近30年来南极海冰增长的本质特征及其影响机制

摘要

本文将南极海冰的变化放置在一个较为长期的环境背景中，利用未插值的原始海洋观测资料、陆地站点资料、再分析资料以及卫星反演资料对比分析了1950-1978年和1979-2011年南半球夏季南大洋SST、近地面10m风场以及海平面气压的气候趋势。进一步用ERA-I全球再分析资料分析了1979-2011年南半球中高纬度纬向风的变化，发现西风趋势呈现出非常显著的区域性特征和季节不对称性特征。我们将热带海洋SST、臭氧和温室气体作为模式的三种强迫源，利用三种强迫源的不同组合，通过CAM4大气环流模式进行了4组AMIP实验，并分别提取出各个强迫项对环流异常的贡献。为进一步探究热带海洋对近年来南极气候异常的贡献，我们通过CESM气候耦合模式设计了太平洋起搏器实验，即在海洋里加入向下的潜热通量使得赤道东太平洋的海表面温度尽可能地接近于观测，在耦合模式中强调热带海洋的作用。本文得到的主要结论有:(1)1979-2011年，除南极半岛及周围海域，南大洋海表面温度和表面气温均降低，与南极海冰的扩张相一致。相反，在1950-1978南大洋几乎为一致性的增暖。海平面气压和近地面纬向风在1979年前、后也呈现出相反的变化趋势，例如在前（后）一时间段南大洋的增温（变冷）伴随着西风的减弱（增强）和气压梯度力的降低（升高）。各个彼此独立观测的物理量间相似的时间演变特征强有力地证明了南大洋存在着年代际低频振荡的特征。(2)南半球夏季时间，中高纬度的环流异常主要是受到热带海洋和臭氧的共同作用，温室气体等外强迫对中高纬度环流异常影响微弱;而到南半球秋季时间，环流的异常信号主要集中在太平洋扇区，赤道中太平洋激发的遥相关波列将热带信号传播至太平洋扇区的中高纬度，该区域主要是受到热带海洋的遥相关影响。(3)起搏器实验模拟的SST趋势均在太平洋区域呈现出一个与Interdecadal Pacific Oscillilation(IPO)相似的分布结构，并与观测结果相同。而在南大洋，几乎所有的起搏器实验均呈现出太平洋扇区显著变冷的特征，但南大洋海温大范围变冷和南极海冰缓慢增长的特征却并不显著。尽管如此，出现在太平洋扇区的显著变冷，意味着太平洋扇区是与热带气候紧密联系的关键区域，并进一步证实了南极气候与热带海洋的联系。
　　总之，近年来南极海冰的增长趋势是其年代际变化的一部分，绕极西风的增强通过使南大洋变冷最终导致南极海冰的增长。绕极西风的增强是热带海洋和臭氧的共同作用导致的。尽管我们在耦合模式中强调热带海洋的作用，但对南大洋海温和南极海冰的模拟能力仍较弱。

目录

声明

摘要

1．前言

1．1 研究背景

1．2 南极海冰的卫星观测以及模式模拟结果

1．3 南极海冰变化与低频大气环流主要模态的研究进展

1．4 南极海冰变化与南大洋海洋环流、淡水通量的研究进展

1．5 南极海冰变化的气候耦合模式模拟

1．5．1 平流层臭氧

1．5．2 南大洋风场强迫

1．5．3 融水通量的增加

1．6 本文拟解决的科学问题及研究内容

1．7 本章附图

2．资料、模式及方法

2．1 资料介绍

2．1．1 观测资料

2．1．2 模式资料

2．2 CESM模式简介

2．3 数据处理方法

2．3．1 滑动平均

2．3．2 经验正交函数分解(the empirical orthogonal function，EOF)分析

2．3．3 相关分析

2．3．4 回归分析

2．3．5 统计显著性t检验

2．3．6 低通滤波的频率响应

3 近30年南极海冰增长的本质特征

3．1 1979-2011南大洋气候变化的季节分布

3．2 南大洋数据覆盖率

3．3 1979年前后南大洋气候趋势对比

3．4 南大洋气候的年代际变化

3．5 本章小节与讨论

3．6 本章图表

4 绕极西风急流增强的原因探究及模式模拟

4．1 AMIP实验设计

4．2 南半球纬向风的变化

4．3 模式模拟的纬向风趋势：空间分布和季节特征

4．4 南半球夏季纬向风的纬向对称响应

4．5 太平洋扇区纬向风的变化及其原因讨论

4．6 本章小结及讨论

4．7 本章图表

5 热带太平洋起搏器实验及其热带海洋的贡献

5．1 南极海-冰-气在自由耦合模式中的关联性

5．2 热带太平洋起搏器实验设计

5．3 南大洋SST和南极海冰在太平洋起搏器实验中历史模拟

5．4 本章小结及讨论

5．5 本章附图

6 结论与讨论

6．1 全文总结

6．2 本文创新点

6．3 问题与展望

参考文献

致谢

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