高北极湖泊无冰期辐射平衡模拟与未来预估：以康沃利斯岛小湖为例

《Arctic Science》：Simulated current and projected radiation balance of a High Arctic lake during the open water season

本研究针对北极快速变暖背景下湖泊冰情变化对区域能量平衡的影响，利用加拿大湖冰模型（CLIMo）和区域气候降尺度数据（CORDEX），模拟并预估了加拿大高北极地区典型小型湖泊（小湖）在当前和未来（RCP 8.5情景下）无冰期的辐射平衡变化。结果表明，至2100年，小湖的无冰期将延长90-100天；无冰期净长波辐射（L）呈下降趋势，而年尺度净辐射（Q）和净短波辐射（K*）将增加。研究揭示了湖泊在北极放大效应中的关键作用，对理解北极淡水系统能量收支变化及生态影响具有重要意义。

　　

北极地区，这片地球上最后的边疆，正以全球平均水平四倍的速度变暖。这种剧烈的气候变化深刻地影响着北极的景观，其中，星罗棋布的湖泊是这片冰冻世界的重要组成部分。在加拿大高北极地区，湖泊覆盖率可高达40%-50%，它们如同镶嵌在苔原上的蓝色宝石，不仅构成了独特的生态系统，也在区域气候中扮演着关键角色。这些湖泊一年中大部分时间被冰雪覆盖，其冰盖的持续时间（即冰情）是反映气候变化的灵敏指标。

然而，随着北极加速变暖，湖泊冰盖的持续时间正在显著缩短。这意味着，湖泊表面暴露在空气中的“无冰期”正在变长。冰与水的表面特性截然不同：冰和雪能反射大部分太阳光（高反照率），而开阔的水面则倾向于吸收太阳能量（低反照率）。因此，无冰期的延长预期会显著改变湖泊与大气之间的能量交换，即辐射平衡。这种改变可能通过所谓的“冰-反照率反馈”机制，进一步加剧当地的变暖，形成一个恶性循环。尽管辐射平衡研究对于理解一个地区的能量可用性和气候变化至关重要，但针对加拿大高北极地区湖泊，特别是其无冰期辐射平衡的近期研究却十分匮乏。最近的一项相关研究还要追溯到2007年，利用雷索卢特湾的历史气象站数据。了解这些变化对于预测北极淡水系统的未来、评估其对区域气候的反馈以及保护依赖这些水体的独特生态系统都至关重要。

为了填补这一研究空白，研究人员将目光投向了加拿大努纳武特地区康沃利斯岛上的一个典型小型湖泊——小湖。本研究旨在通过数值模拟，回答几个关键问题：在当前气候条件下，能否准确模拟小湖的无冰期及其间的辐射平衡？在未来高排放情景下，小湖的无冰期将如何变化？无冰期和年尺度的辐射平衡各组分（如短波辐射、长波辐射）将呈现怎样的变化趋势？这些变化对区域能量平衡有何深远意义？

为了回答这些问题，研究人员主要依赖于加拿大湖冰模型（CLIMo）。CLIMo是一个经过充分验证的热力学湖冰模型，能够模拟湖泊冰盖的冻结和消融过程，并计算表面的能量收支，包括入射短波辐射（K↓）、反射短波辐射（K↑）、入射长波辐射（L↓）和射出长波辐射（L↑），进而得到净短波辐射（K = K↓ - K↑）、净长波辐射（L = L↓ - L↑）和净全波辐射（Q = K + L^*）。研究首先利用加拿大环境与气候变化部（ECCC）雷索卢特湾A气象站的每日气象数据（2014-2022年）和野外实测的雪深、雪密度数据，对CLIMo模型在小湖的模拟能力进行验证。验证内容包括冰盖消融（ice-off）、冰盖形成（ice-on）的日期以及无冰期期间的辐射平衡分量。随后，研究利用协调区域气候降尺度试验（CORDEX）的ARC-44区域气候模型数据（代表浓度路径8.5情景，RCP 8.5），驱动CLIMo模型，对未来（至2100年）小湖的冰情和辐射平衡变化进行预估。数据分析采用趋势分析（如Mann-Kendall检验、Sen斜率估计）和相关分析（Spearman秩相关）等方法，以揭示变化的模式和驱动因素。

4. 结果

4.1. 当前无冰期和表面辐射平衡模拟

模型验证结果表明，CLIMo能够较好地模拟小湖的冰情。在部分积雪（假设湖面雪深为陆上气象站观测值的50%）情景下，模拟的冰盖消融日期与实地相机观测日期的平均绝对误差为5天，冰盖形成日期的平均绝对误差为2天。相应地，模拟的无冰期长度与观测值也较为接近。对于辐射平衡的模拟，在无冰期期间，模型模拟的净短波辐射（K）、净长波辐射（L）和净辐射（Q）与2019、2021和202年夏季在小湖上利用自动气象站（AWS）获取的实地观测数据具有较好的一致性，尽管存在一定的误差，例如模拟的K略高于观测值，而L^*略低于观测值。这些验证结果增强了使用该模型进行未来预测的信心。

