南極海冰變化及其氣候效應(yīng)研究述評(píng)

王今菲，楊清華*，于樂(lè)江，宋米榮，羅昊，施騫，李雪薇，閔超，劉驥平

(1.中山大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院 熱帶大氣海洋系統(tǒng)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 珠海 519082；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東 珠海 519082；3.中國(guó)極地研究中心 自然資源部極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200136；4.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所 大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

1 引言

南極海冰是極地氣候系統(tǒng)的重要組成部分，也是全球氣候變化最為敏感的要素之一。南極海冰影響著大氣和海洋界面的通量（如熱量、動(dòng)量、物質(zhì)等）交換，參與南大洋復(fù)雜的大氣-海冰-海洋相互作用：例如，通過(guò)冰間湖形成過(guò)程中的鹽析作用促進(jìn)底層水的生成[1-2]，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)全球大洋環(huán)流。南極海冰融化和凍結(jié)導(dǎo)致海水溫度、鹽度變化以及繞極深層水位置的調(diào)整，影響了冰架底部融化和海平面升高[3-4]。同時(shí)，海冰能夠反射大部分太陽(yáng)輻射，直接影響南半球高緯度天氣和氣候系統(tǒng)，包括云的形成以及降水形態(tài)，進(jìn)而影響南極冰蓋物質(zhì)平衡及海平面變化[5-6]。同時(shí)，南極海冰對(duì)南大洋生物地球化學(xué)過(guò)程也極為重要[7]，其季節(jié)性生消會(huì)影響到磷蝦、企鵝、海豹和鯨等諸多生物構(gòu)成的南極生態(tài)系統(tǒng)[8-9]。然而，受制于極端惡劣的天氣氣候環(huán)境，南大洋冰區(qū)是目前地球上觀測(cè)最少的地區(qū)之一，人類對(duì)此區(qū)域的了解甚至尚不能完全保障船舶的安全航行。2014 年1 月，俄羅斯“紹卡利斯基院士”號(hào)科考船受困南極浮冰區(qū)，前去救援的“雪龍”船在成功解救俄羅斯科考船后，受南大洋強(qiáng)氣旋所致的海冰快速堆積的影響，也一度受困浮冰區(qū)[10]；2019 年1 月，突發(fā)大霧天氣導(dǎo)致“雪龍”船無(wú)法準(zhǔn)確分辨出冰山和海冰，使其在南極阿蒙森海域碰撞冰山，“雪龍”船局部受損，并影響到后續(xù)科考任務(wù)的執(zhí)行。這些意外事件直接反映了目前我們對(duì)南極海冰的認(rèn)知水平仍非常有限。

全球變化背景下，南極和北極海冰呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。近40 年來(lái)，與北極海冰的快速減少相反，南極海冰范圍先是呈現(xiàn)出穩(wěn)定的緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)[11-12]，9 月海冰范圍在2012 年、2013 年和2014 年不斷刷新最高值紀(jì)錄，但截至2017 年，整個(gè)南極地區(qū)的海冰范圍變化僅在秋季才具有統(tǒng)計(jì)顯著性，且羅斯海海冰面積的增加趨勢(shì)最顯著[13-14]。隨后南極海冰又迅速減少[15-16]，夏季海冰范圍在2017 年降到歷史最低值（圖1）。海冰面積不斷達(dá)到最小值，使得羅斯海的增加趨勢(shì)在統(tǒng)計(jì)上也不再顯著[14]。針對(duì)海冰的突變減少，盡管有研究從季節(jié)尺度變化進(jìn)行了分析[15-18]，但目前仍無(wú)法確認(rèn)這究竟是一次短暫的異常事件還是南極海冰長(zhǎng)期減退趨勢(shì)的開端[19]。此外，南極海冰的變化趨勢(shì)還表現(xiàn)出顯著的區(qū)域性和季節(jié)性變化特征[20-21]。在融化期，羅斯海和威德爾海海冰范圍呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，而阿蒙森-別林斯高晉海海冰范圍則呈現(xiàn)減小趨勢(shì)（即偶極子變化趨勢(shì)）[11,20]；南極海冰季節(jié)性變化周期高度一致，且呈現(xiàn)非對(duì)稱性特征，即緩慢生長(zhǎng)但快速融化[21]。兩極海冰受自然變異和人類活動(dòng)的控制和影響顯著不同，可能是因?yàn)閮蓸O的地理差異導(dǎo)致大氣-海冰-海洋相互作用的不同[14]。Nature期刊于2017 年發(fā)表了題為《破解南極海冰之謎（Solve Antarctica’s Sea-ice Puzzle）》的評(píng)論文章，呼吁國(guó)際學(xué)界加強(qiáng)對(duì)南極海冰的協(xié)同研究[22]。

