北极海冰与大气要素的关系外文翻译资料

 2022-12-06 15:21:35

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北大西洋涛动对欧亚沿海地区海冰面积的影响

Aixue Hu,1 Claes Rooth,2 Rainer Bleck,3 and Clara Deser1

Received 29 October 2001; revised 18 February 2002; accepted 22 April 2002; published 20 November 2002.

研究表明夏季海冰面积的减少是由于与北大西洋涛动相关的大气强迫作用对北大西洋冬季海冰的影响。研究发现，相较于北大西洋涛动指数低的年份，在北大西洋涛动指数高的年份，欧亚大陆沿海地区海冰厚度要薄50厘米。这主要是由强风驱动的海冰运动所造成的。在海冰较薄的冬季里，春季的南风较强，促进了成片的海冰比以往更早破碎，从而导致了显著的海冰运动。海冰流出的越多，相应的，海冰之间不再紧凑。因此，海洋能够吸收更多的太阳能，这将促进夏季的海冰融化过程。所以，冬季和春季大气环流异常与北大西洋涛动之间的正相关关系也许是造成上世纪80年代至90年代间观测到的海冰减少的原因。

INDEX TERMS: 4207 Oceanography: General: Arctic and Antarctic oceanography; 4540 Oceanography: Physical: Ice mechanics and air/sea/ice exchange processes; 4255 Oceanography: General: Numerical modeling. Citation: Hu, A., C. Rooth, R. Bleck, and C. Deser, NAO influence on sea ice extent in the Eurasian coastal region, Geophys. Res. Lett., 29(22), 2053, doi:10.1029/ 2001GL014293, 2002.

1.引言

我们认为，北极海冰的调节机制是一种潜在的重要的气候反馈机制。主要有两个原因，即反照率的修正以及海气间能量交换产生的影响[Manabe et al., 1992; Randall et al., 1998]。北极海域及其相邻海域平均海水浮力的变化导致了北极海冰的异常形成和流动，影响了北大西洋深对流的强度。从而有助于强迫全球尺度经向上的海洋转向环流。这对于全球经向热传导有重要的影响。北极地区和北大西洋冬季低层大气环流的变化可以用来衡量北大西洋涛动指数。它被认为与北极地区年平均海冰面积有密切的联系[Hurrell, 1995]。北大西洋指数偏高意味着冰盖的减少，这种状况在夏季尤为明显（图1左图，Maslanik et al. [1996]）。

图 1北半球平均海冰面积的年际变化

图1左图为北半球平均海冰面积的年际变化，是从1970年起的5个观测时间段的平均[实线，see Vinnikov et al., 1999]，以及北大西洋涛动指数[虚线，Hurrell, 1995].反映了NAO指数和海冰年际变化之间显著的负相关关系，特别是从1989到1995年.右边图是北极区域图.AB线标注了欧亚海岸的北部边界.

利用已观测到的大气状况来定义一个耦合的海冰-海洋常规循环模型。我们研究了广泛的海冰对于与北大西洋涛动持续相关的大气异常在动力学和热力学上的响应。结论显示，北大西洋涛动指数偏高年份的海冰面积与北大西洋涛动指数偏低的年份的海冰面积的比较，是与强风造成的海冰流出造成的夏季海冰面积减少有着密切关联的。因此，我们推测冬季北大西洋涛动的变化趋势是今年来夏季冰盖面积减少的趋势造成的（[Maslanik et al., 1996, and Deser et al., 2000]）。

2. 模式和实验

利用迈阿密等密度坐标模式，弹粘塑性海冰动力模式Hunke and Dukowicz [1997]和简单的热力海冰模式Semtner [1976]建立一个常规的海冰-海洋循环模式。这个模式覆盖的海域包括北冰洋和北大西洋。模式的南部边界在6°N。这附近的区域充当的是缓冲区Paiva [1999]。如图所示，大尺度的热盐环流对于定位南部边界缓冲区域并没有太大的影响Steele et al. [2001]。

已经开展的两个实验用来确定欧洲沿岸地区海冰面积受到持续的与北大西洋涛动有关的异常强迫而产生的预料中的差异，简称北大西洋涛动高指数情况和北大西洋涛动低指数情况。在每种情况下，该模式集成了100年的资料。从一个30年的自旋向上的基于51年观测资料的年际气候循环开始。最后的结论主要是基于两个100年的积分的平均状况。

