《國家科學評論》期刊2025年第1期封面。中國南極秦嶺站位於羅斯海‘難言’島上，在2024年2月7日開始測量工作。
極地區域不僅挑戰人類探索地球的意志，也挑戰人類的生存。北極和南極地區對整個地球的氣候發揮巨大影響：南北極地區包括地球上87%的淡水，90%的冰雪，90%的永凍層和69%的冰川。但是由於我們對極地區域中冰蓋融化等變化缺乏理解，我們對包括海平面上升等氣候變化現象的評估和預測中存在重大不確定性。因為北極地區變暖的速度是全球平均值的2到4倍，歐亞大陸的冬天在變冷。由於這個過程的機制還沒有被理清，中國對於極度寒潮的預報還不完善。為了提高對極地科學的認知度，《國家科學評論》邀請了國家自然資源部第二海洋研究所的陳大可院士組織了五位極地科學領域的學者陳建芳(國家自然資源部第二海洋研究所)、雷瑞波（中國極地研究中心）、劉驥平（中山大學大氣科學學院）、楊清華（中山大學，南方海洋科學與工程廣東省實驗室 (珠海)、周朦（上海交通大學海洋學院）來討論這些重要議題。
陳大可：我們都在極地科學研究領域做過很多年的研究，我們希望今天可以收集一些極地科學領域的見解。首先，我們討論北極加速變暖的現象。雷教授，請您概括一下這個題目。
圖1：中國建造的具有PC3破冰能力的破冰研究船雪龍2號於2019年下水並應用於南大洋的科學調查，顯著增強了中國在冰覆蓋極地海域的調查能力。
雷瑞波：北極現在正在經歷加劇的變暖，關於其驅動機制仍有爭議。首先，這是否是區域性效果，或者是由低緯度能量傳輸導致的？區域性效應可以歸因於一個正反饋迴圈，即夏季更多的冰融化和更少的陽光反射導致更多的熱量吸收和甚至更多的融化。此外，雲可能起著有趣的作用，因為更多的蒸發會導致更多的雲和更強的向下長波輻射。熱量透過大氣或海洋的迴圈進入北極。大氣傳輸不被認為有顯著累積，因為它是短期影響的過程。然而，大西洋的溫暖水流可能增加水和空氣的溫度，並減少海冰的數量，尤其是在大西洋段。
關於北冰洋的另一個關鍵問題是它被陸地包圍，因此融化的多年凍土的影響使北極的溫室氣體增加了多達30%。另一方面，北極的變化正在導致中低緯度地區（如中國）的極端冬季事件。北極系統與世界其他地區複雜聯絡正在曾強。
陳大可：我們可能應該繼續討論北極加劇的變暖效應。劉教授，您對此有何看法？這個加劇變暖的現象是否是由正反饋引發？
劉驥平：北極變暖加劇效應，作為氣候變化的一部分，它的解釋曾是熱量向北極的傳輸增加。最近我們用氣候模型進行數值模擬，比較了兩個場景：固定與變化的海冰量。我們的結果顯示，本地海冰量的變化及其相關的太陽反射在北極變暖加劇中起主導作用。來自低緯度的熱量傳輸確實有一些影響，但僅是輕微程度。這是我們當前研究的結果，隨著我們對北極系統理解的提高，新的觀點可能會發展出來。
陳大可：接下來我們討論格陵蘭和南極的冰蓋以及它們如何影響全球海平面。劉教授，您能開始嗎？
劉驥平：南極和格陵蘭冰蓋共同擁有地球上68%的淡水。冰蓋的質量可以透過積雪、蒸發、水流以及冰架或冰舌的融化和崩塌而改變。我們目前透過衛星或空中遙感測量解決這個複雜問題。在整個冰蓋融化的極端情況下，格陵蘭和南極將分別導致全球海平面上升7.4米和58米。具體的增量是，每1釐米的海平面上升將以沿海地區加劇的惡劣氣候的形式危及全球大約600萬人。過去的測量告訴我們，格陵蘭冰蓋在1970年代之前基本穩定，然後它開始融化。格陵蘭冰蓋的融化在過去30年中加速，並導致海平面上升12毫米。南極西部冰蓋經歷了類似的變化，已經導致大約7毫米的海平面上升。近年來，由於南極東部降雪量增加，南極東部冰蓋的質量大大增加。這一意外變化更凸顯了對冰蓋變化理解的不足和不確定性。