圖1 1979-2020 年南、北極海冰范圍異常的時(shí)間序列（相比1981-2010 年氣候態(tài)異常平均而言）Fig.1 Time series of Arctic and Antarctic sea ice extent anomaly from 1979 to 2019 compared with the climatology from 1981 to 2010

南極海冰的變化具有氣候效應(yīng)，能夠影響南極冰蓋物質(zhì)平衡，進(jìn)而影響海平面變化[5-6]。全球變化背景下，預(yù)計(jì)南極冰蓋質(zhì)量將持續(xù)損失[23]，冰蓋表面融化期加長(zhǎng)，冰架崩塌更易出現(xiàn)。同時(shí)，南極冰蓋邊緣在加速變薄，使南極冰蓋可能成為21 世紀(jì)全球海平面上升的最大貢獻(xiàn)者[24-25]。積雪和溫度是影響南極冰蓋的重要因素，已有研究多側(cè)重南半球大氣環(huán)流對(duì)南極海冰整體極端分布的影響，但前人很少關(guān)注南極海冰的變化對(duì)南極大陸上空的降雪和溫度進(jìn)而對(duì)南極冰蓋產(chǎn)生怎樣的影響。

目前針對(duì)南極海冰變化的研究，主要是基于海冰密集度數(shù)據(jù)及由此得到的海冰范圍。相較于南極海冰密集度和范圍，海冰厚度或體積更能代表海冰的物質(zhì)平衡，其變化信息對(duì)我們量化分析全球變化背景下南極不同區(qū)域海冰的響應(yīng)尤為關(guān)鍵。由于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)有限，長(zhǎng)期海冰厚度數(shù)據(jù)的獲取主要依賴于衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)。但由于南極表面積雪較厚、分布復(fù)雜，且夏季積雪變質(zhì)導(dǎo)致雪的介電性質(zhì)受到影響，衛(wèi)星遙感觀測(cè)到的冰厚存在很大偏差[26-27]。數(shù)值模式的模擬，可彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的南極海冰厚度的不足，然而大多數(shù)CMIP5 和CMIP6 氣候模式無(wú)法模擬出南極海冰范圍的增長(zhǎng)趨勢(shì)[28-29]（圖2），特別是南極不同海域的海冰變化差異。這反映出氣候模式對(duì)南極海冰的模擬能力有限，其海冰厚度或體積的模擬結(jié)果存在很大的不確定性。在大氣再分析資料驅(qū)動(dòng)的海冰-海洋耦合模式中引入資料同化，可有效改善對(duì)南極海冰厚度和體積變化的估計(jì)。如通過(guò)在海冰-海洋耦合模式中同化海冰密集度觀測(cè)，Massonnet 等[30]給出了1990-2008 年南極海冰體積總體增加的變化趨勢(shì)，但由于未引入冰厚的觀測(cè)信息，其海冰厚度的結(jié)果仍存在很大的不確定性[31]?？傮w而言，國(guó)際上尚缺少對(duì)南大洋及其局部區(qū)域海冰厚度變化的連續(xù)、可靠估計(jì)，這嚴(yán)重制約了南極海冰及相關(guān)氣候變化研究工作的開展。

圖2 1979-2014 年南極海冰密集度變化趨勢(shì)（引自文獻(xiàn)[29]中圖4）Fig.2 The trend of Antarctic sea ice concentration from 1979 to 2014 (this figure is cited from Fig.4 in reference [29])

本文從南極海冰范圍變化、厚度變化及海冰變化引起的氣候效應(yīng)3 個(gè)方面綜述了國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究進(jìn)展，科學(xué)認(rèn)知南極海冰前沿成果的研究水平，指出當(dāng)前需要攻克的難題，推動(dòng)南極海冰相關(guān)研究的發(fā)展。

2 南極海冰范圍變化

被動(dòng)微波遙感傳感器（如SMMR、SSM/I、SSMIS、AMSR-E 和AMSR2）可對(duì)南極海冰密集度和覆蓋范圍開展有效的衛(wèi)星遙感探測(cè)。目前國(guó)際上有多種基于被動(dòng)微波的極地海冰密集度產(chǎn)品，覆蓋時(shí)段為自1978 年10 月至今。然而，被動(dòng)微波傳感器對(duì)精細(xì)尺度的浮冰、水道和冰緣[32]的探測(cè)仍然存在一定的誤差。同時(shí)，由于傳感器的壽命有限，海冰密集度資料通常由多種傳感器的觀測(cè)結(jié)果組合而成[33]，這些傳感器的探測(cè)能力各不相同，且它們的重合期很短。此外，在海冰密集度反演過(guò)程中應(yīng)用不同的算法也會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果[34]。已有研究對(duì)不同海冰密集度產(chǎn)品及算法進(jìn)行了系統(tǒng)性比較[34-35]，發(fā)現(xiàn)這些算法都低估了冰厚小于35 cm 的海冰密集度[34]，且海冰密集度最大的不確定性位于海冰邊緣區(qū)。Hobbs 等[19]比較了基于4 種反演算法的南極海冰密集度數(shù)據(jù)，包括NASA Team 算法[36]、新舊Bootstrap 算法[37-38]、融合算法[39]，發(fā)現(xiàn)除舊版本的Bootstrap 算法外，其余算法顯示的海冰范圍年變化基本一致。

