羅 犀， 張玉蘭， 康世昌， 陳金雷

（1. 中國(guó)科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049）

0 引言

氣候變化是當(dāng)前北極地區(qū)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題，北極冰凍圈（冰川、冰蓋、積雪、海冰、多年凍土等）和極端事件（極端降水、極端熱事件、極端冷事件、極端野火等）的變化正在深刻改變北極氣候與環(huán)境［1-4］。為系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和評(píng)估北極地區(qū)氣候變化和環(huán)境污染現(xiàn)狀，為北極發(fā)展和政策制定提供科學(xué)支撐，1991年環(huán)北極8國(guó)（美國(guó)、加拿大、俄羅斯、挪威、瑞典、丹麥、芬蘭和冰島）達(dá)成環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略協(xié)議（Arctic Environmental Protection Strategy， AEPS），啟動(dòng)北極環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估計(jì)劃（Arctic Monitoring and Assessment Programme， AMAP）。1996 年北極8國(guó)基于AEPS成立北極理事會(huì)，AMAP成為北極理事會(huì)下屬工作組。2017 年，AMAP 發(fā)布了《北極雪、水、冰和多年凍土》（SWIPA 2017）［1］評(píng)估報(bào)告，指出溫室氣體濃度上升正在推動(dòng)極為敏感的北極氣候、環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生廣泛而快速的變化。自2011年以來(lái)，海冰、陸地冰（主要為冰川和冰蓋）、積雪范圍和積雪期均呈顯著下降趨勢(shì)，多年凍土持續(xù)升溫，北極正在被一個(gè)更溫暖、濕潤(rùn)、多變的環(huán)境取代。2019 年，AMAP 發(fā)布《北極氣候變化新進(jìn)展2019》（AMAP 2019）［2］決策者摘要，在北極氣候變化趨勢(shì)、海冰、陸地冰與海平面上升、北極生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響等方面更新了SWIPA 2017 的認(rèn)識(shí)。2021 年，AMAP 最新發(fā)布的《北極氣候變化新進(jìn)展2021：關(guān)鍵趨勢(shì)和影響》（AMAP 2021）［3］科學(xué)報(bào)告指出：北極氣候和環(huán)境要素繼續(xù)快速變化，正在深刻改變北極生態(tài)系統(tǒng)和北極社區(qū)。由溫室氣體排放引起的氣候變暖已被列為全球性環(huán)境問(wèn)題之首，“北極放大效應(yīng)”使得北極成為全球地表氣溫增暖最劇烈的地區(qū)之一，北極也因此更易受氣候變化的影響［5-8］。本文基于AMAP氣候變化評(píng)估報(bào)告，對(duì)北極氣候和冰凍圈要素變化特征、北極極端事件變化特征、北極區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響的新進(jìn)展予以解讀。

1 北極氣候和冰凍圈要素變化特征

1.1 氣溫

SWIPA 2017 報(bào)告表明，在過(guò)去幾十年（1961—2014 年），北極近地表氣溫增幅約為全球同期平均的2 倍。AMAP 2019 指出，北極地區(qū)繼續(xù)以全球2倍的速度變暖；1971—2017 年，北極地表年平均氣溫增加2.7 ℃，是北半球氣溫增幅的2.4 倍，其中冷季（10 月—次年5 月）增溫3.1 ℃，暖季（6—9 月）增溫1.8 ℃；北冰洋大部分海域的海水表層溫度也在上升，1982—2017年，楚科奇海8月海水表層溫度以0.7 ℃·（10a）-1的趨勢(shì)上升。AMAP 2021 進(jìn)一步揭示北極快速增溫的事實(shí)：1971—2019 年北極年平均近地表氣溫增加了3.1 ℃，是全球增幅的3 倍，其中冷季（10 月—次年5 月）北冰洋上空增溫4.6 ℃。美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）2021 年北極年度報(bào)告指出，2020 年10 月—2021 年9 月北極（＞60° N）平均陸地表面氣溫比1981—2010 年上升1.1 ℃［9］。北極近地表氣溫在亞歐大陸和阿拉斯加北部邊緣明顯大于加拿大北極群島，海洋升溫快于陸地，其中新地島北部海洋和斯瓦爾巴群島北部海洋最為顯著，峰值（10.6 ℃）出現(xiàn)在巴倫支海東北部上空［圖1（a）］。北極近地表氣溫上升趨勢(shì)與全球一致，變化幅度明顯大于全球［圖1（b）］。政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（IPCC）第六次評(píng)估報(bào)告（AR6）同樣指出，北極將繼續(xù)以全球2倍的速度變暖（高信度）（IPCC 評(píng)估報(bào)告AR6 采用“很低、低、中等、高和很高”對(duì)研究結(jié)論信度進(jìn)行評(píng)估），模式預(yù)估北極最高增溫趨勢(shì)可達(dá)全球的3倍（高信度）［10］。北極增溫趨勢(shì)在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變。