由於融化的冰蓋是海平面上升的驅動因素，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）對冰蓋的質量平衡和動態給予了高度重視。特別是，由於缺乏觀測資料，南極東部作為一個主要的未知部分尤為突出，妨礙了氣候模型的發展。此外，準確建立冰蓋的動態模型來反映近年來快速的冰蓋變化仍然是一個挑戰。在過去，我們常常認為其變化在數百至數千年上是可觀測的。現在，冰蓋的變化在十年內就可以觀測到。這方面的研究需要新的觀點來構建冰蓋模型反映其與大氣、海洋和海冰的相互作用。只有透過準確的冰蓋模型，我們才能對未來海平面上升提供準確的預估。我們當前的地球系統模型預測，到21世紀末，格陵蘭冰蓋將導致海平面上升0.15米，而南極冰蓋將導致海平面上升0.12米。與融化的冰蓋有關的最後一個問題是，它可能削弱全球海洋翻轉迴圈，影響海洋生態系統，從而影響海洋對二氧化碳的吸收量。
陳大可：極地地區的冰蓋在全球範圍內受到了相當大的關注，核心問題圍繞所謂的氣候“臨界點”的存在。我們會到達這種“無可挽回的地步”嗎？我們當前對冰蓋和海平面變化的預測有多大不確定性？透過更多的科學極地探險、更多系統的觀測和更現實的模型，希望我們能夠回答這些問題。現在，讓我們轉到下一個主題——極地生態學。眾所周知，兩個極地地區都有獨特的生態系統。隱藏在極地冰蓋下的棲息地可能隱藏著非凡的生態和生物學秘密。周教授，您可以開始這個話題嗎？
圖2：一隻北極熊在北冰洋的夏季冰流上遷徙。
周朦：兩個極地區域擁有豐富的生物資源，其生態系統必須具有很高的生產力。但夏季中高生產力的時期只持續2到4個月，而一年中大約8個月的時間在低光能和低生產力中度過。我們自然需要問，極地生物群落如何利用夏季中的4個月獲得的能量維持1年的生存。在較高緯度的陸地生態系統中，生物體在冬季處於冬眠狀態或儲存食物。在南大洋的生態系統中，磷蝦佔據了中心地位，因為它們以藻類為食，而被更高營養級的生物（如魚類、企鵝、海豹和鯨類）所食。與陸生動物不同，磷蝦在冬季不會冬眠，而食物鏈中磷蝦以上的其他極地海洋動物也在冬季活躍。我們估計磷蝦的年存活率為1%，因此，如果被漁業捕捉到的磷蝦的年齡約為4歲，磷蝦的4年存活率約為1億分之一。這個巨大的磷蝦群體的生物能量來源尚未確定。
兩個極地地區中的海洋主導物種在行為上有顯著差異。北極海洋生態系統中的基石物種之一是飛馬哲水蚤，一種最大長度為2-4毫米的橈足類浮游生物。在春季它們以藻類為食，大量的飛馬哲水蚤可以把大陸架海域變成紅色。而南極海洋生態系統中的一個基石物種是南極磷蝦，最大長度為7-8釐米。南極磷蝦可以形成10-20公里的超級聚集體，數量密度為每平方米1萬到10萬隻。它們都是魚類幼體和更高營養級動物的關鍵獵物。在北方，飛馬哲水蚤在春天出現，並在夏天生長，然後在夏末下降至600-800米，並進入冬眠以在秋冬期間躲避其他動物。在南方，南極磷蝦在整個南半球冬季保持活躍進食。然而，對於飛馬哲水蚤或磷蝦，食物來源和冬季生態系統的網路仍然知之甚少。過去，科學家們假設是，來自夏季的溶解和特定有機物質透過微生物為冬季生態系統提供食物，但這些假設從未透過功能組或營養級之間的生物量流量平衡得到證實。對於生態系統的不理解是由於在沒有光照的月份缺乏觀測，因為我們的研究船不能在那些月份停留，因為海冰厚實且缺乏取樣方法。由於我們不知道這些海洋動物如何在秋冬時期生存，因此我們也不知道它們在初春時的數量、質量及空間分佈的初始條件。這是我們在極地生態學研究中面臨的主要挑戰，最終也是是生態系統和氣候變化的模型化研究中的挑戰。到目前為止，中國科學探險已集中在北冰洋的7月至9月之間及在南大洋的12月至次年3月間。展望未來，我希望我們在12月至次年3月的北冰洋及在4月至11月的南大洋中更多關注這些偏僻水域的海洋學調查和研究。
