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为探究南极海冰自 2014 年急剧减少的原因，研究人员开展 “太平洋年代际海表面温度（SST）变化对南极海冰减少趋势影响” 的研究。结果发现，类似拉尼娜的太平洋年代际 SST 变化是主要驱动因素，该研究对理解南极海冰变化机制意义重大。
研究背景
在地球的南端，南极海冰如同一块巨大的白色拼图，其面积的变化牵动着全球气候的 “神经”。长期以来，南极海冰的变化规律一直是气候研究领域的焦点。从 1979 - 2014 年，南极海冰的总面积呈现出缓慢增长的趋势，然而，自 2014 年达到峰值后，情况急转直下，海冰面积急剧下降，在 2016 年末更是降至历史新低。此后，海冰面积持续处于极低水平，到 2023 年中期又创下新的历史最低记录。这种异常变化引发了科学界的广泛关注，因为南极海冰不仅对南极地区的生态系统至关重要，还在全球气候系统中扮演着关键角色，它影响着海洋环流、大气温度和全球海平面等多个方面。
面对南极海冰的这种变化，科学家们迫切想要弄清楚：究竟是什么因素导致了南极海冰如此剧烈的减少？此前的研究虽然提出了一些可能的原因，如南大洋的变暖、大气环流的变化等，但这些因素之间的相互关系以及它们在海冰减少过程中的相对重要性仍不明确。因此，开展新的研究，深入探究南极海冰减少的机制，成为了气候研究领域的当务之急。
为了揭开这一谜团，来自复旦大学、中国科学院南海海洋研究所等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解南极海冰的变化提供了新的视角和重要依据。
研究方法
研究人员运用了多种关键技术方法来开展此项研究。首先，他们收集并分析了多种观测数据集，包括利用被动微波卫星数据和自举算法得出的每月海冰浓度（SIC）数据 、ERA5 再分析的海平面气压（SLP）、850 hPa 风的 u 和 v 分量（UV850）等数据、扩展重建海表面温度（ERSSTv5）数据集等。其次，利用社区地球系统模型（CESM1.2）进行了两组 100 年的耦合起搏器模拟实验，即 PACTrend 和 GLTrend 实验，通过添加观测到的太平洋和全球海洋 SST 趋势异常，来研究其对大气环流和海冰变化的影响。此外，还分析了耦合模式比较计划第 6 阶段（CMIP6）的多模型集合平均数据，以评估辐射强迫对海冰和大气响应的影响。
研究结果
- 观测到的大气强迫对海冰减少的影响：在 2013 年 6 月至 2023 年 5 月期间，大气环流的变化主导了南大洋表面空气温度（SAT）和海冰浓度（SIC）的十年趋势。阿蒙森海低压（ASL）加深，以及威德尔海和西南太平洋的高海平面气压异常，通过向北的暖平流导致了南大洋的 SAT 变暖趋势，进而造成海冰减少。例如，在南半球春季和夏季，威德尔 - 别林斯高晋海地区的 SIC 显著负趋势与表面温度的大幅正趋势以及暖西北气流相关。同时，热带太平洋降雨趋势呈现出与拉尼娜相关的偶极子模式，这也影响了大气环流的变化。
- 太平洋和全球年代际 SST 趋势对海冰减少的模拟影响：在 PACTrend 实验中，太平洋年代际 SST 趋势能够显著驱动大气环流变化，再现了观测到的 SLP 和 UV850 趋势的主要特征，如增强的 ASL 和威德尔海及西南太平洋的正 SLP 异常。但在某些季节，模拟结果与观测存在差异，如 JJA 季节 ASL 加强的中心位置不同。GLTrend 实验添加全球 SST 趋势后，模拟的大气响应与太平洋 SST 趋势的响应相似，但 ASL 加强的响应在某些季节略有增强。该实验更好地捕捉了南极海冰浓度下降的空间和季节模式，模拟的海冰减少信号比 PACTrend 实验更强。研究还发现，太平洋年代际 SST 变化通过热带 - 极地遥相关，导致了南大西洋和印度洋 SST 变暖以及南大洋次表层变暖。
- 太平洋和次表层强迫对海冰减少的复合影响：增强的 ASL 本应增加海冰范围，但实际观测中在某些季节海冰并未增加，这是因为次表层海洋变暖抵消了 ASL 增强带来的海冰增加效应。而在威德尔 - 别林斯高晋海、印度洋和西太平洋地区，大气变化和海冰减少趋势因南大洋次表层变暖而增强。此外，风应力旋度（WSC）的负趋势与异常西风相关，导致南极周围更多的暖次表层水上升，也促进了海冰减少。不过，两个起搏器实验对一些大气和海洋信号的模拟存在低估，这使得模拟的海冰减少趋势比观测值弱。同时，研究发现人为辐射强迫对南极海冰范围减少的贡献较小，约占总减少量的 12%。
研究结论与讨论
综合研究结果，研究人员得出结论：类似拉尼娜的太平洋年代际 SST 变化是南大洋大气环流变化、南大西洋和印度洋 SST 变暖的主要驱动因素，对南大洋次表层变暖以及南极海冰减少有显著贡献。这种影响通过热带 - 极地遥相关实现，且至少 40% 的观测到的南极海冰年减少量可归因于太平洋及相关的大西洋和印度洋年代际 SST 变化，以及热带大西洋 SST 变暖。这些因素共同作用，加剧了南大洋次表层变暖对南极海冰减少的影响，解释了近年来南极海冰急剧减少的现象。
2023 年，南极海冰覆盖率创下历史新低，这表明南极海冰进入了一个新的低范围状态，可能意味着南极海洋 - 冰 - 大气系统发生了 regime shift（状态转变） 。研究还发现，近期南极海冰变化的可预测性有所增加，这可能与对 SST 和次表层温度异常的缓慢滞后响应有关。从长期来看，自 20 世纪 50 年代以来，南大洋次表层变暖在很大程度上归因于人为强迫。而太平洋年代际 SST 趋势在近十年也通过改变次表层海洋热通量、平流和 Ekman 抽吸效应，显著促进了南大洋次表层变暖。预计未来，这种次表层变暖将继续推动南极海冰进入更低冰量的状态。
这项研究的意义重大，它为我们深入理解南极海冰变化的机制提供了关键线索，有助于我们更准确地预测南极海冰的未来变化趋势，为应对气候变化提供科学依据。同时，也为进一步研究全球气候系统中海洋 - 大气 - 冰之间的相互作用奠定了基础，对全球气候变化的研究和应对具有重要的指导意义。
