海冰半定位监测是揭示海冰变化过程与机理，开展卫星遥感地面验证的基础性工作。报告主要介绍近年来在阿拉斯加北极地区开展的海冰相关观测，以及在海冰变化过程与机理方面取得的进展。
窦挺峰，中国科学院大学资环学院副教授。主要从事海冰变化过程与机理研究，多次赴北极地区开展现场观测。近年来，主要在阿拉斯加巴罗西北部楚科奇海开展海冰半定位监测。基于台站监测、走航观测和数值模拟等对海冰消融的关键过程和机理开展了系统研究，在Geophysical Research Letters，The Cryosphere，Atmospheric Chemistry and Physics，Science Bulletin，Annals of Glaciology等国内外期刊发表论文30余篇。
曾获中国科学院院长奖、极地优秀论文一等奖、中科院教育教学成果一等奖。先后承担国家自然科学基金委青年、面上、中科院前沿科学与教育局重点方向子课题等项目。
2021年4月14日下午4点，由武汉大学中国南极测绘研究中心举办的“智汇极地”学术沙龙第36期在中心三楼报告厅以及腾讯会议成功举办，2019级硕士陈晓丽主持了本次讲座。本期讲座嘉宾为窦挺峰老师，来自中国科学院大学资环学院，报告主要介绍近年来在阿拉斯加北极地区开展的海冰相关观测，以及在海冰变化过程与机理方面取得的进展。
图1 报告PPT首页
1. 研究背景
报告首先介绍了北极海冰快速消融的研究背景。MOSAIC计划发现北冰洋中心地区出现大量开阔海域；目前最新的CMIP多模式集低估了海冰的消融速率，这种偏差意味着做海冰预测预估时就无法确定海冰融化得有多快，特别是在一些关键海域。
对海冰模拟不足的原因有很多，其中主要来自两个方面，一个是它的触发机制不清楚，另一方面是融化过程不清楚。如图2（a）和（b），灰色区域代表积雪，左图积雪消融很快，露出裸冰，太阳辐射直接照射海冰使其消融。对比两幅图可以看出，积雪消融很快时海冰消融得也很快。
图2 海冰消融与积雪厚度的关系
海冰消融的影响因素很多，主要原因还是在大气方面，北极大气变暖贡献了海冰减少的75%。本次报告内容主要是从大气方面的研究进行展开，一方面是因为大气相关研究比较多，历史数据充足，另一方面大气影响海冰是一个比较快的过程。
2. 现场观测
报告中介绍了团队做的一些现场观测，包括2008年中国第三次北冰洋科考和2010年韩国首次北冰洋科考中完成的一系列观测，如海冰和积雪厚度走航观测、积雪的物理特性走航观测等。现场观测的特点是可以开展过程观测，包括冰是怎么冻上的、消融过程中哪些因素起到关键性作用等问题的研究。海冰观测聚焦在海冰的消融过程，所以一般观测时间是4—6月份。
图3 现场观测（1）
图4 现场观测（2）
3. 雪冰黑碳来源、分布、影响
黑碳具有强吸光性。图5右图是不同浓度雪冰黑碳对海冰反照率的影响，可以看出其影响主要体现在可见光波段。黑碳浓度越高，对反照率的影响越强烈。
图5 北极冰雪中的黑碳
通过检测雪冰样品中的酯类、糖类、烷烃、脂肪酸等物质，判断巴罗地区雪冰黑碳的主要来源。结论是，北极冰雪中碳质气溶胶主要来自于自然源和生物质燃烧，工业燃烧排放的贡献基本可以忽略。降雪期间，气团源区主要来自阿拉斯加北缘及北冰洋地区（92%），阿拉斯加南部较少。
分季节来看雪冰黑碳的空间分布，如图6是春季分布情况。暖色调地区是俄罗斯，显示雪冰黑碳浓度比较高，其次就是靠近俄罗斯的地区，而阿拉斯加、加拿大这些地方黑碳浓度都比较低。其中格陵兰岛有块区域模拟浓度较高，这个还无法解释，实际上应该是非常低的，除此之外的其他地方的模拟结果可以证实是合理的。黑碳空间分布的差异对应着对反照率的影响，俄罗斯地区反照率降低幅度最大，平均为1.25%，显著高于北极其他地区0.39%—0.64%。春季66°N以北地区雪冰黑碳的辐射强迫约为1.0Wm，相当于每平方米放置一个1W的灯泡。
图6 北极雪冰黑碳空间分布（春季）
随着积雪消融，黑碳在海冰表面富集。消融期末，海冰表面积雪中黑碳浓度达到最大值，比消融初期高10倍左右。雪冰中黑碳对海冰反照率的降低贡献率可达1.6—5.1%。其中影响最为显著的阶段为积雪开始快速消融至海冰表面融池大范围形成之间。
图7 黑碳随积雪消融的富集效应