基于1978 年以來(lái)連續(xù)40 年的南極海冰密集度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，國(guó)際上已開展了較多的針對(duì)南極海冰范圍變化的研究。前人研究指出，造成南極海冰范圍長(zhǎng)期變化的因素主要有大氣環(huán)流異常、海洋熱通量變化和人類活動(dòng)[14,19,21]。其中，大氣環(huán)流異常對(duì)南極海冰范圍的長(zhǎng)期趨勢(shì)和年際變化有著重要影響。以下節(jié)將從上述3 個(gè)方面展開討論。

2.1 大氣環(huán)流異常

在南極海冰范圍長(zhǎng)期變化趨勢(shì)方面，Liu 等[40]和Yu 等[41]發(fā)現(xiàn)南半球環(huán)狀模（Southern Annular Mode,SAM）指數(shù)正的趨勢(shì)下，別林斯高晉海和南極半島海區(qū)的海冰密集度減小，其他海區(qū)的海冰密集度增大。但是Ferreira 等[42]注意到SAM 正位相在前期導(dǎo)致南極海冰整體擴(kuò)張，但在更長(zhǎng)時(shí)間尺度上，增強(qiáng)的西風(fēng)引起繞極深層水上涌促進(jìn)海冰融化，導(dǎo)致南極海冰整體減少。同時(shí)，阿蒙森海低壓（Amundsen Sea Low,ASL）加深有利于別林斯高晉海和南極半島海區(qū)的海冰密集度減小和羅斯海海冰密集度的增大[43]。但是1979-2013 年期間，加深的ASL 不能解釋西羅斯海海冰的減少[19]。厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO），特別是東太平洋型厄爾尼諾，可以解釋羅斯海和南印度洋正的海冰變化趨勢(shì)[44]。西南極海冰冬、春季的變化趨勢(shì)與太平洋和大西洋海溫的年代際變化，即太平洋十年濤動(dòng)（Pacific Decadal Oscillation,PDO）[45]、太平洋年代際振蕩（Interdecadal Pacific Oscillation,IPO）[45]和大西洋年代際振蕩（Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO）[46]有 關(guān)。但Hobbs 等[19]認(rèn)為AMO 和IPO 不能完全解釋羅斯海冬春季海冰的變化趨勢(shì)，同時(shí)AMO 和IPO 在南半球夏季對(duì)南極海冰的影響也較弱[47]。對(duì)于1979-2014年各海區(qū)海冰范圍的變化趨勢(shì)，無(wú)法用單一的大尺度大氣環(huán)流因素來(lái)解釋[48]。針對(duì)2015 年以后南極海冰范圍顯著減少的現(xiàn)象[15]，已有學(xué)者從南大洋上層的增暖[18]、與緯向波數(shù)三模態(tài)相關(guān)的大氣環(huán)流異常[15,49]以及偏弱的極地平流層極渦導(dǎo)致的減弱的繞極表層西風(fēng)[49]等方面開展了研究。

在年際變化方面，SAM 對(duì)南極海冰的影響表現(xiàn)出一定的緯向非對(duì)稱性[50]。當(dāng)SAM 為正位相時(shí)，威德爾海海冰偏少、羅斯海海冰偏多，反之亦然。東太平洋型ENSO 能夠產(chǎn)生南極海冰的偶極子模態(tài)，即在厄爾尼諾年，阿蒙森海的海冰面積偏小，南極半島附近海冰偏多；拉尼娜年呈相反的變化[51]。中太平洋型厄爾尼諾在南半球冷季對(duì)南極海冰的影響與東太平洋型ENSO 類似，只是異常區(qū)域的位置偏西；在暖季，中太平洋型厄爾尼諾對(duì)南極海冰的影響相對(duì)東太平洋型ENSO 偏弱[52]。緯向波數(shù)三模態(tài)對(duì)秋季南極海冰的影響呈現(xiàn)緯向三波的結(jié)構(gòu)[53]。半年周期濤動(dòng)（the Semiannual Oscillation）能夠?qū)е? 月別林斯高晉海的海冰偏多，其他海區(qū)的海冰偏少[54]。印度洋偶極子（Indian Ocean Dipole,IOD）能夠增大南印度洋60°E 附近的海冰密集度，減小90°E 附近的海冰密集度[55]；而在南太平洋海區(qū)，IOD 對(duì)南極海冰的影響受到ENSO 干擾[55]。然而，上述影響因子尚不能充分解釋整個(gè)南極海冰范圍的年際變化[54]。