4.2. 未来气候无冰期和表面辐射平衡预估

对未来情景的模拟显示，小湖的无冰期将显著延长。在RCP 8.5情景下，预计到2100年，小湖的无冰期将比当前延长90至100天。这种延长主要是由冰盖消融日期每十年提前5-6天和冰盖形成日期每十年推迟7天共同导致的。在无冰期期间，净长波辐射（L^*）呈现出显著的下降趋势，每十年减少约0.14 Wm^-2。这意味着在无冰期，湖泊表面损失的长波辐射能量相对于获得的长波辐射能量在增加。

4.3. 未来气候：年和月辐射平衡趋势

从年尺度来看，辐射平衡的各组分都呈现出显著的变化趋势。净短波辐射（K）和净辐射（Q）预计将分别以每十年约1.3 Wm^-2和1.0 Wm^-2的速率增加。这表明该区域每年吸收的太阳辐射能多于反射和散失的能量，会导致能量净增加。相反，年净长波辐射（L^*）预计每十年减少约0.4 Wm^-2。年平均反照率也呈现显著的下降趋势（每十年下降0.02个单位），反映了北极地表因冰雪减少而“变暗”的趋势。

月度变化趋势揭示了更细致的图景。净短波辐射（K）的最大增幅出现在5月和6月（分别约为每十年6.2和5.4 Wm^-2），这正值春季积雪融化、地表反照率迅速下降的时期。而净长波辐射（L）的最大降幅出现在7月（每十年下降5.2 Wm^-2），这可能与前期吸收的大量短波辐射导致表面温度升高，从而增加了长波辐射支出有关。

4.4. 辐射平衡组分与气候因子的相关性

相关性分析表明，辐射平衡的变化与地表反照率密切相关。年尺度上，净辐射（Q）和净短波辐射（K）与反照率呈负相关，即反照率越低，吸收的净辐射能越多。在5月和6月，这种负相关关系尤为强烈，凸显了春季雪冰融化对增加能量吸收的关键作用。净长波辐射（L^*）及其组分（L↓和L↑）也与反照率有显著的相关性。与云量和气温的相关性相对较弱。

5. 讨论与结论

本研究通过验证和应用CLIMo模型，系统地评估和预估了加拿大高北极小湖在当前和未来气候下的冰情与辐射平衡变化。研究结论表明，模型能够可靠地模拟当前条件下的湖泊冰情和无冰期辐射平衡。对未来高排放情景的预测揭示了深刻的变化：小湖的无冰期将持续显著延长，至本世纪末可能增加近三个月。辐射平衡的转变同样明显，年尺度上能量吸收增加（Q和K增加），而无冰期内能量损失增加（L^*减少）。这些变化在春季（5-6月）的能量吸收增强和夏季（7月）的长波辐射损失加大中表现得最为突出。

这些变化的根本驱动力与北极放大效应紧密相连。地表反照率的下降（变暗）是核心环节。更早的春季融雪和冰盖消融使得反射阳光的高反照率表面（雪、冰）被吸收阳光的低反照率表面（苔原、水体）更早、更长时间地取代，从而导致更多的太阳辐射能被地表吸收。吸收的能量一部分用于加速冰雪融化（正反馈），另一部分则以热量的形式储存或释放，加热水体和大气，并导致长波辐射发生变化。无冰期的延长使得湖泊有更多时间吸收和储存能量，这不仅会进一步推迟秋季结冰，还可能通过增加蒸发（潜热通量）和感热通量来影响局地气候和水文循环。

本研究的重要意义在于它量化了未来气候下一个典型高北极湖泊的能量收支变化，强调了湖泊在北极地表能量平衡中日益增强的作用。研究结果指出，即使是小型水体，其冰盖持续时间的缩短和随之而来的辐射平衡变化，也可能对区域气候反馈、湖泊热结构、水文学以及适应寒冷冰封条件的冷水鱼类和其他水生生物产生深远影响。例如，更长的无冰期和更暖的水温可能有利于入侵物种，而对本地特有种群构成威胁。该研究为理解北极快速变化环境下淡水生态系统的响应提供了重要的科学依据，强调了将湖泊过程纳入区域气候模型的重要性。未来的研究需要进一步探讨这些物理变化如何与湖泊生态过程耦合，以及它们对北极整体环境变化的综合影响。