北極海冰消退及其主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制

劉忠方

同濟(jì)大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院，海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092

作為地球氣候系統(tǒng)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(jù)IPCC氣候模式預(yù)測(cè)，到21世紀(jì)中期，北極海域?qū)⒚媾R夏季無(wú)冰的狀況[1-2]，而實(shí)際狀況比預(yù)測(cè)的還要糟。根據(jù)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，如果北極海冰維持現(xiàn)在的消退速率，這種夏季無(wú)冰的狀況可能會(huì)提前到21世紀(jì)30年代[3]。由于海冰的加速減少，北極正在進(jìn)入一種全新的氣候狀態(tài)，科學(xué)家將其稱(chēng)之為“新北極”[4]?！靶卤睒O”的出現(xiàn)不僅改變了北極地區(qū)的生態(tài)和環(huán)境，還通過(guò)大尺度的海氣環(huán)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(xué)術(shù)界和社會(huì)公眾的廣泛關(guān)注。為了尋求其加速消退的原因，學(xué)術(shù)界提出了不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。本文對(duì)近年來(lái)有關(guān)北極海冰消退及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究進(jìn)行了簡(jiǎn)要綜述。

1 北極海冰時(shí)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(jié)變化：北半球夏季時(shí)，由于太陽(yáng)輻射加強(qiáng)，氣溫升高，海冰開(kāi)始消融，海冰覆蓋面積持續(xù)減小，并在9月份達(dá)到年度最低值(約7×106km2)；此后，隨著極夜的到來(lái)，海冰不斷增長(zhǎng)，在次年的3月份達(dá)到最大值(約15×106km2)[10]。長(zhǎng)期以來(lái)，北極海冰變化一直保持著這樣相對(duì)穩(wěn)定的軌跡，周而復(fù)始、循環(huán)往復(fù)。然而，從20世紀(jì)中期開(kāi)始，這種節(jié)奏悄然發(fā)生了改變，全球變暖導(dǎo)致北極地區(qū)迅速升溫，延長(zhǎng)了海冰的消融期，推遲且縮短了凍結(jié)期，導(dǎo)致海冰的覆蓋范圍和厚度急劇下降。衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)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(guò)去近1 500年來(lái)所未有(圖1)[12]。特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，北極海冰消退的速率大大超出人們的預(yù)期，覆蓋面積屢創(chuàng)新低，截至2020年9月，北極海冰覆蓋范圍為374萬(wàn)km2，僅略高于2012年的歷史最低值(334萬(wàn)km2)，約為1979—2000年平均值(670萬(wàn)km2)的一半[13]。據(jù)IPCC氣候模式預(yù)測(cè)，到21世紀(jì)中期，北極海域恐將面臨夏季無(wú)冰的狀況[1-2]。實(shí)際上北極海冰的消退比大多數(shù)氣候模式預(yù)測(cè)的還要快，如果以衛(wèi)星觀測(cè)的消融速率推算，夏季無(wú)冰的狀況可能會(huì)提前到21世紀(jì)30年代[3]。

圖1 過(guò)去1 450年以來(lái)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(shí)空差異。美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心(NSIDC)提供的海冰密集度數(shù)據(jù)顯示，在1979—2016年期間，夏季海冰減少最快的地區(qū)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(qū)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(shí)間上來(lái)看，兩個(gè)季節(jié)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(jì)90年代中期開(kāi)始加速消退，最低值發(fā)生在2007年(圖2(c))；而冬季海冰則自2000年開(kāi)始加速消退，最低值發(fā)生在2012年(圖2(d))。

圖2 衛(wèi)星觀測(cè)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(shì)(單位：%/10 a)：(a, b)空間變化；(c, d)最大消融區(qū)年際變化及線性趨勢(shì)。 (a)和(b)中綠線包圍區(qū)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(qū)，“+”區(qū)域表示通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)

