上海海洋大学张瑜教授课题组在GRL发表北极未来海冰变化及通航潜力预估研究成果

近日，上海海洋大学海洋科学与生态环境学院张瑜教授课题组在地球科学领域权威（Nature Index）期刊Geophysical Research Letters发表题为“Evaluation-Constrained Projections Reveal a Potentially Navigable Arctic by the 2030s”的研究论文。张瑜教授为论文第一作者及通讯作者，上海海事大学郭文云博士为共同通讯作者，课题组研究生李昶兴、李焕，美国麻省大学陈长胜教授，上海海洋大学邵伟增教授，上海交通大学周意博士为论文合作作者。

研究背景

在气候变暖的背景下，北极海冰正经历快速减退和显著变薄，深刻改变着北极海洋环境，也重塑北极航运发展前景。在海冰各项要素中，海冰厚度是决定北极通航性的关键。第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）提供的众多气候模式是预估北极未来海冰厚度变化及通航潜力的重要工具。

然而，不同气候模式对北极海冰厚度的模拟能力差异显著，给北极未来通航能力预测带来很大不确定性。尽管已有研究对模式的模拟能力展开评估，但多受限于验证数据源单一、评估时段不全、评估指标不一致等问题。如何建立更稳健的模式评估与筛选框架来约束预测结果，成为提升北极通航预估可靠性的关键所在。

研究内容

针对上述不足，研究遴选20个CMIP6气候模式，整合卫星观测、再分析产品（图1），以及机载测量、现场观测（图2）等多源评估数据集，兼顾结冰季和融冰季，对历史时段和未来情景开展长时序双重评估，实现了迄今最长的连续时间覆盖。

图1. 基于卫星观测和再分析产品的CMIP6模式北极海冰厚度模拟能力评估

图2. 基于机载测量和现场观测的CMIP6模式北极海冰厚度模拟能力评估

为克服模式在不同指标下表现不一致的问题，研究构建了基于多评估指标融合的统一评估框架，分别对历史时段（1978—2014年）和SSP2-4.5情景早期（2015—2023年）进行融合分析，客观量化模式模拟能力（图3），并据此建立三套多模式集合预估方案：传统的全部模式等权重平均（MMMAll-UW），以及基于评估结果约束的全部模式性能加权平均（MMMAll-W）和最优表现模式组等权重平均（MMMBPG），从而降低模式集合带来的预测不确定性。

此外，研究还创新性提出潜在可通航北极（Potentially Navigable Arctic，PNA）气候诊断指数，定义为：当北冰洋60°N以北超过80%海域的海冰厚度低于0.15米时，即达到PNA状态。该阈值对应国际海事组织极地操作限制评估风险指数系统（POLARIS）体系下普通无冰级船舶的可航行条件，意味着在此状态下，大部分北极海域对无破冰能力的普通商船将具备通航潜力。

图3. 基于统一评估框架的CMIP6模式综合评估排名

研究结果

研究结果表明，相比传统的全部模式简单平均，两种基于评估约束的模式集合预测2050年前北极海冰更薄、通航时间到来更早（图4）。在中等排放情景SSP2‑4.5与高排放情景SSP5‑8.5下，评估约束方案均显示，潜在可通航北极（PNA）状态有望在2030年代出现。到本世纪末，SSP2-4.5情景下每年PNA月数可达约4个月，SSP5-8.5情景下可达约6个月。研究进一步结合POLARIS风险算法，揭示了不同多模式集合方案对普通商船（OW）和PC6冰级船舶在西北航道、东北航道+跨极航道区域未来最优航运路线和通航月份数预估的差异。

图4. SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下2030—2100年北极海冰平均厚度、PNA状态月份数及OW和PC6船舶最优航线预估

研究意义

该研究构建了涵盖多数据、多时段、多指标的CMIP6模式海冰厚度综合评估框架，为气候模式评估提供了更稳健的方法参考。创新提出的PNA指数则为北极海冰厚度状态转变和通航潜力的长期预估提供了简明的气候诊断工具。基于评估结果约束的多模式集合方案有效减小了海冰变化预测的不确定性，为北极通航潜力的差异化研判提供了支撑。随着北极全面通航窗口的潜在提前，我国在极地航运、极地资源开发及极地环境保护等方面的战略布局将迎来新的机遇与挑战，该研究结果可为面向可持续北极开发和利用的气候信息服务提供科学依据，助力国家“冰上丝绸之路”建设。

论文链接：https://doi.org/10.1029/2026GL123566