南大洋海-冰-气相互作用在全球气候系统中的作用.doc

榕巨互金/南大洋海-冰-气相互作用在全球气候系统中的作用前言随着人类对于南大洋研究的不断地深入，南大洋在全球气象系统中的重要地位也不断地得到认识。海洋是气候系统的关键组成部分之一，它吸收太阳辐射并用于加热大气，有力地驱动了大气环流。南大洋是地球上生物生产量最大的海域，在过去气候变化以及当前和未来由人类活动引起的气候变化中都起着关键作用。南大洋是世界上盐度最高和最冷水团的生成地，这些水团对于全球的环流变化、气候变化产生重要的作用。作为世界上最古老的水团之一，位于南极底层的南极底层水是全球热盐输送的一个重要引擎，而且与北大西洋底层水的相互作用被认为是两半球温盐的跷跷板（Didier 等，2009）。在南极西风带的控制至之下，南大洋产生了南极绕极流，有研究证明它是全球海洋翻转流的主要驱动力。国内研究的现状 借助观测和模拟，唐建成（2005）认为南极冰雪范围、表面特征（主要是反射率）的年际变化对全球水汽环流的强度、全球热平衡和气候变化如温度、降水分布都有明显的影响，是全球变化最重要因子之一。南大洋不仅可以通过影响越赤道气流改变东亚夏季风的强度，南极底层水和南极绕极水可以有力地调节着全球的热量和能量分布。南极冰雪区是地球系统的最大冷源和全球水汽环流热力发动机的主要冷极之一。南极海冰的存在，不仅可以提高下垫面的反照率，而且阻隔海气热量的交换。在全球变暖的背景下，一旦南极海冰融化，将会降低下垫面的反照率，海洋吸收更多的能量，海冰进一步融化。但南极海冰的变化与北极逐渐减少不同的是逐年增加，然而对增加的成因却无定论。 进入20世纪30到50年代，极地研究进入了一个新阶段，所涉及的研究范围和领域也更加广泛。海冰模型的不断进步也推进南极研究的不断前进。早期的海冰的热动力空间一维模拟浮冰内的垂直热量输送过程，Parkinsion et al 将这一模型应用到南北极区域，以此来计算大气-海冰的相互作用。Stossel et al 对南极的海冰研究发现，南极底层水的形成速率取决于海冰的过程，尤其是盐分的排放。Gidor et al 发现海冰在冰期-间冰期循环中起到转换作用。海冰的范围也因为季节、地区的差别有所区别。研究发现，南极海冰最小出现在2月份，最大出现在9月份。北极海冰存在减少的趋势，但南极海冰却在同期有着全面增加的趋势。Wu X et al 将温室效应、人类活动CO2的排放等因素考虑在内，借助耦合模型分析指出，2000-2100南极海冰季节最小范围退缩2维度，最大1.8纬度。Allision （19872001）领导观测海冰的任务，想借助观测数据，全面的研究南极海冰的分布、物理性质、变化规律，估算出海冰区的大尺度的海-气间的动量、热量和物质交换。史久新利用耦合的气-冰-海系统，得出海面的结冰与否对于海气间各种能量和物质通量有很大的影响，而且无冰的水域和冰上积雪，更增加了问题的复杂程度。 南大洋海洋环流在全球大洋传送带以及全球气候变化中扮演着重要的角色。南大洋是一片环绕南极大陆的独特水域，其水团结构非常独特。作为世界上最古老的水源之一，热盐环流全球输运带的一个重要引擎。它与北大西洋深层水的相互作用被认为是调控热盐环流强度的重要因子（Brix 等，2003），同时也是两半球之间海温跷跷板产生的重要机制（Didier 等，2009）。马浩（2012）认为南极底层水与热盐环流大动脉密切相关，对气候的演变具有重要的影响。南极大陆独特的地形孕育世界上流量最大的一直环流南极绕极流。对于ACC的研究，现场观察数据、长时间序列的资料尤为重要，然而这部分资料的欠缺 限制了ACC的研究的深入。学者们借助模型来研究ACC, 张庆华等54建立了一个ACC的理想模式，将ACC视为由条带风场作用的、线性化位涡方程控制的正压海水中的纬向流动。侍小兵等利用一个斜压的共维诊断数值模式和实测的风速和温盐场，模拟了普里兹湾的夏季流场。结果表明，地形是普里兹湾环流场的主要决定因素，而风场对夏季流场的影响很小。史久新等利用冰-海耦合等密面模式模拟了整个南大洋的环流和海冰及其季节变化，得出普里兹湾内的气旋式环流在各个层次上都存在，并且表现出季节变化。Cox 认为绕极流以南强盛的上升流区是全球主要的温跃层露头区之一，来自低纬地区的水团通过潜沉过程在此上升，引发强烈的海气交换。因为南极绕极流将大西洋经向翻转环流的影响传递到太平洋和印度洋，实现热盐的全球性的环流，ACC深刻地影响着热盐环流全球输运带, 促进了太平洋、大西洋和印度洋三大洋之间的热量、水分和能量的交换, 在地球气候系统中扮演着特殊重要的角色。已有研究表明，南大洋气候变化对于亚洲季风和我国长江流域旱涝灾害有明显的影响（Nan and Li, 2003； Gao et al., 2003； 范可，2006等），春季（秋季）的南半球环状模态（SAM）异常能够通过南印度洋把异常信号传递到热带印度洋，影响夏季（冬季）的东亚季风强度，从而影响我国降水分布，这为东亚季风的短期预测提供了一个具有科学和应用价值的预报因子。