研究气候影响海冰变化的新成果
（一）探索气候变化导致北极海冰减少的新信息
1．审视气候变化引起北极海冰减少的表现
⑴数据证实北极融冰期每十年延长五天。[38]2014年3月，英国伦敦大学学院极地观察与建模中心的朱利恩·斯托夫及同事，与美国多家研究机构联合组成的一个研究团队，在《地球物理学研究快报》上发表论文称，他们通过最新的卫星数据分析，进一步证实北极的融冰期正在延长，大约每10年增加5天。数据显示，北冰洋在夏季吸收了越来越多的太阳能量，导致秋季海冰出现得越来越晚。在一些地区，封冻来临的时间每10年延迟达到11天。
研究人员指出，这一发现对跟踪气候变化具有重要意义，对北极地区的航运和能源工业也有实际应用价值。斯托夫说：“过去40年来，北极海冰的范围一直在下降。冰开始融化和冻结的时间对每年夏季海冰损失的数量有很大影响。随着北极地区在长时间里变得更容易接近，人们也需要更好地预测海冰何时后退，何时前进。”
该研究团队分析了北极地区的卫星图像，追溯了30多年的变化情况。利用数据将整个区域划分为25×25平方公里的小区，分析了这些小区每个月的反射率，更新了冰面变化趋势，补充了新增的6年。以往的观察显示融冰期正在变得更长，新数据仍延续了这一趋势。
虽然北极在所有日历月份的温度一直在升高，但海冰融化开始的趋势远远小于秋季封冻。然而融化开始的时间对海冰能吸收多少太阳能量的影响更强烈，反过来，也会影响地表反射的情况。反射能力强的地表，比如冰面，反射率也高，即它们会把大部分照进来的阳光反射回太空。反射能力弱的表面，比如液体水面，反射率也低，它们会把照进来的阳光热量吸收掉。
这就意味着，海冰的覆盖范围在春天即使有一个很小变化，也会导致夏季吸收的热量有很大变化，使得秋季封冻大大延迟。此外还有第二个影响，经整个夏季而不融化的多年冰，比一年冰的反射率更高，一年冰只在冬天覆盖于海面。自20世纪80年代以来，在北极冬天的冰中，多年冰的比例从约70%降到了现在的20%左右，这一变化非常明显。
相关的能量变化也很大。每平方米海域累计多吸收了几百兆焦的能量。也就是说，北极每平方公里海面多吸收的能量，是广岛原子弹放出能量的许多倍。在上个10年，海面温度从0.5℃增加到1.5℃，这也很好地解释了北冰洋临海秋季封冻延迟的现象。
研究人员指出，对于北极的一些团体机构，如石油钻探，详细掌握海面何时封冻非常关键。对于气候科学家来说，本研究也有助于更好地理解北极气候的内在反馈机制。
⑵发现北极冰湖融化时间越来越早。[39]2016年12月，英国南安普敦大学教授贾杜·达什等专家组成的一个研究团队，在《科学报告》杂志上发表论文称，北极那些冬季冰封的湖泊会在每年春季升温时融化，他们近日研究显示，在全球变暖的大背景下，这些冰湖的融化时间正呈现越来越早的趋势。
研究团队通过卫星图像对北极地区1.3万多个湖泊在2000年至2013年间的结冰和融化状况进行长期观察。这些湖泊分布在北极地区的5个区域：阿拉斯加、西伯利亚东北部、西伯利亚中部、加拿大东北部和欧洲北部。
据他们的论文显示，在这一期间，结冰湖泊在春季开始融化的时间，每年平均会提前一天。达什说，这一观察结果，与其他相关研究成果都进一步展示了不断升高的气温，对北极地区带来的影响。
此外，研究人员还观察到，晚秋时节这些北极地区的湖泊表面开始结冰的时间点，也比以往推迟，导致整个结冰期缩短，但研究人员强调这还需要进一步的观察来确认。
⑶研究显示北冰洋或比预期提前出现无冰夏季。[40]2023年6月6日，韩国浦项科技大学气候学家主持，加拿大和德国相关学者参加的一个研究团队，在《自然·通讯》杂志发表论文称，他们通过气候变化模型研究发现，即使在低排放场景下，北极可能早至2030年代就会在夏季没有海冰，比此前的估计早了约10年。这些发现，强调了人类活动对北极的重大影响，并表明对北极未来季节性无冰做好计划和适应的重要性。
