CMIP6模型揭示未来北极海冰下光照变化与冰藻水华提前60天的生态响应

本文基于CMIP6模型（Climate Model Intercomparison Project Phase 6）模拟，系统分析SSP5-8.5情景下北极海冰与积雪厚度减少对冰下光合有效辐射（PAR）及冰藻水华时间的影响。研究表明，高纬度区域（如楚科奇海）的光照阈值将提前60天达到，显著改变初级生产力（Primary Productivity）季节格局，对北极海洋食物网及碳循环具有深远影响。

　　

1 引言

随着人为变暖导致北极海冰持续变薄和范围缩小，进入北冰洋上层的光照量正在增加。光照是晚冬季节冰藻水华的主要驱动因子之一，海冰覆盖变化对整个海洋生态系统具有重要影响。浮游植物作为海洋食物网的基础，通过吸收大气CO₂在全球碳循环中扮演关键角色。北极生态系统的底层依赖于海冰下表面的藻类生长，这些藻类（主要是硅藻）能够在高纬度低光条件下生长，甚至在海冰存在时形成水华。它们为高级捕食者提供重要食物来源，对北冰洋初级生产力和整个海洋食物网至关重要。

北极冬季（66.5°N以上）太阳处于地平线以下，无法进行光合作用。随着太阳回归，开阔海洋的藻类生长开始，但由于海冰存在，冰下光照受限。海冰和积雪层形成复杂的光散射和吸收系统。尽管早期研究认为需要较大光照条件，但新证据表明冰藻可在海冰下的低光环境中形成水华。一旦冰藻开始生长，只要表层有足够营养盐，水华就能持续。

由于全年北极生物地球化学观测的困难，近年来努力改进模型以填补这一知识空白。这些模型通常部署包含海冰和生物地球化学组分的全球气候模型，追踪初级生产力、叶绿素和浮游动物。尽管成功再现了营养盐和叶绿素的分布，但由于对模拟洋流的依赖性，仍需发展以准确表示浮游动物的水平输送。区域地球系统模型已成功模拟了观测到的冰下水华，表明此类模型为北冰洋初级生产力状态提供了有力信息源。

2 数据与方法

2.1 CMIP6模型

为评估未来变化，本研究采用SSP585排放情景的模型数据，该情景到2100年将产生8.5 Wm^–2的额外辐射强迫。使用10个CMIP6模型的每日海冰浓度（siconc）、厚度（sithick）和海冰上积雪厚度（sisnthick）数据。表面反照率和入射短波辐射数据来自海冰或大气变量，并注意每个模型的符号约定。

大多数CMIP6输出代表粗网格单元上的平均值，这对雪深和冰厚来说是有问题的，因为这些变量在这些空间尺度上表现出较大变异。虽然一些模型包含海冰厚度分布，但未提供每日时间尺度的变量。由于准确预测足够光照以引发水华起始取决于雪和冰的厚度分布，本研究应用了雪和海冰厚度分布。

2.2 冰下光照模型

为模拟冰下光照可用性，本研究寻求已知允许冰藻生长的光合有效辐射（PAR）水平。使用了三个不同的阈值：1.78、0.415和0.04 μmol photons m^–2 s^–1（持续四天）来确定冰藻水华起始时间。

2.3 模型方程

使用Stroeve等人描述的方法模拟海冰-海洋界面的PAR水平。模型考虑表面反照率（α）和短波辐射的垂直衰减系数（κ），将雪和海冰视为具有各自κ值的单独层。传输到海冰-海洋界面的宽带辐照度（F_t W m^–2）从大气-雪界面的值（F₀ W m^–2）计算。

2.4 雪和冰厚度分布模型

为表示短于模型网格单元长度尺度上观测到的雪和冰厚度变异性，应用了海冰和雪厚度分布。海冰厚度分布采用Castro-Morales等人的方案，包含15个厚度等级。雪厚度分布采用Mallett等人的基于观测的偏态正态分布，使用10个厚度等级，覆盖±3个标准差。

3 结果

3.1 海冰和积雪条件驱动变化

对巴芬/拉布拉多、波弗特和中央北极三个关键区域的分析显示，海冰和雪厚度（前两行）显示出最大的年代际变化，相比入射太阳辐射和表面反照率或总吸收太阳辐射。低纬度冰覆盖海域（如巴芬/拉布拉多区域）的起始时间已经接近一年中最早日（3月初），任何更薄的冰雪条件都将允许更多光到达海冰下表面，但水华条件已经满足。相反，波弗特和中央北极区域目前雪冰足够厚，需要200-250 W m^–2的入射SW才能有足够光到达下方海洋。随着世纪以来雪冰覆盖变薄，所需入射辐射减少，允许起始时间发生大变化，最多提前约40天。

3.2 模型集合间的相关性

为调查导致冰下光照可用性变化驱动因素，研究了10个单独模型集合平均强迫状态之间的相关性。整个世纪中SW和反照率的季节性周期变化很小，但海冰和雪厚度变化显著，两者都是PAR传输的重要驱动因子。当研究平均3/4月雪或海冰厚度与区域平均起始日期之间的相关性时，除格陵兰海外，雪厚度具有更高的相关性。

