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为量化海冰浓度（SIC）空间分布变化的全球辐射效应，研究人员开展实验，发现其效应受空间模式主导，意义重大。
# 海冰浓度空间分布如何影响地球能量收支？这项研究给出答案
在地球的气候系统中，全球变暖如同一场正在上演的 “气候大戏”，而地球能量预算的平衡则是这场大戏的关键 “剧本”。全球变暖是地球能量预算失衡的结果，温室气体和气溶胶浓度的变化会改变大气顶层（TOA）的净辐射通量，进而影响地球气候系统。海表面温度（SST）和海冰的变化会对辐射强迫做出响应，同时云属性、 lapse rate（气温垂直递减率）、表面反照率和湿度的相应变化又会进一步改变地球能量预算，对气候系统产生反馈。
此前，海表面温度模式效应在地球能量预算演变中的重要性已得到证实，然而海冰浓度（SIC）模式效应虽被预期存在，但它的大小一直未得到量化，其背后的物理机制也未完全阐明。全球变暖背景下，海冰正在发生变化，北极海冰面积和 SIC 显著减少，而 1979 - 2018 年南极海冰面积年平均值却无明显趋势，且海冰厚度的长期趋势也存在不确定性。海冰变化对全球气候系统的影响至关重要且复杂，比如极地地区 SIC 减少通过降低地球表面反照率使地球系统变暖，北极低空云量会随 SIC 减少而变化，同时表面和空气温度也会对海冰损失做出响应，这些因素之间的相互作用在决定高纬度地区气候方面起着重要作用，但 SIC 相关反馈的模式效应仍未被量化。
为了深入探究这些问题，南京大学等研究机构的研究人员开展了一系列研究，相关成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是使用社区地球系统模型 1.2.1（Community Earth System Model 1.2.1，CESM1.2.1）与社区大气模型 5.3（Community Atmosphere Model 5.3，CAM5.3）进行模拟实验，该模型分辨率为 1.9 纬度 ×2.5 经度，有效气候敏感性约为 3.0 K。二是设计了多种理想化实验，如 AMIPSIC 实验（其中 AMIP 表示实验设计类似于大气模式比较计划），在该实验中固定辐射强迫和 SST，规定 SIC 来自观测数据；还有 SIC patch 实验（海冰斑块实验），通过改变特定斑块的 SIC 来分析区域 SIC 变化对全球气候系统的影响。三是运用辐射核方法分解辐射异常，将辐射异常分解为不同因素的贡献。
历史 SIC 减少的模式效应
研究人员发现，过去几十年观测到的 SIC 趋势空间模式与 CO?诱导的长期全球变暖下的 SIC 变化模式不同。在 CO?诱导的全球变暖实验（abrupt4xCO2 实验）中，北极和南极的 SIC 长期都在减少，且几乎所有被海冰覆盖的网格单元 SIC 都呈负变化。而在历史时期（1980 - 2019 年），全球 SIC 也在下降。通过 abrupt4xCO2 - SIC 实验发现，CO?诱导的 SIC 减少的总辐射变化为正，这与预期相符，即 CO?诱导的 SIC 减少使地球系统变暖，主要是通过反照率反馈实现的，同时 SIC 减少还会引起表面温度、lapse rate、湿度和云属性等变化，对气候系统产生额外反馈。
在评估 SIC 模式对全球能量预算的影响时，研究人员进行了 AMIPSIC 实验。结果发现，尽管 1980 - 2008 年全球 SIC 显著下降，但全球辐射异常（?R）趋势却为负，这意味着该时期全球 SIC 减少导致地球冷却。进一步分析发现，这是因为南极 SIC 在大部分地区增加，导致南半球高纬度地区?R 下降；而北极 SIC 普遍减少，使北半球高纬度地区?R 增加，但北半球?R 对北半球?SIC 的敏感性小于南半球?R 对南半球?SIC 的敏感性，所以南极 SIC 增长引起的辐射冷却大于北极 SIC 减少引起的辐射加热。研究还量化了全球 SIC 辐射效应和 SIC 模式效应对全球 TOA 辐射异常的贡献，发现 SIC 模式效应的方差（0.0032 W2/m?）大于全球 SIC 辐射效应的方差（0.0024 W2/m?），表明该时期 SIC 异常的辐射效应主要受 SIC 模式效应影响。