圖1 北極地區(qū)近地表年均溫度變化趨勢(shì)：1971—2019年北極氣溫變化空間分布［3］（a）；相對(duì)于1981—2010年平均氣溫，北極（＞60° N）和全球氣溫距平的時(shí)間變化［1］（b）Fig. 1 Annual surface temperature trend patterns in Arctic regions： spatial distributions changes of air temperature during 1971—2019［3］ （a）， temporal changes of Arctic and global temperature anomalies relative to the 1981—2010 mean value （60°～90° N）［1］ （b）

1.2 降水

根據(jù)最新觀測(cè)和模擬數(shù)據(jù)，AMAP 2021發(fā)現(xiàn)北極年降水量在1971—2019 年增加超過(guò)9%，降水增加趨勢(shì)為1.5%·（10a）-1～2.0%·（10a）-1，這與SWIPA 2017 報(bào)告中加拿大北極陸地（＞55° N）1950—2010年降水增加趨勢(shì)［1.5%·（10a）-1］相當(dāng)。AMAP 2021進(jìn)一步指出北極冷季（10月—次年5月）降水增加最多，其中降雨量增加24%，增加趨勢(shì)為4.9%·（10a）-1，這明顯高于SWIPA 2017 報(bào)道的整個(gè)北極地區(qū)1936—2009 年冷季（10 月—次年5 月）降水增加趨勢(shì)［3.6 mm·（10a）-1，1.5%·（10a）-1］。2021 年8 月，格陵蘭島最高海拔處首次觀測(cè)到持續(xù)的降雨［9］。降水增加歸因?yàn)楹１藢?dǎo)致的蒸發(fā)增加帶來(lái)更多的降水，以及較低緯度水汽帶來(lái)的降水（圖2）。水汽增多也使得大氣吸收更多的地表長(zhǎng)波輻射而增溫，形成氣候變暖的正反饋。另一方面，降水和陸地冰融水的增加，降低了北冰洋表層海水的鹽度，經(jīng)大洋環(huán)流輸送，影響大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（圖2）。AMAP 2021 指出，1971—2019 年北極8 條最大河流（葉尼塞河、勒拿河、鄂畢河、麥肯齊河、育空河、伯朝拉河、科累馬河和北德維納河）徑流量增加了7.8%。2020 年北極8 條最大河流流量比1981—2010 年的平均值增加約12%，北冰洋上層淡水體積比1980—2000 年平均值增加了8 000 km3，增幅為11%，增量等于亞馬孫河和恒河年流量之和［1，9］。降水沖刷帶來(lái)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)碳，隨北極河流注入北冰洋，進(jìn)一步影響海洋生產(chǎn)力，同時(shí)，徑流條件制約和影響著冬季運(yùn)輸、基礎(chǔ)設(shè)施、資源獲取、凍土碳釋放和生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化。

圖2 北極內(nèi)部以及北極和較低緯度地區(qū)的海陸水分交換［1，11］（藍(lán)色箭頭表示未來(lái)北極水分交換的變化，箭頭大小粗略地表示變化幅度，紅色文本和箭頭表示相關(guān)的氣候后果）Fig. 2 Exchange between sea and land within the Arctic and between the Arctic and lower latitudes［1，11］ （The blue arrows indicate water exchange of the Arctic in the future； the sizes of arrows roughly represent the change magnitude； and the red text and arrows indicate the associated climate consequences）

1.3 積雪

對(duì)北極積雪的監(jiān)測(cè)包括積雪期、積雪范圍、雪深和雪水當(dāng)量（snow water equivalent， SWE）等。SWIPA 2017 綜合分析了多個(gè)數(shù)據(jù)集（站點(diǎn)監(jiān)測(cè)資料、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、再分析資料），指出過(guò)去幾十年（1970s—2014 年）北極積雪期以2～4 d·（10a）-1的趨勢(shì)減少（表1），春季積雪提前消融，秋季積雪時(shí)間推遲。俄羅斯、阿拉斯加和加拿大高緯度北極地區(qū)的地表監(jiān)測(cè)站觀測(cè)結(jié)果顯示，積雪開(kāi)始時(shí)間推后趨勢(shì)約為2 d·（10a）-1。積雪存在較大的空間異質(zhì)性，被動(dòng)微波衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示，1979—2012 年俄羅斯中部和西部積雪開(kāi)始消融時(shí)間提前了1～2 周，而北美幾乎沒(méi)有變化。1979—2016 年，北極6 月積雪范圍的減少趨勢(shì)為17.8%·（10a）-1，大于同期9 月海冰范圍減少趨勢(shì)［13.4%·（10a）-1］。北極雪深和SWE 總體呈下降趨勢(shì)，相比積雪期具有更大的空間異質(zhì)性。SWEmax相應(yīng)趨勢(shì)表明，1966—2014年SWE在歐洲平原東北段和西伯利亞西南部區(qū)域顯著增加［3%·（10a）-1］，然而在100° E以西的俄羅斯泰加林地區(qū)顯著降低［1］。

表1 不同數(shù)據(jù)集北極積雪期趨勢(shì)變化Table 1 Summary of trends in Arctic snow cover duration for datasets

