全球冰—海洋耦合模式的海冰模拟

海冰是全球气候系统的重要分量,与大气和海洋的相互作用,直接影响大气环流和海洋环流,对气假及其变化及具有重要影响,文中依据冰、海洋间的热力、动力耦合相互作用,改进冰－海洋热力耦合方案,利用由中国科学院大气物理研究所的３０层海洋模式和基于Ｆｌａｔｏ空化流体流变学的海冰动力模式和Ｈｉｂｌｅｒ表面热收支平衡的零层少冰热力模式,建立全球冰－海洋耦合模式,利用大月平均气候资料,模拟的南半球少冰分布及海冰的分布及其季节性变化、海冰漂移进行了耦合模拟和分析,模拟的南半球海冰分布及季节变化与实际分析资料非常接近,比２０层冰－海洋耦合模式的结果有显著改进,北半球海冰范围偏小,但季节变化的量值与实际相当一致,模拟的海冰速度场反映了南、北半球海冰漂移的主要特征,如北极的穿极漂流和南大洋的绕极环流等,对海冰密集度的分析表明,模拟结果得以     

全球冰-海洋耦合模式的海冰模拟

海冰是全球气候系统的重要分量 ,与大气和海洋的相互作用 ,直接影响大气环流和海洋环流 ,对气候及其变化具有重要影响。文中依据冰、海洋间的热力、动力耦合相互作用 ,改进冰海洋热力耦合方案 ,利用由中国科学院大气物理研究所的 30层海洋模式和基于Flato空化流体流变学的海冰动力模式和Hibler表面热收支平衡的零层海冰热力模式 ,建立全球冰海洋耦合模式。利用大气月平均气候资料 ,利用冰海洋耦合模式对全球海冰的分布及其季节性变化、海冰漂移进行了耦合模拟和分析。模拟的南半球海冰分布及季节变化与实际分析资料非常接近 ,比 2 0层冰海洋耦合模式的结果有显著改进。北半球海冰范围偏小 ,但季节变化的量值与实际相当一致。模拟的海冰速度场反映了南、北半球海冰漂移的主要特征 ,如北极的穿极漂流和南大洋的绕极环流等。对海冰密集度的分析表明 ,模拟结果得以改进原因在于改进的冰海洋热力耦合方案增强了融冰期冰海洋耦合系统海洋热通量增加—密集度减小—能量收支增加的正反馈机制。     

北极放大效应原因的研究进展

近几十年来北极的增温幅度是全球平均的2倍以上,这种被称为"北极放大"的现象是全球气候变化的最显著特征之一。从北极局地气候反馈和北极外热输送2个方面总结了北极放大原因的最新进展。局地方面,海冰—反照率正反馈以及云和水汽增加导致的向下长波辐射增强是北极放大的重要原因,而较低的背景温度和相对稳定的大气层结使得温度反馈在北极为正,有利于变暖信号被放大。向极热输送方面,大气环流和洋流的输送作用对北极放大均有贡献,大西洋和太平洋海温的年代际变化和热带太平洋海温异常是驱动大气环流变化的主要原因。最后提出了尚需解决的关键问题。     

大洋热盐环流研究的一个焦点：北太平洋是否有深水形成

现代大洋热盐环流的特点之一是北大西洋有深水形成而北太平洋没有，这种不对称性对周边气候产生了重要影响。尽管理论上认为大洋热盐环流可能存在对应不同气候的多平衡态，但北太平洋是否曾有过深水形成已成为目前学术争论的一个热点。简要介绍了最新的热盐环流研究成果，重点分析现代北太平洋无深水形成的原因，其中亚洲季风的水汽输送和低蒸发是两个重要的影响因子。     

北极海冰减退引起的北极放大机理与全球气候效应

自20世纪70年代以来,全球气温持续增高,对北极产生了深刻的影响。21世纪以来,北极的气温变化是全球平均水平的2倍,被称为"北极放大"现象。北极海冰覆盖范围呈不断减小的趋势,2012年北极海冰已经不足原来的40%,如此大幅度的减退是过去1 450年以来独有的现象。科学家预测,不久的将来,将会出现夏季无冰的北冰洋。全球变暖背景下北极内部发生的正反馈过程是北极放大现象的关键,不仅使极区的气候发生显著变化,而且对全球气候产生非常显著的影响,导致很多极端天气气候现象的发生。北极科学的重要使命之一是揭示这些正反馈过程背后的机理。北极放大有关的重大科学问题主要与气—冰—海相互作用有关,海冰是北极放大中最活跃的因素,要明确海冰结构的变化,充分考虑融池、侧向融化、积雪和海冰漂移等因素,将海冰热力学特性的改变定量表达出来。海洋是北极变化获取能量的关键因素,是太阳能的转换器和储存器,要认识海洋热通量背后的能量分配问题,即能量储存与释放的联系机理,认识淡水和跃层结构变化对海气耦合的影响。全面认识北极气候系统的变化是研究北极放大的最终目的,要揭示气—冰—海相互作用过程、北极海洋与大气之间反馈的机理、北极变化过程中的气旋和阻塞过程、北极云雾对北极变化的影响。在对北极海冰、海洋和气候深入研究的基础上,重点研究极地涡旋罗斯贝波的核心作用,以及罗斯贝波变异的物理过程,深入研究北极变化对我国气候影响的主要渠道、关键过程和机理。     

