南极海冰的时空变化特征

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1、第16卷第1期极地研究Vol. 16 , No. 12004年3月CHINESE JOURNAL OF POLAR RESEARCHMarch 2004收稿日期 2004年2月收到来稿。基金项目 科技部基础工作专项资助。作者简介 马丽娟,女,1979年生。中国气象科学研究院2001级硕士研究生。专业方向是极地气象与全球变化研究。研究论文南极海冰的时空变化特征马丽娟 陆龙骅 卞林根(中国气象科学研究院,北京100081)提要 依据Hadley中心提供的全球海冰密集度格点资料,利用诊断分析方法,对近35年来南极海冰的时空变化特征进行了研究。研究表明,在南极地区,海冰平均北界和海冰总面积的变化基本一

2、致,可以用海冰北界来研究南极海冰的时空变化特征。南极海冰最多和最少期分别出现在9月和2月;威德尔海和罗斯海地区海冰最多、 变化最大,南极半岛地区海冰最少,变化也小;近35年来环南极地区的海冰有明显的减少趋势。南极海冰变化的时空多样性十分明显,存在着5个变化不同的区域,其中有两个区域近35年来海冰范围扩大,面积增加,而另三个区域则海冰范围缩小,面积减少。不同区域的海冰都存在着较明显的23年和57年主振荡周期。南极海冰时空变化特征的研究对进一步认识南极地区海2冰2气相互作用的物理过程,讨论南极海冰变异与大气环流和天气气候的关系有重要意义。关键词 南极海冰 数学诊断 时空变化 全球变化1 引言全球气

3、候变化是当今举世瞩目的重要课题,南极地区是全球气候变化的关键区和敏 感区。科学家们目前正力图从此发现全球气候变化的前兆。极地是地球大气热机运转的 冷源所在地,其海洋和大气状况对于全球大气环流和天气气候变化具有重要作用。南极地区是全球地2气系统的主要冷源之一,而赤道地区则是全球地2气系统的主要热源(周秀 骥,陆龙骅等,1996)。旋转地球上冷热源的非均匀分布,正是产生大气环流的直接原因。 海冰是南极地区最重要的大气环境特征之一。海冰的存在及其季节和年际变化,是 极地海洋状况最显著和变化最大的特征。海冰所具有的高反射率及其对海洋与大气之间 热量和水汽交换的抑制作用,以及海冰生消所伴随的潜热变化,对

4、于极地和高纬度地区大气的热量收支有着至关重要的影响,进而影响极地大气冷源的强度。因此,极地海冰覆盖 范围的变化可以通过影响极地大气冷源的强度而影响大气环流。另一方面,由于受极地 海陆分布及洋流等因素的影响,海冰地理分布不均,导致极地各区域海冰对大气环流的影响具有明显空间差异和季节差异(周秀骥,陆龙骅等,1996)。南极海冰的异常变化不仅影 响南极地区局地能量平衡,而且对于包括海洋、 大气、 极冰在内的全球气候系统的稳定和 变化亦会产生巨大的影响。美国国家宇航局,美国海军等很早就对海冰气候特征进行分 析,并制作全球海冰冰情分析与预报(Zwallyet al. ,1983 ;OLenic , 19

5、78) ;WMO年度气 候报告和IPCC气候变化评估报告中对南极海冰变化也十分重视(WMO ,2002 ; IPCC ,2001) ; Yuan等对南极海冰及全球联系,与南方涛动的关系,南太平洋海冰与大气的耦合 振荡等进行了研究(Yuanet al. ,2000 ; Kwoket al. ,2002 ;Silviaet al. ,2001)。在我国有 不少学者研究了南极海冰与我国长江流域梅雨,西太平洋副高的可能联系(符淙斌,1981 ; 彭公炳、 王宝贯,1989) ,讨论了南极短期气候特征、 海冰涛动与ENSO及南极半岛地区气 温的可能联系(周秀骥、 陆龙骅等,1997 ;程彦杰等, 200

