到年度最低值(約7×106km2)；此后，隨著極夜的到來，海冰不斷增長，在次年的3月份達到最大值(約15×106km2)[10]。長期以來，北極海冰變化一直保持著這樣相對穩定的軌跡，周而復始、循環往復。然而，從20世紀中期開始，這種節奏悄然發生了改變，全球變暖導致北極地區迅速升溫，延長了海冰的消融期，推遲且縮短了凍結期，導致海冰的覆蓋范圍和厚度急劇下降。衛星觀測數據表明，在1979—2018年期間，9月和3月的海冰覆蓋面積分別以大約每10年10.5%和2.6%的速率減少[11]，為過去近1 500年來所未有(圖1)[12]。特別是進入21世紀以來，北極海冰消退的速率大大超出人們的預期，覆蓋面積屢創新低，截至2020年9月，北極海冰覆蓋范圍為374萬km2，僅略高于2012年的歷史最低值(334萬km2)，約為1979—2000年平均值(670萬km2)的一半[13]。據IPCC氣候模式預測，到21世紀中期，北極海域恐將面臨夏季無冰的狀況[1-2]。實際上北極海冰的消退比大多數氣候模式預測的還要快，如果以衛星觀測的消融速率推算，夏季無冰的狀況可能會提前到21世紀30年代[3]。

圖1 過去1 450年以來北極夏季海冰覆蓋范圍變化重建[12]

盡管北極海冰在加速消退，但其速率存在明顯的時空差異。美國國家冰雪數據中心(NSIDC)提供的海冰密集度數據顯示，在1979—2016年期間，夏季海冰減少最快的地區主要集中在西北冰洋海域(包括波弗特海、楚科奇海和東西伯里亞海)，其海冰密集度以大約每10年15.4%的速率減少(圖2(a), (c))；而冬季最大消退區主要集中在巴倫支海和喀拉海，其海冰密集度以大約每10年6.4%的速率減少(圖2(b), (d))。從時間上來看，兩個季節的海冰均存在明顯的年際和年代際變化：夏季海冰自20世紀90年代中期開始加速消退，最低值發生在2007年(圖2(c))；而冬季海冰則自2000年開始加速消退，最低值發生在2012年(圖2(d))。

圖2 衛星觀測的1979—2016年期間北極夏季(a, c)和冬季(b, d)海冰密集度變化趨勢(單位：%/10 a)：(a, b)空間變化；(c, d)最大消融區年際變化及線性趨勢。 (a)和(b)中綠線包圍區域分別為夏季(西北冰洋)與冬季(巴倫支海與喀拉海)海冰最大消融區，“+”區域表示通過95%的顯著性檢驗

2 主要驅動機制

2.1 溫室氣體強迫

據美國夏威夷MLO站觀測數據，2021年大氣中CO2濃度為420 ppm(1 ppm=10-6)，比工業革命前(280 ppm)增加了50%，但這一增長主要發生在過去的60年里。持續增加的CO2濃度導致全球增溫，特別是在北極地區，其增溫速率超過全球平均速率的兩倍，出現所謂的“北極放大效應”[14]。北極海冰消退主要發生在20世紀中期以后(圖1)，這與CO2排放導致的全球變暖和北極放大現象一致，因此，學術界認為CO2可能是導致北極海冰消退的主要原因。最近的研究發現，北極海冰消融與人為CO2排放存在很好的線性關系[15]：人類每排放1 t的CO2，會導致北極海冰覆蓋面積減少約3 m2。如果不考慮其他因素，人類再向大氣排放10 000億t的CO2將可能導致北極夏季海冰在未來20～25年內消失殆盡。這意味著，即使我們按照《巴黎協定》達成的共識，平均增溫幅度維持在2℃以內(允許再排放10 000億t的CO2)，也無法挽救北極夏季海冰即將消失的事實。

為了進一步驗證海冰消融與CO2排放的關系，該研究還對第5次耦合模式比較計劃(CMIP5)中的36個氣候模式進行分析，結果發現了相似的線性關系，但氣候模式卻明顯低估了CO2排放對北極海冰消融的影響(每排放1 t的CO2導致海冰減少約1.75 m2)。這種低估表明，除人類溫室氣體排放引起的全球變暖導致北極海冰消退外，還有其他機制在起作用[16-17]。

2.2 大氣環流

北極海冰不僅存在長期減少的趨勢，還存在巨大的年際變率和空間差異(圖2)，這顯然并不能僅用溫室氣體增加來解釋。最近的一系列研究表明，北極海冰減少還受到氣候系統內部變率的影響[14,18]，特別是大尺度的大氣環流，它們可以通過多個熱力和動力過程導致北極海冰消退[19-23]。

