《国家科学评论》期刊2025年第1期封面。中国南极秦岭站位于罗斯海‘难言’岛上，在2024年2月7日开始测量工作。
撰
文丨
朱禾
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极地区域不仅挑战人类探索地球的意志，也挑战人类的生存。北极和南极地区对整个地球的气候发挥巨大影响：南北极地区包括地球上
87%
的淡水，
90%
的冰雪，
90%
的永冻层和
69%
的冰川。但是由于我们对极地区域中冰盖融化等变化缺乏理解，我们对包括海平面上升等气候变化现象的评估和预测中存在重大不确定性。因为北极地区变暖的速度是全球平均值的
2
到
4
倍，欧亚大陆的冬天在变冷。由于这个过程的机制还没有被理清，中国对于极度寒潮的预报还不完善。为了提高对极地科学的认知度，《国家科学评论》邀请了国家自然资源部第二海洋研究所的陈大可院士组织了五位极地科学领域的
学者陈建芳(国家自然资源部第二海洋研究所)、雷瑞波（中国极地研究中心）、刘骥平（中山大学大气科学学院）、杨清华（中山大学，南方海洋科学与工程广东省实验室 (珠海)、周朦（上海交通大学海洋学院）
来讨论这些重要议题。
陈大可：
我们都在极地科学研究领域做过很多年的研究，我们希望今天可以收集一些极地科学领域的见解。首先，我们讨论北极加速变暖的现象。雷教授，请您概括一下这个题目。
图1：中国建造的具有PC3破冰能力的破冰研究船雪龙2号于2019年下水并应用于南大洋的科学调查，显著增强了中国在冰覆盖极地海域的调查能力。
雷瑞波：
北极现在正在经历加剧的变暖，关于其驱动机制仍有争议。首先，这是否是局部效果，或者是由低纬度能量传输导致的？局部效应可以归因于一个正反馈循环，即夏季更多的冰融化和更少的阳光反射导致更多的热量吸收和甚至更多的融化。此外，云可能起着有趣的作用，因为更多的蒸发会导致更多的云和更强的向下长波辐射。热量通过大气或海洋的循环进入北极。大气传输不被认为有显著累积，因为它是短期影响的过程。然而，大西洋的温暖水流可能增加水和空气的温度，并减少海冰的数量，尤其是在大西洋段。
关于北冰洋的另一个关键问题是它被陆地包围，因此融化的多年冻土的影响使北极的温室气体增加了多达30%。另一方面，北极的变化正在导致中低纬度地区
（如中国）
的极端冬季事件。北极系统与世界其他地区复杂联系正在曾强。
陈大可：
我们可能应该继续讨论北极加剧的变暖效应。刘教授，您对此有何看法？这个加剧变暖的现象是否是由正反馈引发？
刘骥平：
北极变暖加剧效应，作为气候变化的一部分，它的解释曾是热量向北极的传输增加。最近我们用气候模型进行数值模拟，比较了两个场景：固定与变化的海冰量。我们的结果显示，本地海冰量的变化及其相关的太阳反射在北极变暖加剧中起主导作用。来自低纬度的热量传输确实有一些影响，但仅是轻微程度。这是我们当前研究的结果，随着我们对北极系统理解的提高，新的观点可能会发展出来。
陈大可：
接下来我们讨论格陵兰和南极的冰盖以及它们如何影响全球海平面。刘教授，您能开始吗？
刘骥平：
南极和格陵兰冰盖共同拥有地球上68%的淡水。冰盖的质量可以通过积雪、蒸发、水流以及冰架或冰舌的融化和崩塌而改变。我们目前通过卫星或空中遥感测量解决这个复杂问题。在整个冰盖融化的极端情况下，格陵兰和南极将分别导致全球海平面上升7.4米和58米。具体的增量是，每1厘米的海平面上升将以沿海地区加剧的恶劣气候的形式危及全球大约600万人。过去的测量告诉我们，格陵兰冰盖在1970年代之前基本稳定，然后它开始融化。格陵兰冰盖的融化在过去30年中加速，并导致海平面上升12毫米。南极西部冰盖经历了类似的变化，已经导致大约7毫米的海平面上升。近年来，由于南极东部降雪量增加，南极东部冰盖的质量大大增加。这一意外变化更凸显了对冰盖变化理解的不足和不确定性。由于融化的冰盖是海平面上升的驱动因素，政府间气候变化专门委员会
