北極海冰達到2020年最低值,此前的預測集體失靈?丨大氣悟理

編者按：看寒來暑往雲捲雲舒，思古往今來氣候變遷，中科院之聲與中國科學院大氣物理研究所聯合開設「大氣悟理」，為大家介紹大氣裡發生的有趣故事，介紹一些與天氣、氣候和環境相關的知識。

2020年9月15日，北冰洋海冰範圍達到了2020年的最小值，約為374萬平方公裡（1.44百萬平方英裡），比1980至2010年期間的平均值（627萬平方公裡）小約40%。「374萬」，這一數值僅僅比2012年9月16日334萬平方公裡大，大幅度小於之前的歷史第二（2016年9月7日的414.5萬平方公裡）和第三（2007年9月14日的414.7萬平方公裡）的數值，這使得今年成為有現代觀測記錄（42年的衛星記錄）以來海冰範圍第二小的年份，這也是北極海冰範圍第二次低於400萬平方公裡。

逐年北極海冰範圍數值，北極海冰範圍數值減少趨勢明顯，2012年9月份海冰範圍數值創歷史記錄，2020年9月海冰範圍（紅色曲線）歷史排名第二。

2020年9月15日，北極冰雪海冰範圍為374萬平方公裡，這一數值比氣候平均值低40%以上，橙色曲線為歷史平均的北極海冰範圍。（圖片來源：美國冰雪數據中心https://nsidc.org/）

儘管排名第二，但是今年的數值有特別的含義。2012年8月和2007年8月，北極區域均遭遇極強的氣旋活動，氣旋的強度甚至可以達到冬季強氣旋活動的程度，是導致海冰面積極端低值的「罪魁禍首」，導致當年海冰範圍大幅度小於氣候平均態，在當年即創下歷史記錄。而2015/2016年全球遭遇超級El Nino，當年的海洋表層溫度超高，當年創下的全球最高氣溫，時至今日也沒有超過。2020年，赤道中東太平洋海溫偏中性，秋季開始，一個弱的La Nina處於發展狀態，在這樣的年份形成海冰最小值，可以看做真正意義上的海冰極值。2020年是夏季沒有極渦異常活動，且不是厄爾尼諾年裡，北極海冰最少的一年。

每年海冰面積呈現周期性變化。在每年的9月中旬達到一年最小值，秋分之後，隨著極夜的到來，北極海冰不斷增長，到次年3月再次達到一年最大值，此後，隨著春季的到來和北極進入極晝，海冰不斷消融，在第二年9月中再次達到最小值，海冰增加-減少-再增加-再減少……周而復始，像是地球系統的呼吸一般，反映著季節的變化。

然而，全球變暖正悄悄地改變著這一呼吸的節奏，北極海冰的面積越來越小，平均而言，北極二三月份海冰面積的最大值約為1550萬平方公裡，近些年，這一平均數值下降了約100萬平方公裡左右，例如2019年最大值僅有1490萬平方公裡，2018年最大值為1450萬平方公裡，2020年最大值為1516萬平方公裡。9月份海冰範圍按照每十年減少12.85%的速度迅速減少，北極海冰面積已經比上世紀70年代減小了40%，總冰量則大幅度減少70%，現階段的海冰量是至少過去1000年裡的最小數值。因此包括今年在內，2007~2020的14年是有衛星記錄以來海冰面積最低的14年，每一年的最低值都遠低於1981-2010年的平均值。

除了總面積減小，多年海冰也大幅度減少，顧名思義，「多年海冰」指的是在夏季融化季節倖存下來的海冰，一般是冰層中最厚的部分，壽命可達9年或以上。在上世紀80年代之前，北冰洋地區超過1/3的海冰為壽命達4年及以上的多年海冰，1987年8月（第34周），4年及以上的北極海冰覆蓋面積為263.9萬平方公裡，而在2019年8月（第34周），4年及以上的北極海冰覆蓋面積為5.9萬平方公裡，數值減少了98%，這意味著現在北極的海冰基本都是當年形成並且在當年融化的冰，一般而言，冰的年齡越老，越難融化，多年海冰的減少，意味著海冰對於氣候的穩定作用大幅度減弱，這是個危險的信號。

