《Ecosphere》：Revisiting the status of the Arctic's Last Ice Area as a refuge for marine predators
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最后冰区（Last Ice Area, LIA）位于加拿大北极群岛和格陵兰以北，拥有北极最古老、最厚的海冰。研究人员假设LIA是依赖冰的顶级捕食者（top predators）的潜在气候避难所（climate refuge），因为北极海冰持续减少。然而，近期研
最后冰区（Last Ice Area, LIA）位于加拿大北极群岛和格陵兰以北，拥有北极最古老、最厚的海冰。研究人员假设LIA是依赖冰的顶级捕食者（top predators）的潜在气候避难所（climate refuge），因为北极海冰持续减少。然而，近期研究表明该区域的韧性可能低于预期。研究人员使用耦合生物物理模型（coupled biophysical model）来研究海冰和营养盐可用性变化对LIA海洋浮游生态系统（marine planktonic ecosystem）的影响，以及这一关键区域的生态潜力。该模型被用于生成两个降尺度模拟（downscaled simulations），由两个政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）第六次评估报告（AR6）气候模型（GFDL-ESM4和CNRM-CM6-1-HR，采用SSP5-8.5共享社会经济路径）驱动，以探究不同未来变暖速率下初级生产力（primary productivity, PP）的潜在变化。这两个降尺度模型运行均捕捉到了观测到的海冰动态，并预测了LIA海冰浓度（sea ice concentration, SIC）和厚度（sea ice thickness, SIT）的下降。在CNRM-CM6-1-HR驱动下，到2055–2070年，LIA夏季海冰基本消失，比北极其他地区海冰消失稍晚。在GFDL-ESM4驱动下，部分夏季海冰持续到2070年，但浓度和厚度较低。与海冰下降同步，两个模型均预测到2070年PP增加，年值在8月达到峰值。虽然PP增加会支持更高营养级，但依赖冰的顶级捕食者需要冰平台进行觅食和休息。研究人员整合物理和生物预测的方法，是迄今为止对LIA预期生态变化提供更完整图景的一步。研究人员确定了未来研究需求，包括评估更多气候模型和强迫情景、收集原位生态数据，以及从机制上理解低层生态变化如何影响顶级捕食者。
论文解读文章
**研究背景与问题**
北极“最后冰区”（Last Ice Area, LIA）位于加拿大北极群岛和格陵兰以北，是北极最古老、最厚的多年海冰（multiyear sea ice）区域。由于气候变暖导致北极海冰持续减少，LIA被认为是依赖海冰的顶级捕食者（如北极熊、环斑海豹、髯海豹）的潜在气候避难所。然而，近期研究表明，LIA的海冰质量损失速率是北极平均水平的两倍，其韧性可能低于预期。此外，未来LIA的生态系统功能和生产力在气候变暖下的变化尚不清楚。多年海冰的减少可能使更薄、透光性更强的第一年海冰（first-year sea ice）增加，从而可能提高初级生产力（primary productivity, PP），但这对依赖冰平台的顶级捕食者的影响存在不确定性。目前，LIA区域严重缺乏生物、生态和种群数据，限制了预测能力。因此，研究人员开展这项研究，旨在通过耦合生物物理模型，综合海冰变化与营养盐可用性，评估LIA生态系统的未来生产力及其作为气候避难所的可行性。
**研究内容与结论**
研究人员使用耦合生物物理模型（BIOMAS-L），该模型整合了海冰模型、海洋环流模型、浮游生物生态模型和冰藻模型。通过动态降尺度（dynamical downscaling）方法，利用两个CMIP6气候模型（GFDL-ESM4和CNRM-CM6-1-HR）在SSP5-8.5情景下的大气强迫场驱动BIOMAS-L，模拟1995–2070年期间LIA的物理和生物变化。模型结果与历史观测（如卫星海冰数据、航空电磁观测）进行了验证，并辅以2023–2024年航空调查和丹麦Sirius Patrol的18年地面观测数据。研究创新性地将物理与生物预测整合，为LIA生态变化提供了迄今最完整的图景。论文发表在《Ecosphere》。
