南极海冰变化及其气候效应研究述评

南极海冰是全球气候系统的重要组成部分。不同于北极海冰的快速减少,近40年来,南极海冰范围在2014年前是缓慢增加、后是突变减少。单一的大尺度大气环流因素无法解释南极海冰的长期变化趋势,海洋?大气相互作用对海冰的耦合影响还未得到充分研究。受南极海冰厚度遥感观测和数值模拟能力所限,现有数据仍无法准确量化全球变化背景下南极海冰的厚度和体积变化;目前南极海冰变化的气候效应还未充分明确。当前国内外对南极海冰研究的不足迫切要求发展长期可靠的南极海冰厚度数据,以突破南极海冰体积变化研究的难题,同时应综合考虑多气候模态和海气系统耦合的作用,研究南极海冰变化的机制及其气候效应。     

关于全球变化的南极区域性核心计划的建议 引言

在本计划的指南(Weller,1989)中,已经记述了南极在全球变化中的作用。由于南极地区的大气、海冰、海洋之间的相互作用和生物圈通过反馈作用对全球系统的影响,以及生物地球化学循环、深层大洋环流、大气中能量和污染物的传输、海冰质量平衡的变化等等过程,     

南极海冰带:全球陆圈和生物圈间的相互作用和反馈作用

1.1 背景及其与全球变化的关系 南极海冰盖的动力学和热力学机制与海气间的热量、水、气体交换错综复杂地联系在一起,因此南极海冰是全球气候系统的因素之一,是影响全球物理和生物系统变化的敏感性指标。由全球变暖造成的海冰范围和密集度的减小将使表面反照率减小而产生一个强烈的正反     

威德尔海西缘深部与底层海流

南大西洋威德尔环流是环南极海流中最大的气旋向极环流，其西部覆盖威德尔海。威德尔海的海冰变化不定，而热量和湿气在垂向上的强劲流动则在威德尔环流和海水之上形成寒冷的极地大气，这使威德尔环流成为南极底层水(AABW)的一个主要源地．在冬季，海冰几乎覆盖整个威德尔环流；在夏季，除威德尔海西部外，     

普里兹湾是研究南极洲冰川史的关键地点

具有巨厚冰盾和周围海洋的南极洲大陆是形成地球气候及全球性大洋环流的最重要因素。环抱南极洲的环南极洋流造成了大陆的热隔离和明显的纬向温度梯度 ,因此在南半球产生了大气和海洋环流。南极洲周围海冰的广泛分布促使形成了充填世界海洋广大深水部分和保证其通气及给海洋生物提供营养元素的南极洲洋底水体。一般认为 ,反映气候波动的冰盾容积的变化回答了过去地质年代海平面的强烈变化。在大陆和南大洋的多年研究表明 ,中生代和新生代初期 ,南极洲的气候要比今日暖和得多 ,当时它被茂盛的植被覆盖 ,这一点局部反映在白垩纪煤层的形成中。…     

2016年南极海冰破纪录减少及其成因的研究综述

近几十年来,在全球变暖背景下,北极海冰不断减少,但南极海冰却在小幅增加。正当人们试图解释南极海冰这一"变暖悖论"时,2016年末南极海冰范围却突然跌破纪录,达到历史最低。其中,12月海冰减少范围最大,达到2.13×106 km2,相对于1981–2010年的30年平均海冰范围减少了20.5%。这立即引起了科学界的极大关注,人们从大气环流、物理海洋和冰间湖等诸多方面,对其成因进行了大量研究,本文对这些工作进行了归纳总结。结果显示:在大气方面,主要的异常信号包括9–10月的纬向3波异常和11–12月的负位相南半球环状模以及气旋活动增加等,纬向3波大气环流受到热带太平洋和印度洋海温异常的调制,而南半球环状模异常主要是平流层极涡减弱下传导致;海洋方面,南大洋海温较常年偏暖,威德尔海出现了自1976年以来最大的冰间湖,对海冰减少起着不可忽视的作用。然而,当前的研究难以说明这一极端事件是由全球变暖或其他外部强迫主导,还是由气候系统内部变率产生,亦或者是两者的共同作用。对这些问题的回答直接关系到未来南极海冰趋势的预估,是亟待解决的科学问题和潜在的研究热点。     