（IPCC）
对冰盖的质量平衡和动态给予了高度重视。特别是，由于缺乏观测数据，南极东部作为一个主要的未知部分尤为突出，妨碍了气候模型的发展。此外，准确建立冰盖的动态模型来反映近年来快速的冰盖变化仍然是一个挑战。在过去，我们常常认为其变化在数百至数千年上是可观测的。现在，冰盖的变化在十年内就可以观测到。这方面的研究需要新的观点来构建冰盖模型反映其与大气、海洋和海冰的相互作用。只有通过准确的冰盖模型，我们才能对未来海平面上升提供准确的预估。我们当前的地球系统模型预测，到21世纪末，格陵兰冰盖将导致海平面上升0.15米，而南极冰盖将导致海平面上升0.12米。与融化的冰盖有关的最后一个问题是，它可能削弱全球海洋翻转循环，影响海洋生态系统，从而影响海洋对二氧化碳的吸收量。
陈大可：
极地地区的冰盖在全球范围内受到了相当大的关注，核心问题围绕所谓的气候“临界点”的存在。我们会到达这种“无可挽回的地步”吗？我们当前对冰盖和海平面变化的预测有多大不确定性？通过更多的科学极地探险、更多系统的观测和更现实的模型，希望我们能够回答这些问题。现在，让我们转到下一个主题——极地生态学。众所周知，两个极地地区都有独特的生态系统。隐藏在极地冰盖下的栖息地可能隐藏着非凡的生态和生物学秘密。周教授，您可以开始这个话题吗？
图2：一只北极熊在北冰洋的夏季冰流上迁徙。
周朦：
两个极地区域拥有丰富的生物资源，其生态系统必须具有很高的生产力。但夏季中高生产力的时期只持续2到4个月，而一年中大约8个月的时间在低光能和低生产力中度过。我们自然需要问，极地生物群落如何利用夏季中的4个月获得的能量维持1年的生存。在较高纬度的陆地生态系统中，生物体在冬季处于冬眠状态或存储食物。在南大洋的生态系统中，磷虾占据了中心地位，因为它们以藻类为食，而被更高营养级的生物
（如鱼类、企鹅、海豹和鲸类）
所食。与陆生动物不同，磷虾在冬季不会冬眠，而食物链中磷虾以上的其他极地海洋动物也在冬季活跃。我们估计磷虾的年存活率为1%，因此，如果被渔业捕捉到的磷虾的年龄约为4岁，磷虾的4年存活率约为1亿分之一。这个巨大的磷虾群体的生物能量来源尚未确定。
两个极地地区中的海洋主导物种在行为上有显著差异。北极海洋生态系统中的基石物种之一是飞马哲水蚤，一种最大长度为2-4毫米的桡足类浮游生物。在春季它们以藻类为食，大量的飞马哲水蚤可以把大陆架海域变成红色。而南极海洋生态系统中的一个基石物种是南极磷虾，最大长度为7-8厘米。南极磷虾可以形成10-20公里的超级聚集体，数量密度为每平方米1万到10万只。它们都是鱼类幼体和更高营养级动物的关键猎物。在北方，飞马哲水蚤在春天出现，并在夏天生长，然后在夏末下降至600-800米，并进入冬眠以在秋冬期间躲避其他动物。在南方，南极磷虾在整个南半球冬季保持活跃进食。然而，对于飞马哲水蚤或磷虾，食物来源和冬季生态系统的网络仍然知之甚少。过去，科学家们假设是，来自夏季的溶解和特定有机物质通过微生物为冬季生态系统提供食物，但这些假设从未通过功能组或营养级之间的生物量流量平衡得到证实。