近日，国际著名期刊PNAS以“Atmospheric forcing dominates winter Barents-Kara sea ice variability on interannual to decadal timescales”为题在线发表了我室刘忠方教授与合作者研究成果，揭示了大气强迫在北极冬季海冰消融过程中的主导作用。
2022年夏季，极端热浪席卷了北半球多个国家和地区，从东亚、北美到欧洲都经历了破记录的持续高温，就连寒冷的北极也未能幸免，出现了32℃以上的高温。气候变化正在改变着我们赖以生存的星球，特别是在北极地区，加速变暖导致这里的海冰正在以过去千年来前所未有的速率消退。据卫星观测，自1979年以来，北极夏季海冰覆盖范围减少了40%，预计到本世纪中叶或更早，北极将面临夏季无冰的状况。由于海冰的加速消退，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”。“新北极”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。
相对于夏季海冰变化，学术界和社会公众对冬季海冰的关注普遍较少，主要是因为其变化和趋势均很小，但是，这种状况自本世纪开始正悄然发生改变。卫星观测显示，北极冬季海冰自2005年开始迅速减少，特别是在巴伦支海—喀拉海(BKS)地区，其减少速率几乎与夏季相当，贡献了超过1/3的北极冬季海冰变化，成为整个北极冬季消融最快、增温最强的热点区域。什么原因导致了BKS的海冰消退呢？最近的研究认为海洋与大气环流扮演着重要角色，但这二者分别的影响强度存在巨大争议。
图1. (A) 冬季海冰密集度（SIC）线性趋势; (B) 北大西洋暖水输送通量(OHT)与BKS SIC距平时间序列; (C) 大气环流距平 (Z300)相于BKS SIC指数的回归; (D) BKS SIC与Z300距平时间序列
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图2. 观测(A)与模拟(B)的SIC对大气环流(Z300)响应; (C) 观测的BKS SIC与Z300距平时间序列; (D) 观测与模拟的BKS SIC距平时间序列; (E) 模拟的BKS SIC与Z300距平时间序列
针对上述问题，刘忠方与合作者利用卫星观测、海洋与大气再分析数据及数值模拟发现，大气强迫主导了北极冬季海冰消融，解释了一半以上的年际海冰变化（图1和2）。在北半球冬季，欧亚海盆受持续增强的反气旋环流控制（图1C），扩大了该地区的热量和水汽输送，导致气温和向下的长波辐射增加，加速了海冰消融（图3）。在未来变暖背景下，该反气旋环流将会持续增强，进一步加剧北极海冰消融。该项研究厘清了大气与海洋过程对冬季海冰消融的相对贡献，以及海冰消融与大气环流的因果关系，同时，解释了北极放大效应背景下中纬度地区产生极端天气和气候事件的原因。
图3. 观测（A-C）与模拟(D-F)的热力过程对大气环流(Z300)响应. (A与D) 热量输送与温度;（B与E）水汽输送与湿度; (C与F) 向下的长波辐射
论文第一和通讯作者均为同济大学海洋地质国家重点实验室刘忠方教授，合作单位包括法国索邦大学、中山大学、新加坡国立大学、美国密歇根大学、中科院大气所、自然资源部第二海洋研究所和美国犹他大学。该项研究得到国家自然科学基金面上项目与杰出青年基金资助。
全文链接：http://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2120770119