基于卫星观测与辐射核评估的极地夏季雪冰反照率反馈

《Remote Sensing》：Polar Summer Snow and Ice Albedo Feedbacks Assessed by Satellite Observations and Radiative Kernels

　　

雪冰反照率反馈（Snow and Ice Albedo Feedback, SIAF）是将冰冻圈变化与全球变暖联系起来的关键过程。卫星辐射核提供了估算辐射反馈的另一种选择，绕过了气候模型辐射传输过程的复杂性。基于已建立的SIAF估算方法，研究人员利用可用的最长卫星反照率记录，结合卫星辐射核，量化了北极和南极的夏季SIAF。1979—2024年间，北极夏季SIAF为0.08 ± 0.04 W·m^?2，南极夏季SIAF为?0.11 ± 0.11 W·m^?2。北极观测到整体正的SIAF，而南极SIAF表现出显著的空间异质性，负反馈主要出现在东南极沿海海冰区域，正反馈出现在西南极边缘海。SIAF趋势的空间格局与气候态反馈密切相关，强正（负）反馈区域通常表现出增强的正（负）趋势。这意味着当前的反馈机制趋于持续甚至随时间增强。将陆地和海冰分量分开进一步揭示了两半球之间的对比演化路径。格陵兰和南极冰盖上的陆地SIAF均逐渐从弱负趋势转向正趋势，并在近几十年有所增强。在北极，海冰SIAF在1996—2011年经历了快速增强，随后在2012年后由于夏季海冰损失率和冰盖表面融化下降而大幅放缓。相比之下，南极海冰SIAF在1979—2015年期间保持持续的负趋势，与海冰扩展有关，但在2016年海冰急剧减少后迅速反转为正反馈状态。

在全球持续增暖的背景下，高纬度地区升温速度显著快于全球平均，即极地放大效应。北极海冰范围快速下降、南极海冰状态发生转变、格陵兰冰盖（GrIS）和南极冰盖（AIS）表面气温显著变化，这些冰冻圈变化不仅指示气候变化，也对地球能量平衡产生重要反馈。雪冰反照率反馈（SIAF）是极地放大中最重要的正反馈过程之一。量化SIAF的强度和演变对于理解极地气候变化及其在气候模型中的表征至关重要。已有估算多依赖气候模型辐射核，不同模型在背景气候态、大气成分和辐射传输表示上的差异带来显著不确定性。近年来开发的观测辐射核可减少对单一模型的依赖，但基于观测的SIAF估计仍较少，且受数据覆盖时间限制，难以全面评估2018年后极地SIAF动态。此外，北极和南极冰冻圈过程差异显著，陆地冰盖和海冰区域的反馈应分别研究。

研究人员利用1979—2024年最长的卫星反照率记录——CLARA-A3白空反照率（WAL）产品，该产品由先进甚高分辨率辐射计（AVHRR）观测生成；结合云与地球辐射能量系统反照率变化核（CACK）这一卫星辐射核，量化北极（>60°N）和南极（>60°S）夏季SIAF。海冰浓度数据来自NOAA/NSIDC被动微波海冰浓度第四版，仅保留SIC>15%的格网以降低低浓度区误差。全球平均2 m气温来自ERA5再分析数据，用于估算SIAF对温度变化的敏感性。SIAF计算以1979—1988年为基线，区域面积加权平均得到全球平均反馈强度。不确定性量化涵盖三方面：表面反照率反演不确定性（基于Beta分布随机扰动，观测数少时最大相对不确定性7.5%，多时2.5%）、CACK辐射核不确定性（包含辐射传输模型误差和输入数据误差，并对2001—2016年外的气候态替代附加年际变率不确定性）以及缺失反照率数据不确定性（海冰区最大可能反照率变化取0.4，冰盖内部取0.05）。陆地与海冰分量采用分段回归确定转型年份，分别评估不同时期趋势。

研究结果主要包括以下方面。第一，极地SIAF的时空变化：北极夏季SIAF整体为正，主要分布于北冰洋边缘海和格陵兰边缘，负反馈仅出现在伊丽莎白女王群岛和北冰洋中部；南极冰盖内部反馈较弱，海冰区呈显著东西不对称，西南极边缘海为正、东南极部分海岸和威德尔海东部为负。两半球夏季SIAF均呈“先增后减”的季节演变，6月（北极）和12月（南极）最强。第二，北极和南极夏季SIAF的时空特征：1979—2024年趋势显示北极几乎所有区域SIAF增加，最大超过10 W·m^?2·decade^?1；南极正趋势集中于西南极海岸，负趋势位于东南极部分区域和威德尔海北部。趋势空间分布与气候态反馈高度对应，强正（负）反馈区域趋势进一步增强。空间标准差（STD）显示海冰区变率最大（>10 W·m^?2，局部>30 W·m^?2），冰盖内部相对稳定，南极变率强于北极。第三，年际变率和不确定性：1979—2024年全球夏季平均SIAF北极和南极分别为0.08 ± 0.04 W·m^?2和?0.11 ± 0.11 W·m^?2。北极SIAF在1990年代末后转为持续正反馈；南极在2016年前保持负异常，之后快速反转为正异常。陆地和海冰分量显示，格陵兰陆地SIAF从弱负趋势转为正趋势（1997—2024年夏季趋势0.007 W·m^?2·decade^?1），北极海冰SIAF在1996—2011年快速增强（夏季趋势0.144 W·m^?2·decade^?1），2012年后放缓至0.100 W·m^?2·decade^?1。南极陆地SIAF从1979—1995年的?0.017 W·m^?2·decade^?1转为1996—2012年的0.014 W·m^?2·decade^?1，2012年后增至0.106 W·m^?2·decade^?1；南极海冰SIAF在1979—2015年为?0.078 W·m^?2·decade^?1，2016年后反转为0.144 W·m^?2·decade^?1。第四，对全球温度变化的贡献：北极SIAF与全球平均气温的回归系数（λ_α）在6、7、8月分别为0.41、0.30、0.16 W·m^?2·K^?1，均显著（R²>0.54）；南极夏季平均λ_α仅0.06 W·m^?2·K^?1，不显著，分段回归显示2015年前后符号反转。

讨论部分指出，辐射核选择对SIAF绝对量有影响，但空间模式在不同核间保持一致，表明表面反照率变化是空间格局的主控因子。北极2012年后SIAF增长减缓与夏季海表温度微弱下降及北大西洋涛动（NAO）向正相位转变有关；南极2016年后SIAF反转与海冰骤减、南大洋增暖和海表温度正相关（r=0.48）一致，而南半球环状模（SAM）直接影响较弱。研究结论表明，利用卫星观测和辐射核可有效评估极地SIAF，其长期演变具有显著的区域和时段依赖性；海冰分量主导两半球SIAF的年代际转变，陆地冰盖反馈相对较弱但趋于增强。北极SIAF对全球增温响应显著，南极则呈现弱且不显著的总体关系，反映了南极表面过程的空间异质性和反馈机制的时间反转。