南極海冰的季節(jié)內(nèi)振蕩變化規(guī)律仍沒(méi)有得到充分認(rèn)識(shí)。Renwick 等[56]使用最大協(xié)方差分析獲得不同季節(jié)南極海冰密集度和大氣環(huán)流在季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上的耦合模態(tài)，發(fā)現(xiàn)第一模態(tài)是緯向三波數(shù)的模態(tài)，是南半球高緯度大氣自身振蕩的結(jié)果，且海冰和大氣環(huán)流之間的最大相關(guān)出現(xiàn)在海冰滯后4～5 d 的時(shí)候。Kohyama 和Hartmann[44]發(fā)現(xiàn)南極海冰密集度和大氣環(huán)流的耦合周期是20 d 和40 d，耦合模態(tài)的空間分布是PSA（Pacific-South American）模態(tài)，且與ENSO 無(wú)關(guān)。Henderson 等[57]發(fā)現(xiàn)季節(jié)內(nèi)振蕩發(fā)生1～2 周之后能夠影響到南極的大氣環(huán)流。

2.2 海洋熱通量變化

南大洋弱的海洋層結(jié)和高的海洋熱通量[58]導(dǎo)致南極海冰變化與上層海洋層結(jié)改變所引起的海洋熱通量變化有密切關(guān)系。前期的研究表明存在如下影響海洋熱通量的反饋機(jī)制。Zhang[59]發(fā)現(xiàn)秋季海冰產(chǎn)冰量和次年夏季產(chǎn)冰量之間存在負(fù)反饋過(guò)程，可用于解釋秋季增溫的大氣和海洋導(dǎo)致次年夏季海冰增多的現(xiàn)象。Goosse 和Zunz[60]認(rèn)為當(dāng)年偏多的海冰會(huì)析出更多鹽分進(jìn)入深層海洋，這些鹽分在次年冬季沒(méi)有返回表層水體，導(dǎo)致次年冬季的海洋層結(jié)增強(qiáng)、海洋熱通量減小、海冰覆蓋增加。Lecomte 等[61]認(rèn)為這種海洋正反饋過(guò)程能夠解釋羅斯海的海冰增加。這兩種相反的反饋機(jī)理對(duì)海洋的背景水體、海冰運(yùn)動(dòng)和作用的時(shí)間尺度有著不同的要求[19]。

大氣環(huán)流異常和冰架融化除通過(guò)直接影響南極海冰變異外，還可作為促發(fā)因素，以外部淡水輸入的形式，通過(guò)海冰-海洋的反饋機(jī)制影響海冰變化[60]。Bintanja 等[62]認(rèn)為冰架融化的淡水能夠增強(qiáng)海洋水體層結(jié)，從而導(dǎo)致南大洋海冰范圍增加。Liu 和Curry[63]認(rèn)為降水增加也可以增強(qiáng)海洋水體層結(jié)，導(dǎo)致南極海冰范圍增加。

2.3 人類活動(dòng)影響

人類活動(dòng)導(dǎo)致的溫室氣體增加和臭氧消耗，使SAM 指數(shù)存在上升趨勢(shì)[64]，從而影響南極海冰的變化。但是這種影響的時(shí)間尺度存在很大的不確定性[65]。一些研究認(rèn)為臭氧消耗會(huì)導(dǎo)致ASL 的加深和別林斯高晉海海冰的減少[66-67]。通過(guò)數(shù)值模擬，Xia 等[68]指出臭氧引起的云輻射效應(yīng)在南極海冰變化中也起著重要作用，南極臭氧空洞會(huì)導(dǎo)致高緯云層向下長(zhǎng)波輻射的減少，從而造成了海冰的增長(zhǎng)。也有觀點(diǎn)認(rèn)為南極海冰的局地變化可能不是臭氧損耗造成的[69]。同時(shí)，由于南極沿岸重水下沉[70]、南大洋對(duì)臭氧和溫室氣體的相反響應(yīng)[71]、南極海冰-海洋負(fù)反饋[72]的作用，南大洋對(duì)于人類活動(dòng)的響應(yīng)比北極更弱，南大洋的低信噪比會(huì)使人類活動(dòng)影響海冰變化的信號(hào)被年代際變化信號(hào)所掩蓋[19]。由于衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間較短，自然變率和人類活動(dòng)對(duì)海冰變化的貢獻(xiàn)尚不能明確區(qū)分，而Crosta 等[73]通過(guò)重建和分析過(guò)去2 000年的海冰范圍數(shù)據(jù)指出南大洋的自然變率對(duì)海冰年代際變化的影響較大。

3 南極海冰厚度變化

相較于南極海冰范圍變化的研究，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)海冰厚度和體積變化及其機(jī)制的研究較少，南極海冰體積的變化規(guī)律尚不清楚，海冰厚度的估計(jì)是體積變化研究的難點(diǎn)。本章節(jié)將從觀測(cè)數(shù)據(jù)和資料同化兩個(gè)方面來(lái)討論南極冰厚的研究進(jìn)展。