SIC 模式效应的机制
研究人员通过 SIC patch 扰动实验探究 SIC 模式效应的机制。实验结果表明，TOA 辐射通量对区域 SIC 减少的响应大小和符号对 SIC 变化的位置很敏感。将 TOA 辐射通量对区域 SIC 减少的响应进一步分解为表面温度（Planck 反馈）、lapse rate、相对湿度（RH）、云、表面反照率变化的贡献。
半球不对称性的主要贡献者是 Planck 反馈。当北极地区 SIC 减少时，表面温度升高，导致更多长波辐射发射到太空，即更强的负 Planck 反馈，其辐射效应部分被 lapse rate 反馈抵消。相比之下，南极地区 SIC 减少引起的表面变暖较弱，所以 Planck 反馈的冷却效应也较弱，且 lapse rate 反馈也较弱。
此外，云辐射效应（CRE）对 SIC 减少的响应在南北半球也明显不同。SIC 减少导致海冰融化，海面上方空气的饱和水汽压增加，同时表面气温升高，导致当地近地表静态稳定性和估计的逆温强度（EIS）降低，这些因素对低云覆盖率（LCC，云顶压力大于 680 hPa 的云分数）有竞争影响。在北极和南极圈内，水汽和近地表稳定性的影响占主导，LCC 在北极大部分地区随 SIC 减少显著增加，而在南大洋大部分地区增加不明显，这导致了云 - SIC 反馈的半球不对称性，且理想化模拟中不同的北极和南极 SIC - LCC 关系与 MODIS 卫星观测基本一致。
SIC 减少对全球 TOA 通量的响应还取决于季节。冬季太阳辐射少，表面反照率引起的辐射异常在夏季更大；而 SIC 引起的表面变暖在冬季更强，导致冬季负 Planck 反馈更强。所以，SIC 引起的辐射异常在冬季倾向于使地球冷却，在夏季倾向于使地球变暖，且大部分 SIC 引起的 TOA 辐射异常来自相应半球的高纬度地区。
研究结论与讨论
研究结果表明，海冰损失的全球气候效应取决于其空间模式，SIC 模式效应具有半球不对称性。北极地区 SIC 减少比南极地区引起更大的表面变暖，以及相应更大的 Planck 反馈辐射冷却效应。云辐射效应变化在低纬度地区、平均 SIC 较小和对流层低层稳定性较弱的地区更为明显。SIC 引起的反照率反馈因地表太阳辐射不均匀而对纬度敏感。数值模拟显示，特定空间模式的 SIC 减少（如 1980 - 2008 年的趋势）甚至可能因 SIC 变化的半球不对称性而使地球冷却。
研究人员还考虑了历史 SIC 在不同数据集上的差异，用 Hadley Centre 海冰和 SST 数据集（HadISST）以及美国国家冰雪数据中心（NSIDC）的数据重新进行 AMIPSIC 实验，结果表明 SIC 模式效应仍然重要。同时，气候模型模拟的 SIC 模式效应也受模型不确定性影响，用另一个模型（HadAM3）进行 AMIPSIC 实验，结果显示出类似的?R 对 SIC 减少敏感性的半球不对称性。未来，可在格林函数模型比较项目框架下量化 SIC 模式效应的模型间差异。此外，由于缺乏可靠的全球长期海冰厚度观测数据，本研究未分析海冰变薄的辐射效应，而海冰厚度变化可能也存在空间模式效应，这值得在未来进一步研究。
这项研究首次量化了 SIC 空间分布变化的全球辐射效应，揭示了其背后复杂的物理机制，为深入理解地球气候系统中 SIC 变化的作用提供了重要依据，有助于更准确地预测全球气候变化，对气候研究领域具有重要的意义。
