全球变暖背景下的南极地区气候变化

全球变暖背景下的南极地区气候变化*

龚道溢

（北京大学地球物理系，北京100871）

提要利用均匀分布的再分析格点资料，对近二十多年来南极地区气温和降水的变化特征进行了分析。在全球变暖的大背景下，南极地区的气温冬季、春季和秋季都有上升趋势，而夏季则有下降趋势，年平均气温也是上升趋势。气温上升趋势最强烈的是冬季，其次是春季。降水各季和全年都有增加趋势。南极地区的气温和降水的变化及区域差异与南极涛动有密切的关系。在年际尺度上，年平均气温和降水与南极涛动指数是负相关，当南极涛动强时，气温偏低，降水量减少。对不同的区域影响的方式和程度也有区别。夏季平均气温和东南极地区一些地区气温的下降趋势，绕极低压槽附近地区降水的增加趋势可能都与南极涛动的加强有关。从长期变化趋势来看，气温、降水和南极涛动指数都有上升的趋势，这说明全球变暖从更大的时间尺度和空间尺度上影响着南极涛动。

关键词全球变暖南极地区气候变化大气环流

分类中图法P461

南极地区是全球最大的冰雪分布区，南极大陆面积约占南半球面积的十分之一，其中95%以上的地区终年为冰雪所覆盖，冰盖面积达14×106km2，海冰面积的季节变化在4-20×106km2，平均几乎相当于南极大陆的面积[1,2]。由于其四周都是开放的大洋，所以对高、中纬的海洋和大气环流的热力、动力特性都有重要影响[3]，因此了解在全球变暖背景下，南极地区气候变化究竟有什么特点，对于我们理解和监测全球气候系统的变化都有十分重要的意义。在全球和南半球气温增加的背景下，南极地区这样的特殊区域气候变化究竟有什么特点，越来越引起重视[4]。

近几十年来对南极地区气候变化的研究主要依赖少数测站的观测记录，但南极地区降水的测量十分困难，因此大部分测站都没有降水记录，所以对南极大陆降水变化的研究一直是比较薄弱的。另外，南极地区特别是南极大陆测站很少，而且测站分布很不均匀，所以用少数测站平均来表示整个南极地区，其代表性还有待探讨。最新的再分析格点资料均匀覆盖了整个南极大陆，用这套完整的格点资料来研究南极地区在全球变暖背景下的气温和降水变化，是本文的第一个目的。另外，全球气候变化有很强的区域差异，表现出一定的内在结构性，这与大气环流的变化有密切关系，许多研究也指出大气环流对区域或半球尺度的气候变化有重要影响[5,6]。那么，南极地区的气候变化究竟与南半球中高纬大气环流关系如何呢？这是本文要研究的第二个问题。

1 资料

1950年代以前南极地区观测气候资料十分稀少，仅有少数探险观测记录，系统的观测只是从国际地球物理年（IGY, 1957/58年）才开始的，即使这样，到1990年代初，南极大

* 国家自然科学基金资助(编号49635190)

第一作者简介：男，1969年生，博士，气候学专业。

陆上常规的测站也仅仅才29个，其中三分之一的站集中分布在60︒-75︒S、55︒-75︒W的南极半岛狭长地带[7]。

因此，人们的研究更多的依赖同化资料，即根据地面、船舶等常规观测和卫星遥感资料等的同化处理得到的各气候要素。而同化资料的最初目的只是为各种环流模式提供初始场，而很少考虑到气候变化研究的需要，因而同化系统的改进和更迭也造成了同化资料间的不连续性[8]，为此，美国国家环境预测中心（NCEP）和国家大气研究中心（NCAR）联合组织和实施了“再分析计划”（Reanalysis Project），其目的就是希望消除同化资料的上述弊端，为全球气候变化的研究提供一套较为可靠、系统和完整的资料。这套再分析资料以其完整、连续和科学性，被公认为是目前为止所有分析资料中最好的一套。现在，NCEP-NCAR CDAS-1再分析资料已经在全球范围得到普遍的认可和广泛的使用[9]。

本文分析所用的南极地区气候资料都用从美国气候预测中心得到的NCEP-NCAR CDAS-1再分析资料。包括地面降水率和气温格点资料（约为7.5︒经度×3.8︒纬度），及海平面气压资料（10︒经度×5︒纬度），都取南半球部分，资料起止时间从1974年1月到1996年12月。

