太平洋环流速度减慢与绕南极大陆环流增强

南太平洋环流速度减慢与绕南极大陆环流增强杨冬红，杨学祥1南极大陆的温度变化对来自美国“国家海洋大气管理局(NOAA)”卫星资料（高级甚高分辨雷达）南极地表1982---2004年温度趋势图的分析结果表明，南极极区地表温度的趋势为冷，而南极半岛区（图左偏上）的趋势突出地偏暖。以上说的“地表温度”是指南极陆地表面几毫米和海面的，而不是南极地区大气的温度。对南极极区的趋势为冷的一个可能的解释是，南极四周海水温度偏暖，造成在南极大陆内陆有更多的降雪，从而使南极的高地区域变冷。另一个可能的解释是臭氧的减少。通常臭氧在极地平流层吸收紫外线使平流层增温，但是臭氧的减少使极地平流层趋于变冷，从而增强极地旋涡。它形成的绕极区的强风就像一堵大气栅栏，挡住了来自南极海岸的较暖空气向南极内陆移动。形成强极地旋涡是南极内陆冷趋势的一种解释[1]。图1来自NOAA卫星资料（高级甚高分辨雷达）南极地表1982---2004年温度趋势图实际上，更科学的解释是南极大陆周边的海洋绕极环流作用。南极半岛变暖使海冰大量融化，扩大了德雷克海峡通道，拓宽了绕南极环流，并隔断了对南极洲的向极热输送，因而使南极极区变冷。2过去三十年来太平洋环流速度放慢和南极半岛变暖相对应观测发现，过去三十年来，南北两半球的亚热带太平洋海域与赤道太平洋海域之间的环流速度有所放慢。但这一现象与地球气候变化之间有何关系目前尚不能确定。在亚热带太平洋海域，较冷的水在１００米至１０００米深处流向赤道，在赤道海域浮上水面，然后从表面折返亚热带海域，形成两个大的环流。太平洋的两大环流在从２０世纪７０年代开始发生了变化，过去３０年中，从亚热带到达赤道海域的海水减少了２５％。在此之前，气象学家已经注意到，赤道太平洋海域的海面水温过去３０年来已上升了０．８摄氏度，这使他们困惑不解。因为过去５０年里这一海域上空的云量在增加，本来应该使水温下降才对。对此提出的新解释是，由于太平洋环流速度放慢、从亚热带流向赤道的较冷的海水减少，造成了赤道海域水温上升。还有专家猜测，太平洋环流速度放慢，可能与２０世纪７０年代中期以来厄尔尼诺现象越来越频繁而且持久有关[2]。众所周知，太平洋的两大环流是靠赤道信风带和中纬度西风带的风力推动而形成赤道暖流和西风漂流组成的环流。北半球的西风漂流受大陆的阻隔，表现为北太平洋暖流和北大西洋暖流，与北赤道暖流形成一个封闭的环流；由于太平洋、印度洋和大西洋在南半球彼此相连，南半球的西风漂流畅行无阻，形成开放性的西风漂流。因此，南太平洋的环流速度与南极半岛的德雷克海峡海冰状况密切相关。如果德雷克海峡被海冰封闭，南太平洋的环流速度就会大大增加[3]。由于德雷克海峡海冰增减的控制，南太平洋环流速度和绕南极大陆环流速度呈反向变化：海冰增加阻挡绕南极大陆环流通道，绕南极大陆环流减慢，秘鲁寒流增强，南太平洋环流加快，增强赤道向南极的热输送，使南极大陆变暖；海冰减少拓宽绕南极大陆环流通道，绕南极大陆环流加快，秘鲁寒流变弱，南太平洋环流减慢，减弱赤道向南极的热输送，使南极大陆变冷。2过去三十年来南极半岛增温显著海冰逐渐减少近30余年来50oS以南各区域都存在着一个变暖倾向，50oS~90oS1957~1993年10年平均变化趋势为0.20oC，增温幅度大于全球平均的0.3~0.6oC/100a。其中在南极半岛地区近30余年来，尤其是近10余年来增温最为显著。气温变化导致南极大陆海冰的同一趋势变化[4]。