在南極洲，生物學研究的另一個重大機會是在厚約1.8公里、距今約200萬年的冰蓋內等待著我們。這個冰蓋中可能存在被凍結的微生物。如果冰蓋下有封閉的冰下湖泊，那裡可能會有已經與我們世界隔離了200萬年的活體物種。如果我們確實能夠收集冰蓋下樣品並獲得關於如此長一段時間中生命演化的知識，這將對人類理解地球甚至普遍情況下的生命起源和演化大有幫助。全球範圍內備受矚目的一個特別令人興奮的中國研究活動是我們在南極冰蓋埃新高原的冰心鑽探工作。如果我們能從冰蓋底部獲得完整的冰芯樣本，密封在冰芯中的空氣泡或微生物可能會揭示該時期大氣和微生物的日期及成分，並告訴我們環境和生命體在地球上的進化過程。此外，冰蓋下可能的火山活動可以維持溫暖的水和能量源。我們的一些同事推測，在這樣一個孤立且極端的環境中，可能已經進化出奇異的生命體。
陳大可：您提到了兩個有趣的話題，我有兩個評論。首先，極地地區的冬季幾個月可能不會是完全黑暗和缺失能量。與春天的生命"大爆發"相比, 它確實是一個低生產力的長時期段，但生命必須能夠透過某種策略延續，並應有一個明確的季節性迴圈。其次, 鑽探到南極冰下湖並採樣具有巨大的科學潛力，現正受到各類資助機構的強力支援。俄羅斯研究人員開始了這一領域的調查，但他們收回的樣本受到了汙染，因此用途有限。我們正在努力開發乾淨的鑽探技術。如果成功，僅發現那裡的微生物本身就將構成本世紀一項重大的科學突破。
周朦：我同意。在冰蓋內或冰蓋下發現生命形式將可與量子力學的創立相比。
陳建峰：有關南大洋海洋動物如何度過低能量和低生產力時期，我有一些評論。海洋流是否可能承載養分和有機物質到南大洋以支援生命？第二，某些動物（如磷蝦）的族群是否可以透過在冬季期間以死去的同類為食而集體存活？
周朦：這些是很好的未來研究的建議。特別是，我們確實研究過磷蝦自食其類的可能性。我們曾經估計了1立方米的水中1萬條磷蝦的聚集，沒有任何食物來源。那麼，為什麼它們會以一種明顯自我毀滅的方式遷徙並聚集？我們的假設是強壯和健康的個體將消耗較弱的個體，以便團體可以存活到下一個春天，然後再次繁殖。我們設計了實驗來驗證這一假設，透過化學分析存活磷蝦的胃含量，但沒有成功。
圖3：在南大洋冰區恢復錨定觀測系統是極其艱難的。中國科學家們使用橡皮船恢復錨定系統，以便在冰下全年獲取海洋觀測資料。
陳大可：現在讓我們轉入下一個關於極地地區碳匯的話題. 碳達峰和碳中和是國家和國際環境中的熱點話題, 我們知道極地地區在整個地球的碳迴圈中起著關鍵作用。例如，當前估計指出人為二氧化碳的海洋吸收的40%發生在南大洋之中。陳教授，您能談一談這個問題嗎？
陳建芳：近年來，國家資助機構如科技部（MOST）和國家自然科學基金委員會（NSFC）對國家碳達峰和碳中和目標給予了高度重視。然而，目前的努力主要集中在沿海岸區域的碳匯上，而開放海洋包括南大洋和北冰洋吸收了進入海洋的大多數碳（大約18.5±9.5億噸），這比沿海岸地區的貢獻高出幾個數量級。兩個極地海洋加起來吸收的海洋碳量佔了世界海洋吸收量的一半以上，與中國所有草地及森林的二氧化碳吸收相當。實際吸收部分透過由水體上下移動引起的物理泵發生。從生物泵的角度來看，我們經常用“海洋中無形森林”來比喻碳匯過程，其中的二氧化碳透過光合作用被吸收，然後下沉到深水中。我們面對理解這個過程的挑戰在於其不確定性：例如，南大洋吸收量中的小波動，比如一個小幅度減少的可能會抵消中國的年度減排。北極相比南大洋發揮小一點的作用, 但更復雜且由於快速的海冰退縮及陸地影響因此變化更劇烈。融化的永凍土釋放二氧化碳，而綠化的土地吸收更多二氧化碳，這兩者都與北極變暖放大有關。此外，北冰洋本身在洋流、水溫及生態過程方面也經歷了非凡變化。這些變化的巨大幅度及變異性, 使得將這些變化納入氣候與生物地球化學模型格外困難。
