尽管近年来全球变暖背景下北极海冰范围的变化趋势得到了广泛的研究，但大多数气候模式未能捕捉到最近几十年北极气候系统的快速变化，这也引发了对气候模式对在海冰预测方面可靠性的质疑，并暗示了北极的气候系统可能在发生转变。而以往的研究以及IPCC评估报告中通常都忽略了气候系统的不稳定特性。
近日，我系周文教授课题组发表在《npj-气候与大气科学》的论文提出了一种新的时变涌现约束法（Time-variant emergent constraint），将模拟的海冰范围（SIE）与预估的海冰范围联系起来，并考虑了气候系统的潜在变化，进而更合理地预估未来地海冰范围。从图1可以看到，预估北极无冰时间为2030年前的模式都是高敏感度（ECS）模式。虽然存在这种关系，但在所有排放情景下，模式敏感度与海冰范围的关系在某些时期是不稳定的，因为在瞬变气候变化情景下，不同时间尺度上气候反馈强度的变化以及模式间海冰内部变率有差异，进而可能让敏感度和海冰之间关系变得复杂。因此，使用历史海冰状态作为未来的海冰的约束因子是最直接且合理的，其既能反映模式的反馈强度也能体现模式初始化的海冰量级。
图1 观测以及CMIP6模拟的北极9月海冰范围
考虑到气候系统潜在的变化，该研究提出了一种新的时变涌现约束法，和以往的采用单一约束因子约束未来海冰不同，该方法对未来不同时间段的海冰都计算了其最优约束因子（图2）。可以看到，在SSP1-2.6和SSP2-4.5排放情景下，未来海冰的最优约束因子随时间变化很小，并且主要都是历史2016-2020年的海冰平均状态。但在SSP3-7.0和SSP5-8.5排放情景下，最优约束因子在2025年到21世纪中期之前相对稳定，但分别从大约2054年和2056年开始发生转变，这表明在高排放情景下，随着二氧化碳的累积效应，气候系统临界点（tipping point）的出现会比在低排放情景下更快。同时，不同排放情景下最优约束因子的差异也意味着气候系统会随着外强迫的强度不同而变化。因此以往研究采用相同的约束因子来约束未来不同排放情景下以及不同时间段的预估量可能存在一些不足。
图2 不同排放情景下未来不同时间段的历史最优约束因子
通过时变用涌现约束法发现（图3），北极无冰时间的“可能区间”在SSP3-7.0和SP5-8.5排放情景下，分别从原来的2039到2100年后和2044到2100年后缩减到2041-2071年和2037-2066年。在高排放情景下，经过约束后北极“可能”（>66%的概率）的无冰时间比原来提前了27年。在中等排放情景下（SSP2-4.5），“可能”的无冰时间为2080年，但在低排放情景下(SSP1-2.6),北极21世纪之前出现无冰的概率小于30%。
图3 涌现约束后的北极海冰范围以及无冰时间的概率分布
尽管科学界在减少CMIP6模式间海冰预估差异方面已经付出了很多努力，但预估的无冰北极的时间跨度依旧比较大。内部变率的存在有时可以在年际到年代际时间尺度上覆盖外强迫的信号，即使在相同外强迫下，北极无冰时间也可能会有 20年左右差异。此外，北极海冰的内部变率会随着北极海冰的减少而增加，这也会为北极海冰未来预估带来很大不确定性。进一步探索北极海冰年代际变率的物理机制将有效提升我们对未来无冰北极发生时间的更精确预估能力。
文章信息：Shen, Z., Zhou, W., Li, J. et al. A frequent ice-free Arctic is likely to occur before the mid-21st century. npj Clim Atmos Sci 6, 103 (2023). https://doi.org/10.1038/s41612-023-00431-1