夏季赤道中东太平洋海温和北极海冰异常对大气环流影响的数值模拟

利用菱形截断15波的9层全球大气环流谱模式设计了若干数值试验,分别研究了赤道中东太平洋海温偏暖、北极不同区域海冰偏多以及海温偏暖同时海冰偏多对夏季北半球大气环流的影响,结果表明北极海冰偏多和赤道中东太平洋海温偏暖,对夏季北半球大气环流具有同等效应,海冰和赤道海温任何一方的变异均可显着影响大气环流,其中亚洲-北美型和欧亚型遥相关是极冰和赤道海温影响北半球夏季大气环流异常的主要动力学途径。本文结果再一次证实了赤道和极地之间的热力差是决定大气环流的最基本因子。     

南极海冰的时空变化规律及航行条件

南极海冰时空发展变化的主要规律取决于世界大洋南极区域的自然地理特征。南极表层水的变淡是主要的自然地理因素之一。变淡的海水能决定南极表层水垂直结构的特点(即有强活动层和弱暧舌)。由于这种原因,提高了大洋上层吸收太阳能的能力,增加了大洋的热含量。此外,参入与大气热交换的大洋热量的多少、南极冰反照率的变化、雪覆盖层等因素都会影响南极海冰的时空发展变化规律。观测到的南大洋海冰实况完全证实了这一点。在全年中,流冰的最大发展是在9月份,平均面积为1930万平方公里,最小发展是在2月份,只有320万平方公里,在流冰面积增加(7个月)和减少(5个月)的年变化中存在着明显的非对称性。 冰情时空变化规律(作为冰情和航行条件的主要指标)决定于大洋活动层聚集力和密跃层稳定性。     

普里兹湾海冰季节性变化的高分辨率数值模拟

普里兹湾海冰以一年冰为主,海冰覆盖存在较大的季节性变化.海冰的分布及其季节性变化主要受当地大气环流及海流的影响.基于一个海洋-海冰耦和模式,模拟研究了该海区海冰的季节性变化特征.海洋模式基于MIT环流模式(MITgcm),海冰动力学模式参考Hibler类型的VP模型,热力学过程取自Winton三层模型.模式区域覆盖整个...     

白令海和鄂霍次克海的海冰偶极子及其对大气环流的影响

基于海冰历史资料的分析表明,白令海和鄂霍次克海的海冰密集度分布在某些年份表现出反位相变化的特征,尤其以冬季最为明显.合成分析的结果表明这种偶极子型海冰异常可能对大气环流(气温和位势高度)产生一定的影响.利用大气环流模式,在给定理想化的白令海、鄂霍次克海偶极子型海冰异常的情况下,通过20个冬季(1-2月)大气环流模式的集合强迫试验,研究了大气环流对这种偶极子型海冰异常的响应特征,数值试验结果与基于观测资料的合成分析比较一致:低空气温对于偶极子型海冰强迫表现为比较明显的对称性响应,气温变化具有垂直斜压的结构,气温变化主要集中在低空;高空大气温度和各层的位势高度的变化均具有显著的非对称性特征,位势高度的变化具有垂直正压结构.参考已有的理论和模拟研究结果,指出高纬地区低空大气的温度变化受直接热力学调整过程的影响明显,对称性响应分量明显,而高层大气温度和各层的大气位势高度变化是由直接热力学调整和间接动力过程响应所共同控制,非对称分量占主导.     