根据1973年到1993年的观测资料统计分析结果，70年代中上期是多冰年代，自中后期直到80年代中后期是少冰年代，就平均而言，南极地区从1973年到1989年，海冰范围有一个约0.16纬度/10年的减少趋势，自80年代后期到90年代初，南极海冰面积又呈现逐渐增多的趋势，因此，1973年以来南极海冰总体平均仍为微弱的减少趋势。其中，别林斯高晋海和南极半岛两侧海域海冰面积峰值在1977~1978年以后，直到1994年都是少冰时期，只在1987年前后海冰有短暂的少量增多(见图1)[4]。显然，环南极大陆（特别是德雷克海峡）海冰从70年代以后减少与太平洋环流速度减慢有很好的对应关系。这种对应关系与地球气候变动历史相一致[5~11]。从图2中可以看到，南极半岛海冰变化在1973~1994年5月期间是一个大的单峰期，最高峰期在1980年3月，比其它地区滞后4~5年，最低谷值在1994年5月，比其它三个区滞后6~7年[3]。以此速度计算，南极半岛海冰将在2000年以后开始增加。105km2图2南极大陆海冰净冰面积指数历年月平均距平累计变化趋势[4]Fig2TrendofseaicechangesonSouthPolecontinent[4]《中国海洋报》2000年5月12日报道(资料来源：)，据最新气象卫星云图预测，从2000年开始，“拉马德雷”正在进入“冷位相”阶段，这将使“拉尼娜”现象的影响加剧，对全球气候产生重大影响。“拉马德雷”是一种高空气压流，分别以“暖位相”和“冷位相”两种形式交替在太平洋上空出现，每种现象持续20年至30年。近100多年来，“拉马德雷”已出现了两个完整的周期。第一周期的“冷位相”发生于1890年至1924年，而1925年至1946年为“暖位相”；第二周期的“冷位相”出现于1947年至1976年，1977年至90年代后期为“暖位相”。当“拉马德雷”现象以“暖位相”形式出现时，北美大陆附近海面的水温就会异常升高，而北太平洋洋面温度却异常下降。与此同时，太平洋气流由美洲和亚洲两大陆向太平洋中央移动。当“拉马德雷”以“冷位相”形式出现时，情况正好相反。如果“暖位相”的“拉马德雷”与“厄尔尼诺”相遇，将使其更强烈，出现的次数更频繁；假如“冷位相”的“拉马德雷”与“拉尼娜”现象相遇，那么“拉尼娜”将显示强劲的势头，出现频繁。2000年“拉马德雷”进入“冷位相”阶段使地球系统出现了一系列反常现象，其前发生的1997~1998年厄尔尼诺事件和其后发生的1998~2000年拉尼娜事件都异乎寻常的强烈。显然，1977~2000年的“拉马德雷暖位相”与30年来南极半岛增温海冰减少以及太平洋环流速度减慢有非常好的对应关系。3德雷克通道对全球气候的影响在整个中生代，全球各大陆集中在一起，形成一个几乎从一个极延伸到另一个极的巨大的单一陆块，这种轮廓肯定有助于周围大洋中的高效率向极热输送。在南、北两半球，一个单一的环流系统作用范围至少达到纬度55o，以致宽阔的、深而缓慢的赤道流在穿过低纬度大于180o弧的旅途中被大大加热。中始新世和早渐新世之间的总的温度下降，在整个新生代都是最急剧的。这种下降被认为由如下原因引起：1)德雷克通道和塔斯马尼亚以南的通道开始为全球循环和气候上隔离的环极流打开了通路；2)由于澳大利亚-新几内亚向北移动，吸热的赤道水面积缩小；3)特提斯海关闭，不能使赤道环流通过[5~11]。VanAndel等人(1975)在分析了太平洋所有不整合之后提出,德雷克通道的打通可能形成了环极流，并隔断了对南极洲的向极热输送，因而产生了冰架和冷的底水[7,11]。对第三纪早期普遍变冷起作用的明显构造事件是巴拿马地峡的封闭，因而限制了大西洋与太平洋之间赤道水体的交换[6,7]。同理，德雷克海峡被扩展的南极冰盖封闭，导致气候上隔离的环极西风漂流带的消失，加强赤道热流向两极的输送，使扩展冰盖趋于消失。