北冰洋盐跃层研究进展

长年存在的盐跃层是北冰洋上层海洋独有的结构之一，对维持北冰洋表层的低温特征和海冰存在起着非常重要的作用。在过去的十几年中，北冰洋气候系统发生了前所未有的异常变化，北冰洋盐跃层也经历了从消退到近乎恢复的戏剧性变化。因此，北冰洋及其盐跃层的研究得到了广泛的重视。介绍了有关北冰洋盐跃层研究的进展情况，并对研究中存在的问题以及未来的发展进行了分析和阐述。有关北冰洋盐跃层的形成问题，先后有平流机制、对流机制等多种观点。认为由于现在欧亚海盆表层盐度普遍增高，其盐跃层的形成当以对流机制为主；而平流机制则更加适用于加拿大海盆的盐跃层。20世纪90年代，在北冰洋观测到一系列异常变化，包括盐跃层退缩、大西洋层增暖和北极海冰减少。实际上，这些变化是紧密联系在一起的，而后期盐跃层局部性的恢复似乎表明目前观测到的北冰洋气候系统的变化有可能是一种周期性的振荡。     

极地海冰的研究及其在气候变化中的作用

极地海冰作为全球气候系统的一个重要组成部分,通过影响大洋表面的辐射平衡、物质平衡、能量平衡以及大洋温、盐流的形成和循环而影响全球气候变化.从最初研究极地海冰的强度和承载力到目前海/冰/气相互作用全球气候耦合模型的建立,使海冰变化和全球气候变化紧密结合起来.这些研究领域主要有:海冰及其表层雪的物理特性和过程、海冰区域生态特征、海冰区与气候相关的反照率和物质平衡研究以及海冰气候耦合模型等大的领域.模拟显示,21世纪因为全球变暖,南北极海冰都将减少.海冰和全球气候系统其它要素之间的相互作用问题、极地海冰的厚度季节性区域性分布问题、极地海冰边界及范围变化趋势问题、生消关键过程及其影响因素问题、冰间湖的作用以及海气相互作用等将是未来重要的研究方向.     

欧亚海盆大西洋水输运过程及热释放研究进展

温暖的大西洋水进入北冰洋后,通过热量释放影响海洋和大气环境。在欧亚海盆,大西洋水深度浅,其热量释放是海冰融化的重要热源,也是海冰减退和北极放大的关键因素。大西洋水输送的环流结构没有变化,而是通过流速的变化改变热量输送的效率。大西洋水在流动过程中通过湍流运动、冬季对流和双扩散三大物理机制向上释放热量而降温。近年来,大西洋水热量增加并将暖信号向北冰洋内部输送,进而影响下游加拿大海盆的海洋过程。增暖的热源来自弗拉姆海峡的异常暖事件,体现为北欧海挪威大西洋流水温长期变化因素与低频振荡因素的共同作用。     

大洋环流模式的温盐表面边界条件处理及其影响研究评述

对常用的大洋环流模式温度和盐度的表面边界条件处理方案进行了总结,在此基础上,讨论了不同处理方案对大洋环流变化模拟结果的影响,指出了不同边界条件各自的适用范围。较为典型的温度边界条件包括Haney型边界条件、Rahmstorf等恢复型边界条件、Schopf零热容量条件以及通量条件;盐度边界条件主要包括恢复型边界条件、通量型边界条件以及自然边界条件。边界处理方案之不同,不仅影响到模式气候态和年际变率的模拟,还影响到一些典型大洋环流变化现象的模拟结果,如极地盐跃层突变现象、海洋层结强烈翻转的冲刷现象、热盐环流的多平衡态现象以及淡水冲击对热盐环流的影响等问题。     