对于生态系统的不理解是由于在没有光照的月份缺乏观测，因为我们的研究船不能在那些月份停留，因为海冰厚实且缺乏采样方法。由于我们不知道这些海洋动物如何在秋冬时期生存，因此我们也不知道它们在初春时的数量、质量及空间分布的初始条件。这是我们在极地生态学研究中面临的主要挑战，最终也是是生态系统和气候变化的模型化研究中的挑战。到目前为止，中国科学探险已集中在北冰洋的7月至9月之间及在南大洋的12月至次年3月间。展望未来，我希望我们在12月至次年3月的北冰洋及在4月至11月的南大洋中更多关注这些偏僻水域的海洋学调查和研究。
在南极洲，生物学研究的另一个重大机会是在厚约1.8公里、距今约200万年的冰盖内等待着我们。这个冰盖中可能存在被冻结的微生物。如果冰盖下有封闭的冰下湖泊，那里可能会有已经与我们世界隔离了200万年的活体物种。如果我们确实能够收集冰盖下样品并获得关于如此长一段时间中生命演化的知识，这将对人类理解地球甚至普遍情况下的生命起源和演化大有帮助。全球范围内备受瞩目的一个特别令人兴奋的中国研究活动是我们在南极冰盖埃新高原的冰心钻探工作。如果我们能从冰盖底部获得完整的冰芯样本，密封在冰芯中的空气泡或微生物可能会揭示该时期大气和微生物的日期及成分，并告诉我们环境和生命体在地球上的进化过程。此外，冰盖下可能的火山活动可以维持温暖的水和能量源。我们的一些同事推测，在这样一个孤立且极端的环境中，可能已经进化出奇异的生命体。
陈大可：
您提到了两个有趣的话题，我有两个评论。首先，极地地区的冬季几个月可能不会是完全黑暗和缺失能量。与春天的生命"大爆发"相比, 它确实是一个低生产力的长时期段，但生命必须能够通过某种策略延续，并应有一个明确的季节性循环。其次, 钻探到南极冰下湖并采样具有巨大的科学潜力，现正受到各类资助机构的强力支持。俄罗斯研究人员开始了这一领域的调查，但他们收回的样本受到了污染，因此用途有限。我们正在努力开发干净的钻探技术。如果成功，仅发现那里的微生物本身就将构成本世纪一项重大的科学突破。
周朦：
我同意。在冰盖内或冰盖下发现生命形式将可与量子力学的创立相比。
陈建峰：
有关南大洋海洋动物如何度过低能量和低生产力时期，我有一些评论。海洋流是否可能承载养分和有机物质到南大洋以支持生命？第二，某些动物
（如磷虾）
的族群是否可以通过在冬季期间以死去的同类为食而集体存活？
周朦：
这些是很好的未来研究的建议。特别是，我们确实研究过磷虾自食其类的可能性。我们曾经估计了1立方米的水中1万条磷虾的聚集，没有任何食物来源。那么，为什么它们会以一种明显自我毁灭的方式迁徙并聚集？我们的假设是强壮和健康的个体将消耗较弱的个体，以便团体可以存活到下一个春天，然后再次繁殖。我们设计了实验来验证这一假设，通过化学分析存活磷虾的胃含量，但没有成功。
图3：在南大洋冰区恢复锚定观测系统是极其艰难的。中国科学家们使用橡皮船恢复锚定系统，以便在冰下全年获取海洋观测数据。
陈大可：
现在让我们转入下一个关于极地地区碳汇的话题. 碳达峰和碳中和是国家和国际环境中的热点话题, 我们知道极地地区在整个地球的碳循环中起着关键作用。例如，当前估计指出人为二氧化碳的海洋吸收的40%发生在南大洋之中。陈教授，您能谈一谈这个问题吗？
陈建芳：
近年来，国家资助机构如科技部
（MOST）
和国家自然科学基金委员会
（NSFC）
对国家碳达峰和碳中和目标给予了高度重视。然而，目前的努力主要集中在沿海岸区域的碳汇上，而开放海洋包括南大洋和北冰洋吸收了进入海洋的大多数碳
（大约18.5±9.5亿吨）
