南极海冰减少与南大洋层结减弱的复合驱动因子

《SCIENCE ADVANCES》：Compound drivers of Antarctic sea ice loss and Southern Ocean destratification

　　

南极海冰范围自2015年开始减少，并在2023年达到了自20世纪70年代观测记录以来的最小值。为诊断这次减少的驱动因子，研究人员分析了一个基于观测约束的海冰-海洋模型（2013-2023年），并识别出海冰退缩的三个不同阶段。首先，增强的西风通过增加暖、咸的环极深层水（Circumpolar Deep Water, CDW）的上涌，为南大洋创造了前提条件。其次，2015-2016年的强风增强了CDW向上混合进入上层海洋，从而引发了海冰减少，特别是在东南极洲。第三，CDW向表层持续的混合，加上向赤道方向输出的海冰衍生淡水减少，维持了前所未有的低海冰状态。东南极洲的海冰减少主要是由增强的CDW向上通量驱动的，而西南极洲的海冰减少也受到长波辐射通量异常的影响。研究结果表明，在人为强迫下持续的有利于上涌的条件可能会将南大洋推入一个长期的低海冰状态。

论文主体内容解读

一、 研究背景、问题与目的

南极海冰是全球气候系统的重要组成部分，调控着南大洋的反照率、经向翻转环流、水团变性、海洋热量与碳吸收、海洋热含量及生物生产力。自20世纪70年代以来，南极海冰范围曾呈现轻微增加趋势，但在2015年后经历了持续的负异常，并于2023年观测到有记录以来的最低冬季和夏季海冰范围（Sea Ice Extent, SIE）。这种从历史高位到历史低位的快速转变是当前地球系统中最显著的气候变化之一，可能加速全球变暖，并扰乱南大洋热量和碳封存的传统路径。尽管已有多种假设试图解释海洋和大气在近期海冰减少中的作用，但其确切机制仍存在不确定性，气候模型在模拟观测到的变率方面也存在困难。为了阐明2013年至2023年期间南极海冰变化的驱动因子，特别是涵盖从历史高点到低点急剧转折的关键时期，本项研究利用了一个涡旋可辨、数据同化的海冰-海洋状态估计——生物地球化学南大洋状态估计（Biogeochemical Southern Ocean State Estimate, SOSE），通过构建海冰体积（Sea Ice Volume, SIV）和保守的上层海洋属性（如热、盐）的收支，旨在识别海冰损失的关键因子，评估其强迫机制及潜在的因果事件序列。本研究成果以“Compound drivers of Antarctic sea ice loss and Southern Ocean destratification”为题，发表于《SCIENCE ADVANCES》期刊。

二、 关键技术方法概述

本研究主要依赖于南大洋生物地球化学状态估计（SOSE）模型。该模型基于MITgcm（麻省理工学院通用环流模型），采用伴随法进行数据同化，水平分辨率为1/6°，垂直有52层，覆盖2013-2023年。它同化了阿尔戈（Argo）浮标和标记海豹的现场水文剖面、遥感海面高度、海面温度及海冰浓度等数据，通过调整边界强迫和初始条件进行同化，从而保持了守恒量的收支平衡。大气参数采用ERA5（欧洲中期天气预报中心第五代再分析）场驱动。海冰模型描述了冰的粘塑性流变学及其生长的热力学过程。研究区域限定在50°S以南，并将南极分为东南极洲（E Ant， 60°W 至 150°E）和西南极洲（W Ant， 150°E 至 60°W）两大区域进行分析，并进一步区分为大陆架（水深<3000米）和架外区域。通过计算上层海洋（0-100米）的温度、盐度及海冰体积的详细收支预算，分离了各项贡献（如垂向/水平平流、垂向扩散、表面通量），并结合ERA5再分析数据评估了表面热通量和风场的长期变化趋势，以揭示驱动海冰变化的多尺度物理过程。

三、 研究结果

1. 南大洋水文演变概览

基于SOSE的水文分析显示，2013-2016年期间，东南极洲上层海洋（100米以上）存在冷、淡异常，而次表层（100米以下）则存在暖异常。2015年中期之后，东南极洲上层海洋迅速转变为暖、咸状态，并伴随溶解氧（DO）消耗和溶解无机碳（DIC）增加，这些是环极深层水（CDW）的特征信号，表明CDW在近表层海洋的存在增加。西南极洲的水文演化则更为复杂，其上层海洋在2013-2015年呈冷异常，2016-2020年转为暖异常，之后再次变冷；盐度则在2013-2019年偏咸，2020年后转为偏淡。

2. 南极海冰范围和体积异常

卫星观测和SOSE均显示，2016年后东南极洲和西南极洲均持续出现负海冰范围（SIE）异常。海冰体积（SIV）预算分析表明，东南极洲架外区域的海冰体积损失主要是由净热力学海冰生产（SIP，即生长减去融化）的下降驱动的，而海冰平流和辐散（AD）只能部分抵消这一下降。在西南极洲，2016-2020年间的低SIV是低SIP和低AD共同作用的结果，且其架外区域的海冰体积在2021年后有所恢复，这与东南极洲持续的低SIV状态形成对比。