**主要技术方法**
研究人员采用耦合生物物理模型BIOMAS-L，该模型包含四个核心组件：基于PIOMAS的海冰模型（8个海冰厚度类别）、基于POP的海洋环流模型、11组分浮游生态系统模型（包括硅藻、鞭毛藻、微型浮游动物、桡足类等）以及冰藻模型。通过动态降尺度实验，使用两个CMIP6气候模型（GFDL-ESM4和CNRM-CM6-1-HR）的SSP5-8.5情景大气强迫场（包括表面风、气温、湿度、辐射等），并利用ERA5再分析数据对热强迫（气温、下行长波辐射、下行短波辐射）进行线性回归校正，以生成更真实的海冰模拟。模型水平分辨率在LIA区域平均约12 km，垂直方向40层（上100 m有19层）。样本来源包括：2023年5月格陵兰LIA航空调查（2989 km）、2024年6月加拿大Ellesmere Island航空调查（4434 km）以及2005–2022年丹麦Sirius Patrol的沿海观测数据。
**研究结果**
**Changes in sea ice over 1995–2070**
通过比较两种强迫模拟，研究人员发现LIA的海冰浓度（SIC）和海冰厚度（SIT）在2020–2070年期间持续下降。在CNRM-CM6-1-HR（高气候敏感性，ECS=4.3°C）驱动下，下降速率更快，夏季海冰在2055–2070年基本消失，北极首次无冰夏季（FIASY）出现在2027年；而GFDL-ESM4（低气候敏感性，ECS=2.6°C）驱动下，部分夏季海冰持续到2070年，但SIC和SIT较低（8月SIC约40–50%），FIASY约在2051年。两个模型均显示，春季（4月）SIC在整个模拟期内始终高于90%，表明春季繁殖期海冰相对稳定。海冰融化日期提前（3.6–5.8天/十年），冻结日期推迟（6.6–11天/十年），导致开阔水域天数增加（到2070年约100–120天）。
**Changes in ocean temperature and photosynthetically active radiation**
海冰减少导致上层海洋温度（0–100 m）和表面光合有效辐射（photosynthetically active radiation, PAR）在所有LIA子区域增加。群岛区域（Archipelago）的温度和PAR高于海盆区域（Basin），因为群岛区域夏季开阔水域更长，太阳辐射渗入更多。值得注意的是，西群岛（Archipelago West）的上层海洋温度高于东群岛（Archipelago East），尽管其海冰覆盖更高，这可能是由于太平洋暖水输送的影响。
**Changes in the marine planktonic ecosystem**
海冰减少、温度升高和PAR增加共同促进了浮游生态系统生产力。在两种模拟中，LIA所有子区域的PP、浮游植物和浮游动物生物量均从1995年持续增加到2070年。PP年峰值出现在8月，且6月和7月的PP增长最为显著（最高达30%）。群岛区域的PP和生物量高于海盆区域，其中东群岛（Archipelago East，格陵兰北部）成为未来最富生产力的区域。硝酸盐浓度在西部子区域（Basin West和Archipelago West）较高，可能源于太平洋营养盐输入，但总体上营养盐并非未来生产力增长的驱动因素。
**Marine mammal observations**
2023年格陵兰LIA航空调查记录了环斑海豹（n=8次目击，12只）、髯海豹（1次，1只）、北极熊（5次，5只）和独角鲸（3次，13只）。2024年加拿大Ellesmere Island调查记录了环斑海豹（84次，184只）、髯海豹（1次，1只）、独角鲸（12次，62只）和北极熊（1次，1只）。Sirius Patrol在2005–2022年间沿格陵兰海岸记录了283次成年北极熊目击、60次母熊带幼崽事件和496次足迹。这些观测表明，春季LIA目前是海豹和北极熊的适宜栖息地，但数据主要限于沿海区域。
**讨论与结论**
研究人员在讨论中强调，海冰模拟在夏季出现分歧：CNRM-WRF模拟显示海冰几乎消失，而GFDL-WRF模拟显示部分海冰持续至2070年。无论哪种情景，春季海冰稳定（>90% SIC）为依赖冰的物种（如环斑海豹）提供了繁殖期关键栖息地，但夏季海冰减少至<50% SIC将限制北极熊的捕食平台。LIA作为避难所的价值取决于气候情景，悲观情景下2055–2070年夏季LIA将无冰，而中等情景下仍存在低浓度海冰，但可能不足以支持北极熊。初级生产力的增加可能通过食物网传递，但薄冰的捕食平台功能受限。此外，海冰减少可能增加种群连通性，但也会导致北极物种向北扩张。
研究结论部分翻译如下：
总之，研究人员整合物理和生物预测的方法，提供了迄今为止对LIA生态系统预期变化的最完整图景，同时突出了与未来相关的问题。这项工作在先前研究的基础上，通过模拟海洋生产力、调查更精细空间尺度上的变化，以及检查已知对顶级捕食者重要的海冰特征（如SIC 50%阈值、开阔水域持续时间、融化与冻结时间）的命运，推进了对LIA的认识。未来工作应包括更多气候情景的动态降尺度实验、改进LIA历史和未来海冰与海洋变率的模拟、收集原位生物数据，以及针对顶级捕食者开展专门的野外项目（如重复航空调查、标记追踪）来评估其身体条件、运动和种群动态。此外，还需考虑海冰上积雪和淡水冰川混合物的可用性，以全面评估LIA作为避难所的潜力。