3.1 南極海冰厚度的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和衛(wèi)星遙感

海冰厚度觀測(cè)多集中在北極[74]，而南大洋的海冰厚度觀測(cè)數(shù)據(jù)則更為稀少。表1給出了目前國(guó)際上可獲取的主要南極海冰厚度現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。Worby等[75]匯編了基于南極海冰過(guò)程和氣候（Antarctic Sea Ice Processes &Climate,ASPeCt）觀測(cè)規(guī)范的南大洋船載觀測(cè)數(shù)據(jù)，首次給出了南大洋區(qū)域平均海冰厚度圖，但由于航行路線多位于薄冰區(qū)以及目測(cè)的誤差，ASPeCt 在厚冰區(qū)觀測(cè)到的冰厚偏低[76]；Worby 等[77]和Behrendt 等[78]分別使用系泊聲吶冰厚觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了東南極和威德爾海的海冰厚度變化；美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）冰橋行動(dòng)（Operation IceBridge）項(xiàng)目使用機(jī)載激光高度計(jì)獲得了威德爾海海冰厚度截面信息且已被有效利用在研究中[27,79]；Williams 等[76]通過(guò)自動(dòng)水下機(jī)器人的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)76%的海冰是形變冰，并且實(shí)際冰厚應(yīng)當(dāng)比大部分的鉆孔和船測(cè)獲得的冰厚更大?；诂F(xiàn)場(chǎng)鉆孔、電磁感應(yīng)、磁滯位移、電容感應(yīng)和海冰物質(zhì)平衡浮標(biāo)等方式，我國(guó)學(xué)者也開展了南極海冰厚度的局地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量[80-82]。此外，世界氣候研究計(jì)劃（World Climate Research Programme）和南極科學(xué)委員會(huì)（Scientific Committee on Antarctic Research）組織的國(guó)際南極浮標(biāo)計(jì)劃（International Programme for Antarctic Buoys），也致力于在南大洋特別是海冰上建立漂流浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)并提供實(shí)時(shí)的氣象和海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)，其中包括海冰厚度、溫度和運(yùn)動(dòng)等信息。環(huán)南極固定冰監(jiān)測(cè)網(wǎng)（Antarctic Fast Ice Network）則旨在建立環(huán)繞南極海岸線的固定冰監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)收集海冰厚度、雪厚、固定冰形成和崩解等信息。

表1 現(xiàn)有的主要南極海冰厚度現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Available Antarctic sea ice thickness field observations

但國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的南極海冰厚度現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)在時(shí)間和空間上都非常稀疏，無(wú)法從整體上給出南極海冰厚度的年際變化和趨勢(shì)。

遙感探測(cè)可部分彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的不足，但海冰厚度的遙感探測(cè)仍然充滿挑戰(zhàn)[83]。特別是，南極海冰表面的積雪更厚、分布更加復(fù)雜，由于很難量化海冰表面積雪的厚度、密度以及確定積雪重量是否已將海冰表面擠壓到水面以下[22]，導(dǎo)致南極海冰厚度衛(wèi)星反演的難度更大。直到近年，國(guó)際上才發(fā)布了一些南極海冰厚度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，如表2所示。目前以及即將可用的5 種南極冰厚遙感數(shù)據(jù)包括：（1）ERS-1 和ERS-2 冰厚數(shù)據(jù)，覆蓋時(shí)間分別為1991-2000 年和1995-2011 年[84]，但測(cè)得的海冰出水高度偏高[85]；（2）歐洲航天局于2018 年8 月發(fā)布的基于Envisat 和CryoSat-2 衛(wèi)星的SICCI 2.0 冰厚產(chǎn)品，覆蓋時(shí)間從2002 年到2017年[89]，但它們使用的雷達(dá)高度計(jì)受濕度和鹽度影響穿透能力不足[90]；（3）ICESat-1冰厚數(shù)據(jù)[86-87]，但覆蓋時(shí)間較短（2003-2009 年）且不連續(xù)，同時(shí)不同的反演算法產(chǎn)生的冰厚差異較大[88]；（4）德國(guó)不來(lái)梅大學(xué)和阿爾弗雷德魏格納研究所-亥姆霍茲極地與海洋研究中心發(fā)布的SMOS 南極冰厚產(chǎn)品，覆蓋時(shí)間是從2010 年至今，但由于亮溫反演算法的限制，SMOS 產(chǎn)品只能準(zhǔn)確反演薄冰冰厚[91]；（5）美國(guó)宇航局發(fā)布的ICESat-2 南極冰厚數(shù)據(jù)，覆蓋時(shí)間從2018 年9 月至今[92]。其中，SMOS 衛(wèi)星比較適合探測(cè)薄冰厚度，而CryoSat-2 比較適合探測(cè)厚冰。需要指出的是，相比北極，由于南極雪厚產(chǎn)品的誤差較大以及雷達(dá)受濕度和鹽度影響穿透能力不足[27]，南極冰厚遙感數(shù)據(jù)存在更大的不確定性，其結(jié)果仍需系統(tǒng)性驗(yàn)證[93]?？梢?jiàn)，僅利用目前獲取的海冰遙感數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確估算南極海冰厚度和體積變化。而資料同化會(huì)在同時(shí)考慮模式誤差和觀測(cè)誤差的框架下，將模式信息和觀測(cè)信息有機(jī)結(jié)合起來(lái)，從而給出更準(zhǔn)確的海冰狀態(tài)估計(jì)[94]。