AMAP 2021 報(bào)告指出，2019 年5—6 月，北極陸地積雪范圍比1971 年下降了21%，亞歐大陸的降幅（25%）高于北美（17%）。2021 年，亞歐大陸北極積雪范圍為1967 年以來(lái)6 月最低記錄的第三位，另外兩次分別出現(xiàn)在2012 年和2020 年［9］。20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，北冰洋西部海冰上覆積雪深度下降超過(guò)33%［3］。

1.4 海冰

AMAP 2021 指出，除白令海以外，北極海冰范圍和海冰面積在所有月份均呈下降趨勢(shì)。1979—2018 年，北極9 月海冰范圍減少43%；同期，海冰體積減少75%［2］。1979—2013 年，北極海冰持續(xù)時(shí)間減少趨勢(shì)為10～20 d·（10a）-1［1］。1975—2012 年，北冰洋中部海冰厚度減薄65%［1］。最新觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2021 年4 月為2010 年以來(lái)最小的冬季末海冰體積［9］。IPCC AR6也指出，2011—2020年北極海冰面積是1850年以來(lái)的最小水平（高信度）［10］?？傮w上，北極多年海冰正在被季節(jié)性海冰取代，開(kāi)闊海域面積增加。海冰減少主要?dú)w因于大氣變暖、大氣環(huán)流和低緯度海洋熱量輸送，并通過(guò)反照率-氣候正反饋機(jī)制進(jìn)一步加速海冰消融。例如，在80° N 以北，海冰表面融池形成時(shí)間提前，使得海冰對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收增多，而多年冰的融池比一年冰的形成的時(shí)間更早，進(jìn)一步加速海冰厚度減?。?4-15］。

海冰形成的時(shí)間強(qiáng)烈影響著春季海冰微生物和藻類的豐度和組成。海冰消融引起海洋藻華發(fā)生的時(shí)間和強(qiáng)度改變，在海冰消融最嚴(yán)重的地區(qū)，年內(nèi)出現(xiàn)兩次藻華（春季和秋季）的現(xiàn)象增加，對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)食物鏈產(chǎn)生影響。SWIPA 2017 指出，在1998—2000 年和2007—2012 年，年內(nèi)兩次藻華現(xiàn)象在整個(gè)北極地區(qū)發(fā)生率增加了兩倍，貝類和海洋哺乳動(dòng)物體內(nèi)均有檢測(cè)到海藻產(chǎn)生的有毒物質(zhì)［1］。AMAP 2019 對(duì)海冰與生物量關(guān)系做出闡述：2018 年白令海地區(qū)初級(jí)生產(chǎn)力比正常水平高出500%，這是對(duì)2017—2018 年海冰范圍處于低位的響應(yīng)［2］。AMAP 2021 指出海冰減少對(duì)北極的鱈魚(yú)、鯨魚(yú)、海豹和北極熊等物種產(chǎn)生直接影響：海冰消融導(dǎo)致的生物量增加和北極海域增溫使得北大西洋魚(yú)類向北擴(kuò)張，同時(shí)，在俄羅斯西北部，秋冬兩季的雨雪天氣變得更加頻繁和強(qiáng)烈，這一趨勢(shì)與巴倫支海和喀拉海海冰減少有關(guān)［3］。

北極海冰變化所產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出海冰生態(tài)系統(tǒng)，1979—2018 年，最小和最大的海冰面積分別以10.5%·（10a）-1和2.6%·（10a）-1的趨勢(shì)減少，開(kāi)闊海域夏季對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收增加，減緩了秋冬季節(jié)北極海冰的結(jié)冰速度，北極海冰的這種反照率-氣候的正反饋機(jī)制使得全球變暖效應(yīng)在北極放大［16-17］。同時(shí)，因?yàn)楸睒O海冰對(duì)氣候變化具有高度敏感性，它是氣候變化重要的指示器和記憶器，而且海冰減少對(duì)中緯度地區(qū)極端天氣氣候事件的影響機(jī)制是備受關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。

1.5 陸地冰

目前，北極陸地冰因大氣增溫和海洋變暖而快速萎縮。陸地冰面積不斷減少、厚度持續(xù)減薄，整個(gè)北極的冰川和冰蓋正在快速退縮。SWIPA 2017 指出，至少?gòu)?972 年開(kāi)始，北極陸地冰消融就是全球海平面上升的主要來(lái)源，其中2004—2010年，北極陸地冰融化對(duì)海平面上升的貢獻(xiàn)超過(guò)1/3，而其中格陵蘭冰蓋占北極貢獻(xiàn)的70%［1］。1992—2017 年，北極陸地冰為海平面上升貢獻(xiàn)（21.8±11.2） mm，占全球海平面上升的31%［18］；一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)（1850—2000 年），北極貢獻(xiàn)全球海平面上升的48%（10 cm）。

AMAP 2021 進(jìn)一步厘清了1971—2019 年北極各個(gè)區(qū)域陸地冰消融變化，結(jié)果顯示北極所有區(qū)域陸地冰消融正在加速，格陵蘭冰蓋具有最大的消融量（圖3）。2011—2014 年，格陵蘭冰蓋物質(zhì)損失速度為375 Gt·a-1，是2003—2008 年物質(zhì)損失速度的2 倍；2019 年，格陵蘭冰蓋消融量占北極陸地冰總消融量的51%。Box 等的研究顯示［18］，1971—2017年北極陸地冰為全球海平面上升貢獻(xiàn)為（23±12.36） mm，其中格陵蘭冰蓋貢獻(xiàn)占46.1%［（10.6±7.3） mm］，阿拉斯加占24.8%［（5.7±2.2） mm］，加拿大北極占13.9%［（3.2±0.7） mm］，俄羅斯北極占6.5%［（1.5±0.4 mm）］。

