海冰减少对南北半球的能源辐射影响并不对称？能量收支的机制

2017年，俄罗斯的液化天然气运输船“Christophe de Margerie”首次在没有破冰船护航的情况下穿越北极航道，这是一个气候变暖的现实案例。

全球气候变暖从能量平衡方面来看，就是排放和吸收导致的热量不平衡，从而影响全球气候条件。

而海冰变化对全球气候系统的影响重大而复杂，极地海冰主要通过影响地球的反照率和调节海洋与大气之间的热交换，影响着热量传输。

在全球变暖的大背景下，全球海冰持续减少，但南北极减少却并不同步。1979–2018年期间，北极海冰面积和海冰浓度显著减少，但南极海冰面积年平均减少趋势并不显著。但是海冰减少一定是导致全球气候变暖吗？

在1980-2008年间，尽管全球海冰减少，但全球辐射通量的趋势却为负，这可能会使地球变得更冷，这又是什么原因造成的呢？

为了探究海冰变化对热辐射效应的影响，研究人员通过一系列的理想化实验和数值模拟，分析了1980年至2019年间海冰浓度空间变化对地球能量预算的影响。

这项研究首次量化了海冰空间分布变化对地球能量预算的全球辐射效应，并揭示了其背后的物理机制。研究证明了海冰减少的辐射效应具有半球不对称性，这种不对称性主要是由于普朗克反馈、云反馈和反照率反馈等多种气候反馈机制的差异所驱动。

研究发现，北极海冰空间分布减少导致的表面增温更强，进而引发更强的负普朗克反馈为-1.5W/m²，而南极海冰减少的增温效应较弱，引发的负普朗克反馈为-0.8 W/m²。此外，北极海冰减少还导致低层云量增加，反馈强度为+0.6W/m²，而南极海冰减少对低层云量的影响较小，反馈强度为+0.2W/m²。在反照率方面，北极海冰减少导致的反照率反馈强度为-1.2W/m²，而南极海冰减少的反照率反馈强度为-0.7W/m²。

通过通过设计理想化实验，量化了海冰浓度空间变化导致的辐射效应和海冰浓度空间变化对全球大气顶辐射异常的贡献，研究发现，海冰浓度空间变化导致的辐射效应方差为0.0024W²/m⁴，小于海冰浓度空间变化效应的方差0.0032W²/m⁴，表明全球辐射异常主要由于海冰空间分布影响。

再继续回到1980-2008年间海冰减少，但地球可能变的更冷的这个问题，这一现象是由于南极海冰增加导致的辐射冷却效应超过了北极海冰减少导致的辐射加热效应导致。

图：全球TOA辐射对区域海冰浓度减少的敏感性及其分解为各个辐射过程的贡献

（A和B）全球年平均TOA辐射对区域单位表面积海冰浓度减少的响应。（C和D）云变化的贡献。（E和F）垂直均匀温度变化的贡献（普朗克反馈）。（G和H）垂直非均匀温度变化的贡献（递减率反馈）。（I和J）表面反照率变化的贡献。（K和L）RH变化的贡献。某一位置的正值表示该位置的海冰损失导致气候系统的辐射加热，全球年平均值。季节值和区域响应如图S10至S12所示。

❓思考题：海冰减少对地球能量预算的影响主要取决于什么？

A.海冰的总面积减少
B.海冰的空间分布变化
C.海冰的厚度变化
D.海冰的化学成分变化

基础知识拓展

普朗克反馈是气候系统中一种重要的负反馈机制，它描述了地球表面温度变化如何通过热辐射影响地球能量收支。根据普朗克定律，物体的辐射强度与其温度的四次方成正比。因此，当地球表面温度升高时，地球向太空发射的热辐射也会增加，从而减少地球系统的净能量吸收，起到冷却作用。反之，当表面温度降低时，地球发射的热辐射减少，导致地球系统吸收更多的能量。

根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，地球表面向外发射的热辐射（E）与其温度（T）的四次方成正比：E=σT⁴

其中，$\sigma$是斯蒂芬-玻尔兹曼常数。当地球表面温度升高时，热辐射的增加会抵消部分增温效应。

参考文献：Sea ice pattern effect on Earth’s energy budget is characterized by hemispheric asymmetry. doi.10.1126/sciadv.adr4248