南極地區(qū)溫度和海冰的變化特征及相互關(guān)系

1、第 21卷 第 5期 大 氣 科 學(xué) Vol 121, No 15 1997年 9月 SCIEN TIA A TMOSPHERICA SIN ICA Sept 1 1997南極地區(qū)溫度和海冰的變化特征 及相互關(guān)系卞林根 陸龍驊(摘 要 :近 , 時空差異比較明顯 。 其中以南極半島地區(qū)的變暖 , 23倍 。近 20年來 , 整個平均的南極海冰和溫度 , 年際變化的相關(guān)關(guān)系不顯著 。 經(jīng)過聚類分析劃分出不同的氣候區(qū) , 能清 。 海冰與同區(qū)沿岸溫度距平相關(guān)信號最強區(qū)在南大西洋至西 南太平洋海域 。關(guān)鍵詞 南極 溫度 海冰 時空特征近年來 , 南極地區(qū)是否為全球氣候變化最敏感的地區(qū) , 引起了國內(nèi)

2、外學(xué)者的高度重 視 。 由于南極地區(qū)存在特殊的冰雪反饋機制和氣候的脆弱性 , 溫度和冰雪的變化都可能 對全球氣候和環(huán)境產(chǎn)生重要影響 。近百年來全球地面氣溫上升了約 013016°C 12, 而北極地區(qū)僅增加了 0135°C 3。全球在變暖 , 南極地區(qū)的氣候變化實況如何 ? Jones 4采用包括早期考察在內(nèi)的南極資料 , 分析了南極地區(qū)近百年的溫度變化趨勢 , 認為南極 地區(qū)目前的溫度比本世紀的平均值至少升高 1°C 。 Jacka 等 5研究了南大西洋 1945 1989年和南極大陸沿岸測站 19561989年的溫度趨勢以及溫度與海冰的關(guān)系 , 認為南 極溫度

3、和海冰變化關(guān)系對大氣溫室氣體增加響應(yīng)的信號比較弱 。 許多文獻中還對南極海 冰面積變化與大氣動力和熱力場相互關(guān)系作了研究 。卞林根等 6提出 , 南極海冰與南 半球極渦強度和面積相互作用最敏感區(qū)是在東南太平洋至南大西洋海域 。 Simmonds 7將海冰分成四個區(qū) , 分析了海冰與南方濤動指數(shù) (SOI 的關(guān)系 , 并提出東南印度洋海 冰區(qū)與 SOI 的關(guān)系最緊密 。 本文利用 50°S 以南地區(qū) 19571993年溫度記錄達到 30年 (360個月 以上的 25個測站資料和 19731992年逐月南極海冰資料以及用回歸分析 方法 , 對南極地區(qū)溫度和海冰的時空變化特征及其相互關(guān)系進

4、行了分析 。1 資料處理在過去工作中 , 由于不同文獻中所用南極地區(qū)溫度序列的長度和距平序列相對的多 年平均值不同 , 許多結(jié)果難以進行直接比較 。 在對海冰進行分區(qū)研究中 , 一般是以南極 的自然區(qū)域或取等范圍分區(qū) , 各區(qū)界線劃分有一定的主觀性 。 本文在溫度的時空特征分1996205206收到 , 1996210215收到再改稿3 本文得到國家南極八五攻關(guān)項目 (852905205 的資助析中 , 采用 IPCC 2所用方法 , 計算各站年溫度相對于 19611990年平均值的距平 。 為 獲得南極海冰變化的可靠信息 , 本文采用了兩種海冰資料 , 即海冰北界和海冰面積 。 1973年

5、1月1992年 12月海冰北界 (Sea Ice Extent 資料是每 10個經(jīng)度范圍內(nèi)的平 均北界 , 以緯度為單位 , 取自澳大利亞南極局 8。 1973年 1月1990年 12(Sea Ice Area 資料處理方法見文獻 9, 同樣處理成 36。 地區(qū)溫度和海冰變化的強信號區(qū) , 聚類分析 , 10, 50°S (圖 1a , 、 2區(qū) 、羅斯灣區(qū) (3區(qū) 、 南極半島 4 5區(qū) 。南極海冰在信度 0105時也可以分成 5(1b 1區(qū) (50°W 130°E 、 普里茲灣及其上下游 (30110°E 、 羅斯灣上游海域為 3區(qū) (110170&