碳儲存與生物地球化學過程深刻相關。碳從沉降到儲存的海洋路徑可看作是生態系統中從光合作用的碳水化合物的生成及其在食物鏈中的消耗。冰藻在秋至冬季中在海冰下積累, 然後在春夏融化時迅速下沉。當它們下沉併到達海洋中間深度時，它們為以浮游生物、蟹類及蝦類為主的生物群體提供食物。隨著氣候變化與海冰的快速減少，光合作用產生的碳水化合物更多地在淺水中形成維持浮游生物，浮游生物繼續支援魚類和海豹類哺乳動物。在地域引發的海洋生態系統中，如海山附近，也觀察到了活躍的生物泵和碳迴圈。挑戰之一是理解它們如何在氣候變化框架內運作。
周朦：我想提到一個名為難降解溶解有機碳（RDOC）的話題。將溶解有機碳轉運到深海依賴於深層洋流，但在低和中緯度區域的垂直洋流僅到達幾十米深。在層流較弱的南大洋，猛烈的風暴可導致對流到達1000米深。這種洋流事件主要發生在秋冬天，因此沒有被我們過去常於秋季前結束的科學考察捕捉到。另一個我們恰好注意到的現象是大海底的有機沉積物軼量。此類有機物質可被其他生物消耗進入碳迴圈。這種現象具有重大意義卻未得到研究。我希望看到更多關於這個話題的研究。此外，各種藻類種類依靠洋流運輸。矽藻若未被消耗，或許會到達海底，但其他種類的藻類會在水柱中腐爛溶解。隨著氣候暖化使洋流及垂直流的改變，極地地區的藻類在碳迴圈中的貢獻也將發生變化。
陳大可：極地研究具有重大戰略意義但也是一項艱難的任務，因為偏遠的極地地區難以到達，並且環境條件非常嚴酷。極地科學的一箇中心組成部分是發展研究能力。雷教授，您能介紹一下中國在這方面的工作嗎？
雷瑞波：過去40年裡，中國逐步構建起了極地探險與研究能力，包括兩艘大型破冰船、七個南極和北極的研究站及觀測站，以及相當全面的極地研究裝置。2019年中國的極地研究能力經歷了一次重大更新，一艘先進破冰研究船雪龍2號的竣工極大地增強了我們探索和研究極地海洋的能力。現在這艘破冰船在年服務時間上位列極地研究船之中的前五。然而，由於其承擔後勤服務任務，用於海洋學研究的時間有限。此外，由於空中觀測能力的缺乏，我們在南極冰蓋上的研究活動落後於如美國和俄羅斯這些國家。我們還需提高我們在廣泛區域上連續採集冰雪樣本的能力。最近，我們用固定翼飛機達到了南極冰蓋的磷跡點。此能力將減少到達和返回南極內陸高原的中轉時間，極大提高了樣本採集的效率。
圖4：由空中遙感手段測量的伊麗莎白公主島上的冰蓋厚度和基岩高程填補了一個南極資料空白。
2024年標誌著中國極地研究能力建設的又一個標誌性里程碑。2月7日，南極秦嶺站在4年建設後開始運作。這座美麗的研究站位於羅斯海‘難言’島上，是南極地區天氣條件最惡劣的位置之一。來自其他國家的一些專家認為我們在選擇這個位置時發瘋了，因為該位置的極端大風會限制冬季戶外活動。然而，不在這樣獨特的位置，如何研究南極獨特的地理氣候過程？尤其是，該地點允許我們研究生成和維持海岸裂冰的南極山風，並開發一個持久的觀測網路以研究和監測南極底水，世界上最大的水團的形成和路徑。此外，裂冰的存在以及站點與海洋的鄰近允許方便的物資裝載。
陳大可：觀點很好。我尤其想強調空中探測能力。我強烈倡導進一步增強我們在南極的航空運輸和觀測能力。秦嶺站的完工無疑標誌著向前邁出的一個重要步伐，我們需要抓住這個機會。下一個話題是海冰及其預測。楊教授，您能給我們一個概述嗎？
楊清華：北極和南極的海冰正經歷快速而相反的變化。北極海冰近幾十年一直在減少，而南極海冰在2014年之前略微增加然後進入快速減少狀態。2017年後發生短暫反彈後又恢復減少。值得注意的是，2022和2023年衛星測量記錄到了南極海冰的最低量。包含大氣、海洋、陸地和海冰因素的全球氣候模型通常用於預測海冰變化。然而，當前建模框架顯示出顯著侷限。例如，它們低估了北極海冰減少的速度，且在模擬2014年前期南極海冰的意外增加時遇到困難。如果氣候模型不能準確再現歷史海冰條件，其在未來氣候情景預測上的可靠性就會有問題。一個關鍵例項是關於氣候變暖時北極何時會經歷無冰夏季的預測的不確定性，不同模型之間大有差異。
