北极海冰与全球气候变化-文献综述.docx

文献综述报告（09届本科）学院：海洋科学学院专业：09海洋科学技术班级：海技一班姓名：学号：指导教师：2013年4月北极海冰与全球气候变化引言简要介绍国内外关于北极海冰及其与气候变化的关系:北极海冰面积变化的时空分布特征,大气对北极海冰面积变化的影响,以及北极海冰面积异常与气候变化的关系。其中北极海冰面积异常与气候变化的关系研究主要是基于遥相关型、三大涛动、季风系统和冰-海-气耦合系统等几方面的研究。结果可供基层台站寻找影响当地区域气候变化的北极海冰“强信号”域。海冰作为北冰洋的重要组成部分,影响极地天气、气候,并通过大气的相互作用影响中低纬甚至南半球的大气,加之北极海冰对温室气体的敏感(对南极)正按每十年2.9%的速率递减，引起人们的高度关注。关键词：北极海冰 融化 全球气候 气候变化正文1. 北极海冰的研究历史与现状动态1.1研究历史作为全球气候系统的一个重要因子,人们对于海冰的关注和研究最早可以追溯到16世纪50年代.最早大概在15501616年期间,俄罗斯商船在白令海和亚马尔半岛之间开始商业运输,从那时候起就开始接触北极的海冰.19世纪以来,英国人William Scoresby作为船长对北极的海冰及其环境进行了一定的研究,在1818年撰写了一篇文章OntheGreenlandorPolarIce,内容涉及北极的海冰与环境.随后在1820年他又写了一本关于北极地区的书AllAccountoftheArcticRegions.他的这些成果使他成为研究海冰和北极环境的第一位科学家.Scoresby认为在北极海冰边界向北没有开阔海洋,这个观点尽管现在仍然正确,但在当时确不被人们所接受.后来一系列的北极考察探险活动也随即展开。在1773年,JamesCook穿过南极圈开始环航南极洲,遇到大面积的海冰并认为向南存在着大陆.到了19世纪,对南极的探险不断展开,最初人们的南极探险考虑更多的是捕鲸业和猎取海豹,在整个过程中也不断的了解和认识南极海冰.1891年Stefan研究了冰冻结问题,在此基础上Weypre2cht后来发现冰厚度是冰冻结时间的函数.1895年7月在伦敦召开世界地理学大会,主要是讨论南极全面考察活动,包括海冰的扩展和进退.进入20世纪,随着经济的发展,海冰不单是地球物理研究的一部分,也成为世界工程学研究的一个领域随着Fram船在19001906年期间北极漂流,收集到关于北冰洋的大量数据,使得海冰研究也成为世界地球物理研究的一部分.19001916年期间被称为南极考察的“英雄时代”,1901年Makarov使用世界第一艘破冰船Yermak开始实施海冰研究计划.1920年,第一个世界极地海洋研究组织南北极研究协会(AARI)的成立标志着海冰研究进入国际合作阶段.1921年,Drygalski在19011904年考察的基础上发表了描述南极海冰状况的文章,接着在1922年,Wright和Priest2ley出版了名为Glaciology一书.该书详细地描述了冰晶体在生长过程中的几何学变化,并第一次观测到海冰结构中普遍的类型片晶.在1921年,Wordie也发表了他在威德尔海观测到的饼状冰形成的自然历史过程的文章.其中有很多关于南海冰方面的描述.1937年,俄罗斯在北极的第一个基地SP21在漂移的浮冰上建成,并开始了相关的观测和研究.1.2研究成就研究表明,南极海冰从2月份最小的31064106km2到9月份最大的17106km220106km262.北极海冰在9月份达到最小为4106km到3月份最大的16106km263.南极海冰范围在19781996年之间有着全面增加的趋势,而同期北极海冰范围则存在减小的趋势,每10a退缩219%64.WuXetal.65-66利用耦合模型,考虑到未来温室效应、人类活动CO2的排放等导致全球变暖的各个因素,给出21世纪南极海冰范围整体呈现退缩趋势,从20002100年,南极海冰季节最小范围将退缩2纬度,最大范围将退缩118纬度,南半球平均表面温度将升高212,全球平均表面温度将升高217.Vinnikovetal.利用耦合模型给出的北极年平均海冰范围变化,模拟过去30a海冰范围的下降和观测的结果很好的吻合.模型考虑了全球人类活动带来的CO2和气溶胶增加导致的全球变暖效应,模型所预测的北极平均海冰范围在2050年将缩小约20%.1.3我国研究状况我国在海冰的研究方面起步较晚,近些年来主要集中在海冰与气候、海冰区生态环境、海冰的空间变化、海冰特性研究、海冰反照率、海冰现场技术方法、南北极海冰的对比研究以及海冰对水团的作用等多个方面2. 