南极气候和海冰的时空变化特征及其与太平洋海温场的关系

应用1973～1999年南极气温和海冰资料,分别对它们进行了统计分析,结果表明,南极的最低温度中心位于东南极大陆(东方站),这种分布特征是与南极地形相对应的.南极东方站的年平均地面气温是-55.3℃;地面最高气温出现在12月至翌1月,其温度为-32.1℃;地面最低气温出现在8月,其温度为-68.2℃.南极各地区的地面气温具有不同的变化特征.根据温度的变化特征,将南极的气候分为4种类型:南极大陆型、南极半岛型、东南极沿岸型和海湾型.近年来南极半岛的气温有明显升高的趋势,而东南极沿岸的气温有明显下降的趋势,它们的变化呈明显的反位相.南极海冰与南极气温变化有较好的对应关系,气温升高的南极半岛的海冰有减少的趋势,而气温下降的东南极的海冰有增加的趋势.这种结果很难用温室效应来解释南极与全球气候变化的差异.东南极海冰变化与南太平洋的海温场存在密切关系,其影响过程是通过南极海冰范围的异常增加或减少,直接影响南极绕极流的冷暖结构及其异常冷暖水的经向输送,从而导致热带和副热带太平洋上层海温场的异常变化.     

南大洋凯尔盖朗海台区的流场结构及季节变化

利用冰-海耦合等密面模式模拟了南大洋凯尔盖朗海台区的环流及其季节变化.对模拟结果的分析表明,该海区的南极绕极流具有非常显着的条带状分布和非纬向性特征.南极绕极流流经凯尔盖朗海台时,在海台的南部、中部和北部表现出不同的形式,其南部的一个分支贴近南极大陆,与西向的陆坡流之间有强的相互作用.海台以北的南极绕极流的变化以年周期为主,海台以南的变化以半年周期为主,其时间变化规律与这里的风应力的变化规律是一致的.     

南极威德尔海冰间湖形成机制的研究进展

针对南极威德尔海冰间湖的特点及影响，本文介绍了有关威德尔海冰间湖形成研究的进展情况，并对存在的问题以及未来的发展进行了分析和阐述。结果说明：动力因素、热力因素和热动力因素都只是威德尔海冰间湖形成和维持的某一方面的控制和影响因子。对威德尔海冰间湖更深入的研究，应该充分考虑较大尺度的海洋-海冰-大气相互作用。     

两极冷源和热带海洋热源的相互作用

两极海冰和热带海洋SST的异常变化对全球气候监测和预报都是极为重要的指标.本文使用了南极、北极海冰月平均距平资料和ENSO事件五要素,即SOI和4个Nino海区的SST月平均距平值,计算了各区海冰之间以及与ENSO事件的逐月移动交叉相关时间序列,分析其变化特征,寻找两个波发生相互作用最强的时期.(1)发现北极海冰在两极海冰相互作用过程中起主导作用.北极海冰异常影响到后期南极海冰的异常变化.(2)赤道中太平洋的海温(SST)与南极威德尔海区的海冰(SPI3)和罗斯海区的海冰(SPI2)有强的相互作用,并且具有明显的周期性变化.SST与SPI3的周期是5～6a,与SPI2的周期是准11a,这些周期变化尺度与它们自身变化的周期有关.当两者周期相近时,在位相差一定的时期发生共振,产生强烈的相互作用最佳时期.     

海冰地球物理学性质

本文综述北级、南极、全球以及局地海域的海冰范围，密集度、厚度、漂移和一般性质以及它们的季节性和年际变化，并且回顾７０年代以来利用这些资料进行的大气－海冰－海洋相互作用的研究。     

南极海冰和陆架冰的变化特征

利用美国冰中心和雪冰中心提供的海冰资料和我国南极考察现场的海冰观测资料,对南极海冰的长期变化进行了研究.研究表明20世纪70年代后期是多冰期;80年代是少冰期;90年代南极海冰属于上升趋势,后期偏多,区域性变化差别大,东南极海冰偏多,西南极海冰即南极半岛两侧尤其是威德尔海区和别林斯高晋海的冰明显偏少.东南极和西南极海冰的变化趋势总是反相的.90年代后期普里兹湾的海冰明显偏多,南极大陆陆架冰外缘线总体没有明显的收缩,有崩解也有再生的自然变化现象.西南极威德尔海的龙尼冰架和罗斯海冰架东部崩解和收缩趋势明显,东南极的冰架也有崩解和收缩,但没有西南极明显.陆架冰崩解向海洋输送的冰山对全球海平面升高有一定的影响.目前南极冰盖断裂崩解形成的冰山,向海洋输入的水量可使全球海平面上升约14mm.南极海冰没有随着全球气候温暖化而明显减少,而是按照东南极和西南极反相的变化规律进行周期性的变化、调整和制约.     