低纬度区域（如巴芬/拉布拉多、格陵兰和巴伦支海），当前海冰条件允许水华在太阳回归时立即发生，未来变化有限。其他区域，减少的雪厚度允许起始时间在整个集合中提前多达60天，因为水华起始从受融化日期限制转变为随太阳回归而发生。格陵兰、巴伦支、楚科奇和波弗特海，藻华起始与冰雪厚度之间的相关性在世纪末减弱，由于某些情景中夏季无冰。

整个世纪中，中央北极显示起始时间与冰雪条件之间的相关性增加。该区域处于最高纬度，具有最大的未来雪和海冰厚度变化，但不是估计起始日期变化最大的区域。当前条件与起始日期相关性有限，因为这只能发生在表面入射辐射达到夏季峰值水平时，集合中冰雪厚度的扩展导致计算起始日的扩展相对有限。随着雪厚度减少到世纪末，中央北极的起始日期显示与雪厚度的相关性增加。较薄的雪厚度允许起始日期在入射SW达到峰值之前发生。

4 讨论

本研究扩展了最近的卫星观测研究，解释了雪和海冰厚度如何用于解释冰下藻华起始。使用所有可用的每日CMIP6 SSP585情景数据来模拟冰藻水华发生可用的光。结果显示起始日期和控制该日期的关键强迫的空间和时间变化模式。起始强迫可总结为三种类型：低纬度冰覆盖海域，起始目前受回归太阳限制，未来变化有限；边缘北极盆地海，起始日期目前受雪厚度限制；中央北极具有厚雪冰覆盖，当前起始日期只能发生在入射太阳辐射最大时。

随着北极状态在SSP5-8.5排放情景下变化，边缘北极盆地海转变为起始日期受回归太阳日期限制，中央北极区域起始日变得受季节性雪厚度控制。

尽管最悲观的SSP5-8.5排放情景对北冰洋海冰状态变化最大，但本研究结果指示了当前预测变暖水平下2100年后的预期变化。由于冰下光照可用性变化和藻华起始限制因子的区域变异在模型集合间一致并在世纪中叶出现，预计它们将在未来北极海冰和雪条件下显现。

虽然冰下光照可用性对变化雪冰条件的响应是清晰的，但藻类初级生产力的其他考虑因素也很重要。研究表明藻类初始种群受海冰冻结日期控制，SSP5-8.5情景下将推迟1-2个月。冬季海洋条件可能导致藻类种群内的选择和适应，影响初始种群的规模和健康，从而影响种群在光可用时开花的能力。

这里使用的雪分布虽然是目前可用的最好表示次网格单元雪覆盖的方案，但是通过分析多年海冰上的雪创建的。目前北冰洋一半海冰是一年级冰，这一比例随着多年冰覆盖消失而增加到整个北极。此外，强加的海冰和雪厚度分布没有协方差。虽然最厚的雪被观察到聚集在多年海冰最厚的脊周围，但最关键的一年级海冰和最薄雪之间的协方差未知。海冰覆盖的另一个可能越来越重要的复杂因素是融池，呈现低反照率区域和藻类栖息地。

观测和模型基于对北极冰下藻类生长完整季节周期的了解都不完整。现场和食物链证据显示冰藻的普遍性和对食物链和初级生产的重要性。目前对北冰洋营养盐循环和河流径流系统的了解不允许准确预测藻类生长周期，因此对冰藻生长的主要知识来自光限制初始水华时间的预测。

由于北冰洋当前的初级生产力受光可用性限制，结果表明随着海冰及其上覆雪盖继续变薄，高北冰洋生产力季节将延长，并延续当前观察到的冰下生产力增加趋势。然而，这种延长可能反过来导致向营养盐限制制度的转变，浮游动物或更大生物的增加，以及可能碳封存的增加。由于海冰硅藻物种是全年食物网的关键来源，冰下光制度变化的影响可能对更广泛渔业产生级联影响。为充分理解这些结果的意义，未来初级生产模型需要关注更早的水华时间和首次生长与后期水华之间更短的时间段。结果表明准确表示<1 km雪冰厚度分布对这些模拟至关重要。

5 总结

北极气候和海冰栖息地近几十年来经历了巨大转变，其速度被一致预测将在本世纪保持，包括2050年前可能出现无冰夏季的可能性。这些变化预示着季节性光照条件的戏剧性转变，对北冰洋内的生物多样性产生级联影响。因此需要更好地理解预期的季节性变化及其驱动因素，以预测海洋生态系统将如何响应。

虽然生物多样性与栖息地之间的完整关系太复杂无法在未来情景中建模，但我们能够提供对初级生产力关键方面的见解，即可用光启动冰藻生长。在SSP5-8.5排放情景下，整个北冰洋发生一致的海冰和海上积雪厚度减少。结果强调变薄的雪覆盖是影响冰藻水华时间的主要因素。虽然模拟预测北极海冰覆盖在极地太阳每年春季回归时持续存在，藻华将越来越能够随回归太阳发生，而目前在北极大部分地区它们被表面雪覆盖延迟。