6、#176;E 、羅斯灣及下游海域 為 4區(qū) (170°E 110°W 和別林斯高晉海及南極半島兩側(cè)海域為 5區(qū) (11050°W 。 由圖 1可知 , 南極溫度和海冰變化分析聚類分成的不同氣候區(qū) , 除個別區(qū)有差異外 , 非 常相似 。圖 1 南極溫度 (a 和海冰 (b 變化的聚類分區(qū)結(jié)果2 溫度的變化特征我們采用各站逐年和各季節(jié)溫度距平 (相對 19611990年的平均值 計算了各時段和季節(jié)溫度的時間傾向率 (表 1 。 在 60°S 以南的 20個測站中僅有莫森 (Mawson 、 青 年 (Molodeznaje 和南極點 (Amundsen 2

7、Scott 3個站呈弱降溫趨勢 (均未通過信度 為 0105的檢驗 , 其他站均為變暖趨勢 , 其中 13個站的傾向率通過了 0105以上的信號 度檢 驗 。 以南極半島地區(qū)的傾向率為最大 , 其中羅瑟拉 (Rothera 和法拉第 (Fara 2day 分別 為 0179°C/10a 和 0167°C /10a 。南極大陸沿岸從昭和 (Syowa 至和平5655期 卞林根等 :南極地區(qū)溫度和海冰的變化特征及相互關(guān)系(Mirny 站地區(qū)的 溫度變化傾向不明顯 , 其他測站的傾向率為 012014°C/10a 。南極 內(nèi)陸地區(qū)只有南極 點和東方 (Vostok 站的

8、溫度資料達到 30年 , 而且這兩個站的溫度 變化傾向相反 。 因此 目前我們還難以說明南極內(nèi)陸地區(qū)近 30余年來的溫度變化趨勢 。 從表 1中 19571993年期間春季 (911月 、 夏季 (122月 、秋季 (3月 和冬季 (68月 各站的溫度傾向率可以看出 , 70105以上信度的檢驗 , 秋季有 8個站呈降溫趨勢 ,春季和秋季 。, 12倍 , 其中大部分 測站的趨勢通過了 0101圖 2。在 °S 0122°C/10a (信度達到 0101 , , 3區(qū)和 4區(qū)即南極半島地區(qū)和羅斯灣區(qū)的傾向率均為 0134°C/10a , 分別是 1區(qū)的 4倍多及

9、2區(qū)和 5區(qū)的 2倍多 。 5個區(qū)中 35區(qū)的傾向率通過了0105以上的信度檢驗 , 12區(qū)未通過 0105的信度 。 顯然 , 就分區(qū)結(jié)果而言 , 近 30圖 2 奧卡達斯 90年溫度距平及 10年滑動平均和各區(qū) 19571993年溫度距平的年際變化曲線及傾向率665大 氣 科 學(xué) 21卷表 1 各站溫度傾向率10a序號站 名緯度°S經(jīng)度 海拔資料 長度 195719931957197219731993春季夏季秋季冬季1Amundsen -Scott 90102800444-01120113-01210105-0121-0105-01272Halley Bay 75152616W

10、3244401210119-014001220132-01373Sanae ST 17013 21 524040134013510601020310164Novolazarevskaja 70181118E 99377010155001285Syowa 69103916E 213820109010-010101096Molodeznaja 67174519E 40010-0109-011901227Mawson 67166219 0116-01248Davis 677E 130-016018031-018-0159Mirny 0E 30004013-0350060

11、10-0090161078E 41501190151011901190125-01040113661511015E 1544201380133-0120012401300112015412661714010E 4340601350148013401070132-0117014513Sound 771816616E 244150130019901210150-01090141015014Scott Base 771816617E 16376014411540155-010101100189011815Rio G allegos 51166914W 174010141013201560129014