圖3 1971—2019年北極陸地冰物質(zhì)平衡變化［3］Fig. 3 Temporal variations of Arctic land ice mass balance changes during 1971—2019［3］

1.6 河冰、湖冰

河冰、湖冰影響局部蒸發(fā)以及地球化學(xué)組分和能量的遷移，它不僅會(huì)隔絕水-氣間的直接熱量交換，還會(huì)增大河湖表面反照率，是影響氣候變化的關(guān)鍵因素，因而河、湖冰變化趨勢(shì)可以在一定程度上反映北極氣候變化特征［19］。以阿拉斯加為例，Arp 等［20］的研究發(fā)現(xiàn)，在北極變暖背景下，湖冰觸底冰完全消融日比浮冰提前17天，這使得觸底冰區(qū)蒸發(fā)大于浮冰區(qū)。在冬季，北極河、湖冰峰值體積約為1 600 km3，這大致相當(dāng)于北半球陸地積雪的體積，面積與格陵蘭冰蓋相似［21］。AMAP 2021根據(jù)俄羅斯、加拿大和阿拉斯加的數(shù)據(jù)指出，大多數(shù)北極地區(qū)的河冰厚度正在減薄，削弱了春季因凌汛引發(fā)洪水的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，北極湖冰從多年凍結(jié)類型向季節(jié)凍結(jié)類型轉(zhuǎn)變，河、湖冰厚度減薄威脅著北極內(nèi)陸依靠冰體建立的道路，限制通往偏遠(yuǎn)居民點(diǎn)的途徑。1974—2004 年，北極湖冰存在期縮短趨勢(shì)為4.3 d·（10a）-1，初冰日推遲趨勢(shì)為1.6 d·（10a）-1，消融日提前趨勢(shì)為1.9 d·（10a）-1，河冰變化趨勢(shì)與之類似，其中加拿大北極地區(qū)1985—2004年湖冰初冰日推遲趨勢(shì)為7.6 d·（10a）-1，消融日提前趨勢(shì)為9.9 d·（10a）-1，而瑞典1961—1990 年間，湖冰消融日提前趨勢(shì)為2.5 d·（10a）-1，雖然消融速率存在差別，但湖冰存在期縮短的事實(shí)在北極廣泛存在［1，22-23］。

1.7 多年凍土

從1970s 開(kāi)始，依托北極連續(xù)多年凍土區(qū)和不連續(xù)多年凍土區(qū)的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)開(kāi)始對(duì)多年凍土進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)獲得了地下溫度和活動(dòng)層厚度等數(shù)據(jù)［1］。第四次國(guó)際極地年（2007—2009 年）期間，在北極加拿大、阿拉斯加、俄羅斯和北歐依托監(jiān)測(cè)站鉆取575 個(gè)凍土鉆孔，SWIPA 2017 中多年凍土溫度變化就以此為基準(zhǔn)。發(fā)現(xiàn)截至2015年，北極高緯度寒冷地區(qū)多年凍土溫度比2007—2009 年間升高超過(guò)0.5 ℃，在較溫暖的加拿大馬根些南部和中部、阿拉斯加內(nèi)陸地區(qū)、西伯利亞和北歐的不連續(xù)多年凍土區(qū)，增溫小于0.2 ℃，其中一些地區(qū)溫度略微下降［1］。監(jiān)測(cè)站記錄地表以上10～20 m 的氣溫中，北極高緯度寒冷多年凍土區(qū)增幅（＞0.5 ℃）也最大［1］。

AMAP 2021在SWIPA 2017監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上將時(shí)間尺度延長(zhǎng)（1971—2019 年），指出北極多年凍土增溫2～3 ℃，過(guò)去20 年（2000—2019 年）增溫速度為1979年以來(lái)最快。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，從1990s 開(kāi)始多年凍土活動(dòng)層在許多站點(diǎn)加深，整個(gè)北極多年凍土都在消融。多年凍土消融形成的熱融湖塘無(wú)氧環(huán)境將封存的土壤碳釋放到大氣中（CO2、CH4），或者轉(zhuǎn)移到水體中（溶解性有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳），因多年凍土退化而裸露在有氧環(huán)境中的土壤碳，會(huì)快速排放到大氣中（CO2），釋放的溫室氣體會(huì)加劇氣候變暖，形成正反饋效應(yīng)［1，24，25］。北極多年凍土區(qū)土壤有機(jī)碳含量約為1 460～1 600 Pg C，是目前大氣碳庫(kù)含量的兩倍多［26］。多年凍土有機(jī)碳的10%主要以CO2和CH4的形式釋放，其數(shù)量級(jí)與土地利用轉(zhuǎn)變的排放相當(dāng)［27］。