2020年9月與1984年9月初的北極海冰對比圖，海冰不僅面積大幅度降低，而且多年海冰量也所剩無幾（圖片來源：美國冰雪數據中心https://nsidc.org/data/nsidc-0611/versions/4）

北極海冰範圍和面積不只是一串變化著的數字，它是全球氣候變化的核心指標和「放大器」，對地球氣候系統有重要的影響。它可以通過影響中高緯度的西風急流強度，調控中緯度地區阻塞形勢出現的頻率，當冷空氣入侵的頻率增加時，會導致冬季的極端低溫天氣和異常降雪頻發。另外，隨著北極海冰的消融，每年7-10年間，從西伯利亞到阿拉斯加長達1.3萬公裡的海岸線更容易受波浪和凍土融化的影響，造成嚴重的海岸侵蝕。

國際社會一直密切觀測和評估海冰的變化，2019年9月25日，IPCC在摩納哥召開的第51次會議發布了《氣候變化中的海洋和冰凍圈特別報告》，其中就對包括北極在內的冰凍圈的變化、影響和適應對策進行了評估，體現了目前科學界對於海洋和冰雪圈的最新認識。

海冰預測是一道國際性難題

9月份是每年海冰面積最小的月份，海冰的精準預測是一道國際性難題。從2015年開始，國際海冰預測網絡活動（SIPN）每年6-8月向全球科學家徵集當年9月北極海冰覆蓋面積的預測結果，各個研究機構需要在6月初、7月初和8月初三次提交關於當年9月份的預測情況，SIPN代表北極海冰在季節和季節內預測的最高水平。

2020年是SIPN的第六屆預測活動，今年6月份全球33個機構提交了北極海冰覆蓋總面積的結果，13個機構提交了北極海冰覆蓋面積的空間（2D）分布的結果，7月份總面積預測增加為38家，8月份增加為39家，代表了全球對於北極海冰預測的主要研究力量。雖然北極海冰的空間分布預測更具挑戰性，但由於預測門檻較高難度較大，參加機構明顯少於總面積預測的機構。總體而言，提前的時間越久（例如6月預測9月），預測的不確定性越大，準確性也越低，所以，8月份預測9月份，其準確度越高。

6月份的預測呈現兩極分化，其中有三個機構預測的最少，可以看做是「激進三人組」，由華盛頓大學提交的數值最小，僅為320萬平方公裡，其次為美國國家海洋和大氣管理局地球物理流體動力學實驗室（GFDL/NOAA）的350萬平方公裡，由中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室（ANSO IAP-LASG）提交的數值為380萬平方公裡，這三者的數據都低於400萬平方公裡，在北極海冰範圍的歷史上至少能排名第二。

而美國海軍研究實驗室的ESPC系統預測620萬平方公裡，來自西班牙的巴塞隆納超算中心BSC預測500萬平方公裡，挪威的METNO SPARSE 預測500萬平方公裡，法國的APPLICATE CNRM預測 495萬平方公裡，均大幅度高於所有模式的中值範圍，數值接近甚至高於2000年以來北極海冰的平均數值，在海冰預測方面可以看做是「反激進四人組」。

到了7月份，「激進三人組」成員基本穩定，但是美國國家海洋和大氣管理局地球物理流體動力學實驗室（GFDL/NOAA）的數值修正為319萬平方公裡，華盛頓大學修正為335萬平方公裡，這兩個數值模式都預測一個新的歷史記錄的產生，而中國科學院大氣物理研究所ANSO IAP-LASG提交的數值修改為400萬平方公裡，這一數值在歷史記錄裡排名第二。在「反激進四人組」中，美國海軍研究實驗室的ESPC系統大幅度調整數值，預測值比之前減少100萬平方公裡，預測520萬平方公裡。模式的兩極分化，體現了不同模式和研究機構對於未來走向的不同判斷。

國際海冰預測網絡活動（SIPN）各研究機構在6月（紅色圓圈）、7月（黑色圓圈）和8月（紫色圓圈）所做的9月海冰預測展望，灰色和紅色線顯示了2019年9月和2020年9月的海冰範圍數值。其中紅色箭頭所標識為中國科學院大氣物理研究所ANSO IAP-LASG的預測值