为了评估随着积雪的消融黑碳的富集效应有多强，采集雪坑表面的一层雪和雪坑中经过多次消融后再冻结形成的冰层，分析采集样品中的黑碳，就可以知道融雪把多少黑碳从冰层上部带走。加拿大盆地大概在23.6%，融水清除系数比较高，最低的是巴罗地区，因为当地有一定人类活动，排放的黑碳颗粒比较大。
夏季分布情况完全是基于观测的研究，利用观测来分析大概的黑碳分布情况。如图8，圆点越大表示黑碳浓度越高。可以看出，雪冰黑碳春、夏季节差异显著。夏季消融期，积雪粒径增大。同时黑碳在积雪中富集，平均而言，可使海冰表面反照率降低1.5%，在黑碳高浓度区，反照率降低可达3.8%。
图8 北极雪冰黑碳空间分布（夏季）
4. 北极海冰消融触发机制新解
报告中提到在一次偶然的观测中发现降雨会触发并加速海冰表面快速消融，于是针对这一现象进行了一系列现场观测。
图9 常规现场观测
最开始的降水观测是利用单反相机对着黑板进行连续拍摄，在这个观测基础之上，结合一些历史数据，就可以分析冰上的消融变化过程。如图10，黑色曲线是海冰表面的积雪厚度，红色曲线是气温，三角符号代表发生降水，可以看出温度上升到0℃时，海冰不会消融，但降水以后海冰会迅速消融。
图10 降水观测
如图11，绿色柱状图代表反照率的变化，上面的曲线代表其他的观测分量，阴影区域代表液态降水，可以看出发生液态降水时最直观的变化就是反照率下降。
图11 降雨与反照率变化
为了研究冰雪消融是由什么因素触发的，需要进行数值模拟。将海冰消融过程分为三个阶段：首先是Warming phase，这个阶段温度上升了，但是雪还没融化，当更多能量摄入时，就会在雪层里产生液态水，进一步能量摄入或者有液态水的加入时，就进入排水阶段，产生我们观测到的雪厚减少这一现象。
图12 机理解释（1）
图13 机理解释（2）
与降雨相关的两方面能量摄入是导致雪层达到Warming phase的关键，一方面是降雨直接带到雪层中的热量，包括潜热和感热，另一方面就是降雨导致反照率下降，吸收的太阳辐射增加。
接下来介绍了单点观测在整个北冰洋地区是否具有普遍性。如图14左图是在巴罗观测到的首场降雨发生时间，可以看出过去几十年间降雨时间在逐渐提前，最初在6月份左右，近年来逐渐提前到5月初。右图冷色调的地方是液态降水发生时间显著提前的区域，这些区域主要在海冰边缘，同时也是近十几年来海冰消融最显著的区域。这带来一些启示——对整个北冰洋地区来说液态降水提前可能会导致海冰消融提前。
图14 北冰洋首场降雨时间变化趋势
将ERA数据与卫星观测资料作空间相关，图15左图大片的红色区域代表显著相关区，表明液态降水发生的时间与大范围的海冰消融时间有很强的相关性，但具体联系还须后续研究。
图15 海冰范围预测先期信号
5. 北极降水相态转变的影响及归因
图16是根据大陆上两百多个站点降水资料得到的分布图，90%以上的台站都显示出固态降水向液态降水转变的趋势，点越大表示趋势越明显。
图16 降水相态变化
这项研究揭示了4—6月份降水相态变化对于海冰表面积雪厚度产生怎样的贡献、在不同区域有什么差异。如图17，可以看出在巴伦支海、喀拉海、加拿大群岛，降水相态变化的贡献最显著，可以达到每十年使海冰表面减少2厘米左右，进而极大促进海冰消融。
图17 降水相态变化的影响
图18左上角图是液态降水与总降水比例的气候态和趋势。随着气候变暖，越靠近北冰洋中心，降水相态变化越明显。左下图是模式方法对过去三十年的模拟结果。通过收集一些可区分固液态降水的台站资料，对模式进行验证，发现总体上对应得比较好，并基于模式进行了一些分析。随着北极变暖，降水整体增加，在气溶胶和温室气体的共同强迫之下，当升温达到6℃时，北极总降水增加25%，其中绝大部分是温室气体导致的，气溶胶的贡献也不容忽视。
图18 降水相态转变归因
在介绍北极整体平均结果基础上，下面分析降水相态变化的空间差异。如图19，颜色越深的区域越敏感，可以看出气溶胶每升高1℃，格陵兰地区液态降水与总降水的比例升高50%，降雨增加量大概也是50%，未来格陵兰地区的降水相态很可能也会与北极其他地区一样以液态降水为主。液态降水发生以后，一方面会触发积雪的消融，另一方面会带来大量的潜热，并进一步促进消融。由此可见，降水相态的变化将给北极地区带来很多新的问题。
图19 降水相态变化区域敏感性
报告结束后，与会的各位老师和同学与窦挺峰老师进行了热烈讨论，大家纷纷表示收获颇丰。
（编辑：蔡祎 审核：郝卫峰）