12、70142013916Punta Arenas Mag 53137019W 2843101030115-0104-011817Ushuaia 54196814W 30387012401200137012401270121011318Orcadas 60174416W 6403012201101104010501300122016719Signy 607465W 7443021037047-00802901805220Bellingshausen 622589W 1643903708203902001101708121Esperenza 63145710W 8384

13、012901271171-011001180158110722Faraday 65136413W 9444016721490162013101290161114923Rothera Point 67166811W 15404017931010174012901420175113524Macquarie Is 1541515910E 644401160118-0101011601230114011225Campbell Is 1521516911E 194320119010401230112010901130126 平 均0122014701220112012101150136多年來南極地區(qū)增溫

14、最顯著的地區(qū)是南極半島和羅斯海灣沿岸 。東南極大陸的 1區(qū)和 2區(qū)增溫傾向率分別為 0108°C/10a 和 0114°C/10a 。 通過對 Jones 的全球平均溫度資料的計算和分析發(fā)現(xiàn) , 19571972年全球溫度變化傾向不明顯 (約 -011°C/10a , 未通過 0105的信度檢驗 , 南極地區(qū)則為顯著的升溫階段 (平均傾向率為 0147°C/10a , 信度達到 0101 , 19731992年南極大陸有些測站呈降溫趨勢 (表 1 , 平均變化趨勢與全 球升溫的幅度基本相當(dāng) (傾向率約為 012°C/10a 。 由此說明近 20

15、年來南極地區(qū)的變暖 趨勢有所下降 , 此結(jié)果難以用溫室氣體的作用來解釋南極與全球氣候變化的差異 。在 60°S 以南地區(qū) , 僅有奧卡達斯 (Orcadas 站的溫度資料達到 90年 (19041993年 。 為說明該站溫度變化在南極地區(qū)的代表性 , 我們計算了該站 19571993年溫度距 平與各站同期溫度距平的相關(guān)系數(shù) 。 從圖 3可知 , 該站溫度變化與南極半島上的 4個測 站和與其鄰近的西格尼 (Signy 站呈顯著的正相關(guān) (信度達到 0101 , 而與南極大陸上 的各站為不顯著的負相關(guān) 。 圖 3中還給出了南極點 (點線 和東方站 (虛線 與各站的 相關(guān)系數(shù) , 兩個內(nèi)陸

16、站與南極大陸沿岸站呈正相關(guān) , 大部分相關(guān)系數(shù)通過了 0105以上 信度檢驗 , 而與南極半島地區(qū)和南太平洋測站呈負相關(guān) , 且不顯著 。 此結(jié)果表明奧卡達7655期 卞林根等 :南極地區(qū)溫度和海冰的變化特征及相互關(guān)系 斯站的溫度變化可以代表南極半島地區(qū)的溫度變化 , 而不能代表南極大陸 。 該站近百年 來溫度傾向率為 117°C (圖 2 , 明顯高于全球平均 013016°C 的增溫速率 , 這是值得 注意的一個事實 。 因此分析南極大陸近百年來的溫度變化 , 需要尋找代用資料 , 如從冰 芯或其他途經(jīng)獲取 。圖 3 奧卡達斯 (實線 、 南極點 (點線 和東方站 (虛

17、線 19571993年溫度距平與各站年溫度距平的相關(guān)系數(shù) (r , 橫坐標中的序號與表 1相同3 海冰的變化特征南 極海冰具有季節(jié)和年際變化大的特點 , 是全球地 - 氣系統(tǒng)中特別敏感的因子之 圖 4 海冰北界和海冰面積的相關(guān)系數(shù)(a 及兩者傾向率 (b 的經(jīng)向分布海冰北界為虛線 , 海冰面積為實線一 。 目前可用于研究的各種海冰序列均始于 1973年 1月 。本文利用近 20年的海冰北界 和海冰面積兩種資料來討論近 20年來海冰 變化特征 。圖 4a 給出了 36個海冰北界距平序列和 面積距平序列同期和同范圍的相關(guān)系數(shù) , 圖 中所有相關(guān)系數(shù)均通過了 0101的信度檢驗 。 圖 4b 顯示了

