北极融雪启动机制：基于海冰热力学模型、冰物质平衡浮标与被动微波遥感的综合研究

《Annals of Glaciology》：Snowmelt onset in the Arctic: Insights from a Thermodynamic Sea Ice Model, Ice Mass Balance Buoys, and Passive Microwave Remote Sensing

本文针对北极融雪启动（SMO）时间在遥感、现场观测和模型模拟中存在差异的问题，研究人员通过单柱雪冰模型（HIGHTSI）模拟、冰物质平衡（IMB）浮标观测和被动微波（PMW）遥感数据对比，揭示了模型模拟的SMO较观测平均提前5天，而PMW早期SMO提前12天、连续SMO滞后5天，强调了气温强迫和太阳辐射吸收对SMO模拟的重要性，为改进北极气候模型提供了关键依据。

　　

在全球变暖的背景下，北极地区正经历着前所未有的快速变化，其升温速率高达全球平均水平的近四倍。这种加速变暖对极端天气、格陵兰冰盖、北极冰川、生态系统、海洋生物及人类社会均产生了深远影响。北极海冰作为关键的气候指示器，其覆盖范围在近几十年来发生了显著转变，包括创纪录的低夏季海冰范围、加速的海冰漂移以及延长的融化季节。融雪启动（Snowmelt Onset, SMO）时间是北极地区一个至关重要的气候指标，其时间的早晚会深刻改变雪和海冰的热力学过程，引发反照率降低，启动并增强反照率反馈机制，从而影响整个地区的能量平衡。然而，目前基于空间遥感、现场观测和模型模拟对SMO时间的估算存在显著差异，理解这些差异对于识别驱动SMO的物理机制至关重要，也是改进气候模型的关键一步。

为了深入探究这一问题，由郝寅、苏杰等人组成的研究团队在《Annals of Glaciology》上发表了一项研究，他们利用单柱雪/冰模型（HIGHTSI）沿着2010年至2015年间运行的42个冰物质平衡（IMB）浮标的漂移轨迹，模拟了SMO以及雪和海冰的热力学过程，并将模拟结果与被动微波（PMW）遥感观测和IMB现场观测数据进行了系统比较。这项研究旨在验证模型对雪冰热力学的模拟能力，提出基于雪温廓线的新SMO定义，并量化IMB、HIGHTSI和PMW三种数据源在识别SMO时的差异。

研究人员主要运用了几项关键技术方法：首先是利用HIGHTSI这一热力学海冰模型进行单柱模拟，该模型能够计算雪冰质量平衡和温度变化；其次，研究依赖于部署在北极海域的42个IMB浮标的现场观测数据，这些浮标提供了雪深、冰厚和垂直温度廓线等关键参数；第三，采用了基于被动微波遥感（来自SMMR、SSM/I和SSMIS传感器）的北极海冰融化数据集来获取早期和连续SMO信息；最后，使用ERA5再分析数据为模型提供大气强迫场（如风速、气温、湿度等），并通过一系列温度阈值和滑动平均算法来一致地界定和比较不同数据源中的SMO事件。

3.1 雪深、冰厚和温度

模型模拟的平均雪深、冰厚以及雪/冰温度定性捕捉了观测到的季节变化规律。然而，模型表现出明显的季节性偏差：在5月至9月（暖季），模拟的雪温和冰温分别存在0.4°C和0.5°C的暖偏差，雪深和冰厚则分别存在-0.05米和-0.15米的负偏差；而在10月至4月（冷季），雪温和冰温则分别存在-2.7°C和-4.6°C的冷偏差，雪深和冰厚则分别存在0.03米和0.14米的正偏差。模型模拟的雪深下降启动时间（5月）比观测到的（6月）提前了约一个月，尽管其融雪速率与观测值相近。模型还高估了海冰的融化速率和冬季生长速率。这些偏差可能源于ERA5再分析数据在北极地区存在的暖偏差以及模型中对雪盖隔热等物理过程表征的不足。

3.2 SMO模拟

模型模拟的表面层SMO（surface-SMO）与IMB观测结果具有很高的年际相关性（0.94），但平均比观测提前了5天。更为显著的是，模型模拟的次表层SMO（subsurface-SMO，发生在雪层L2-L10）比观测平均提前了18天，且其垂直廓线呈现与观测不同的“C”型分布，而非观测中随深度增加而延迟的梯度。通过将次表层雪温变化分解为短波辐射吸收（dT_sw）和热传导（dT_fc）的贡献，研究发现短波辐射是春季雪层增温的主要驱动力，而热传导则起冷却作用。这表明模型中对太阳辐射吸收的高估（可能由于雪中太阳吸收过高或表面反照率低估）是导致次表层SMO过早的主要原因。使用IMB实测气温替代ERA5气温作为强迫的敏感性试验表明，虽然能改善表面温度偏差和表面SMO的模拟（差异减少至3天），但对次表层SMO的提前影响有限（差异仍为14天），进一步证实了太阳辐射穿透过程是偏差的关键来源。

3.3 IMBs、HIGHTSI和PMW的SMO相互比较

以浮标2010A为例的个案分析显示，PMW衍生的早期SMO（Early-SMO）和连续SMO（Continuous-SMO）分别比IMB观测的表面SMO提前约5天和滞后约43天。对34个浮标的统计分析表明，PMW Early-SMO平均比IMB表面SMO早12天，而PMW Continuous-SMO平均晚5天，且两者之间存在约一周的时间差。在年际变率方面，HIGHTSI模拟的表面SMO与IMB观测的相关性最高（0.94），而PMW的Early-SMO和Continuous-SMO与观测的相关性较低（分别为0.26和0.19），尽管Continuous-SMO在2012年后相关性有所改善。所有数据集均显示2015年的SMO相较于2014年有显著提前。

本研究通过综合模型模拟、现场观测和遥感数据，系统评估了北极海冰上SMO的模拟与观测差异。主要结论指出，HIGHTSI模型能够定性再现雪冰热力学的季节变化，但其模拟的表面SMO平均提前5天，而次表层SMO的提前更为显著（达18天）。PMW遥感产品中，Early-SMO较早而Continuous-SMO较晚于IMB观测。造成模型偏差的主要原因包括：ERA5再分析数据在北极的气温暖偏差，以及模型中对雪中太阳辐射吸收过程可能的高估。表面SMO主要受向下长波辐射（常源于暖云）驱动，而次表层SMO则主要由穿透雪层的太阳辐射驱动，因此对辐射传输过程的准确表征对于改进SMO模拟至关重要。这项研究强调了跨数据源比较对于理解SMO物理机制和改进模型的重要性，为未来提升北极气候模拟的准确性提供了关键见解。