对北大西洋涛动指数高的年份和低的年份的大气强迫造成的风应力，风速，大气温度和湿度，辐射通量和降水量做月复合平均。51年的气候资料来源于美国国家环境预报中心和美国国家大气研究中心的再分析资料（1948-1998）。北大西洋涛动指数较高的年际周期是1973,1981,1983,1989,1990,1992-1995，比正常的北大西洋涛动指数高2 Hurrell [1995]。北大西洋涛动指数较低的年际周期是1995，1962-1965,1969，1977,1979和1996，比正常的北大西洋涛动指数低2。值得注意的是，虽然这些年份是依据冬季北的大西洋涛动状况选出的，但是，全年12各月都会被用来建立复合强迫的函数。

3．模式结论

在该模式中北极海冰面积在北大西洋涛动指数偏高和偏低的年份的的平均年际变化是4.4%。巧合的是，这与卫星观测到的1978-1996年间海冰面积的减少几乎完全一致（海冰面积减少了4.5%，Maslanik et al. [1996]）。在一般情况下，整个海域的海冰面积在4月份达到最大值，在九月份达到最小值（图2，左图）。然而，夏季海冰最小面积减少大约17%，远远大于冬季海冰最大面积的减少。

图 2 北极海冰面积的季节变化

图2左图为北极海冰面积的季节变化实线代表气候态情况，点线代表高NAO指数的情况，虚线代表低NAO指数的情况，实线还代表了高低NAO指数之间的百分比差异.冬季最大的海冰面积出现在8月后期，而夏季最小的海冰面积出现在9月前期，右图中实线（虚线）分别代表低NAO和高NAO指数的百分比差异.

这项研究的重点是欧亚大陆沿岸海域的海冰面积变化（见图1）。这片区域占模式中整个北极海域的22%，包括拉普捷夫海西部沿岸海域和楚科奇海东部沿岸海域。相较于整个海域的海冰面积变化，在北大西洋涛动指数偏高的年份里，92%的夏季海冰面积减少出现在欧亚沿岸海域。这个数据定量的符合卫星观测的数据[Maslanik et al. 1996]。北大西洋涛动指数偏高的年份和偏低的年份海冰面积面积差距的最大值出现在9月，大约为0.9106平方公里。.

图 3对欧亚海岸地区海冰季节变化

图3对欧亚海岸地区左上图表示海冰面积季节变化，右上图代表厚度，左下图代表密度，右下图代表高低NAO指数情况下表面热通量的差异.实线/虚线分别代表高/低NAO指数的情况.热通量被分为净表面热通量（粗实线）和净辐射热通量（细实线），感热通量（虚线）和潜热通量（点虚线）.正值代表海洋热量流失.

在欧亚大陆沿岸海域，海冰面积的变化与冬季海冰厚度和密集程度密切相关。北大西洋涛动指数偏高的年份比偏低的年份海冰平均厚度要薄50厘米（图3）。北大西洋指数偏高的年份，海冰密集程度有轻微的下降。当春季海冰开始融化的时候，在相同的大气条件下，薄且不够密集的海冰的融化速度大于厚且密集的海冰融化速度。事实上，北大西洋涛动指数偏高的年份比偏低的年份气温高1-2°C。这将对夏季的海冰融化过程产生影响。海冰快速融化降低了海冰的密集程度，使得海洋能够更多的吸收太阳辐射，从而又加快了海冰的融化速度。北大西洋涛动指数偏高的年份与偏低的年份，净辐射通量是不同的。图3右图中细实线表明，净辐射热量的输入从4月底到9月一直在增长。北大西洋涛动指数偏高的年份与偏低的年份相比，最大的差距在8月份，为18 W/m2（相对于偏低的年份增长了31%），在这一时间段，平均差距是10 W/m2（增长了5%）。在北大西洋涛动指数偏高的年份里，海洋吸收了更多的太阳辐射，所以海冰融化速度会比偏低的年份快18%。

在北大西洋涛动较强的年份里，薄且不密集的冬季海冰的形成与大气强迫，前一年的海冰状况以及海洋对大气的响应有关。在北大西洋涛动较强的年份里，从欧亚大陆北极地区吹向加拿大的风很强盛。强风带动海冰漂离欧亚大陆沿岸海域。除一月外，北大西洋涛动较强的年份冬季从欧亚大陆沿岸海域漂向北极中心地区的海冰数量大于北大西洋涛动较弱的年份。在北大西洋涛动较强的年份，整个冬季会产生3000 km3的海冰，比冬季海冰最大值与夏季海冰最小值之间的差额多26%。在北大西洋涛动较弱的年份里，总共会产生2000 km3的海冰，略少于冬季海冰最大值与夏季海冰最小值之间的差额。也就是说，如图4所示，从北极向欧亚大陆沿岸海域输送的海冰也会对这片区域海冰面积的变化产生影响。从12月到3月，在北大西洋涛动较强的年份里，新生成的海冰中的20%（600 km3）从欧亚大陆沿岸海域漂向北极中心地区。在北大西洋涛动较弱的年份里，这个数据降低为6.1%（122 km3）。北大西洋涛动较强的年份和较弱的年份里，海冰输出的平均差距约为0.023 Sv (Sv = 106 m3/s)。