18、海冰北界和面積距平序列 20年 來隨時間變化的傾向率的經(jīng)向分布 。海冰面 積距平 36個序列中有 12個序列為正傾向 率 , 海冰北界距平 36個序列中有 7個序列 為正傾向率 , 正傾向率幾乎都出現(xiàn)在威德爾 下游海區(qū) 。 其余大部分序列為負傾向率 , 即 海冰呈減少趨勢 。海冰面積和海冰北界的傾 向率分別有 67%和 81%的序列通過了 0105 865大 氣 科 學(xué) 21卷5期 卞林根等 : 南極地區(qū)溫度和海冰的變化特征及相互關(guān)系 569 的信度檢驗 。 由此可以認為南極海冰北界和海冰面積的變化規(guī)律基本相似 。當(dāng)然 , 南極 海冰資料的獲取具有較為復(fù)雜的過程 11 , 有些差異是必然的 ,

19、 也是目前技術(shù)上難已克 服的問題 。 為分析南極海冰的短期氣候變化規(guī)律 , 我們計算了各區(qū)海冰北界逐年距平和 。如圖 5a 所示 , 各區(qū)海冰距平和的年際振幅均大于整個南極平均距平和的年際振幅 。其中以 1 區(qū)和 4 區(qū)距平和振幅最大 , 各區(qū)之間的重冰年和輕冰年出現(xiàn)的時段和持續(xù)時間均有較大 差異 , 如 1 區(qū)與 2 區(qū)和 3 區(qū)年際變化呈相反趨勢 。 圖5 19731992 年南極各區(qū)海冰 (a 和各區(qū)溫度 (b 距平和的年際變化曲線及傾向 顯著外 , 其余各區(qū)均通過了 0101 的信度檢驗 。整個南極海冰面積呈減少趨勢 , 傾向率為 - 0117 個緯度/ 10 a , 與 J acka

20、 等 5 給出的 1973 1989 年傾向 ( - 0119 緯度/ 10 a 基 顯。 本一致 。 區(qū)海冰傾向率與其他區(qū)相反 , 為 0124 個緯度/ 10 a , 即海冰面積呈擴張趨勢 , 1 南極海冰雖然總體上呈減少趨勢 , 但時空差異較大 , 海冰減少最明顯的區(qū)域是在東南太 平洋至南極半島兩側(cè)海域 。整個南印度洋至西南太平洋海域海冰減少的趨勢不十分明 4 溫度和海冰變化的相互關(guān)系 25 區(qū)海冰均呈減少趨勢 , 以 5 區(qū)即南極半島兩側(cè)地區(qū)傾向最大 , 達到 - 0162 個緯度 / 10 a , 2 區(qū)即普里茲灣上下游海域傾向率最小 , 僅為 - 0107 個緯度/ 10 a 。由

21、此可見 , © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 19731992 年各區(qū)海冰距平和的傾向率 , 除 1 區(qū)通過 0105 信度檢驗和 2 區(qū)傾向不 為了分析近 20 年來南極海冰與溫度變化的關(guān)系 , 我們計算了各區(qū)與海冰同期的溫 570 大 氣 科 學(xué) 21 卷 注 : 下劃線表示相關(guān)系數(shù)通過 0105 的信度檢驗 度距平和的傾向率 ( 圖 5b 。比較圖 5 中溫度和海冰距平的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn) , 1973 1992 年各區(qū)溫度和海冰變化傾向存在一定

22、關(guān)系 。1 區(qū)溫度近 20 年來呈變冷趨勢 ( 0137° 10 a , 與此幾乎對應(yīng)的 1 區(qū)海冰呈增加趨勢 。 C/ 其余各區(qū)的溫度 、海冰隨時間均 呈相反趨勢變化 。值得提出的是 , 2 區(qū)溫度的傾向率比其他區(qū)明顯偏小 , 而對應(yīng)的 2 區(qū) 和 3 區(qū)海冰都是減少最小的海區(qū) , 4 區(qū)溫度傾向率比較大 , 對應(yīng)的 5 區(qū)海冰為減少最明 表2 各區(qū)海冰北界和面積距平與同區(qū)沿岸溫度距平的相關(guān)系數(shù) ( r 1區(qū) 2區(qū) 3區(qū) 4區(qū) 5區(qū) 顯的區(qū)域 。此結(jié)果表明 , 南極地區(qū)海冰和溫度時間變化趨勢的關(guān)系明顯 , 即溫度呈上升 趨勢 , 海冰呈減少趨勢 , 反之則相反 。特別是東南太平洋至