2 主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制

2.1 溫室氣體強(qiáng)迫

據(jù)美國(guó)夏威夷MLO站觀測(cè)數(shù)據(jù)，2021年大氣中CO2濃度為420 ppm(1 ppm=10-6)，比工業(yè)革命前(280 ppm)增加了50%，但這一增長(zhǎng)主要發(fā)生在過(guò)去的60年里。持續(xù)增加的CO2濃度導(dǎo)致全球增溫，特別是在北極地區(qū)，其增溫速率超過(guò)全球平均速率的兩倍，出現(xiàn)所謂的“北極放大效應(yīng)”[14]。北極海冰消退主要發(fā)生在20世紀(jì)中期以后(圖1)，這與CO2排放導(dǎo)致的全球變暖和北極放大現(xiàn)象一致，因此，學(xué)術(shù)界認(rèn)為CO2可能是導(dǎo)致北極海冰消退的主要原因。最近的研究發(fā)現(xiàn)，北極海冰消融與人為CO2排放存在很好的線性關(guān)系[15]：人類(lèi)每排放1 t的CO2，會(huì)導(dǎo)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(lèi)再向大氣排放10 000億t的CO2將可能導(dǎo)致北極夏季海冰在未來(lái)20～25年內(nèi)消失殆盡。這意味著，即使我們按照《巴黎協(xié)定》達(dá)成的共識(shí)，平均增溫幅度維持在2℃以內(nèi)(允許再排放10 000億t的CO2)，也無(wú)法挽救北極夏季海冰即將消失的事實(shí)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證海冰消融與CO2排放的關(guān)系，該研究還對(duì)第5次耦合模式比較計(jì)劃(CMIP5)中的36個(gè)氣候模式進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了相似的線性關(guān)系，但氣候模式卻明顯低估了CO2排放對(duì)北極海冰消融的影響(每排放1 t的CO2導(dǎo)致海冰減少約1.75 m2)。這種低估表明，除人類(lèi)溫室氣體排放引起的全球變暖導(dǎo)致北極海冰消退外，還有其他機(jī)制在起作用[16-17]。

2.2 大氣環(huán)流

北極海冰不僅存在長(zhǎng)期減少的趨勢(shì)，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(lái)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(tǒng)內(nèi)部變率的影響[14,18]，特別是大尺度的大氣環(huán)流，它們可以通過(guò)多個(gè)熱力和動(dòng)力過(guò)程導(dǎo)致北極海冰消退[19-23]。

早期的研究發(fā)現(xiàn)，北極海冰消融可能與北大西洋濤動(dòng)(North Atlantic Oscillation, NAO)和北極濤動(dòng)(Arctic Oscillation, AO)異常有關(guān)。在20世紀(jì)80年代至90年代中期，持續(xù)上升的NAO/AO指數(shù)(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(shù)開(kāi)始下降，并逐漸趨于正常，但北極海冰的消融并沒(méi)有減速[24,28]。Wu等[29]將其歸結(jié)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(cè)低壓加強(qiáng)，而北美一側(cè)高壓加強(qiáng)，這一方面導(dǎo)致北極海冰向東經(jīng)過(guò)弗拉姆海峽流入北大西洋，另一方面加強(qiáng)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(rèn)為，北極海冰減退主要受極地反氣旋環(huán)流控制，其貢獻(xiàn)了30%～60%的夏季海冰消退[19,22,31]。例如，Liu等[22]發(fā)現(xiàn)，西北冰洋地區(qū)的反氣旋環(huán)流同太平洋-北美型遙相關(guān)(Pacific North American, PNA)密切相關(guān)，持續(xù)上升的PNA趨勢(shì)加強(qiáng)了西北冰洋地區(qū)的反氣旋環(huán)流(圖3(a)～(c))，其一方面通過(guò)下沉氣流產(chǎn)生的絕熱增溫加劇了北極變暖，另一方面通過(guò)北太平洋地區(qū)向極的熱量和水汽輸送增加了該地區(qū)的溫度和濕度，而上升的溫度和濕度又增強(qiáng)了向下的長(zhǎng)波輻射(圖3(d)～(f))，最終加速了該地區(qū)的海冰消融。盡管這些環(huán)流代表北半球不同的大氣模態(tài)，但它們?cè)诒睒O地區(qū)具有相似的空間特征，在物理機(jī)制上也存在相互關(guān)聯(lián)[32]，均可以通過(guò)熱力過(guò)程加速北極海冰消退。