6、3) ,利用数值模式研究了南极冰雪覆盖变异对南北半球大气环流的影响(见周秀骥,陆龙骅,1996)。这些研究工作表明,南 极海冰变化与全球气候变化有密切的联系。 多年来,国内外学者对南极海冰变化特征及其对全球变化的响应和反馈进行了很多 研究。南极海冰时空变化特征的研究,对进一步认识南极地区海2冰2气相互作用的物理 过程,探讨南极海冰变异对南极局地环流和全球大气环流,特别是对东亚和中国天气气候和环流的影响有着十分重要的作用。本文根据Hadley全球月平均海冰密集度资料,利用 诊断分析方法,对近35年来南极海冰的时空变化特征进行了研究,南极海冰变异对东亚 大气环流和中国天气气候的影响将另文分析。2

7、资料及处理方法本文使用英国Hadley中心给出的1871年1月 2002年12月共132年的全球月平 均海冰密集度资料(http :/ / badc. nerc. ac. uk/ cgi2bin/ data-browser/ data-browser/ badc/ukmo2gosta/ / data/ gice) ,纬向89. 5N89. 5S、 经向179. 5W179. 5E ,其空间分辨率 为1 1,即每年每月格点数为180360 ;本文选取了其中的南半球40. 5S89. 5S ,17915W17915E ,纬向50个格点,经向360个格点的资料,作为南极地区的海冰密集 度原始资料。对

8、南极地区海冰密集度的系统观测始于20世纪60年代末的卫星观测,因 此在Hadley中心的资料中,1968年以前由于实测资料很少,仅给出了多年平均值(图1) ,18711942年南极海冰平均北界均为64S ,而19431967年则均为64. 1S ,都没有年际 变化,故我们仅采用1968年1月 2002年12月共35年有较多卫星观测数据的资料来进行分析。 海冰密集度资料的数据量很大,通常使用某经度范围内海冰平均北界或对应的海冰 面积来作为研究海冰变异的特征参数。在本文中,我们定义每个经度上最靠近赤道位置, 海冰密集度达0. 2处的纬度为南极海冰北界;在计算海冰面积时,考虑了各单元的海冰密 集度以

9、及由于纬度变化而引起的1 1 单元面积的变化。图2给出了环南极海冰总面积和海冰北界的平均变化特征,显示了与前人研究结果完全一致的变化(OLenic ,1978 ;周秀骥,陆龙骅,1996)。由于海冰平均北界纬度较高时, 相应的海冰总面积较少,反之亦然。 为使海冰北界变化与海冰面积变化一致,图2b中我03极地研究 第16卷图1 平均环南极海冰北界的逐年变化Fig. 1. The annual variation of Antarctic sea ice mean extenta 海冰总面积(sea ice area)b 海冰北界(sea ice extent)图2 19682002年平均环南极海

10、冰总面积和海冰北界的季节变化Fig. 2. The seasonal variation of total Antarctic sea ice area and extent (19682002)13第1期 马丽娟等:南极海冰的时空变化特征图3 环南极各月平均海冰北界与海冰面积指数的对应关系Fig. 3. The corresponding relation between areaand extent of Antarctic sea ice们将纵坐标纬度表示为从大到小,本文中所 有述及海冰北界的变化也都作了同样处理。 可以看出,南极海冰有显著的季节变化,2月 份海冰面积最小,平均北界最南,

11、而9月份则 面积最大,平均北界最北,海冰面积和平均北界的季节变化完全一致。由图3则可看出, 各月环南极海冰平均北界与海冰总面积存在 着显著的线性相关关系,相关系数达0. 9859 , 通过了信度为0. 001的显著性检验。鉴于海 冰北界的计算和观测都要比海冰面积方便,在本文中,我们统一以海冰北界作为指数,用 回归分析,聚类分析,谱分析等诊断方法,综 合分析研究了近35年来南极海冰的时空变 化特征。3 南极海冰的平均变化特征3. 1 南极海冰的空间分布及季节变化特征图4 19682002年各经度南极海冰北界的变化Fig. 4. The variation of Antarctic sea ice