北极海冰在最近几十年里快速减少，自2000年起减少加剧。没有海冰的北极可能影响北极内外的人类社会和自然生态系统，导致海洋活动不断改变，进一步加速北极变暖，以及碳循环出现新情况。然而，在低排放场景下，人类活动对海冰减少的影响，是否会导致北极无冰，仍有相当不确定性。
为了分析人类对北极海冰减少的影响并预测其未来路径，研究团队使用1979年～2019年间的观察数据建立模型。他们的发现表明，人类对北极海冰减少的影响全年可见，可在很大程度上归因于温室气体排放增加。气溶胶及太阳、火山活动等自然因素的影响则小得多。
而且，研究团队预计，在所有排放场景下，北极在2030年～2050年的夏季都可能发生无海冰现象。这与此前联合国政府间气候变化专门委员会第六次评估报告的估计相悖，后者没有预测在低排放场景下未来北极夏季会发生无海冰现象。
2．分析北极海冰减少带来的影响
⑴发现北极海冰减少会大大影响温室气体平衡。[41]2013年2月，每日科学网站报道，瑞典隆德大学的研究人员发现，无论是在吸收还是释放方面，大面积的北极海冰减少，是影响大气中温室气体平衡的显著因素。研究人员还发现，在苔原以及北冰洋都存在温室气体二氧化碳和甲烷。
“温室气体平衡不停地发生变化会产生严重的后果，因为在全球范围内，人类在使用化石燃料时，会向空气中释放一定的二氧化碳，而植物和海洋仅仅吸收其中大约一半的二氧化碳。如果北极组成部分的缓冲区发生变化，那么大气中温室气体的含量就会大大增加。”隆德大学的帕门蒂尔·弗兰斯博士解释说。
瑞典隆德大学以及丹麦、格陵兰、加拿大和美国有关研究机构的科学家，共同参与了此项研究。他们注意到，当海冰融化时，已经形成了一个恶性循环。通常情况下，白色的海冰将太阳光反射回太空；但当海冰的覆盖面积收缩减少时，反射的太阳光量也随着减少了。相反，被海洋表面吸收的太阳光占了很大一部分比例，因此导致北极气温上升、气候变暖。
当然，这个过程的影响是多方面的。弗兰斯说：“一方面，温度升高，可使植物生长更加茂盛，因此又能吸收更多的二氧化碳，这是积极的影响。但另一方面，升温也意味着将有更多的二氧化碳和甲烷从土壤中释放出来，这又是一个强有力的负面影响。”
其实，除了陆地上的变化，目前的研究成果毕竟有限，还有很多无法确定的影响，比如海融冰与温室气体通过自然过程相互交换的影响等等。在现实背景下，我们对许多海洋过程实在是知之甚少。
⑵发现北极海冰消失会破坏当地生态。[42]美国阿拉斯加州一家咨询公司马丁·伦纳主持的研究小组，在《生物学快报》发表研究成果称，海冰覆盖的持续损失正在破坏北极的生态系统，并且可能意味着比此前认为的更多的物种将因此灭绝。
在经历了史无前例的暖冬后，北极海冰覆盖面积，在2016年夏季缩减到有记录以来的第二低。伦纳介绍说，诸如象牙鸥等直接依赖于海冰的物种将陷入困境。
该研究小组分析了1975年～2014年间关于白令海东南部区域海冰和浮游动物、鱼类以及海鸟的数据。他们发现，当海冰在春天早早融化时，大多数海鸟和大型浮游动物的丰度会降低。这表明，这些物种的数量在更加温暖的气候下会进一步衰减。
不仅仅只有海洋生物处于危险之中。来自法国萨瓦大学的格伦·雅尼克针对这项研究表示：“对于北极动物来说，海冰的消失代表着一种新的严重障碍，尤其是它们在岛屿之间的移动将受到阻碍。”
该研究小组还研究了海冰损失对皮尔里驯鹿可能造成的影响，认为前景不容乐观。对于当地原住民来说，皮尔里驯鹿是一种具有重要文化意义的动物。而且，在拥有3.6万余座岛屿的加拿大北极群岛生态系统中，它们是关键的组成部分。皮尔里驯鹿会在连接这些岛屿的冰面上穿行，以寻找食物和住所、交配并抚养幼崽。