早期的研究發現，北極海冰消融可能與北大西洋濤動(North Atlantic Oscillation, NAO)和北極濤動(Arctic Oscillation, AO)異常有關。在20世紀80年代至90年代中期，持續上升的NAO/AO指數(正位相)加速了北冰洋歐亞海盆的海冰消退[24-27]。然而，自90年代中期以后，NAO/AO指數開始下降，并逐漸趨于正常，但北極海冰的消融并沒有減速[24,28]。Wu等[29]將其歸結為北極偶極子(Arctic dipole, AD)的影響，其間AD處于正位相，北冰洋歐亞大陸一側低壓加強，而北美一側高壓加強，這一方面導致北極海冰向東經過弗拉姆海峽流入北大西洋，另一方面加強了北太平洋向北極的水汽和熱量輸送[29-30]，從而加速了北極海冰的消退。最近的研究則認為，北極海冰減退主要受極地反氣旋環流控制，其貢獻了30%～60%的夏季海冰消退[19,22,31]。例如，Liu等[22]發現，西北冰洋地區的反氣旋環流同太平洋-北美型遙相關(Pacific North American, PNA)密切相關，持續上升的PNA趨勢加強了西北冰洋地區的反氣旋環流(圖3(a)～(c))，其一方面通過下沉氣流產生的絕熱增溫加劇了北極變暖，另一方面通過北太平洋地區向極的熱量和水汽輸送增加了該地區的溫度和濕度，而上升的溫度和濕度又增強了向下的長波輻射(圖3(d)～(f))，最終加速了該地區的海冰消融。盡管這些環流代表北半球不同的大氣模態，但它們在北極地區具有相似的空間特征，在物理機制上也存在相互關聯[32]，均可以通過熱力過程加速北極海冰消退。

圖3 太平洋-北美型遙相關(PNA)對北極夏季海冰消融的影響：(a)夏季500 hPa位勢高度(單位：m)相對于標準化的西北冰洋海冰密集度指數(圖2(c)所示)回歸；(b)夏季500 hPa位勢高度(單位：m)相對于PNA指數的回歸；(c)1979—2016年期間夏季500 hPa位勢高度線性趨勢(單位：m/10 a)；(d) 低對流層溫度(陰影)和大氣熱量傳輸(箭頭)與PNA指數的相關性；(e)低對流層濕度(陰影)和大氣水汽傳輸(箭頭)與PNA指數的相關性；(f) 表面向下長波輻射與PNA指數的相關性?！?”區域表示回歸系數或相關性通過95%的顯著性檢驗

除了上述熱力過程外，大氣環流通過動力過程對北極海冰的影響也不可忽視。當NAO/AO處于正位相時期，波弗特反氣旋環流減弱，中北冰洋海冰流動的氣旋性加強，穿極漂流西移，更有利于北極海冰從弗拉姆海峽輸出至大西洋，而東部形成更多薄而新的海冰[27](圖4(a))。這種結構有些類似于AD負位相[32]或PNA負位相[23]的海冰流速場。相反，當NAO/AO處于負位相時期，波弗特反氣旋環流加強，引發東風異常風，導致更多海冰從北極海盆西部向東部輸送，并通過弗拉姆海峽流入北大西洋，但輸出量相對較少[33](圖4(b))。

圖4 北極濤動(AO)對北極海冰輸出的影響：(a)AO正位相時期；(b)AO負位相時期(據參考文獻[27]改繪)

2.3 海洋向極熱量輸送

海洋熱量向極輸送也是北極海冰消退的主要驅動因素之一。北冰洋的熱通量一部分來自太陽短波輻射，還有一部分來自低緯度地區海洋的向極熱量輸送。北冰洋周邊大部分區域被北美大陸與歐亞大陸環抱，其與低緯大洋的連通有兩個主要通道：西側通過白令海峽與太平洋相通，東側則通過弗拉姆海峽和巴倫支海與北大西洋相通(圖5)。自20世紀90年代以來，通過白令海峽進入加拿大海盆的太平洋暖水通量增多，一方面直接加速了該海域的海冰消融，另一方面則在冬季作為一個熱源增加了次表層海水溫度，導致西北冰洋地區的海冰厚度持續減小[34-35]。根據1991—2007年的觀測記錄，由白令海峽進入北冰洋的海洋熱通量在2007年達到最高值，是導致該年夏季海冰覆蓋面積創記錄低值的一個重要因素[36]。但是，由于白令海峽寬度較小(85 km)，水深僅有50 m，年平均入流量一般維持在0.8 Sv(1 Sv=106m3·s-1)左右[36]，對北極海冰消退的影響有限。