2 北極極端事件變化特征

AMAP 2021明確指出，北極極端氣候事件正在增加。極端降水、極端溫度和極端野火已經(jīng)對(duì)北極社區(qū)產(chǎn)生重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響，短期預(yù)估顯示，極端事件發(fā)生頻率和強(qiáng)度還會(huì)增加。IPCC AR6 指出自1950s 以來(lái)，在觀測(cè)資料足以進(jìn)行趨勢(shì)分析的大部分陸地區(qū)域，極端降水事件的頻率和強(qiáng)度都有所增加（高信度），自1980s 以來(lái)，南北半球的中緯度風(fēng)暴路徑都可能向極地方向移動(dòng)［10］（IPCC評(píng)估報(bào)告AR6采用“幾乎確定表示發(fā)生的概率為99%～100%；極有可能表示95%～100%；很可能表示90%～100%；可能表示66%～100%；極不可能表示0～5%；幾乎不可能0～1%”對(duì)研究結(jié)論可行性進(jìn)行評(píng)估）。在斯瓦爾巴群島極端降雪和極端降雨引發(fā)雪崩、泥石流和山體滑坡。在北極的一些地區(qū)，雨雪天氣和凍雨事件發(fā)生頻率增加，目前超過(guò)85%的阿拉斯加土著村莊正在遭受洪水和海岸侵蝕，因救援行動(dòng)有限，洪水對(duì)偏遠(yuǎn)居民點(diǎn)構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)［3］。

從2000 年開(kāi)始，持續(xù)15 天的冷期（Cold Spells）（AMAP 2021 中冷期定義為“至少連續(xù)六天的日最低氣溫，低于1980—2010 年5 天日最低氣溫均值的10%”）幾乎從北極消失，極端冷事件的頻率正在降低，極端熱事件頻率正在升高。1979—2013 年，盡管在西伯利亞的一些地區(qū)極端冷事件有所增加，但整個(gè)北極的極端冷事件顯著減少。

在阿拉斯加和西伯利亞，野火發(fā)生頻率已經(jīng)增加［3］。AMAP 2021 報(bào)告指出，北極森林野火燒毀面積大于中緯度地區(qū)，是大氣中黑碳和顆粒物巨大且不斷增加的源；自1950 年以來(lái)，阿拉斯加發(fā)生極端野火的頻率一直在增加，1950—1999 年的50 年間，年野火面積超過(guò)1×106英畝（404 686 hm2）的年份為13 年，頻率為26%，而2000—2019 年的20 年發(fā)生8次，頻率為40%（圖4）。在阿拉斯加內(nèi)陸的針葉林，Kelly等［28］用古生態(tài)學(xué)重建野火歷史表明，現(xiàn)代野火強(qiáng)度和頻率高于過(guò)去10 000 年里任何時(shí)間。西伯利亞的記錄也顯示，1996—2015 年，極端野火的頻率有所增加，而由于林業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要性，在受到重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的地區(qū)（如芬諾斯坎底亞），野火并不頻發(fā)［3］。

圖4 1950—2019年阿拉斯加年野火面積［3］Fig. 4 Annual acres burned by wildfires in Alaska，1950—2019［3］

野火具有兩個(gè)方面的氣候效應(yīng)：野火產(chǎn)生的黑碳沉降在北極冰凍圈表面，增強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收，從而加速北極冰凍圈消融；同時(shí)，野火產(chǎn)生的散射型氣溶膠，具有負(fù)反饋效應(yīng)［29-31］。此外，野火還顯著加速凍土退化和植被演替的速度，將多年凍土土壤碳轉(zhuǎn)移到大氣中［1］。溫度和降水的增加與閃電引燃的野火增加有關(guān)，雖然更長(zhǎng)、更溫暖的夏季預(yù)計(jì)會(huì)增加野火發(fā)生的頻率，但北極年平均降水量增加，連續(xù)干旱天數(shù)減少會(huì)抑制野火發(fā)生，未來(lái)野火發(fā)生頻率和強(qiáng)度趨勢(shì)尚不清楚。野火的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是確定野火在何時(shí)何地增加，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的具體影響及其氣候效應(yīng)。

3 北極氣候變化與生態(tài)系統(tǒng)

3.1 北極海洋生態(tài)系統(tǒng)的變化和影響

海冰生物群落是北極海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，海冰范圍和面積減小、結(jié)冰期縮短和厚度減薄，正在影響海洋生物多樣性，改變北極物種的分布范圍，導(dǎo)致海洋哺乳動(dòng)物的飲食結(jié)構(gòu)變化，改變捕食者-獵物的棲息地和遷移模式，在北冰洋初級(jí)生產(chǎn)中扮演重要角色［3］。河流流量增加使得北極海岸線附近營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送相應(yīng)增加（圖5），由于極夜末期相對(duì)充足的營(yíng)養(yǎng)條件，冰底海藻在春季快速生長(zhǎng)，這是與海冰相關(guān)食物網(wǎng)的主要食物源，主導(dǎo)整個(gè)食物網(wǎng)的生物量，大部分生物量輸送到遠(yuǎn)洋和底棲食物網(wǎng)。SWIPA 2017 指出，1998—2012 年北極遠(yuǎn)洋初級(jí)生產(chǎn)力增加了30%。