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

除了上述熱力過(guò)程外，大氣環(huán)流通過(guò)動(dòng)力過(guò)程對(duì)北極海冰的影響也不可忽視。當(dāng)NAO/AO處于正位相時(shí)期，波弗特反氣旋環(huán)流減弱，中北冰洋海冰流動(dòng)的氣旋性加強(qiáng)，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(jié)構(gòu)有些類(lèi)似于AD負(fù)位相[32]或PNA負(fù)位相[23]的海冰流速場(chǎng)。相反，當(dāng)NAO/AO處于負(fù)位相時(shí)期，波弗特反氣旋環(huán)流加強(qiáng)，引發(fā)東風(fēng)異常風(fēng)，導(dǎo)致更多海冰從北極海盆西部向東部輸送，并通過(guò)弗拉姆海峽流入北大西洋，但輸出量相對(duì)較少[33](圖4(b))。

圖4 北極濤動(dòng)(AO)對(duì)北極海冰輸出的影響：(a)AO正位相時(shí)期；(b)AO負(fù)位相時(shí)期(據(jù)參考文獻(xiàn)[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(qū)動(dòng)因素之一。北冰洋的熱通量一部分來(lái)自太陽(yáng)短波輻射，還有一部分來(lái)自低緯度地區(qū)海洋的向極熱量輸送。北冰洋周邊大部分區(qū)域被北美大陸與歐亞大陸環(huán)抱，其與低緯大洋的連通有兩個(gè)主要通道：西側(cè)通過(guò)白令海峽與太平洋相通，東側(cè)則通過(guò)弗拉姆海峽和巴倫支海與北大西洋相通(圖5)。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，通過(guò)白令海峽進(jìn)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(gè)熱源增加了次表層海水溫度，導(dǎo)致西北冰洋地區(qū)的海冰厚度持續(xù)減小[34-35]。根據(jù)1991—2007年的觀測(cè)記錄，由白令海峽進(jìn)入北冰洋的海洋熱通量在2007年達(dá)到最高值，是導(dǎo)致該年夏季海冰覆蓋面積創(chuàng)記錄低值的一個(gè)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(duì)北極海冰消退的影響有限。

相比之下，北大西洋暖水輸送對(duì)北極海冰消退的影響更為突出，其向北傳輸過(guò)程中，一部分以挪威沿岸流的形式向東穿過(guò)巴倫支海進(jìn)入北冰洋，另一部分則繼續(xù)向北，沿西斯匹茨卑爾根流經(jīng)弗拉姆海峽進(jìn)入北冰洋(圖5)。兩個(gè)分支在喀拉海北部相遇混合[37]，通過(guò)對(duì)流潛沉，在冷而淡的北極表層水下形成一個(gè)中層水[38]，然后沿環(huán)極邊界流輸送到北冰洋各個(gè)海盆。北大西洋暖水厚度可達(dá)數(shù)百米，經(jīng)過(guò)弗拉姆海峽和巴倫支海的年平均流量分別可達(dá)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(guò)中層水的向上熱量傳輸導(dǎo)致北極海冰厚度下降[40-41]。最近的觀測(cè)記錄表明，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，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(guò)去2 000多年來(lái)所未有的[43]，導(dǎo)致歐亞海盆地區(qū)海冰覆蓋減少，分層減弱，垂直混合增加，出現(xiàn)“大西洋化”的趨勢(shì)[42,44]。

圖5 海洋向極熱量輸送對(duì)北極海冰消融的影響(據(jù)參考文獻(xiàn)[58]改繪)