23、南極半島兩側(cè)海域 ( 170° E 12 13 50° 兩者的趨勢關(guān)系最明顯 。Budd 等 和賈朋群等 已對海冰變化對全球氣候 W 的反饋機制進行了討論 。 平均 0101 0103 海冰北界 海冰面積 表 2 給出了海冰北界和面積距平與同區(qū)沿岸溫度距平的相關(guān)系數(shù) 。為濾去季內(nèi)小擾 動 , 對月序列進行了三個月的滑動平均 。樣本長度為 238 ; 信度為 0105 時的臨界相關(guān) 系數(shù) ( r 為 0113 , 信度為 0101 時 , 臨界相關(guān)系數(shù)為 0117 。從總體來看 , 平均南極海 冰距平與南極沿岸地區(qū)溫度距平的相關(guān)不顯著 , 各區(qū)海冰與溫度變化相關(guān)的強信號區(qū)為

24、13 區(qū) , 相關(guān)系數(shù)均通過 0101 的信度檢驗 。3 區(qū)海冰與 3 區(qū)沿岸溫度距平的相關(guān)系數(shù) 最大 ( - 0142 。由此可見 , 從南大西洋至西南太平洋海域的海冰與溫度變化的關(guān)系十 分緊密 , 都呈負相關(guān)關(guān)系 。從表 2 中還可以看出 , 海冰面積距平與溫度距平的相互關(guān)系 要比海冰北界距平與溫度距平的關(guān)系更緊密些 。 為了更直觀地表示南極地區(qū)溫度與海冰的相互關(guān)系 , 我們繪制了某些區(qū)海冰距平與 同區(qū)沿岸溫度距平經(jīng) 12 個月滑動后的年際變化曲線 。由圖 6 可以清楚地看出 , 溫度與 海冰北界和面積的負相關(guān)關(guān)系 , 尤其在低溫期和高溫期與對應(yīng)的重冰期和輕冰期反映得 十分顯著 。 5 結(jié)

25、語 綜上所述 , 南極地區(qū)溫度和海冰的氣候特征及相互關(guān)系有明顯的時空特征 , 如 IPCC 報告所指出 , 全球在增溫 , 但各地不均勻 , 具有明顯的季節(jié)性和區(qū)域性特點 。南極地區(qū) 的氣候變化也是如此 。因此 , 在分析海冰與溫度相互關(guān)系的時空特征時應(yīng)考慮不同地區(qū) 和不同時段的敏感性 。本文獲得的主要結(jié)果有 : ( 1 近 30 余年來 , 50° 以南地區(qū)增溫的平均傾向率為 0122° 10 a , 南極半島和羅 S C/ 斯海沿岸地區(qū)的變暖傾向率最大 , 是東南極大陸沿岸地區(qū)增溫率的 3 倍之多 。除 1 區(qū) 外 , 其余各區(qū)均大于同期的全球平均傾向率 ( 0108&

26、#176; 10 a 。1957 1972 年是南極地 C/ 區(qū)升溫最大的時段 , 同期全球溫度變化趨勢不明顯 ; 1973 1992 年南極地區(qū)與全球平 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. - 0128 - 0132 - 0121 - 0131 - 0142 - 0145 - 0102 0112 - 0109 - 0120 5期 卞林根等 : 南極地區(qū)溫度和海冰的變化特征及相互關(guān)系 571 圖6 海冰北界 (A 和海冰面積 (B 距平與沿岸溫度距平的

27、年際變化曲線 (a 1 區(qū)溫度與海冰 , (b 2 區(qū)溫度與海冰 , (c 3 區(qū)溫度與海冰 , (d 平均溫度與平均海冰 實線為溫度距平 , 虛線為海冰距平 1 IPCC , 1992 , Cli m ate Change 1992 , The S upplementary Report to t he I PCC Scientif ic Assessment , Houghton , J 1 T 1 , Callander , B 1 A 1 and Varney , S 1 K 1 (eds , Cambridge , U 1 K 1 , Cambridge University Pre