圖5 全球變暖引發(fā)的北極主要變化示意圖［1］Fig. 5 Schematic representation of major observed changes in the Arctic caused by global warming［1］

北冰洋升溫和淡水增多直接和間接地影響海洋物種的生命周期，導(dǎo)致海洋生態(tài)系統(tǒng)范圍、季節(jié)性發(fā)生變化。來(lái)自太平洋和大西洋的溫暖海水進(jìn)入北冰洋，使構(gòu)成海洋食物網(wǎng)基礎(chǔ)的北極浮游生物群落發(fā)生變化，各種無(wú)脊椎動(dòng)物、魚(yú)類和海洋哺乳動(dòng)物的分布和數(shù)量也在發(fā)生變化，在楚科奇海和波弗特海共發(fā)現(xiàn)20 個(gè)新物種和59 個(gè)物種分布范圍改變，同時(shí)，大氣中CO2濃度上升引起的海水酸化影響包括粉紅色鮭魚(yú)、比目魚(yú)和鯡魚(yú)等在內(nèi)的海洋魚(yú)類［2］。

研究北冰洋生產(chǎn)力需要更好地了解結(jié)冰海域和無(wú)冰海域的生產(chǎn)力變化、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)以及初級(jí)生產(chǎn)者對(duì)不斷變化的環(huán)境的適應(yīng)能力。雖然北冰洋海水表層溫度升高對(duì)表層和次表層初級(jí)生產(chǎn)者的影響仍不明確，但初步研究表明北極浮游植物可能能夠適應(yīng)更高的溫度［3］。

3.2 北極陸地生態(tài)系統(tǒng)的變化和影響

北極陸地生態(tài)系統(tǒng)正受到氣溫升高、降水增加、積雪變化以及野火發(fā)生頻率和強(qiáng)度變化的影響（圖5）。氣溫升高正在影響北極陸地景觀，包括灌木向苔原擴(kuò)張，蟲(chóng)害的脆弱性增加和極端野火增多。夏季升溫導(dǎo)致主要植物開(kāi)花時(shí)間更早更短，影響了傳粉者和以它們?yōu)槭车奈锓N，同時(shí)，苔原生態(tài)系統(tǒng)的CH4排放量隨著溫度的升高而增加［1］。北極氣候變化正在影響一些動(dòng)物的分布和數(shù)量特征，在俄羅斯西北部和斯瓦爾巴群島，秋冬兩季的雨雪天氣變得更加頻繁和強(qiáng)烈，導(dǎo)致苔原被冰覆蓋，使得馴鹿群大規(guī)模缺乏食物，從本世紀(jì)初開(kāi)始，北極地區(qū)馴鹿數(shù)量下降近50%［2］。

SWIPA 2017 根據(jù)衛(wèi)星影像指出，在過(guò)去30 多年（1982—2015 年）許多苔原地區(qū)變得更綠，這反映北極植被覆蓋率和生產(chǎn)力增加，但從本世紀(jì)初開(kāi)始，北極大部分地區(qū)，特別是亞歐大陸部分地區(qū)植被轉(zhuǎn)變?yōu)楹稚?，表明植物覆蓋和生產(chǎn)力開(kāi)始下降［1］。AMAP 2021 基于最新的觀測(cè)數(shù)據(jù)（1982—2019 年）得出結(jié)論：因?yàn)楦L(zhǎng)、更溫暖的夏季，北極苔原綠化面積總體上增加10%，然而，由于蟲(chóng)害爆發(fā)、多年凍土退化、熱融湖塘增多、降水的空間異質(zhì)性和極端事件頻發(fā)，包括加拿大北極群島、阿拉斯加西南部和西伯利亞西北部部分地區(qū)植被開(kāi)始褐變。北極植被在地-氣系統(tǒng)的能量和碳交換中發(fā)揮著重要作用，苔原排放的溫室氣體增加會(huì)導(dǎo)致氣候變暖正反饋，但灌木北擴(kuò)會(huì)增加碳吸收，抵消部分影響。

在北極氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響的研究中，對(duì)極端高溫、海冰迅速消失、格陵蘭冰蓋大范圍消融以及北極其他極端事件的評(píng)估中，很少探索它們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)臨界點(diǎn)的影響。北極生態(tài)系統(tǒng)的臨界點(diǎn)，需要更嚴(yán)格的評(píng)估，如海水酸化達(dá)到一定臨界值，有殼類底棲生物無(wú)法形成貝殼。

4 北極氣候變化對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響

北極居住著大約4×106人，74%以上的北極人口集中在大型居民點(diǎn)（人口超過(guò)5 000），但大型居民點(diǎn)數(shù)量較少，90%以上的北極居民點(diǎn)規(guī)模較小（人口不足5 000）。66%以上的北極居民點(diǎn)位于多年凍土區(qū)，且46%的多年凍土區(qū)居民點(diǎn)位于沿海，多年凍土區(qū)和沿海是受北極氣候變化影響最大的地區(qū)［3］。北極氣候變化正在破壞當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施，影響北極居民生計(jì)及生命財(cái)產(chǎn)安全，特別是土著居民以采集為主的糧食安全，目前迫切需要在整個(gè)北極地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的災(zāi)害鑒定和評(píng)估。同時(shí)，商業(yè)捕魚(yú)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、郵輪旅游向北極地區(qū)擴(kuò)張和開(kāi)辟北極新航線，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)增長(zhǎng)帶來(lái)新動(dòng)力。