隨著建模逐漸向更高空間解析度發展，新的挑戰也隨之而來。海冰在水平尺度上不能再被視作連續介質，而應該被模擬為離散冰塊。這一轉換需改進傳統海冰動力學建模。使用多解析度技術以節省計算資源的最新進展已達到了對北極海洋模擬中1公里的解析度。然而，估算海冰厚度仍比估算海冰範圍更為不確定，甚至具有最佳預測能力的模型在厚度預測中仍存在較大誤差。
在預測海冰變化方面，最高水平的預測指出北冰洋會在本世紀中期達到夏季無冰。北極海冰的持續減少對透過北極航道的航行有顯著影響。即使我們用綠色能源成功控制了碳排放，減緩氣候變暖的速度，北冰洋通道的可達性也將大大增強。這一方面對國傢俱有戰略重要性，因其影響世界經濟。
陳大可：在最後一輪發言中，我想請大家簡要描述對您領域的期望或需要解決的瓶頸問題。周教授，我們從您開始吧。
周朦：作為自然科學前沿的極地科學研究，可能揭示氣候變化機制和地球生命的奧秘。極地地區的自然資源對我們世界的可持續發展也至關重要。這些方面，加上未來可能透過的北極航道，都越來越強調極地科學。因此我希望中國學者在這一領域做出更多世界級的研究貢獻。
劉驥平：我希望中國更多年輕科學家將關注涉及大氣、海洋、海冰及其相互作用的極地區域物理過程。這些研究領域的努力將使我們最充分利用極地區域日益增長的觀測資料，改進動力模型，併為未來發展提供準確預測。
雷瑞波：我想提三點。首先，極地科學被視為區域科學，而非屬於一個學科。這個領域的成長需要整合物理學、生物學、生態學及其他領域的交叉學科研究方法。第二，我們需要更強的觀測技術及地球科學前沿研究之間的合作。第三，我希望極地科學的新學者可以在研究生階段參與實地研究活動。
楊清華：作為一名大氣研究學者，我想強調人工智慧在大氣科學及海洋科學中日益增長的角色。例如，人工智慧對天氣預報的巨大影響如今已經無可否認。因此我希望在極地科學中，看到更多的觀測及建模工作被人工智慧技術徹底改變。
圖5：中國在東南極中山站部署了四套大氣檢測雷射雷達觀測系統，實現了同步、地基形式下對南極洲大氣的準全高度觀測（0-110公里）。
陳建芳：首先，鑑於我們在極地科學領域開發了相當大的研究能力，例如船舶和站點，現在我們需要設計並主導研究課題以顯示我們在這個領域的貢獻。第二，我們需要更多專為極地開發的便攜技術，以開展現場極地觀測及研究。第三，國際合作對這個領域的至關重要，我們需要加強與其他國家的合作伙伴關係。
陳大可：今天透過NSR的平臺，我們進行了有關極地科學的有趣討論。我們所討論的主題可能引起興趣，也可能引起爭議。我希望此論壇能在NSR的廣大讀者面前放大我們的聲音，從而使公眾更好的瞭解極地區域在我們世界中發揮的作用。我們還希望資助機構能更多關注極地科學，增加投資。這個領域的研究課題需要大量投資，並且可以產生巨大回報。我仍然記得八十年代國家領導人作出的啟動極地探險的戰略決策。在那個資源緊張的時代，那些研究活動都是在困難中開展的。現在，隨著我們國家的資源增長了幾個數量級，我們應該在這一重要領域擴大投資。我們今天的討論就到這裡，感謝大家的參與。
本文原文（英文版）發表於《國家科學評論》2025年第1期（DOI連結：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae379）。朱禾是《國家科學評論》編輯部的科學及新聞編輯。
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