北极海冰与全球气候的相互作用2.1大气对北极海冰的影响海冰与大气的相互作用是一个问题的两个方面。有人认为海冰面积的年际变化是由大气环流造成,有北极气温和风异常的观察事实所证实,海冰是大气持久作用的产物,目前这一结论基本上为大家所接受。诺贝尔和平奖获得者FridtijofNansen是最早从事北极研究的科学家,提出风和洋流使得海冰在北极陆地及从北极的西伯利亚到东格陵兰岛移动。研究表明:北极地区的月平均气温对北极海冰有持续性影响,而且海冰面积的年循环一般比大气的年循环滞后12个月。ClaraDeser等研究表明:冬季北极海冰变化主要形式和大尺度的正的北大西洋涛动、北极涛动的海平面气压改变相联系;Mysak等分析了1972/1973,1982/1983,1991/1992三个北大西洋涛动,ENSO年认为:由大气环流的改变造成持续几个月的冷的表面大气温度异常,使得哈得逊湾和拉布拉多海海区有较大的海冰面积异常。2.2北极海冰对大气的影响海冰作为冰雪圈的主要组成部分,与短期气候(年内,年际,年代际)变化存在重要的关系。海冰影响大气的主要途径有:通过大气环流调整的快变过程和通过海洋调整的慢变过程。海冰影响大气首先使大气温度和海平面气压产生明显变化,然后通过大气之间的相互作用影响中低纬甚至南半球地区。Brenneke和Meinardus就发现冰岛及格陵兰海冰偏多(重冰年)时,冰岛及挪威海及挪威北部气压低,反之亦然。3. 基于不同类型系统的研究3.1基于遥相关型的研究Bjerkness指出,大气对外源强迫可以产生一定的响应趋势。Rogers和Vanloon发现海冰影响对流层中上层的行星波,指出大尺度海冰异常的位置与对流层中上层的大尺度行星波变动的年际变化一致。Wallace等通过位势高度场的一点相关成功地证实了北半球典型大气遥相关型的存在事实。Hoskins等考虑二维球面运动中大气行星波的能量频散特征,较好地对遥相关和遥响应的波列路径给予解释,提出了“大圆理论”。方之芳等研究表明:夏季极冰冷源的存在,可以激发一个具有相当正压结构的二维Rossby波,进而影响北美的天气气候。蒋全荣等也指出,北极区域海冰的异常可激发出东大西洋,欧亚太平洋或类似于西太平洋的大气遥相关型。朱乾根等讨论了海冰异常空间分布与后期500hPa大气遥相关型和中国气温的关系,指出,北极海冰异常的空间第一模态可以在北半球激发BSMI型遥相关(经蒙古至印缅地区的波列)并对我国后期气温产生影响。3.2基于三大涛动关系的研究Wang等研究了北美哈德孙湾,巴芬湾和拉布拉多海海冰与南方涛动负相关关系。文献33指出:北极海冰四季对北极涛动有很好的响应,而对北大西洋涛动仅在春、冬、秋明显,夏天较弱。MeijiHonda分析了阿留申低压和冰岛低压的年际跷跷板变化。Mysak等利用互相关系数分析方法认为:冬季北极(3,4区)的大气温度和夏秋两季的南方涛动有显著相关,和北大西洋涛动秋季相关。钱步东等研究不同区域海冰与ELNino关系在时间和空间上存在很大差异。3.3基于季风系统的研究杨修群研究了夏季北极海冰异常对大气环流和亚洲季风的影响,发现北极冰偏多和赤道中东太平洋增暖对夏季北半球大气环流有同等效应,在某些情况下海冰的影响还可超过海温的影响。武炳义等研究表明,冬季巴伦支海、喀拉海海冰面积偏大,亚洲大陆的冷高压减弱,使得东亚冬季风偏弱及2月侵入我国的冷空气减少。数值试验指出:北极海冰异常偏大,我国夏季风偏弱。许多学者也对海冰与东亚季风各系统的相互联系进行了研究。方之芳的研究发现:1月北极海冰面积偏多年份,太平洋副热带高压偏南。文献24表明,冬季(122月)喀拉海、巴伦支海海冰面积变化与西伯利亚高压强度指数、东亚冬季风强度指数均呈现相反的变化趋势,海冰偏多(少),则西伯利亚高压偏弱(强),东亚冬季风也偏弱(强)。彭公炳等研究了北极海冰与我国长江上中游汛期降水间的关系,发现我国长江上中游汛期降水量与北极海冰面积有滞后6个月左右的负相关关系。3.4基于冰-海-气耦合系统的研究Mysak等认为:北大西洋海水“大的盐度异常事件”是仅次于ENSO事件的第二大海洋异常信号。