2 近百年南半球气温的增暖

图1是根据最新陆地和海洋温度观测资料补充计算的1856年到1996年南半球年平均气温距平1)，气温的上升趋势在图中非常明显，1940年以来的气温距平平均比整个序列平均值要高0.20︒C，1980年以来的气温距平平均又比1940年以来平均值要高0.18︒C，1990-1996年平均比1980年-1996年平均高0.03︒C。对资料较为丰富的1940年以来序列的计算，增温率为0.46︒C/百年，整个序列的气温增暖率约为0.49︒C/百年，二者非常相近，可见整体上气温的变暖趋势是很稳定的。

从本世纪60年代开始，特别是80年代以来，南半球变暖有加强的迹象，这从相邻的年代10年平均距平的差来看很清楚，1960年代温度距平平均为-0.12︒C，比1950年代高0.03︒C，1970年代又比60年代高0.08︒C，1980年代比1970年代高0.17︒C，是自1940年代以来相邻年代间增温最大的10年，1990年以来的7年平均也比1980年代高0.06︒C。这与北半球的情况也有较大的不同，Parker等也曾指出，1980年代以来，地面平均气温南半球增暖幅度要比北半球和全球平均值高[10]，因此，南半球最近30多年来的增暖趋势和强度都比北半球更为明显。这在南极地区也有反映，如南极半岛地区近几十年来就一直有增暖的趋势[7,11]，不过南极半岛并不能代表整个南极地区，南极各个区域气候变化也是有差别的[12]。整个南极地区在全球和南半球加速变暖的情况其气候变化有什么响应，及其区域特征如何将在下节讨论。

3 近期南极地区气温和降水变化

3.1 气温和降水的变化趋势

因为纬度越高网格点越密，而每个格点所代表的区域范围就越小，如果取简单的算术1)P.D. Jones, 1997: Global Temprature. 个人通信．

平均势必夸大了高纬地区对南极地区平均的贡献，所以使用面积加权计算的平均气温对整个南极地区的代表性更好。南极地区地表气温和降水都用60︒S 以南地区面积加权平均来代表，如某一时间t 的气温T t 由下式计算：

T t =(cos())(cos()),,,,,T

i j i j t i j n i j t

i j n ⨯==∑∑ϕϕ

11

T i,j 代表格点（i , j ）的气温，ϕi,j 代表格点（i , j ）的纬度，t 代表时间，T t 为平均气温。平均降水先由降水率换算成月降水量，再由上式计算。

南极地区平均气温和降水变化见图2和图3，都用距平表示，分别以四季和年平均值方式给出。从图2和图3中可以很清楚地看出，除夏季平均外，其它季和年的气温，及降水变化都显示出强烈的上升趋势，气温增温率最大的是冬季，达到1.19︒C/10a ，其次是春季，为0.41︒C/10a ，这与北半球最近冬、春的显著增温是一致的；但是夏季却有显著的下降趋势，达-0.47︒C/10a ，而南、北半球平均气温和全球夏季平均气温都显示最近20多年来有上升的趋势。降水的变化率都是有增加的趋势，夏季和冬季增加率最高，分别为5.9mm/10a 和5.7 mm/10a ，而春季和秋季的增加率稍低。全年平均来看，平均气温的上升和年降水量的增加都非常突出。

表1南极地区平均气温和降水的变化率

Tab.1 Change rate of temperature and precipitation over Antarctic region

春(9-11月) 夏(12-2月) 秋(3-5月) 冬(6-8月) 年(1-12月) 气温(︒C/10a)

0.41 -0.47 0.24 1.19

0.34 降水(mm/10a) 3.8 5.9 3.9 5.7 19.3

3.2 气温和降水变化的区域特征

年平均气温和降水量的变化在南极地区也是有很大区域差别的。图4是气温和降水变化的趋势系数，即气候序列与自然连续递增数列1,2,3,…,n 的相关系数，如果趋势系数为正值，则表明有上升趋势，为负值则表明气候序列有下降趋势，图4a 是年平均气温的趋势系数分布，图4b 是年降水量的趋势系数。负的趋势系数用虚线表示，超过95%信度水平的地区分别用斜线标标示。