28、ss , 1 198 1 2 IPCC , 1996 , Cli m ate Change 1995 , The Science of Cli m ate Change , Houghton , J 1 T 1 , Meire Filho , L 1 G 1 and 均的升溫幅度基本相同 。此結(jié)果難以用溫室氣體的作用來解釋南極與全球氣候變化的差 異。 ( 2 奧卡達斯站近百年來的溫度變化表明 , 可以代表南極半島地區(qū)的溫度變化 , 不 能代表南極大陸上的溫度變化 。該站百年溫度變化傾向率為 117° , 明顯高于全球 013 C 016° 的增溫率 , 南極半島可能是全球升

29、溫較高的地區(qū)之一 。 C ( 3 近 20 年中 , 海冰北界和海冰面積變化特征基本相同 , 表明海冰資料有較高的 可靠性 。整個南極海冰面積呈減少趨勢 , 傾向率為 0117 個緯度/ 10 a , 其中威德爾海及 其下游區(qū)海冰呈擴張趨勢 , 羅斯海域至南極半島周圍海域 , 即南太平洋海區(qū)海冰面積減 少顯著 。 ( 4 海冰與沿岸溫度距平的相關(guān)分析表明 , 整個南極平均的海冰與溫度變化的相關(guān) 不顯著 。經(jīng)過聚類分析劃分出的氣候區(qū) , 則能夠清楚地顯示出除羅斯海域外 , 海冰與同 區(qū)沿岸溫度變化呈較顯著的負相關(guān)關(guān)系 , 相關(guān)信號最強區(qū)在南大西洋至西南太平洋海 域。 由于南極地區(qū)測站覆蓋范圍和資

30、料長度的限制 , 有關(guān)溫度和海冰變化的關(guān)系及其機 理需作深入研究 。 致謝 : 承蒙 Jones , P1 D1 博士 ( 英國東安及利亞大學(xué) 和 Jacka , T1 H1 博士 ( 澳大利亞南極局 提 供溫度和海冰資料 , 周秀驥院士對本文提出了寶貴意見 , 謹此一并表示感謝 ! 參 考 文 獻 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 572 大 氣 科 學(xué) 21 卷 Abstract Temporal2spatial characteristics

31、of Antarctic surface air temperat ure and sea ice variations have been statistically analyzed1 Result s show t hat , during t he last 30 years t here was an obvious warming t rend in Antarctica , but t here exist s substantial difference in differ2 ent sectors and different periods1 The most signifi

32、cant warming t rend occurred in t he Antarc2 tic Peninsula , about 2 - 3 times greater t han t hat in t he whole east Antarctica1 In recent 20 years t he correlations between Antarctic mean temperat ure and mean sea ice area are low and insignificant , but t heir linear t rends are found to be oppos

33、ite related in each sector , t hat is , sea ice extent is reduced when temperat ure is high1 The different climate sectors defined by cluster analysis clearly show a close relationship between t he two parameters on t he inter seasonal time scale1 The most sensitive correlation sectors found are f r

34、om t he sout hern At 2 lantic to Sout hwest Pacific ocean1 Key words Antarctica temperat ure sea ice temporal - spatial characteristic © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3 Kelly , P1 M1 , P1 D1 Jones , C1 B1 Sear , B1 S1 G1 Cherry and R1 R1 Tava

35、kol , 1982 , Variation in surface air temper2 4 Jones , P1 D1 , 1990 , Antarctic temperatures over t he present century - a study of t he early expedition record , J 1 Cli2 m ate , 3 (11 , 119412021 5 Jacka , T1 H1 and W1 F1 Budd , 1992 , Detection of temperature and sea ice extent changes in t he Antarctic and sout hern 7 Simmonds , I1 , 1995 , Relationships between t he interannual variability of Antarctic sea ice and t he sout hern oscillation , J 1 Cli m ate , 8 (3 , 6376461 12 Budd , W1 F1 , 1991 , Antarctica and global change , Cli m at