冬季与北大西洋接壤的北极海冰面积变化与北大西洋区域气候有非常密切的联系:北大西洋涛动指数处于异常偏高(低)时期,冰岛低涡加深(减弱),位置偏北,北太平洋副热带高压也偏强(弱),受其影响中纬度北大西洋海温升高(降低),因而增强(减弱)暖洋流向高纬度地区输送,注入巴伦支海的北大西洋海水增多(减少),致使巴伦支海南部混合层水温偏高(偏低)40。周天军等发现热盐环流强度的变化与北大西洋涛动呈显著负相关,大陆冰盖进退引起北大西洋的水温循环和热盐环流变化及导致的气候变化更触目惊心。北大西洋气候变化的时间尺度、冷暖时段出现和结束的突然性都是热盐环流引起的。4. 北极海冰与全球气候变化研究面临的问题极地海冰对于气候变化的响应日益被众多研究者所关注,特别是海冰未来可能的融化,在气候系统中会引起很重要的不可逆反馈作用.对于极地海冰物理特征的时空变化(这些特征包括,冰和雪覆盖层的厚度分布、结构、雪和冰的化学和热学特性、上部海洋水文学、表面气象学特征等)、海冰范围的变化以及气/冰/海相互作用、海冰与气候的研究,奠定了人们认识极地海冰和建立有效海冰气候预测模型的理论基础,同时也不断的发现和提出问题.未来研究者仍然面临诸多的科学问题4.1极地海冰和上层雪覆盖厚度分布的区域、季节变化以及长期变化的趋势问题越来越多的证据显示,北半球的海冰厚度已经出现了较大的变化.Rothrocketal.发现在北极深海区域,从19581976年到1990年间夏季末海冰厚度平均吃水部分减少了大约113m,并且有初步的证据显示1990年之后,海冰厚度可能会继续降低.在南极海冰带,海冰退缩,同时均衡了全球气温升高的38%.但是因为不知道南极海冰带的厚度分布和变化,考虑到物质和能量平衡,这些结论目前无法得以确认.因此了解目前南北极的海冰厚度分布,对于计算物质平衡、确定海冰物理模型参数都非常重要,同时海冰厚度也是影响许多物理、生物过程以及气候过程的基本变量.雪的存在在很大程度上改变了海冰的热动力状态,并影响海冰季节的增长率和消融率.模型研究表明,海冰带对全球气候变化极为敏感,雪覆盖层将增加这种敏感性.海冰表面雪的积累对全球气候变化也会产生一定的影响,可以导致全面的降温效应.到目前为止,没有全面系统的资料体系可用于描述极地海冰带冰和雪厚度分布的季节性和区域性变化.没有足够的极地冰雪厚度数据来验证曾经出现的各种变化以及预测未来的变化趋势.因此,在未来有必要对南北极海冰在过去到现在的一般物理特性分布进行系统研究4.2在全球气候系统环境中 , 南北极海冰范围从过去到将来的变化趋势是怎么样的 模拟研究表明,海冰范围的缩小将对极地气候产生重要的影响.但目前的数值模拟在大气、海洋、海冰的相互影响方面能说明的问题还很少.无论是理论上还是实际的过程观测都应当更为准确,以便做到最佳的预测.有必要对比研究在过去季节的或者10a的尺度上,对于海冰范围变化的模拟结果和实际观测结果,有必要建立更加完善的资料体系和气候系统耦合模型来预测海冰范围的变化4.3从海冰生成到消融的全过程中,影响海冰的厚度、组成和分布的关键过程是什么.气冰海的相互作用随冰厚度、冰结构和组成的不同而改变.浸水的雪层和融化雪的再冻结能够增加冰厚度,而高的海洋热通量会造成冰底部的部分融化(减薄),与底部冻结(增厚)时的情况比较,能够降低表层海水的盐度.研究表明,和北极不同的是,在围绕南极的大部分季节性海冰区域,屑冰的比例比较高(在南极达到50%,在北极只有10%).屑冰的生长环境动力过程强劲,屑冰和油脂状冰在动力作用下形成4060cm厚的薄饼状冰;到达这个厚度后,海冰强烈地抑制和改变了形成当初的动力环境,最终消除了形成薄饼状冰时的机制和驱动力.在热动力的作用下,这些初生冰进一步加厚变形;在向大气的热通量传输足够高的冰区域(一般是指薄冰区),冰从底部通过热力学过程缓慢长4.4沿岸冰间湖在对冰生长、热盐通量、生物通量方面起到什么作用冰间湖在两极海冰区都有发育,但在南极较为普遍.如威德尔海冰间湖,被认为是由于来自海洋下部密度跃层的上涌感热形成的无冰区.相反,靠近大陆架的沿岸冰间湖,被认为是由于大量的潜热所致.冰间湖是海气强烈的热交换区,将导致冰的大量、快速的生成.在冰间湖地区,海冰生长期盐水的集中排泄,可以造成区域的水团变性以及南极陆架水盐度明显的增加.无冰的冰间湖在南极海洋生物系统中和控制生物、化学通量方面起到重要的作用.冰间湖在大气-海洋气体通量和生物地球化学循环,诸如碳传输机制中也有着重要的地位.但是目前在这些方面的所作的工作还很少,没有系统全面的观测资料总结： 位于地球的最北端，被亚欧大陆和北美大陆环抱着，