3. 南大洋上层海洋增温

温度收支分析揭示了东南极洲和西南极洲上层海洋增温机制的不同。在东南极洲，上层海洋从2015年中开始增温，其早期和持续的主要驱动力是垂向混合（Diff_v），它将次表层的热量带入混合层。而表面热通量（不包括短波辐射）在海冰减少后（2016年初起）转为负异常（向大气失热增加），短波通量则在2015年海冰开始减少后才转为正异常，起到了加剧作用。在西南极洲，增温（2015年开始，2017-2020年达到峰值）主要由增强的向下长波辐射驱动，这与云量增加相关，而垂向混合仅在特定年份贡献增温。来自ERA5的数据证实了这种区域性差异：东南极洲在海冰减少时短波通量通常为正异常，而西南极洲在2016/2017和2019/2020年夏季海冰减少时，短波通量却为负异常，长波通量为正异常，这与增强的ZW3（Zonal Wave-3）型态驱动的暖湿亚热带气团向极输送有关。

4. 南大洋上层海洋盐度与层结变化

在南大洋亚极地海域，层结主要由盐度控制。东南极洲上层海洋在2013-2015年呈现淡异常，随后盐度升高，层结（用0米与240米处的位势密度差Δσ表示）减弱。盐度预算表明，早期的盐度增加最初由垂向平流（adv_v，反映CDW层抬升）驱动，随后垂向扩散（diff_v）在2015-2016年也贡献了盐度增加。水平平流在2015-2016年也促进了盐化。表面通量项的变化与海冰生产（SIP）的变化密切相关，2013-2014年正异常（因SIP增强导致排盐），2015-2016年负异常（因SIP减少导致淡化），2016年后又转为正异常（与向赤道的海冰衍生淡水输出减少有关）。西南极洲上层海洋初始偏咸，但在2016年后逐渐淡化，并伴随层结增强。其淡化主要由持续的垂向平流负异常解释，与2014-2021年间该区域表面应力旋度减弱相符。

5. 盐度与层结变化的表面应力强迫

将盐度收支的垂向和水平平流项与SOSE中的表面应力（风力和海冰漂移的综合效应）对比发现，在东南极洲，2013-2017年增强的表面应力旋度（气旋性）与盐度的正垂向平流异常相关，促进了盐化和CDW上涌。水平盐度平流也与东向应力（西风）的强度变化协同。长期趋势（1970-2023年ERA5风场）显示，南大洋亚极地海域的风应力旋度和西风均呈现长期增强趋势，这加强了从次表层向上输送热量和盐分的过程。

6. 综合（Synthesis）

研究人员将变化综合为三个不同的阶段：P1（2013年中-2014年）、P2（2015-2017年）和P3（2018-2023年）。P1阶段，东南极洲上层海洋偏淡，符合增强的向赤道海冰淡水输出导致的表层稳定化（与Haumann等人机制一致）。P2阶段，海冰开始减少，垂向平流和扩散增加了上层海洋的热量和盐分，这与“双时间尺度假说”的长期响应预期一致，并引发了海冰损失。P3阶段，海冰减少本身通过降低向架外区域的淡水（海冰）输入，导致表面通量产生盐化效应，这相当于逆转了Haumann等人的机制，从而维持了低海冰状态。

四、 讨论与结论总结

讨论：

研究表明，近年来的南极海冰减少是多种驱动因子在三个阶段共同作用的复合结果。东南极洲的海冰损失主要是由来自CDW的次表层热量通过抬升和混合引发的，而西南极洲的损失则与ZW3型增强导致云量增加、进而增强向下长波辐射有关。两个区域的风强迫模式存在纬向不对称性，导致了上层海洋盐化过程的差异。自20世纪80年代以来，南大洋亚极地海域风力气旋性和西风的长期增强趋势，以及CDW层的长期抬升和次表层热量累积，为2016年以来的海冰急剧减少创造了背景条件。未来的南极海冰演变将取决于风力驱动的上涌和海洋层结减弱与淡水输入导致的表层再层结之间的平衡。尽管气候模型在准确模拟这些复杂过程方面仍有挑战，但在温室气体排放和臭氧空洞的影响下，有利于上涌的条件（如增强的SAM）可能持续，从而可能将南大洋锁定在一个持久的低海冰状态。

研究结论翻译：

近期南极海冰减少是多种驱动因子复合作用的结果，这些因子在三个不同的阶段依次发挥作用。首先，增强的西风通过增加暖、咸的环极深层水（CDW）的上涌，为南大洋创造了前提条件。其次，2015-2016年的强风增强了CDW向上混合进入上层海洋，从而引发了海冰减少，特别是在东南极洲。第三，CDW向表层持续的混合，加上向赤道方向输出的海冰衍生淡水减少，维持了前所未有的低海冰状态。东南极洲的海冰减少主要是由增强的CDW向上通量驱动的，而西南极洲的海冰减少也受到长波辐射通量异常的影响。研究结果表明，在人为强迫下持续的有利于上涌的条件可能会将南大洋推入一个长期的低海冰状态。