⑶发现北极海冰消融或加速病原菌传播。[43] 2019年11月，美国加州大学戴维斯分校生物学家特雷西·古德斯特恩主持的研究小组，在《科学报告》杂志发表论文指出，气候变化造成的北极海冰减少，可能会让感染海洋哺乳动物的病原菌，在北大西洋和北太平洋之间更频繁地传播。海冰消融等环境变化不仅会改变动物的行为，还会开放新的航道，让本来不同的种群接触，从而增加对新病原菌的暴露。
1988年和2002年，海豹瘟病毒曾在北大西洋导致大量斑海豹死亡，但直到2004年才在北太平洋得到确认。该研究小组考察了海豹瘟病毒进入北太平洋的时间，以及与病毒出现和传播模式相关的风险因素。他们利用了2001～2016年期间采集的海豹、海狮、海狗和海獭的海豹瘟病毒暴露和感染数据，以及这些动物的活动数据。
研究小组发现，北太平洋大规模海豹瘟病毒暴露和感染，发生在2003年和2004年，超过30%的动物对该病毒的检测呈阳性。海豹瘟病毒的流行，在之后几年有所下降，但在2009年再次飙升至最高点。2004年和2009年采集动物样本的病毒感染概率是其他年份的9.2倍。而这与卫星影像探测到的2002年、2005年和2008年的新航道打开有关。
该研究结果，为北太平洋从2002年以来的海豹瘟病毒大面积暴露和感染、病毒在各种海洋哺乳动物之间的传播，以及海豹瘟病毒暴露和感染在海冰消融后达到峰值，提供了证据。病原菌在北太平洋和北大西洋之间传播，可能会随北极海冰的持续消退而变得愈加频繁。
⑷发现北极海冰消退凸显北极航道战略价值。[44]2023年10月18日，北京师范大学樊京芳教授与北京邮电大学孟君研究员等专家组成的研究团队，在《自然·通讯》杂志网络版发表的论文显示，他们呼吁，重视北极航道的重要战略价值，积极采取行动抓住这一机遇。
随着全球气候变暖，北极海冰逐渐减少，这不仅给当地生态系统带来了巨大压力，还对中国及其他国家的气候造成了深远影响。该研究从复杂系统角度出发，揭示了北极不稳定天气如何通过大气的长距离连接路径，影响到中国以及其他地区。
值得一提的是，随着海冰的减少，北极航道也逐渐展现出其巨大的潜在价值。研究指出，作为连接欧洲和亚洲的最短航线，北极航道可显著缩短两地航行时间，降低航行成本。对中国来说，这意味着更加高效和经济的贸易路径。同时，北极地区丰富的矿产和能源资源，也可为世界经济发展提供新的机遇。
孟君表示，从复杂系统的视角出发，人们能够更为深刻地洞察气候变化对全球，尤其是对我国的影响。樊京芳指出，北极航道的开放和利用，对我国来说无疑是巨大的经济和战略机遇。中国可以进一步在全球舞台发挥建设性作用，促进区域和平与稳定。
（二）探索气候变化引起南极海冰减少的新信息
1．审视气候变化导致南极海冰减少的表现
南极海冰面积创下四十五年来最低记录。[45] 2023年7月30日，美国有线电视新闻网报道，美国国家冰雪数据中心最新数据显示，南极海冰面积目前正处于自45年前有记录以来的最低水平。科学家提醒道，南极生态系统的“游戏规则”可能已发生改变。
据报道，每年2月底，也就是南极大陆的夏季，南极海冰面积都会缩减到最低点。海冰会在冬季重新形成。但2023年海冰并没有恢复到接近预期的水平，而是处于最低点。
据美国国家冰雪数据中心的数据，2023年7月中旬的海冰面积，比2022年创下的冬季历史新低还要少约160万平方公里，比1981年至2010年的平均水平低260万平方公里。这一数字，几乎与阿根廷的国土面积一样大。
南极是一个遥远而复杂的大陆。与北极不同的是，随着气候危机的加剧，南极海冰在过去几十年里始终在高点和低点之间不断摇摆，这使得科学家们难以理解它是如何应对全球变暖的。然而，自2016年以来，科学家们开始观察到一个急剧下降的趋势。许多科学家表示，气候变化可能是南极海冰消失的主要原因。