4.1 致災(zāi)影響

氣候變暖已經(jīng)影響依靠雪、冰和多年凍土建立運(yùn)輸?shù)牡貐^(qū)。一些俄羅斯高緯度居民點(diǎn)，在冬天只能通過(guò)冰道進(jìn)入，預(yù)計(jì)未來(lái)這類偏遠(yuǎn)居民點(diǎn)會(huì)減少。在加拿大和俄羅斯一些偏遠(yuǎn)居民點(diǎn)，多年凍土退化和局部降雨增加已經(jīng)影響道路基礎(chǔ)設(shè)施和全地形車的行駛，格陵蘭島西北部的獵人表示，可以在海冰上乘坐狗拉雪橇的時(shí)間已經(jīng)從5個(gè)月減少到3個(gè)月［3］。

氣溫、降水、海冰和苔原生產(chǎn)力變化正在影響鯨魚(yú)、海象、海鳥(niǎo)、海豹和馴鹿等北極傳統(tǒng)食物的供應(yīng)。兩次藻華加速有毒物質(zhì)通過(guò)食物鏈在海洋動(dòng)物體內(nèi)富集，對(duì)糧食安全和人類健康構(gòu)成威脅，加拿大和俄羅斯的土著獵人和漁民表示，野生動(dòng)物的健康狀況正在下降。由于多年凍土消融和氣溫升高，儲(chǔ)存在冰窖中的食物更易變質(zhì)，而且凍土消融時(shí)釋放出的汞等污染物，進(jìn)入水生生態(tài)系統(tǒng)后，對(duì)飲用水安全構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。

在北極許多地區(qū)，建筑物、道路和其他基礎(chǔ)設(shè)施正因多年凍土融化而受到破壞。與1970s 相比，俄羅斯北極地區(qū)的多年凍土對(duì)建筑物的支撐作用已經(jīng)減弱，在俄羅斯最北端的佩韋克，50%的建筑因多年凍土消融而被破壞，泰梅爾半島大部分居民點(diǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施也受到影響。同時(shí)，北極也是地球上侵蝕率最高的地區(qū)之一，長(zhǎng)期增溫和極端天氣的綜合影響正在加速海岸侵蝕。

4.2 致利影響

1970s 末開(kāi)始，北冰洋大部分海域，無(wú)冰期已經(jīng)延長(zhǎng)1～3 個(gè)月，無(wú)冰期延長(zhǎng)能增加北極航道的航運(yùn)價(jià)值。AMAP 2021統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，前往北極高緯度地區(qū)的郵輪游客數(shù)量從2008 年的67 752 人增至2017 年的98 238 人，增長(zhǎng)47%。其中，前往斯瓦爾巴群島的數(shù)量從2008 年的3.9×104人增長(zhǎng)至2017年的6.3×104人，格陵蘭島從2×104人增加到3×104人，但由于COVID-19 疫情肆虐全球使得2020 年超過(guò)50%的北極郵輪被推遲或取消。春季變暖和牧場(chǎng)提前綠化對(duì)駝鹿的生長(zhǎng)繁殖產(chǎn)生積極影響，擴(kuò)大了土著獵人的狩獵范圍。大西洋和太平洋北部海水升溫使得亞北極魚(yú)類和海洋哺乳動(dòng)物向北擴(kuò)張，這些物種生存范圍擴(kuò)張可能增加巴倫支海北部、白令海北部和鄂霍次克海的商業(yè)捕魚(yú)潛力，將為部分北極沿海社區(qū)帶來(lái)潛在經(jīng)濟(jì)效益。例如，鮭魚(yú)養(yǎng)殖和其他水產(chǎn)養(yǎng)殖向北擴(kuò)張到大西洋北極地區(qū)，為當(dāng)?shù)貏?chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。除了海洋生物資源，北極變暖有利于獲取北極石油、天然氣和礦產(chǎn)等非生物資源。

5 北極氣候變化預(yù)估

最新的氣候模式和情景預(yù)估本世紀(jì)北極仍將持續(xù)快速變暖。國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃第六階段（CMIP6）預(yù)估顯示，到本世紀(jì)末，北極的年平均地表溫度在不同的排放情景下，將比1985—2014年的平均值高出3.3～10 ℃［3］。在大多數(shù)排放情景下，CMIP6 中絕大多數(shù)模型預(yù)估：在2050 年前，北極將首次出現(xiàn)在9 月無(wú)海冰的情況（最早在2040 年出現(xiàn)）（圖6），在全球溫升2 ℃的情景下，北極夏季無(wú)海冰的可能性是溫升1.5 ℃情景下的10倍［3］。

圖6 北極9月海冰范圍歷史變化及模式預(yù)估［3］Fig. 6 Historical changes and model projections of September Arctic sea ice extent［3］