到了8月份，前兩個月的「激進三人組」變成了「激進四人」組，美國國家海洋和大氣管理局地球物理流體動力學實驗室（GFDL/NOAA）提交的數值是226萬平方公裡，比上個月的預測數值（350萬平方公裡）大幅度降低124萬平方公裡，堅持今年會創歷史記錄。華盛頓大學提交的數值為381萬，比上個月的預測值（320萬）增加61萬平方公裡，不再堅持今年會創歷史記錄；中國科學院大氣物理研究所ANSO IAP-LASG提交的數值為380萬平方公裡，已經恢復為6月份的預測結果；德國阿爾弗雷德·韋格納研究所（AWI)提交的數值為382萬平方公裡，這個模式7月份的預測值為403萬，8月也向下做了調整。這四個數值遠低於所有模式的中值範圍。

「反激進」組在8月底即遭遇嚴重挫折，法國的APPLICATE CNRM連續三個月的預測結果都為495萬平方公裡，沒有任何調整；美國NASA GMAO模式預測結果為487萬平方公裡，與上個月預測結果相比，也沒有調整；來自我國自然資源部國家海洋環境預報中心的預測結果為460萬平方公裡，與上個月沒有改變。8月31日，美國冰雪數據中心（NSIDC）公布的實時觀測結果為433萬平方公裡，事實上已經宣布了「反激進」組的預報結果的高估。

從6月份到8月份，連續三次的預測中，各個模式的中值範圍基本保持穩定，6月份預測中值為433萬平方公裡，7月份為436萬平方公裡，8月份為430萬平方公裡，這三組數值都高於2020年9月份的平均數值約392.5萬平方公裡，表明模式整體上對於海冰的預測存在偏高的系統性偏差，也說明了精準預測海冰變化依然是國際社會的重要難題。

「無冰」的北冰洋是氣候變化的「臨界點」

在持續全球變暖的影響下，北極地區可能會進入「無冰」狀態，即是說，北冰洋的海冰面積小於100萬平方公裡，屆時剩餘的冰雪將主要集中在加拿大北極群島區域。

北極海冰被多項研究認為是氣候變化的諸多臨界點之一，所謂臨界點，是指氣候變化中不可逆的突破點，可以理解為「壓死駱駝的最後一根稻草」。夏季北極海冰消融、格陵蘭島冰蓋消融、阿爾卑斯山冰川消亡、南極洲西部冰蓋消融等是最可能首先被觸及的地球氣候系統的臨界點，從而啟動「多米勒骨牌」般的不可逆過程，進一步加劇全球變暖。當全球升溫達到1℃~3℃時候，即有可能觸發以上過程，目前全球氣溫比工業革命前已經高約1.1℃，北極海冰這個臨界點隨時可能被啟動。

北極海冰 （B）是氣候系統多個臨界點之一，一旦北極進入無冰狀態，會引起氣候系統不可逆的變化，9個活躍的氣候臨界點包括：（A）亞馬孫熱帶雨林、（Ｂ）北極海冰、（C）大西洋經向翻轉環流、（Ｄ）北方森林、（F）珊瑚礁、（G）格陵蘭冰蓋、（H）多年凍土、（I）西南極洲冰蓋、（J）東南極洲冰蓋，圖片來自Lenton et al. (2019)。

作為全球氣候變化的指標和「放大器」，全球冰凍圈的健康和穩定是氣候系統穩定的基石。在北半球夏季漫長的日子裡，北極海冰的白色表面反射了高達80%的入射陽光，對氣候產生了降溫影響。然而，當海冰消融，裸露的海水吸收更多的太陽熱量，會進一步導致更多的融化和變暖，形成北極變暖和海冰融化的正反饋循環，這種深遠的影響正在加快重塑中高緯的生態系統、海岸線穩定與人居環境。也將進一步調製全球的天氣和氣候系統，影響極端事件的強度和頻次。

大幅度的海冰減少，意味著北冰洋上大規模開闊海面的形成，沿著冰島-巴倫支海-歐亞大陸北方海域-白令海峽的北冰洋東北航道將具有通航條件。目前，海運承擔國際貿易2/3以上的總運量，我國進出口貨運總量的90%都依賴海運，北極航道的打開將使得中國和歐洲之間的海運航線減少1/3的航程。因此，北極海冰的減少意味著更多的北極航運和勘探，對世界經濟和國家安全具有重大影響。對於北極海冰的變化，需要高度重視、持續監測與深入研究。

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來源：中國科學院大氣物理研究所