表2 現(xiàn)有的主要南極海冰厚度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)Table 2 Available Antarctic sea ice thickness remote sensing data

3.2 南極海冰資料同化和厚度估計(jì)

先進(jìn)的海冰資料同化方法是成功估計(jì)和預(yù)測(cè)極地海冰的關(guān)鍵[95]。國(guó)際上現(xiàn)行的海冰業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)系統(tǒng)使用了不同的資料同化方法，如Nudging、最優(yōu)插值、三維變分和集合卡曼濾波（Ensemble Kalman Filter,EnKF）等[96]。因?yàn)榭梢钥紤]預(yù)報(bào)誤差的動(dòng)態(tài)演變，且無(wú)需發(fā)展復(fù)雜的伴隨模式，EnKF 是適用于當(dāng)前復(fù)雜、高維數(shù)值模式的最佳資料同化方法。其中，局地誤差子空間變換卡曼濾波（Local Error Subspace Transform Kalman Filter）對(duì)海冰資料同化計(jì)算更加高效，且結(jié)果更加合理[97]。

相比北極而言，國(guó)際上的南極海冰資料同化研究較少，南極海冰厚度資料同化更是空白。Zhang 和Rothrock[98]基于海冰密集度資料同化發(fā)展了全球海冰-海洋再分析數(shù)據(jù)（Global Ice-Ocean Modeling and Assimilation System,GIOMAS）；Massonnet 等[30]首次開展了基于海冰密集度資料同化的南極海冰厚度和體積數(shù)據(jù)重構(gòu)，成功給出了1998-2008 年以來(lái)南極海冰體積的合理變化趨勢(shì)；Verdy 和Mazloff[99]基于海洋和海冰密集度資料同化發(fā)展了南大洋再分析數(shù)據(jù)SOSE（Southern Ocean State Estimate）。受制于缺乏海冰厚度觀測(cè)數(shù)據(jù)，上述研究?jī)H同化了衛(wèi)星觀測(cè)的海冰密集度信息，其冰厚估計(jì)結(jié)果存在很大的不確定性[31]。

相較于南極海冰范圍變化的研究，受制于冰厚觀測(cè)數(shù)據(jù)匱乏，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)海冰厚度和體積變化及其機(jī)制的研究較小。Zhang[59]，Massonnet 等[30]和Holland 等[100]利用海冰-海洋耦合模式研究發(fā)現(xiàn)在南半球冬季，威德爾海南部和羅斯海的海冰厚度增加，別林斯高晉海的海冰厚度減小，而CMIP5 模擬出全南極海冰體積的減小[28]。Kurtz 和Markus[87]認(rèn)為夏、秋季海冰范圍的增長(zhǎng)抵消了海冰厚度的小幅減小，最終導(dǎo)致體積變化幅度很??；但由于厚度和體積不確定性很大，尚不能從中得到長(zhǎng)期趨勢(shì)和周期性變化。

4 南極海冰變化的氣候效應(yīng)

南極海冰觀測(cè)數(shù)據(jù)缺乏以及海冰變化物理機(jī)制的不明確，導(dǎo)致我們對(duì)其氣候效應(yīng)的認(rèn)知還不夠充分。

