南极海冰对南半球大气环流和气候影响的数值模拟与诊断

发布时间：2020-05-17 16:20

【摘要】： 南极海冰占南半球冰雪区总面积的一半以上,是全球冰冻圈的重要组成部分,也是南极海洋环境的主要特征之一。鉴于南极海冰对全球大气环流和气候的重要影响,模拟和诊断南极海冰对全球大气环流的影响过程,预测南极海冰的变化规律和趋势,是非常必要的。本论文首先评述了南极海冰变化及其对南半球大气环流、东亚大气环流和我国气候影响的认识。主要用NCAR/CAM3.0模式模拟了南极海冰整体北扩(海冰密集度和海冰的范围皆为正异常)和南极偶极子异常变化(本文主要研究了海冰密集度异常对大气环流的影响,海冰范围异常变化的影响将在今后的数值模拟工作中进行研究)对南半球大气环流和气候、东亚大气环流和亚印太地区气候的影响,重点分析了南极偶极子异常变化对南半球中高纬大气环流和气候的影响,并对该影响过程的作用机理进行了探讨。论文主要结论如下: 1.NCAR/CAM3.0模式中大气环流对南极海冰范围正异常的响应比较显著,响应最强烈最直接的地区是南半球中高纬,主要包括绕极低压带、澳大利亚高压和马斯克林高压等大气环流系统。北半球西太平洋副热带高压与南极海冰变化之间也有较好的相关性。南极海冰变化对我国1月份大气环流场的影响相对7月份偏弱,对1月大气环流和气候的影响主要是在南半球。 2.本文还模拟了南极偶极子异常对南半球大气环流和气候的影响,结合对欧洲中心大气环流再分析资料的分析表明:NCAR/CAM3.0模式不仅能够较好地模拟出Ferrel环流的基本模态,而且对局地大气环流、局地气候和Ferrel环流对海冰偶极子异常响应的模拟效果也较好。模式结果表明,对南极偶极子异常变化最先响应的是地表热通量,海冰异常偏少(偏多)时,对应同一区域的地表热通量增加(减少),这将直接导致对流层低层气温下降(上升)。进一步的研究还表明,南极偶极子异常变化可以影响到对流层中上层,这与南极海冰处在Ferrel环流的上升支有关,上升气流可以将对流层低层热通量和气温对海冰异常的响应带给高层大气。结合再分析资料,我们对模式输出的对流层高低空环流场、位势高度场和气压场的分析发现,南极偶极子异常在对流层低层只能影响到50°S左右,而在对流层中上层可以通过大气活动中心间的相互作用影响到20°S左右。此外,南半球降水对海冰异常变化响应最强烈的地区为30～35°S纬度带,数值模拟的结果表明,该纬度带降水的遥响应是通过南极偶极子异常影响Ferrel环流的强度来实现的,偶极子负(正)相位的海冰异常变化会使同经度带内的Ferrel环流加强(减弱),其下沉支所在区域降水异常偏少(偏多)。 3.4月份Ross海海冰与5月份印度洋马斯克林高压之间存在显著负相关,Ross海海冰的异常变化可以通过改变南极涛动的强度影响马斯克林高压,这个过程大约需要一个月左右时间。具体作用过程为:4月Ross海海冰异常偏少(偏多)会使南极绕极低压带偏深(减弱),使南极涛动加强(减弱)。南极涛动的强度将直接决定5月马斯克林高压的强度变化,使之加强(减弱),越赤道气流加强(减弱),最后影响到我国6月份的降水。平均而言,春季马斯克林高压超前一个月对东亚夏季风环流和降水产生显著影响,因此4月份Ross海海冰的变化可以作为当年东亚夏季风爆发时间和强弱的先兆。
【图文】：

时间序列,南极海冰,南大洋,关键区

图1.1a.本文提及的南极和南大洋一些关键区的地理位置b.1968一2007年2月南极海冰平均状况c.1968一2007年9月南极海冰平均状况1.1.1航海观测近几十年来，伴随着南极科学考察的频繁进行，对科考沿线的海冰观测研究(目测、摄像和航拍)也取得了一定的进展。但是由于所得资料在空间上的局限性和时间上的不同一性，许多研究结果不具有普遍性。运用早期捕鲸船记录研究南极海冰变化的方法为重建历史海冰边界和研究空间变化差异提供了新视角。DelaMarelzl整理了1931年以来每年ro月到次年4月的捕鲸船记录，，发现:在19405和19705年间捕鲸的纬度位置发生了很大变化，夏季海冰边界在19505中期和19705初期之间向南退缩了2.8个纬度，这意味着海冰覆盖区域面积减少了25%。但是由于当时的捕鲸资料和现有的海冰遥感资料在时间序列上不存在重叠的年份，所以没法进行对比研究以考证其可靠性。DefaMare的结论如今被证明在一些地方存在问题，不能作为19405和19705年阳J海冰范围减小的证据。随J丙eedriceotteetal.[3]也用长时间序列的捕鲸船记录研究了1931一1987年夏季环南极海冰的范围变化，他们指出:在20世纪

南极海冰

而在Bellingshausen和weddell海几乎有相同程度的减少。也有人提出不同见解，他们认为南半球海冰范围在20世纪末没有明显变化趋势[’】。目前在长期和短期海冰变化的研究中，多数结果表明南极海冰范围在减少(如图1.2所示)。 wuetal.15]认为20世纪50年代以来，南极沿岸气温普遍上升，表层海水温度升高、盐度降低等现象都表明南极海冰在减退。 Jacobsetal.[6]基于南极过去100年海温异常所作的海冰模拟表明:南极年平均海冰范围减少量在0.7一1.2个纬度之间。马丽娟等l8]的研究也指出:近35年来环南极海冰有减少趋势，但在不同时间段，海冰变化的趋势也不同。在1970’s海冰减少，而到1980’s则有上升趋势，到1990’s又开始减少。CCC“n.nt钧心1柳..卜加喇匆.r翻力脚创匕盯俘，s)咽咽口口日拟润P(，，脚一一闷闷月，旧”d口的7)*功%扮脚~分叩扔B”巾巾CCC怕州的 etel.r下的口 e))) ...帕。“.月佣口
【学位授予单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：P434;P731.15

【参考文献】