北极海冰减少的气候效应研究

本文采用了OSU两层大气环流模式对特定的北极海冰进行数值模拟,研究北极海冰减少的气候效应.试验中海温一律取为气候平均值,北极海冰作为外强迫源影响大气,大气响应完全是环流内部调整的结果.本文对北极海冰减少后的大气环流特征进行了分析,特别是与中国的气温和降水之间的关系.     

“国际冰厚监测计划”简介

国际气候研究计划（WCRP）最近计划在南极和北极地区组织实施国际冰厚监测项目,该项目由世界气象组织（WMO）和国际科联（ICSU）组织实施。 海冰在气候变化中对控制高纬度地区大气和海洋中的热交换,驱动海洋中的温盐环流起着重要作用。海冰作为巨大的冷源对全球气候变化的影响已引起全球海洋学界和气候学界的极大关注。对海冰范围,密集度和厚度的长期观测是发展和试验全球大气-海洋-海冰耦合模式的重要基础。 海冰范围和密集度的观测,自1972年美国NOAA系列卫星和Nimbus系列卫星装载了甚高分辨率辐射仪（AVHRR）和微波辐射仪以来,比较成功地解决了海冰密集度和海冰外缘线的监测问题。但冰厚观测必须现场进行。冰厚也是确定热量收支和流变学重要的参数。所以是当今关于研究海冰自身变化及全球气候变化中的重要难题之一。目前仅有一些分散的零星海冰厚度观测资料,不能满足在全球冰-气-海耦合模式中的所需要求。     

北冰洋夏季的海雾

以中国首次北极科学考察采用国内外海冰、大气和海洋的先进观测设备,获得海、陆、空的同步或准同步观测资料为基础,重点研究北冰洋的海雾.发现在北冰洋大范围被海冰覆盖或冰水相间的洋面上,能够形成平流雾、辐射雾和蒸汽雾.每种海雾的特点和形成的物理机制不同.在北冰洋的南部,由于暖湿气流充分,易形成持续时间长、浓度大的平流雾;在冰盖和大浮冰块上,由于冰雪面的强辐射冷却,容易形成稳定的辐射雾;在浮冰区能够形成像开锅的蒸汽一样的蒸汽雾.指出在北冰洋形成多种海雾原因是海冰的分布及独特的物理特性造成下垫面性质的复杂化,产生的海气相互作用复杂化的结果,特别是冰雪面的反照率高,不能吸收极昼期充足的太阳辐射.冰又是热的不良导体,成为海气热交换的屏障,在浮冰区由于冰屏障的破碎,海气交换活跃.海洋以潜热的形式向大气输送热量,以蒸汽雾的形式反映出海气热交换的程度和对气候影响的一种表现形式.提出在蒸汽雾发生的过程中,海洋以感热的形式向大气输送热量.     

2007-2018年黄渤海海冰气候特征及其对气象因子的响应

基于美国国家冰雪数据中心 （NSIDC） 海冰资料、美国国家环境预报中心 （NCEP） 再分析格点数据和黄渤海近岸13个气象站点逐日气温数据，通过相关分析和合成分析，研究了 2007-2018 年黄渤海海冰范围的变化特征，探讨了近 12 年黄渤海海冰范围对近岸陆地气温、大气环流和局地天气过程的响应。结果表明: （1） 黄渤海海冰范围年际振荡明显，近 12 年呈现先增加后减小的趋势，与同期黄渤海近岸气温呈显著负相关关系；每年 1 月下旬至 2 月下旬是一年中海冰范围最大的时期。（2） 海冰范围偏大与偏小年份东亚地区 500 hPa 大气环流形势呈现出近乎相反的分布。 （3） 东亚阻塞形势的建立是黄渤海海冰范围爆发性增大的一个前兆信号，它带来的大风降温天气是造成黄渤海海冰范围爆发性增大的重要原因.