对于南大洋的研究还不够深入，存在很大的不足：数据方面，由于地理位置和自然条件的限制，南大洋的现场观测数据也比较匮乏，特别是长时间序列的观测的缺乏。已观测的数据的处理也比较复杂，没有有效的方法去除复杂的数据中其他分量。近几次航次中，新的观测技术的应用将对南大洋的研究有所帮助。项目的进展对于南大洋的研究主要从三个方面来实施：强化现场观测、数据分析和数值模拟。1 现场观测任务借助中国南极科考的平台，采用XBT/XCTD对Fremantle至南极中山站穿越南大洋绕极流断面上的水文环境进行航次断面观测。在南大洋普里兹湾及冰架前缘区，进行船舶定点CTD/LADCP观测，共完成了63个站位的定点CTD调查，从68E、70.50E、73E、75.50E、78E经向断面和67.25S位于普里兹湾湾口的纬向横断面等六个断面进行观测。收取了第28次南极布放的潜标2套，并重新布放2套锚系潜标。基于第30次南极科学考察，成功布放1套CO2锚系浮标，用于海气界面CO2通量的长期观测。这为科学研究奠定了重要的观测和数据基础。2 数据分析 对中国南极考察历史资料数据进行搜集整理，生成自1984年以来涵盖全部18个航次实测的数据库。同时，对五个南大洋海气热量通量数据的异同进行了分析评估，结果表明：从大尺度角度看，除NOCS2 外，所有数据的潜热通量和感热通量对南极涛动（SAM）和ENSO 的响应都是比较一致的。这与以前研究给出的南半球热带外大气环流、海表面温度以及海冰的变率与AAO和ENSO之间的关系基本上是一致的。表明利用这些热量通量数据来研究南大洋热量通量变率与主要气候模态之间的关系，以及研究热量通量对大尺度大气和海洋的反馈作用是可信的。3 数值模型利用南大洋Argo剖面资料和历史走航断面资料，计算并给出了亚南极模态水（SAMW）和南极中层水（AAIW）的水平分布状况、厚度的空间分布及其变化趋势。从明显的变化趋势中，可以看出两者存在差异。从图1可以看出，SAM的正位相和ENSO的负位相引起的水团变化趋势与Argo观测的水团变化趋势，在空间分布上比较一致。因此，SAM和ENSO是可能造成水团下称的原因之一。另外，全球气候变暖的大背景下，南大洋增温的事实也因该是两种水团变化趋势的原因。图1. 近10年亚南极模态水和南极中层水变化趋势分布及其对SAM和La Nina的响应将海洋环流模式POP嵌套入海洋生物地球化学模型OCMIP-2中，计算出全球溶解氧浓度的分布。我们发现印度洋、太平洋和大西洋一样，存在一较高的溶解氧浓度舌，从表层沿大陆坡向下至海底、并沿大洋底向北延伸，说明在普里兹湾存在南极底层水的生成源区。采用19个IPCC AR4中的19个模式对南极绕极流（ACC）输送变异及其对SAM的响应开展研究。模式分析表明，纬向风应力加强并向极移动、南极ACC输送与SAM存在显著联系，研究指出，西风带加强与向极移动导致南极绕极流经向变窄。伴随的浮力强迫变化，倾向于减弱南极绕极流输送，但比风应力强迫作用弱。中尺度涡旋引起的向极输送可导致等密度面变平，从而减弱南极绕极流输送。弱海洋层结导致较弱的埃克曼抽吸作用，从而与以上过程一起可导致南极绕极流输送减弱。研究了CMIP3和CMIP5模式中南半球亚极地环流对21世纪气候变化的响应。在温室气体强迫增加的情景下，南半球西风带一致加强，导致这些模式中亚极地区域气旋性风强迫增加。在这样的风场强迫变化下，在南极海岸附近向西流均一致增加，这对南极冰架和冰盖的质量平衡具有重要意义。然而，环流轴线和环流强度的响应存在很大的差异。一些模式显示，南半球亚极地环流边缘向赤道一侧扩张，导致环流强度一致且显著增加；另一些模式显示，亚极地环流向极地方向收缩，环流强度的变化比较小且不一致。这些不确定性主要是由在南极绕极流区域涡旋驱动的环流模拟的不确定造成。为了预测亚极地环流的变化，将来模式模拟结果的改进需要特别减小对南半球西风急流预测的不确定性，以及减小涡旋驱动的环流对于风强迫变化的响应的不确定性。总结经过近30研究，中国对于南极的研究取得长足的进展，获得丰硕的成果。但是条件的限制，我国与世界先进水平存在一定差距，在很多方面仍有待加强和深入。其中南大洋数据的缺乏，是导致南极研究的一个关键因素。在以后的南大洋的研究工作中，我们要强化现场观测，尤其是长时间序列的观测。之前我们观测数据以温盐为主，观测的内容也比较少。在以后的南大洋观测中，应该多利用新的观测方法，布放了漂流浮标和锚碇观测系统，新的观测方法将有利于南大洋研究的不断推进。鉴于南极恶劣的环境条件，我们也可以借用遥感资料和数值模型来对南极的海冰变化情况进行研究。南大洋在全球气候系统中的重要作用逐渐得到认识，在以后的工作中我们会更加注重南大洋水团、环流变异及其与SAM的关系的研究，增进南大洋对SAM强迫的响应及其反馈的认识，揭示南大洋变异及其影响南印度洋的大气、海洋过程与物理机制，为推动我国季风研究发展和提升预测水平奠定基础。 参考文献1 Salle et al. 2010. Zonally asymmetric resp