IPCC AR6《氣候變化中的海洋和冰凍圈特別報(bào)告》（SROCC）［32］模式預(yù)估結(jié)果顯示，相比于1995—2014 年，在RCP2.6 情景下（Representative Concentration Pathways， RCPs，典型濃度路徑），到2100 年格陵蘭冰蓋物質(zhì)損失將使得海平面上升0.03（0.01～0.07）m，在RCP4.5 情景下為0.08（0.04～0.15）m，在RCP8.5 情景下為0.14（0.08～0.27）m。IPCC AR6 使用SSPs 情景（該情景加入了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展信息，且可以在輻射強(qiáng)迫上與RCP 做比較），在SSP1-2.6情景下，相比于1995—2014年，到2100年格陵蘭冰蓋對(duì)海平面上升貢獻(xiàn)為0.06（0.01～0.10）m，在SSP2-4.5 下為0.08（0.04～0.13）m，在SSP5-8.5下為0.13（0.09～0.18）m［共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)路徑（Shared Socioeconomic Pathways， SSPs）表示為SSPx-y的格式，SSPx代表不同的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展路徑，y代表2100 年增加的輻射強(qiáng)迫水平，單位：W m-2］。

氣候模式預(yù)估北極變暖導(dǎo)致的北極多年凍土退化將在本世紀(jì)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。Hjort 等［33］預(yù)估到2050年，北極地區(qū)將有超過(guò)3.6×104幢建筑、1.3×104km 道路和100 個(gè)機(jī)場(chǎng)將面臨近地表多年凍土消融而被破壞的風(fēng)險(xiǎn)。AMAP 2021 預(yù)估在高溫室氣體濃度情景（RCP8.5）下，到2100 年，僅由多年凍土融化導(dǎo)致的阿拉斯加公共基礎(chǔ)設(shè)施累計(jì)維護(hù)成本將增加10%。Melvin 等預(yù)估結(jié)果顯示，2015—2099年，在RCP4.5情景下，因?yàn)闅夂蜃兓o阿拉斯加基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失約為42 億美元，在RCP8.5 情景下則為55 億美元［34］。SWIPA 2017 預(yù)估在2010—2100年，北極氣候變化給全球帶來(lái)的累計(jì)經(jīng)濟(jì)損失在7×1012～90×1012美元。

6 結(jié)論與展望

基于AMAP 2021評(píng)估報(bào)告，系統(tǒng)解讀了北極氣候變化及其影響的研究成果和認(rèn)知。對(duì)比SWIPA 2017和AMAP 2019，發(fā)現(xiàn)北極氣候正加速向更加溫暖、濕潤(rùn)的趨勢(shì)轉(zhuǎn)變，北極環(huán)境要素的不穩(wěn)定性增加，這種變化深刻影響北極生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。AMAP 2021 盡管對(duì)北極冰凍圈變化及其影響的認(rèn)識(shí)具有推動(dòng)作用，但有些領(lǐng)域仍存在不確定性。

由于目前大氣中溫室氣體濃度繼續(xù)增加，氣候變暖還將持續(xù)，北極變暖放大效應(yīng)使得北極增溫幅度是全球平均的2倍以上，迫切需要：

（1）更為深入和系統(tǒng)研究北極氣候變化的機(jī)理和互饋?zhàn)饔?，提高?duì)北極與全球變化模式預(yù)估能力；填補(bǔ)關(guān)鍵地區(qū)和關(guān)鍵指標(biāo)的空缺是認(rèn)識(shí)北極氣候變化的基礎(chǔ)，需要優(yōu)先關(guān)注多年海冰、格陵蘭冰蓋等獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)的變化。

（2）結(jié)合衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)等技術(shù)，填補(bǔ)北極偏遠(yuǎn)地區(qū)的數(shù)據(jù)空白；并推動(dòng)數(shù)據(jù)共享，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔a(chǎn)品，服務(wù)于北極地區(qū)航運(yùn)、漁業(yè)等活動(dòng)，例如將海冰變化數(shù)據(jù)及時(shí)服務(wù)于北極航運(yùn)，以及對(duì)受北極氣候變化而引發(fā)的極端事件提出預(yù)警。

（3）基于北極理事會(huì)等跨國(guó)組織協(xié)調(diào)和加強(qiáng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，削弱突發(fā)事件（如，COVID-19 疫情）對(duì)連續(xù)觀測(cè)的影響；北極理事會(huì)成員國(guó)和正式觀察員國(guó)，應(yīng)優(yōu)先向公眾普及北極氣候變化的事實(shí)及其影響，努力減少溫室氣體排放，還應(yīng)支持如IPCC 和世界氣象組織等國(guó)際組織以北極為視角組織部分工作。

總之，加強(qiáng)對(duì)近期北極氣候變化和極端事件的監(jiān)測(cè)與預(yù)估，提高應(yīng)對(duì)北極氣候變化帶來(lái)不利影響的能力，以期趨向一個(gè)更具生態(tài)恢復(fù)力的狀態(tài)轉(zhuǎn)變是未來(lái)北極氣候變化研究的重點(diǎn)。