，这比沿海岸地区的贡献高出几个数量级。两个极地海洋加起来吸收的海洋碳量占了世界海洋吸收量的一半以上，与中国所有草地及森林的二氧化碳吸收相当。实际吸收部分通过由水体上下移动引起的物理泵发生。从生物泵的角度来看，我们经常用“海洋中无形森林”来比喻碳汇过程，其中的二氧化碳通过光合作用被吸收，然后下沉到深水中。我们面对理解这个过程的挑战在于其不确定性：例如，南大洋吸收量中的小波动，比如一个小幅度减少的可能会抵消中国的年度减排。北极相比南大洋发挥小一点的作用, 但更复杂且由于快速的海冰退缩及陆地影响因此变化更剧烈。融化的永冻土释放二氧化碳，而绿化的土地吸收更多二氧化碳，这两者都与北极变暖放大有关。此外，北冰洋本身在洋流、水温及生态过程方面也经历了非凡变化。这些变化的巨大幅度及变异性, 使得将这些变化纳入气候与生物地球化学模型格外困难。
碳储存与生物地球化学过程深刻相关。碳从沉降到储存的海洋路径可看作是生态系统中从光合作用的碳水化合物的生成及其在食物链中的消耗。冰藻在秋至冬季中在海冰下积累, 然后在春夏融化时迅速下沉。当它们下沉并到达海洋中间深度时，它们为以浮游生物、蟹类及虾类为主的生物群体提供食物。随着气候变化与海冰的快速减少，光合作用产生的碳水化合物更多地在浅水中形成维持浮游生物，浮游生物继续支持鱼类和海豹类哺乳动物。在地域引发的海洋生态系统中，如海山附近，也观察到了活跃的生物泵和碳循环。挑战之一是理解它们如何在气候变化框架内运作。
周朦：
我想提到一个名为难降解溶解有机碳
（RDOC）
的话题。将溶解有机碳转运到深海依赖于深层洋流，但在低和中纬度区域的垂直洋流仅到达几十米深。在层流较弱的南大洋，猛烈的风暴可导致对流到达1000米深。这种洋流事件主要发生在秋冬天，因此没有被我们过去常于秋季前结束的科学考察捕捉到。另一个我们恰好注意到的现象是大海底的有机沉积物轶量。此类有机物质可被其他生物消耗进入碳循环。这种现象具有重大意义却未得到研究。我希望看到更多关于这个话题的研究。此外，各种藻类种类依靠洋流运输。硅藻若未被消耗，或许会到达海底，但其他种类的藻类会在水柱中腐烂溶解。随着气候暖化使洋流及垂直流的改变，极地地区的藻类在碳循环中的贡献也将发生变化。
陈大可：
极地研究具有重大战略意义但也是一项艰难的任务，因为偏远的极地地区难以到达，并且环境条件非常严酷。极地科学的一个中心组成部分是发展研究能力。雷教授，您能介绍一下中国在这方面的工作吗？
雷瑞波：
过去40年里，中国逐步构建起了极地探险与研究能力，包括两艘大型破冰船、七个南极和北极的研究站及观测站，以及相当全面的极地研究设备。2019年中国的极地研究能力经历了一次重大更新，一艘先进破冰研究船雪龙2号的竣工极大地增强了我们探索和研究极地海洋的能力。现在这艘破冰船在年服务时间上位列极地研究船之中的前五。然而，由于其承担后勤服务任务，用于海洋学研究的时间有限。此外，由于空中观测能力的缺乏，我们在南极冰盖上的研究活动落后于如美国和俄罗斯这些国家。我们还需提高我们在广泛区域上连续采集冰雪样本的能力。最近，我们用固定翼飞机达到了南极冰盖的磷迹点。此能力将减少到达和返回南极内陆高原的中转时间，极大提高了样本采集的效率。
图4：由空中遥感手段测量的伊丽莎白公主岛上的冰盖厚度和基岩高程填补了一个南极数据空白。