南極海冰變化對(duì)于南半球大氣環(huán)流具有顯著的影響。Wu 和Zhang[101]采用滯后最大協(xié)方差分析方法分析了南半球春季500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)與海冰異常之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)位勢(shì)高度場(chǎng)與超前4 個(gè)月的海冰異常場(chǎng)存在顯著相關(guān)，表明南極海冰異常對(duì)大氣環(huán)流存在超前反饋?zhàn)饔?。Raphael 等[102]分析氣候系統(tǒng)模式CCSM3 的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)極地環(huán)流在海冰極小（大）時(shí)擴(kuò)張（收縮）并伴隨著費(fèi)雷爾環(huán)流的變化，同時(shí)SAM 的位相也會(huì)受到影響。前人的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)南極海冰變化對(duì)大氣熱通量及表面溫度有顯著影響[103]。Kidston 等[104]利用CAM3 大氣模式分析了海冰邊界整體擴(kuò)張或縮小時(shí)大氣的反饋，發(fā)現(xiàn)只有在冷季時(shí)，海冰范圍會(huì)通過(guò)改變表面溫度梯度影響南半球中緯度急流的強(qiáng)度并使其向極移動(dòng)。Bader 等[105]首次分析了南半球海冰密集度減小時(shí)的大氣環(huán)流響應(yīng)，結(jié)果顯示海冰減少時(shí)，南半球中緯度急流及風(fēng)暴軸向赤道移動(dòng)。而對(duì)于2014 年之前南極海冰面積持續(xù)增長(zhǎng)對(duì)氣候的影響以及海冰增長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間問(wèn)題，Parise 等[106]通過(guò)考慮當(dāng)前氣候下海冰極大值的持久性及南半球耦合氣候系統(tǒng)對(duì)南極海冰增加的敏感性和記憶性進(jìn)行了分析。該研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)海冰增加時(shí)，其上空大氣穩(wěn)定性的增加使極地急流增強(qiáng)并向極移動(dòng)，而中緯度地區(qū)斜壓性增加，副熱帶急流向北擴(kuò)張并減弱，同時(shí)低層氣壓在高緯度減弱而在中緯度增加（SAM 正位相事件），這與Smith 等[107]的研究結(jié)論一致。

南極海冰變化還可以通過(guò)影響大氣活動(dòng)，進(jìn)而影響其他氣候要素的變化。England 等[108]通過(guò)分析WACCM4 大氣模式得到的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，21 世紀(jì)末南極海冰減少使得對(duì)流層急流向赤道偏移，南極內(nèi)陸表面溫度降低，而南極半島和西南極溫度升高，這種表面溫度的變化會(huì)進(jìn)一步影響南極大陸冰蓋的穩(wěn)定性[25]。而4 倍CO2突增的CMIP5 試驗(yàn)結(jié)果顯示南極海冰減少，SAM 負(fù)位相增強(qiáng)，急流減弱并向赤道移動(dòng)，平流層極渦在春季減弱[109]。此外有研究發(fā)現(xiàn)，南極海冰變化可以跨赤道影響北半球季風(fēng)包括東亞季風(fēng)和印度季風(fēng)，進(jìn)而影響東亞和印度地區(qū)的降水變化[110]。

上述針對(duì)南極海冰變化對(duì)大氣的反饋研究，試驗(yàn)分析更多側(cè)重在大氣對(duì)海冰整體極端分布時(shí)的響應(yīng)，而對(duì)近年來(lái)南極海冰變化，特別是海冰偶極子變化趨勢(shì)以及最近幾年南極海冰的突變減少對(duì)大氣環(huán)流的影響研究還需加強(qiáng)。另一方面，針對(duì)南極海冰變化激發(fā)的大氣環(huán)流變化，對(duì)南極冰蓋上降水和溫度的變化及其對(duì)冰蓋穩(wěn)定性等的影響，目前的研究還很少。需要指出的是，采用耦合模式（氣候系統(tǒng)模式）和采用單一的大氣模式可能會(huì)得到不同的模擬結(jié)果，因?yàn)轳詈夏Ｊ街械暮Ｑ髣?dòng)力作用可將海冰變化的影響擴(kuò)展到更高的緯度[107]。因此，選用國(guó)際先進(jìn)的大氣模式和耦合模式分別進(jìn)行南極海冰變化效應(yīng)的機(jī)理研究很有必要。

南極海冰的變化還會(huì)對(duì)南大洋碳匯產(chǎn)生影響。南大洋是連接世界主要海盆的關(guān)鍵區(qū)域，在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用：Fogwill 等[111]通過(guò)重建高緯南大洋表面生產(chǎn)力揭示了南極逆冷時(shí)期（Antarctic Cold Reversal,ACR）持續(xù)升高的海洋生產(chǎn)力信號(hào)與南極海冰范圍的最大季節(jié)變化相對(duì)應(yīng)，表明海冰的生物反饋增強(qiáng)了CO2的固存并形成了一個(gè)重要的區(qū)域性海洋碳匯；Gupta 等[112]使用數(shù)值模擬和理想理論揭示了海冰變化可能對(duì)南大洋的CO2海氣通量產(chǎn)生影響，當(dāng)海冰覆蓋均勻且不隨時(shí)間變化時(shí)，CO2通量基本保持恒定；Shadwick 等[113]根據(jù)大陸架上的錨系數(shù)據(jù)估計(jì)西南極半島海域的CO2海氣通量，結(jié)果表明該海域在夏季吸收大氣CO2，在秋季和冬季則是平衡狀態(tài)。

南大洋的鹽度變化及大洋熱鹽環(huán)流也受到南極海冰變化的影響。Haumann 等[114]揭示了南極海冰的向北輸運(yùn)趨勢(shì)是導(dǎo)致南大洋鹽度變化的主要因素。Nadeau 等[115]發(fā)現(xiàn)南極海冰范圍的擴(kuò)張和南極海冰形成的速率增加都會(huì)導(dǎo)致大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流向上偏移至高于跨等密度面混合作用較強(qiáng)的深度（2 000 m以淺），從而使大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流與深層翻轉(zhuǎn)環(huán)流分離。