相比之下，北大西洋暖水輸送對北極海冰消退的影響更為突出，其向北傳輸過程中，一部分以挪威沿岸流的形式向東穿過巴倫支海進入北冰洋，另一部分則繼續向北，沿西斯匹茨卑爾根流經弗拉姆海峽進入北冰洋(圖5)。兩個分支在喀拉海北部相遇混合[37]，通過對流潛沉，在冷而淡的北極表層水下形成一個中層水[38]，然后沿環極邊界流輸送到北冰洋各個海盆。北大西洋暖水厚度可達數百米，經過弗拉姆海峽和巴倫支海的年平均流量分別可達9.5 Sv[38]和2.3 Sv[39]，不僅直接影響歐亞海盆的海冰消融，還通過中層水的向上熱量傳輸導致北極海冰厚度下降[40-41]。最近的觀測記錄表明，自20世紀70年代以來，北大西洋暖水溫度和輸送至北極的熱通量顯著增加[42]，其增速可能是過去2 000多年來所未有的[43]，導致歐亞海盆地區海冰覆蓋減少，分層減弱，垂直混合增加，出現“大西洋化”的趨勢[42,44]。

圖5 海洋向極熱量輸送對北極海冰消融的影響(據參考文獻[58]改繪)

2.4 輻射反饋機制

北極海冰的加速消退還與一系列復雜的輻射反饋機制有關，主要包括海冰-反照率反饋、云-輻射反饋、水汽-輻射反饋和溫度遞減率反饋等。其中，海冰-反照率反饋最受關注，主要表現為北極變暖導致海冰覆蓋范圍持續減少，大量海水出露使得反照率降低，吸收太陽短波輻射增加，從而引發北極放大效應并形成正反饋機制，加速海冰消退。觀測證據顯示[45-46]，過去30年間北極表面反照率大幅度下降，導致吸收到的太陽輻射增加約6.4 W/m2，是形成北極放大效應、海冰加速消融的重要因素[47-48]。云-輻射反饋包括兩個相反的方面：一方面通過反射太陽輻射導致極地變冷；另一方面通過吸收長波輻射導致大氣溫室效應，使得極地變暖。研究表明，除夏季外，云覆蓋對北極地表總體呈現加熱作用[47]，特別是低云，其變化主要受當地海水蒸發產生的水汽控制[49]。當海冰消融后，海表湍流輸送導致對流層底部濕度和云量增加，使得向下的長波輻射增多，從而加速了海冰的消融。因此，在北極地區，低云和水汽密切相關，它們通過溫室效應加速海冰消融，形成正反饋機制[50-51]。最近的觀測和模擬證據表明，近40年以來，北極地區非消融期的大氣水汽和云量均呈顯著上升趨勢，進一步支持了水汽/云-輻射正反饋機制在海冰消融過程中所扮演的角色[52-53]。除此之外，溫度遞減率反饋也被認為是導致北極海冰消融的一種重要因素：極地由于缺乏濕絕熱過程，變暖主要發生在對流層大氣底部，從而抑制了向外的大氣長波輻射，放大了北極升溫使海冰加速消融[54-56]。

3 總結與展望

在全球變暖加速的背景下，北極地區發生了劇烈的變化，一個“新北極”正在形成[4]。海冰消退是“新北極”最重要的特征，也是“新北極”產生的助推器。為了探尋北極海冰消退的機理，更好地預測未來北極氣候變化，學術界提出一系列可能導致北極海冰消退的因素。綜合目前各種研究發現，北極海冰消退是人類活動、氣候系統內部變率和多個反饋機制共同作用的結果。人類溫室氣體強迫導致北極海冰長期下降的趨勢，而短期內的隨機波動則受大尺度的海氣環流調控，各種輻射反饋機制進一步放大了這種趨勢和波動。

盡管上述機制對于理解北極海冰消退具有重要意義，但詳細認識這些機制并不容易，因為其涉及高-低緯過程、海-冰-氣相互作用和多重互饋機制等。對于這些過程，我們大部分并不太了解。例如，增加的極地大氣水汽是導致海冰消融的一個重要驅動因素，但這些水汽主要源自當地蒸發還是低緯大氣向極輸送，我們并不清楚[50,57]。另外，針對一些機制，不同研究之間仍存在大的爭議。例如，有研究認為北大西洋經向翻轉流(AMOC)增強可導致輸送至極地的北大西洋暖水增多，從而加速海冰消融[43,57-58]，但觀測證據表明，隨著北極海冰的消融，AMOC在20世紀初開始呈顯著減弱趨勢[59-60]，因此，AMOC更可能是北極海冰消融導致的結果，而非驅動因素[7,9]。其他一些過程，如大氣氣溶膠[61]、低緯植物生理過程[62]等也可以通過影響北極地區能量平衡而對海冰消融產生影響。針對上述問題，未來的研究工作不僅要深入認識影響北極海冰消退的不同過程以及它們之間的內在關聯，更要量化和對比這些過程對北極海冰消退的貢獻，只有這樣才能系統地揭示北極海冰消退的機理，提高對北極海冰的預測精度，為應對北極和全球氣候變化提供科學依據。

(2021年7月1日收稿)■