2．通过新设备探索南极海冰变化状况
⑴运用水下机器人获取南极海冰数据。[46] 2014年12月，美国伍兹霍尔海洋研究所冰层研究员泰德·马克西姆主持，澳大利亚霍巴特大学盖·威廉姆、英国剑桥大学南极调查所杰瑞米·威尔金森等科学家参加的一个研究团队，围绕南极开展的机器人科学探险发现，在很多地方冰层厚度比此前测量的厚很多。近日，他们在《科学美国人》与《自然》两家杂志联合发布了这一数据。
此前的测量受限于科考船的破冰前行，到达考察区域后丢下一队人马开始钻孔，让卷尺插进去测量。这个技术产生的数据仅限于直接观察所得。现在，该研究团队使用一种名为“自动式水下航行器”的机器人，在靠近海岸线的三个区域的冰层下展开巡航，直接在更广大的范围内开展冰层厚度测量。
此前对南极海冰厚度的观察，得出了一个1米左右的平均吃水深度（水线和冰层底部之间的距离），而新的考察结果是平均吃水深度3米。此前考察最厚的冰层为10米，而这次发现最厚处达16米。
冰层厚度源于不同板块的海冰相互碰撞，然后在碰撞部位堆叠到一个高度。但从这些数据并不能明确知道整体冰层的体积究竟比此前预计的多多少。该研究团队只是测量了每年在南极周边形成的一小部分海冰。他们最新发布的数据是50万平方米，但相形见绌的是，海冰的总体量在年度最大值时达到了平均2000万平方公里。马克西姆说：“但这些数据仍然表明，有大量南极覆盖的地域比此前传统考察结构厚很多，而且变形很大。”
这个结果并没有出乎极地科学家的预测，因为考察船理智地避开可能将之陷入麻烦的厚冰地带，因此此前的抽样显然偏向了薄冰层。
科学家得到的南极海冰的数据越多，越能解释气候模型为何很难准确预测海冰状况。尽管研究人员已经在为南极海冰大幅度沉降成功建立模型，但南极海冰的范围实际上在最近一些年里增加了许多，与模型的预测正好相反。
更多冰下机器人的考察，能用卫星校正冰层厚度，允许研究人员更好地理解，这块冰冻之地究竟正在发生着什么。
⑵首次利用无人机揭示南极海冰表面精细结构。[47]2019年4月14日，北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院院长程晓和博士生李腾，与英国纽卡斯尔大学、诺桑比亚大学及加拿大环境局有关专家组成的联合研究团队，在《遥感》杂志上以封面文章形式发表成果称，海冰是全球气候变化的敏感因子，但目前对于大范围海冰表面形态的精细刻画仍存在诸多困难。日前，他们利用海冰无人机遥感数据，首次系统评价了无控制点摄影测量的精度分布，并揭示了南极海冰表面的精细结构特征。
2016～2017年，参加中国第33次南极考察的北京师范大学研究人员，利用新型“极鹰Ⅲ”号小型无人机系统，对“雪龙”号通往中山站的海冰断面进行无人机遥感作业，并成功获取3个架次的南极夏季固定冰无人机遥感数据。李腾说：“这是我国首次将固定翼无人机技术用于南极大面积海冰测绘工作，支持‘雪龙’号破冰和卸货保障，之前都是由海冰判读员手持GPS乘坐直升机进行目视探路。”
研究表明，在无控制点的情况下，无人机摄影测量能够达到亚米级制图精度，在经过地理校正后的正射影像和数字表面模型上，能够准确地识别冰貌起伏形态，尤其是冰脊的精细特征。冰脊是海冰形变的主要表现形式，它的结构与分布能够从动力和热力两个方面影响海冰与海洋、大气的相互作用，而这也正是利用传统卫星平台研究海冰的难点所在。
程晓说：“利用轻小型无人机平台对固定冰进行测图，在未来的海冰研究和极地考察中将会有广阔的应用前景，比如基于时间序列刻画海冰消融过程，揭示海冰形变的力学机制指导‘雪龙’号破冰路线，规避后勤卸货和冰上运输的风险等。” 程晓表示，未来他们还将继续利用无人机平台，与国内外的学术同行开展更加广泛深入的合作。