5 總結(jié)與展望

南極海冰范圍和體積變化的機(jī)制及其氣候效應(yīng)仍然存在很多待解決的科學(xué)問(wèn)題。首先，影響南極海冰變化的所有可能因素中，大氣環(huán)流異常及其觸發(fā)的海冰-海洋反饋機(jī)制對(duì)南極海冰范圍的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)和年際變化有著重要影響，但已有研究未能充分考慮多氣候模態(tài)的共同作用，以及海-冰-氣相互作用的耦合影響；其次，受海冰厚度遙感觀測(cè)和數(shù)值模擬能力所限，國(guó)際上仍缺少一套可靠的海冰厚度和體積變化數(shù)據(jù)，這導(dǎo)致現(xiàn)有研究主要集中在海冰范圍變化，無(wú)法準(zhǔn)確量化全球變化背景下的海冰體積變化規(guī)律；第三，目前南極海冰變化對(duì)南極冰蓋和氣候影響的研究還不明確。

針對(duì)當(dāng)前南極海冰變化研究的不足，需要我們從以下3 個(gè)方面開展研究。

首先是突破南極海冰體積變化難題。目前國(guó)際上仍缺少可靠的海冰厚度觀測(cè)數(shù)據(jù)，這要求我們一方面提高觀測(cè)能力，設(shè)計(jì)優(yōu)化觀測(cè)方案，綜合開展大型現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)計(jì)劃；另一方面改進(jìn)遙感反演算法，減小遙感冰厚產(chǎn)品誤差。同時(shí)，北極海冰資料同化研究經(jīng)驗(yàn)[95,97]表明，在缺少海冰厚度觀測(cè)的時(shí)期（1979-1990年），可基于模式變量之間的物理關(guān)系，通過(guò)多變量同化得到南極海冰厚度估計(jì)；而在具有南極海冰厚度觀測(cè)的時(shí)期（1991 年至今），可基于模式和觀測(cè)及其誤差信息，通過(guò)資料同化得到更準(zhǔn)確的南極海冰厚度估計(jì)。但相比北極，南大洋的海冰-海洋特性以及各變量間的物理關(guān)系更為復(fù)雜。因此，應(yīng)發(fā)展基于集合的、適用于南大洋的海冰-海洋耦合資料同化方法，在考慮數(shù)值模式誤差和遙感觀測(cè)誤差框架下，研究海冰厚度資料同化對(duì)南大洋海冰-海洋數(shù)值模擬的影響，重構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間的南極海冰厚度和體積序列[116]。

其次是深入理解南極海冰范圍和體積緩變與突變的機(jī)制?；诮y(tǒng)計(jì)分析和國(guó)際先進(jìn)的全耦合模式，厘清多氣候模態(tài)對(duì)南極海冰范圍和體積變化的共同作用，深入理解海洋-大氣相互作用對(duì)南極海冰緩變和突變過(guò)程的耦合影響。此外，南極海冰變化主要源自海冰運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的輻合輻散、形變以及海洋和大氣的溫度異常所導(dǎo)致的海冰增減。海冰的動(dòng)力和熱力學(xué)因素對(duì)南極海冰范圍、厚度和體積變化的作用不同，因此應(yīng)準(zhǔn)確區(qū)分南極海冰的動(dòng)力和熱力學(xué)變化規(guī)律和影響因子。同時(shí)，應(yīng)發(fā)展長(zhǎng)時(shí)間的古氣候數(shù)據(jù)，比較內(nèi)部變率和人為因素對(duì)南極海冰變化的貢獻(xiàn)?；诟油晟频暮１兓瘷C(jī)制，應(yīng)發(fā)展適用于南大洋的氣候模式參數(shù)化過(guò)程，改進(jìn)氣候模式對(duì)南極海冰的模擬和預(yù)測(cè)能力。

第三是進(jìn)一步評(píng)估南極海冰變化的氣候效應(yīng)。南極海冰變化通過(guò)影響大氣環(huán)流進(jìn)而影響南極冰蓋和氣候，但大氣環(huán)流對(duì)不同區(qū)域、不同強(qiáng)度海冰變化的響應(yīng)并不相同[108]。因此需要抓住近些年南極海冰變化的關(guān)鍵特征，并基于國(guó)際先進(jìn)的大氣模式和全耦合模式設(shè)計(jì)數(shù)值試驗(yàn)。此外，通過(guò)對(duì)大氣模式和全耦合模式結(jié)果的對(duì)比分析，找出大氣和海洋系統(tǒng)對(duì)海冰變化的主要反饋機(jī)制，從而系統(tǒng)揭示海冰變化對(duì)氣候的影響機(jī)理。