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该研究由M. Kathleen Brennan、Gregory J. Hakim和Edward Blanchard-Wrigglesworth共同完成，三位作者均来自美国华盛顿大学大气科学系。研究论文发表在《Geophysical Research Letters》期刊上，于2020年3月13日在线发表。
北极海冰（Arctic sea ice）是气候系统中变化最快的组成部分之一，其变化直接影响地表反照率（surface albedo）和海洋-大气相互作用。近年来，北极海冰范围（sea-ice extent, SIE）急剧减少，但卫星时代（1979年至今）之前的海冰变化情况尚不明确。由于早期观测数据有限，尤其是1950年代之前，现有研究对卫星时代之前的海冰变化估计存在较大不确定性。因此，本研究旨在通过数据同化（data assimilation, DA）方法，结合地表气温（surface air temperature, SAT）观测数据和气候模型模拟，重建1850年至2018年间的北极海冰浓度（sea-ice concentration, SIC）分布，并探讨这一时期北极海冰的演变规律。
研究主要分为以下几个步骤：
数据同化方法
研究采用集合卡尔曼滤波（Ensemble Kalman Filter）数据同化技术，将气候模型模拟与观测数据结合。具体方法包括：
数据来源
海冰重建
通过数据同化方法，重建了1850年至2018年间的北极海冰浓度分布。重建结果与卫星观测数据进行了对比验证，结果显示重建值与观测值之间的相关系数（R²）为0.89，表明重建结果具有较高的准确性。
早期20世纪变暖期的海冰损失
重建结果显示，1910年至1940年间的早期20世纪变暖期（Early 20th-Century Warming, ETCW）内，北极海冰范围减少了约1.25×10⁶ km²。这一损失量虽小于卫星时代（1979年至2018年）的2.0×10⁶ km²，但比之前的估计值（约0.75–1.0×10⁶ km²）更大。
海冰变化的年代际变率
重建结果表明，卫星时代之前的北极海冰年代际变率比之前估计的高出约40%。特别是在1850年至1979年间，重建结果的标准差为310,000 km²，而Walsh et al. (2017)的估计仅为220,000 km²。
海冰与气温的关系
重建结果验证了海冰范围与地表气温之间的线性关系。在卫星时代，这种关系在观测数据中表现明显，但在Walsh et al. (2017)的早期数据中较弱，可能是由于早期观测数据不足导致的。
本研究通过数据同化方法，首次重建了1850年至2018年间的北极海冰浓度分布，揭示了早期20世纪变暖期内的显著海冰损失，并表明卫星时代之前的海冰变率被低估。研究结果不仅验证了当前北极海冰减少趋势的独特性，还为理解自然变率和人为强迫对海冰变化的影响提供了重要依据。
数据同化方法的应用
本研究首次将集合卡尔曼滤波数据同化技术应用于北极海冰重建，结合了气候模型和地表气温观测数据，提供了高精度的海冰重建结果。
早期20世纪变暖期的新发现
研究揭示了早期20世纪变暖期内的海冰损失量比之前估计的更大，为理解这一时期的气候变化提供了新的视角。
海冰变率的重新评估
研究结果表明，卫星时代之前的海冰变率被低估了约40%，这一发现对理解北极海冰的长期变化具有重要意义。
研究还指出，现有的20世纪大气再分析产品（如ERA-20C）低估了早期20世纪变暖期的变暖幅度，可能与Walsh et al. (2017)海冰产品的低变率有关。未来研究可进一步探讨海冰重建对大气再分析的影响。
本研究通过创新的数据同化方法，提供了更准确的北极海冰历史重建结果，为理解北极海冰的长期变化及其对气候系统的影响提供了重要科学依据。