12、 extent in longitude(19682002)图4给出了南极平均海冰北界的季节变化图,其中阴影区域外侧的虚线为南极大陆海岸线,细线为各月平均海冰北界。由图可见,在东南极北界位置最靠北,但由于地形因素的影响,海冰最多的地区并不在东南极,而是在威德尔海海区(W)和罗斯海海区(R) ,海冰最少的区域是南极半岛地区(P) ,其次是罗斯海上游靠近东南极地区(E)。此外,还可以看出,2月份南极海冰北界位置最南,海冰面积最小;而在冬季的9月份海冰北界位置最北,海冰面积最大。此外,由夏到冬海冰冻结期为7个月,而由冬到夏海冰融化期只23极地研究 第16卷有5个月,即海冰融化速度快,季节短,冻结增长

13、阶段相对较慢。南极海冰季节变率最大 的区域是威德尔海海区和罗斯海海区,季节变率最小的区域是南极半岛地区,另外,罗斯 海上游地区变化幅度也较小。3. 2 环南极海冰的多年变化特征 图5给出了南极海冰北界距平的多年变化,总体上看,环南极海冰有一个北界向南收缩的趋势(0. 1/ 10 a)。其中在80年代海冰北界向北扩展,而在70年代和90年代,海冰 北界向南收缩。变化的转折点大致出现在1980年和1991年。Yuan and Martinson (2000)利用1978年10月 1996年12月的资料讨论过南极海冰范围的变化,指出期间南极海冰平均北界有向赤道方向扩张的趋势,这一结果与本文结论并不矛

14、盾。因为在不 同时间段,海冰北界的变化趋势是不同的,这在图5中也可以看出。图5 19682002年南极海冰平均北界多年的变化趋势Fig. 5. The annual variation of Antarctic sea ice mean extent(19682002)3. 3 各经度海冰的年际变化特征图6给出了海冰北界距平的年际变化图,其中负值(黑色)表示海冰北界位置偏北,对应的海冰面积大于平均状况,而正值(白色)则反之,对应的海冰面积小于平均状况。由图6可以看出,南极海冰的年际变化区域差别较大,在南极半岛和罗斯海地区存在明显的涛动特征。在70年代,当罗斯海地区海冰偏少时,南极半岛地区海冰偏

15、多,而当80年代,南极半岛地区海冰偏少时,罗斯海地区却海冰偏多。这与程彦杰(2002)指出的“南极海冰场在罗斯海外围和南极半岛附近的别林斯高晋海地区存在着 跷跷板 变化特征的海冰涛动” 是一致的。由图6还可以看出,同一时间绕南极都有23组正负相间的距平中心,且有一个向东传递的趋势。4 南极海冰分区及各区变化特征4. 1 南极海冰的特征区域由于南极海冰的区域性差异较大,不同经度的海冰变化并不一致。为了对其空间分布有一个较为客观的划分,本文对南极海冰的距平变化序列进行了聚类分析(陆龙骅,1984)。对海冰北界月平均变化距平序列进行聚类分析的结果(信度为0. 05)表明,南极33第1期 马丽娟等:南

16、极海冰的时空变化特征图6 海冰北界距平的时间(19682002)纬向剖面图Fig. 6. The temporal2latitudinal section drawing of Antarctic sea ice(19682002)图7 南极海冰五个特征区域分布情况Fig. 7. The five diagnostic regions for Antarc2tic sea ice海冰可以划分为5个短期气候变化相似区(图7)。其中 区:164E132W罗斯海海区, 区:131W49W南极半岛地区, 区:48W23E威德尔海及其下游区域, 区:24E95E 东南极西部,区:96E163E东南极东部。 本文划分的区域与周秀骥,陆龙骅等(1996)利用空间分辨率为10 的19731992年2