前冬戴维斯海峡—巴芬湾区域海冰异常对中国东部春季极端降水频次的可能影响及预测价值

本文研究了前期冬季北极海冰与中国东部春季极端降水频次的联系及其可能机制,并进一步探讨了海冰异常信号对极端降水的预测价值。结果表明,前冬戴维斯海峡—巴芬湾区域海冰异常与中国东部春季极端降水频次经验正交分解第一模态(EOF1)之间存在密切联系。当前冬戴维斯海峡—巴芬湾区域海冰异常偏多时,冬季大气环流呈现出类北大西洋涛动(NAO)正位相的异常分布,并伴随经向的北大西洋三极型海温异常。该海温异常可以从冬季持续到春季,进而激发出从北大西洋到欧亚中纬度的纬向遥相关波列,在东亚地区引起气旋型环流异常。该气旋型环流异常会引起中国东部地区湿度显著增加,上升运动增强,从而为该地区极端降水的发生提供了有利的背景条件。相反,当前冬戴维斯海峡—巴芬湾区域海冰异常偏少时,其滞后引起的春季环流异常则不利于中国东部地区极端降水的发生。进一步的交叉检验结果表明,前冬戴维斯海峡—巴芬湾区域海冰异常信号对中国东部春季极端降水具有重要的预测价值。     

Millennial‐scale variability in the oceans: an ocean modelling view

Climate and ocean‐only models have shown that the ocean will respond abruptly to significant perturbations in surface forcing. Centennial‐scale oscillation is a characteristic of circulation in large semi‐enclosed ocean basins such as the Arctic, whereas millennial‐scale adjustment to changes in surface forcing has been found in the global ocean component of climate models. We show that the millennial time‐scale in climate models is likely to be intrinsic to the ocean through its presence in an ocean‐only model. The strength of the thermohaline circulation is shown to be very sensitive to the magnitude of ice albedo and, to a lesser extent, perturbation in the surface freshwater flux. Modelled glacial ocean circulation, in contrast to present‐day simulations, requires an enhanced freshwater flux over the northern Atlantic, even in its non‐Heinrich state, to obtain realistic overturning in the North Atlantic. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

非冰期突然气候变化与太阳变化

本文试图介绍发生在非冰期,主要是全新世的突然气候变化研究所取得的进展,包括山地冰川和深海沉积物所记录的全新世突然气候变化,季风和干旱气候突然变化,以及突然气候变化与太阳变化的关系。太阳变化对整个全新世气候变化的影响似乎正愈来愈明晰起来。     

温盐环流反转及其对新生代气候的影响

温盐环流是由海水温度、盐度差异驱动的全球洋流循环系统。在气候系统中,它对全球热量输送起到了十分重要的作用。在亚轨道尺度(千年时间尺度)上,温盐环流的改变导致了一系列快速的气候变化,因此备受关注。在构造时间尺度(百万年时间尺度)上,古海洋记录和数值模拟揭示出,温盐环流的反转对新生代气候也产生了非常显著的影响。在新生代,温盐环流由“南大洋深层水主控型”向“北大西洋深层水主控型”反转。这一反转改变了全球的热量输送,使得南半球强烈变冷,并有可能导致南极东部永久冰盖的形成。在这一反转事件中,热带海道的作用更加重要。     

The Structure and Long-Term Variability of the Bottom Layer in the Irminger Sea

This paper shows the important role that circulation can play in the long-term variability of thermohaline properties of the bottom layer in the Irminger Sea, and the increase in salinity in the 21st century in spite of intense ice melting in the Arctic and freshening of the upper and intermediate layers that started over the last 5–7 years in the North Atlantic.     

季节性海冰驱动的冰期北大西洋“电容器”效应

第四纪冰期的千年尺度气候突变事件——Dansgaard-Oeschger Event (D-O事件),一直是古气候学领域关注的重点。近年来,数值模拟的研究发现,北大西洋副极地地区年际-年代际气候变率的振幅在D-O事件中的冰阶冷期远大于间冰阶暖期,这一现象为理解该区域海温代理指标的气候学意义提供了重要参考价值,但其动力机制尚不清晰。本文利用海气耦合气候模型(COSMOS),通过模拟氧同位素(MIS)3阶段的一个典型D-O事件过程,探讨了冰阶冷期北大西洋气候变率的放大机制。结果显示,北大西洋副极地海域的季节性海冰通过调控海气间热量交换,影响当地气候变率的幅度。冰阶期,热带暖水向北输送导致海洋次表层逐渐升温,削弱了表层-次表层海水的密度层结,有利于次表层暖水上涌,促进海冰融化及海表温度升高。这将激发出海平面气压的负异常,引起气旋式风切变,并通过Ekman抽吸作用加速表层-次表层海水的垂直混合,进一步促进次表层暖水的上涌。这一正反馈机制造成海洋次表层热量的迅速释放,海表温度快速升高。当次表层热量释放结束后,海表将无暖水补充,导致海表温度下降,海冰增多。该过程激发的海表气压正异常(即反气旋式风切变)将抑制垂直混合发生,促进次表层热量积累,为下一次放热过程提供条件。在间冰阶暖期,随着北大西洋季节性海冰消失,海气间热交换不再受海冰变化影响,海洋次表层与大气间的热交换始终处于准平衡态,气候变率的振幅显著下降。本研究结果显示,北大西洋季节性海冰的存在可以调控海洋次表层热量积累-释放的过程,产生“电容器”效应,这对理解冰期年际-年代际气候变率放大现象有重要启示意义。     