2.4 輻射反饋機(jī)制

北極海冰的加速消退還與一系列復(fù)雜的輻射反饋機(jī)制有關(guān)，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?zhàn)钍荜P(guān)注，主要表現(xiàn)為北極變暖導(dǎo)致海冰覆蓋范圍持續(xù)減少，大量海水出露使得反照率降低，吸收太陽(yáng)短波輻射增加，從而引發(fā)北極放大效應(yīng)并形成正反饋機(jī)制，加速海冰消退。觀測(cè)證據(jù)顯示[45-46]，過(guò)去30年間北極表面反照率大幅度下降，導(dǎo)致吸收到的太陽(yáng)輻射增加約6.4 W/m2，是形成北極放大效應(yīng)、海冰加速消融的重要因素[47-48]。云-輻射反饋包括兩個(gè)相反的方面：一方面通過(guò)反射太陽(yáng)輻射導(dǎo)致極地變冷；另一方面通過(guò)吸收長(zhǎng)波輻射導(dǎo)致大氣溫室效應(yīng)，使得極地變暖。研究表明，除夏季外，云覆蓋對(duì)北極地表總體呈現(xiàn)加熱作用[47]，特別是低云，其變化主要受當(dāng)?shù)睾Ｋ舭l(fā)產(chǎn)生的水汽控制[49]。當(dāng)海冰消融后，海表湍流輸送導(dǎo)致對(duì)流層底部濕度和云量增加，使得向下的長(zhǎng)波輻射增多，從而加速了海冰的消融。因此，在北極地區(qū)，低云和水汽密切相關(guān)，它們通過(guò)溫室效應(yīng)加速海冰消融，形成正反饋機(jī)制[50-51]。最近的觀測(cè)和模擬證據(jù)表明，近40年以來(lái)，北極地區(qū)非消融期的大氣水汽和云量均呈顯著上升趨勢(shì)，進(jìn)一步支持了水汽/云-輻射正反饋機(jī)制在海冰消融過(guò)程中所扮演的角色[52-53]。除此之外，溫度遞減率反饋也被認(rèn)為是導(dǎo)致北極海冰消融的一種重要因素：極地由于缺乏濕絕熱過(guò)程，變暖主要發(fā)生在對(duì)流層大氣底部，從而抑制了向外的大氣長(zhǎng)波輻射，放大了北極升溫使海冰加速消融[54-56]。

3 總結(jié)與展望

在全球變暖加速的背景下，北極地區(qū)發(fā)生了劇烈的變化，一個(gè)“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(chǎn)生的助推器。為了探尋北極海冰消退的機(jī)理，更好地預(yù)測(cè)未來(lái)北極氣候變化，學(xué)術(shù)界提出一系列可能導(dǎo)致北極海冰消退的因素。綜合目前各種研究發(fā)現(xiàn)，北極海冰消退是人類(lèi)活動(dòng)、氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率和多個(gè)反饋機(jī)制共同作用的結(jié)果。人類(lèi)溫室氣體強(qiáng)迫導(dǎo)致北極海冰長(zhǎng)期下降的趨勢(shì)，而短期內(nèi)的隨機(jī)波動(dòng)則受大尺度的海氣環(huán)流調(diào)控，各種輻射反饋機(jī)制進(jìn)一步放大了這種趨勢(shì)和波動(dòng)。

盡管上述機(jī)制對(duì)于理解北極海冰消退具有重要意義，但詳細(xì)認(rèn)識(shí)這些機(jī)制并不容易，因?yàn)槠渖婕案?低緯過(guò)程、海-冰-氣相互作用和多重互饋機(jī)制等。對(duì)于這些過(guò)程，我們大部分并不太了解。例如，增加的極地大氣水汽是導(dǎo)致海冰消融的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)因素，但這些水汽主要源自當(dāng)?shù)卣舭l(fā)還是低緯大氣向極輸送，我們并不清楚[50,57]。另外，針對(duì)一些機(jī)制，不同研究之間仍存在大的爭(zhēng)議。例如，有研究認(rèn)為北大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流(AMOC)增強(qiáng)可導(dǎo)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(cè)證據(jù)表明，隨著北極海冰的消融，AMOC在20世紀(jì)初開(kāi)始呈顯著減弱趨勢(shì)[59-60]，因此，AMOC更可能是北極海冰消融導(dǎo)致的結(jié)果，而非驅(qū)動(dòng)因素[7,9]。其他一些過(guò)程，如大氣氣溶膠[61]、低緯植物生理過(guò)程[62]等也可以通過(guò)影響北極地區(qū)能量平衡而對(duì)海冰消融產(chǎn)生影響。針對(duì)上述問(wèn)題，未來(lái)的研究工作不僅要深入認(rèn)識(shí)影響北極海冰消退的不同過(guò)程以及它們之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，更要量化和對(duì)比這些過(guò)程對(duì)北極海冰消退的貢獻(xiàn)，只有這樣才能系統(tǒng)地揭示北極海冰消退的機(jī)理，提高對(duì)北極海冰的預(yù)測(cè)精度，為應(yīng)對(duì)北極和全球氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。

(2021年7月1日收稿)■