南半球中高纬度环流变异及其对南大洋的影响

【摘要】南半球中高纬度大气环流是由Eddy驱动的纬向流所主导的。由于陆地的缺失，南半球中高纬度大气环流具有明显的纬向对称性。南半球中高纬度大气环流的变化对于海洋环流和全球碳循环都有着重要影响。本文围绕南半球中高纬度大气环流的长期变化这一科学问题，采用观测资料、大气再分析资料、海洋再分析资料和MOM5海洋模式详细分析了最近三十年来南半球中高纬度大气环流变异及其对南大洋的影响。大气再分析资料和气候模式都表明在最近三十年南半球中高纬度纬向流有明显的加强趋势。前人研究将南半球中高纬度纬向流的加强趋势解释为：南极臭氧衰减现象激发了南半球环状模态（SAM）指数的增加趋势，导致南半球中高纬度纬向流的增强趋势。但是，南极臭氧衰减现象具有明显的季节性特征，其主要出现在南半球春季。南极臭氧衰减对纬向流的长期趋势的影响局限在南半球春季和夏季。本文详细分析了影响南半球中高纬度纬向流长期趋势的三种主要因素：SAM、南极臭氧衰减和海表面温度（SST）。首先，我们采用回归分析方法检验了SAM、南极臭氧衰减和南大洋SST经验正交函数分解（EOF）第一模态对于南半球中高纬度纬向流长期趋势的贡献程度。我们发现，SAM、南极臭氧衰减和SST的变化都是通过Eddy动量通量辐聚/辐散驱动纬向流的长期趋势。SAM和南极臭氧衰减对于南半球中高纬度纬向流长期趋势的贡献局限在南半球春季和夏季，这是由于南极臭氧衰减的季节性特征造成的。SST的变化在几乎全年12个月份都对南半球中高纬度纬向流的长期趋势有重要贡献。这表明SST的变化是驱动南半球中高纬度纬向流长期趋势的重要因素。我们对SST影响南半球中高纬度纬向流长期趋势的相关机制进行了如下解释：SST的EOF第一空间模态具有较强的纬向对称性和明显的经向温度梯度；其变化会激发南半球中高纬度纬向流的斜压响应；纬向流的斜压性会通过Eddy活动加强对流层上层的斜压响应，并让对流层低层的斜压响应反号，从而导致纬向流的相当正压结构的长期趋势。我们进一步分析了850hPa等压面上南半球中高纬度纬向流的斜压性，相关结果进一步证明了上述解释。之后，我们将目光放到ENSO和SAM之间相关性的长期变化及其对南半球中高纬度大气环流的长期影响。ENSO和SAM是影响南半球中高纬度大气环流的两种主要气候模态。前人研究表明ENSO和SAM之间可能存在统计显著的相关关系，并且ENSO-SAM相关性可能会影响到ENSO在南半球中高纬度大气环流场中的遥相关。我们首先对ENSO和SAM进行滑动相关分析，发现在南半球春季ENSO-SAM相关性存在明显的长期变化，在南半球夏季ENSO和SAM之间存在长期稳定的相关性。进一步分析发现在南半球春季ENSO-SAM相关性的长期变化是由于ENSO相关的纬向流异常场出现了长期变化，改变了Eddy动量通量辐聚/辐散的作用方式，进而调制了SAM事件的发展，导致了ENSO-SAM相关性的增强趋势。在南半球夏季ENSO和SAM之间长期稳定的相关性是由于ENSO相关的南半球中高纬度纬向流斜压性的变化影响了Eddy活动，进而调制了SAM事件的发展，导致了ENSO和SAM之间的统计显著的相关性。之后，我们分析了当ENSO-SAM相关性出现长期变化时ENSO在南半球中高纬度的遥相关是怎样变化的。我们发现在南半球春季当ENSO-SAM相关性出现长期变化时，ENSO在海表面气压场中的遥相关也表现出了明显的长期变化。海表面气压场的长期变化会通过温度平流作用增强表面大气温度场和SST场中的ENSO遥相关。之后，我们将眼光放到南大洋SST的长期变化上，分析南大洋SST长期趋势的相关机制，并讨论SST长期趋势与南半球中高纬度纬向流长期趋势之间的联系。我们发现在最近三十年来南大洋SST在印度洋扇区表现出了显著的增暖趋势，而在太平洋扇区和大西洋扇区表现出了显著的变冷趋势。混合层热量收支诊断结果表明：在印度洋扇区水平平流项和卷挟项共同驱动了SST的增暖趋势，而海表面热通量项起到了阻碍SST变暖的作用；在太平洋扇区和大西洋扇区，海表面热通量项是导致SST变冷趋势的主要因素。进一步分析发现，混合层深度在整个南大洋的加深导致了海表面热通量项的长期变化，而混合层深度的加深可能是由于南半球中高纬度大气环流的加强趋势导致的。最后，我们利用全球海洋-海冰耦合模式研究了南半球中高纬度大气环流长期变化对于南大洋的影响。我们进行了南大洋对于表面西风加强的敏感性数值实验，以此来检验南大洋表层温度、盐度、流速等海洋要素和海冰密集度、海冰厚度、海冰运动速度等海冰相关物理量在表面风场加强的背景下会有怎样的变化。模式结果表明：当表面风场加强后，表层温度最明显的变化出现在太平洋扇区，表现为显著的降温变化；表层盐度在整个南大洋都有所增加；表层流速最明显的变化出现在太平洋扇区，表现为明显的赤道方向的异常流动；海冰密集度和海冰厚度在威德尔海明显变小；海冰运动速度显示海冰会离开威德尔海向东堆积。因此，威德尔海海冰减少的主要原因是：（1）表面风场的加强变化将更多的来自南极半岛的暖空气输送到威德尔海；（2）海冰加速离开威德尔海向东堆积。
【作者】邵轩；
【导师】张占海；
【作者基本信息】中国海洋大学，物理海洋学，2014，博士
【关键词】南半球中高纬度；气候变化；大气环流；南大洋；气候模态；

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