Variability of the Arctic front during the last climatic cycle: application of a novel molecular proxy

In the Nordic Seas, the Arctic front (AF) marks the boundary between the waters of the North Atlantic Drift/Norwegian Current and those of the Arctic domain. Long- or short-term shifts in the position of the AF may affect climate conditions in the northern hemisphere. Arctic water masses are also the loci of modern open ocean convection; hence, defining these areas in the past is important for reconstructing and modelling ocean circulation and its variability. C₃₇ alkenones are biomarkers for some algae of the Class Prymnesiophyceae (e.g. coccolitho-phorids such as Emiliania huxleyi). These alga occur in most parts of the oceans, in ice-free conditions, and are found nowadays throughout the Nordic Seas. We have related the sedimentary abundance of the tetraunsaturated C₃₇ alkenone (C_37:4) to two types of water masses in the Nordic seas. In locations affected by Atlantic water masses percentages of C_37:4 are less than 5%, whereas in Arctic type water masses these increase to more than 5%. We propose that this observation can be used as a modern analogue to reconstruct the position of the AF in North Atlantic Quaternary sediments. Using this novel molecular proxy we can infer that the southward migration of the AF in the NE Atlantic reached ≈ 50 °N during the last glacial maximum (LGM), but perhaps only 60 °N during the Younger Dryas, and that ocean conditions free of sea ice prevailed throughout the Northern North Atlantic in summer.     

Seasonally ice free glacial nordic seas without deep water ventilation

At present the Nordic Seas are a key region of North Atlantic Deep Water (NADW) formation. Two alternative scenarios have been suggested by some authors for the Last Glacial Maximum: (i) the Nordic Seas were permanently covered by sea ice, preventing the formation of NADW, or (ii) that they were seasonally free of ice and that deep water formation did occur. A modified scenario is presented here based on parallel ocean circulation modelling results from the GFDL primitive equation model and a planetary geostrophic model. It is suggested that the glacial Nordic Seas were at least seasonally ice free, but it is observed that there was never deep water formation from the surface; rather it occurred only in the North Atlantic south of 40°–50°N. North of 40°N, the weaker LGM northward flowing thermohaline conveyor is subducted below a reverse conveyor which occurred to a depth of over 1000 m. Various modelling experiments presented here indicate that the reversed conveyor was primarily caused by the colder conditions of the glacial North Atlantic that led to far stronger zonality of glacial analogue of the North Atlantic Current.     

Modelling tempo-spatial signatures of Heinrich Events: influence of the climatic background state

Different sea surface temperature (SST) reconstructions for the Last Glacial Maximum are applied to a hybrid-coupled climate model. The resulting oceanic states are perturbed by North Atlantic meltwater inputs in order to simulate the effect of Heinrich Events on the Atlantic thermohaline circulation (THC) and SST. The experiments show that both the Atlantic SST signature of the meltwater event and the time span of THC recovery strongly depend on the climatic background state. Data-model comparison reveals that the overall spatial signature of SST anomalies is captured much better in the glacial meltwater experiments than in an analogous experiment under present-day conditions. In particular, a breakdown of the modern THC would induce a much stronger temperature drop in high northern latitudes than did Heinrich Events during the ice age. Moreover, our results suggest that the present-day circulation can settle into a stable ‘off’ mode, whereas the glacial THC was mono-stable. Mono-stability may serve as an explanation for the recovery of the THC after Heinrich Event shutdowns during the Last Glaciation.     

A regional 8200 cal. yr BP cooling event in northwest Europe,induced by final stages of the Laurentide ice-sheet deglaciation?

The most notable change in δ¹⁸O in Greenland ice cores during the Holocene occurs at 8200 cal. yr BP. Here we present a new high-resolution marine record from the northern North Sea, along with tree-ring data from Germany, which contain evidence of a pronounced temperature drop (>2°C) contemporaneous with that of the Greenland ice-core records. The synchronous timing of the cooling event in the Greenland ice-cores, marine record and tree-ring data from northwest Europe reflects a regional influence on the North Atlantic ocean–atmospheric system, suggesting a prominent role of the North Atlantic thermohaline circulation. The operation of the North Atlantic ocean circulation is sensitive to variation in the freshwater budget, implying that any change in freshwater flux is capable of altering the North Atlantic circulation system. We hypothesise minor but long-term freshwater fluxes in the final stages of the deglaciation of the Laurentide ice-sheet as a forcing mechanism. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.