2024年标志着中国极地研究能力建设的又一个标志性里程碑。2月7日，南极秦岭站在4年建设后开始运作。这座美丽的研究站位于罗斯海‘难言’岛上，是南极地区天气条件最恶劣的位置之一。来自其他国家的一些专家认为我们在选择这个位置时发疯了，因为该位置的极端大风会限制冬季户外活动。然而，不在这样独特的位置，如何研究南极独特的地理气候过程？尤其是，该地点允许我们研究生成和维持海岸裂冰的南极山风，并开发一个持久的观测网络以研究和监测南极底水，世界上最大的水团的形成和路径。此外，裂冰的存在以及站点与海洋的邻近允许方便的物资装载。
陈大可：
观点很好。我尤其想强调空中探测能力。我强烈倡导进一步增强我们在南极的航空运输和观测能力。秦岭站的完工无疑标志着向前迈出的一个重要步伐，我们需要抓住这个机会。下一个话题是海冰及其预测。杨教授，您能给我们一个概述吗？
杨清华：
北极和南极的海冰正经历快速而相反的变化。北极海冰近几十年一直在减少，而南极海冰在2014年之前略微增加然后进入快速减少状态。2017年后发生短暂反弹后又恢复减少。值得注意的是，2022和2023年卫星测量记录到了南极海冰的最低量。包含大气、海洋、陆地和海冰因素的全球气候模型通常用于预测海冰变化。然而，当前建模框架显示出显著局限。例如，它们低估了北极海冰减少的速度，且在模拟2014年前期南极海冰的意外增加时遇到困难。如果气候模型不能准确再现历史海冰条件，其在未来气候情景预测上的可靠性就会有问题。一个关键实例是关于气候变暖时北极何时会经历无冰夏季的预测的不确定性，不同模型之间大有差异。
随着建模逐渐向更高空间分辨率发展，新的挑战也随之而来。海冰在水平尺度上不能再被视作连续介质，而应该被模拟为离散冰块。这一转换需改进传统海冰动力学建模。使用多分辨率技术以节省计算资源的最新进展已达到了对北极海洋模拟中1公里的分辨率。然而，估算海冰厚度仍比估算海冰范围更为不确定，甚至具有最佳预测能力的模型在厚度预测中仍存在较大误差。
在预测海冰变化方面，最高水平的预测指出北冰洋会在本世纪中期达到夏季无冰。北极海冰的持续减少对通过北极航道的航行有显著影响。即使我们用绿色能源成功控制了碳排放，减缓气候变暖的速度，北冰洋通道的可达性也将大大增强。这一方面对国家具有战略重要性，因其影响世界经济。
陈大可：
在最后一轮发言中，我想请大家简要描述对您领域的期望或需要解决的瓶颈问题。周教授，我们从您开始吧。
周朦：
作为自然科学前沿的极地科学研究，可能揭示气候变化机制和地球生命的奥秘。极地地区的自然资源对我们世界的可持续发展也至关重要。这些方面，加上未来可能通过的北极航道，都越来越强调极地科学。因此我希望中国学者在这一领域做出更多世界级的研究贡献。
刘骥平：
我希望中国更多年轻科学家将关注涉及大气、海洋、海冰及其相互作用的极地区域物理过程。这些研究领域的努力将使我们最充分利用极地区域日益增长的观测数据，改进动力模型，并为未来发展提供准确预测。
雷瑞波：
我想提三点。首先，极地科学被视为区域科学，而非属于一个学科。这个领域的成长需要整合物理学、生物学、生态学及其他领域的交叉学科研究方法。第二，我们需要更强的观测技术及地球科学前沿研究之间的合作。第三，我希望极地科学的新学者可以在研究生阶段参与实地研究活动。
杨清华：
作为一名大气研究学者，我想强调人工智能在大气科学及海洋科学中日益增长的角色。例如，人工智能对天气预报的巨大影响如今已经无可否认。因此我希望在极地科学中，看到更多的观测及建模工作被人工智能技术彻底改变。
图5：中国在东南极中山站部署了四套大气检测激光雷达观测系统，实现了同步、地基形式下对南极洲大气的准全高度观测（0-110公里）。
陈建芳：