对模式结果进行进一步的分析，忽略所有可能的反馈。假设北大西洋涛动较强的年份和较弱的年份海冰的输出量相同。则海冰厚度的差距可以减少超过80%。因此在北大西洋涛动较强的年份里，更多的海冰流动会导致海冰变得更薄更不密集。这将促进冬季海冰的形成，就像上一段阐述的。

在北大西洋涛动较强年的夏天，欧亚大陆沿岸海域大部分海冰融化或是漂向北极中心地区。当海冰最少的时候仅剩冬季最大海冰量的5%，而在北大西洋涛动较弱的年份，这个数据为38%。这就意味着，在北大西洋涛动较强的年份里，早冬的时候这片海域只有17%的面积被海冰覆盖，在北大西洋涛动较弱的年份，滑冰覆盖面积为73%。这也许能说明夏季直接强迫对于海冰减少的重要性。

一旦在这片海域海水温度降至冰点以下，北大西洋涛动较强的年份里的海冰形成率大于北大西洋涛动较弱的年份。因此，在北大西洋涛动较强的年份里，11月和12月新的海冰形成的速率比北大西洋涛动较弱的年份快2倍以上。北大西洋涛动较强的年份里海冰形成速率快的一个很重要的原因就是不够密集的海冰导致了海水中热量的快速流失。这些差异变现为净表面热通量（图3中的粗实线）。图表显示从10月到12月，北大西洋涛动较强的年份比较弱的年份海洋失去更多的热量传递到大气中。11月份的平均差异是39 W/m2，最大差异是46 W/m2。在北大西洋涛动较弱的年份，净表面热通量增长了59%。在北大西洋涛动较强的年份里，该区域的气温比正常高1-2°C，这是否是大气对于净表面热平衡变化的响应还需要我们进一步研究。

北大西洋涛动较强的年份和较弱的年份海洋热量的流失与该海域薄且不密集的海冰以及较小的海冰相关。海冰够密集，海冰面积较小使得更多的海冰直接暴露在大气中，这导致了冬季海洋从大气中吸收的热量明显增多（图3下图中的虚线曲线）以及向外的长波辐射的增长（图3下图中的细虚线）。尤其是在早冬（10月-12月）。在早冬，蒸发造成的潜热释放对于海洋热量的流失也有着重要的作用。

图 4欧亚沿岸地区到北极中心地区的海冰的季节变化

图4高NAO指数（实线）和低NAO指数（虚线）情况从欧亚沿岸地区到北极中心地区的海冰的季节变化

从图4可以看出，在北大西洋涛动较强的年份春季（3月-5月）海冰从欧亚大陆沿岸海域流向北极中心地区的数量大约是北大西洋涛动较弱年份的150%。这证实了春季气旋活动的增多对海冰从欧亚大陆向北极中心地区输送有显著的作用Maslanik et al. [1996] 和 Deser et al. [2000]。同时，本研究发现在北大西洋涛动较强的年份冬季预处理的海冰对于欧亚大陆沿岸地区的夏季海冰减少也起到了重要的影响作用。

4．结论

模式的结果表明，北极海冰的变化与大气环流的变化是直接相关的。具体而言，模式结果表明与北大西洋涛动相关大气环流异常和大气温度异常是造成近年来欧亚大陆沿岸海域海冰减少的重要因素。本模式中风驱动的海冰运动和厚度变化对海冰面积的影响与其他的模式研究是一致的[Zhang et al., 2000 and Holloway and Sou, 2002]。然而这些研究并没有重点研究与北大西洋涛动相关的大气环流异常对欧亚大陆沿岸海域夏季海冰变化的影响。

我们所做的一部分具体工作是：

  1. 在北大西洋涛动较强的年份里，薄且不密集的海冰对夏季海冰面积的减少有重要的作用。在冬季海冰较薄的年份，来年春季的盛行的南风会使得欧亚大陆沿岸海域成块的海冰更早的碎裂，导致碎裂的海冰向其他地区输送。
  2. 海冰输送的越多，海冰的密集程度越小。因此，海洋吸收了更多的太阳能，促进了夏季海冰的融化。
  3. 北大西洋涛动较强的年份里，强风是海冰漂离欧亚大陆沿岸海域，抑制了该区域海冰的形成。其结果是，海冰更薄更不密集，降低了冰面对于海洋释放热量的抑制作用

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