这是南极冰盖不能扩展成南半球大冰川的一个重要原因[12-14]。既然德雷克通道在中周期和长周期的气候变化中起决定性的作用，那么在短周期的气候变化中，德雷克海峡中的海冰进退关系重大。一个可能的模式是：南极半岛海冰增多使西风漂流在德雷克海峡受阻，导致环南极大陆水流速度变慢和南太平洋环流速度变快，部分受阻水流北上，加强秘鲁寒流，使东太平洋表面海水变冷，加强沃克环流，增强赤道太平洋热流与南极环流的热交换，增温的南极环流使南极半岛的海冰减少；南极半岛的海冰减少使德雷克海峡水流通量增加，导致环南极大陆水流速度变快和南太平洋环流速度变慢，部分本应北上的水流转而进入德雷克海峡，使秘鲁寒流变弱，使东太平洋表面海水变暖，减弱沃克环流，使堆积在太平洋西部的暖水东流，减弱赤道太平洋热流与南极环流的热交换，降温的南极环流使南极半岛海冰增加。这就是德雷克海峡的海冰变化调控全球气候变化的机制，我们称之为南极环大陆海冰的气候开关效应(图3)[13，14]。图3全球气候的三个海冰启动开关示意图Fig3Sketchmapofthreesea-icesswitchesforglobalclimate当南极洲的温度变冷时，存在很多海冰的德雷克通道处于封闭状态，阻塞环南极大陆海流，加快南太平洋环流，并从向极方向连接南极洲热输送，因而使南极洲变暖；当南极洲的温度变暖时，存在很少海冰的德雷克通道处于开放状态，打通环南极大陆海流，减慢南太平洋环流，并从向极方向隔离南极洲热输送,因而使南极洲变冷。如图3所示，非洲海冰开关，澳大利亚海冰开关，以及德雷克海峡海冰开关控制了环南极大陆海流，并从向极方向隔离或连接向南极洲的热输送，因而增加或减少在非洲、澳大利亚和南美洲西部的海洋寒流流量。因此，南太平洋海温的增加和减少在环南极三个“海冰开关”的控制下不断交替发生，与南太平洋环流速度减慢与增加相对应。4证据与结论据2006年4月21日出版的美国《科学》周刊312卷第5772期中的报告（TimingandClimaticConsequencesoftheOpeningofDrakePassage,HowieD.ScherandEllenE.Martin），科学家说，太平洋和大西洋看起来是在大约4100万年前在南美洲和南极洲的一个点连起来的，这比过去的许多估计要早，这项研究也许能使研究人员更好地了解造成约3400万年前南极洲冰川作用普遍出现的原因。这个名为德雷克海峡的通道的打开，被认为是南极绕极流(ACC)形成的关键的一步。如今，这个环绕南极洲的大洋流是南部海洋生产力的主要来源，而且人们认为ACC使温暖的海水不流向南极大陆。ACC也许通过在南极洲与较暖的低纬度水之间提供热隔离，在3400万年前南极冰架的形成上起过重要的作用。过去对德雷克海峡形成年代的估计最早为4900万年前，最迟为1700万年前，这就比较难分析德雷克海峡和ACC在南极洲冰川作用中起了什么作用。在这项新研究中，HowieScher和EllenMartin用来自鱼牙齿化石的同位素显示，来自太平洋的水在4100万年前通过德雷克海峡进入了大西洋。这比ACC3500万年前形成的最后阶段以及早新生代温室气候变化后南极大陆主要冰架生长都要早许多。德雷克海峡的海冰开关作用再一次得到证实。综合分析表明，南极半岛变暖海冰减少使绕南极大陆环流增强，南太平洋环流减弱，海洋环流隔热作用增大，南极大陆气候变冷；南极半岛变冷海冰增多使绕南极大陆环流减弱，南太平洋环流增强，赤道与南极热交换加剧，南极大陆气候变暖。南极半岛变暖海冰减少导致的太平洋环流速度减慢与绕南极大陆环流增强，是南极半岛与南极大陆气温反向变化的地球物理原因。参考文献1.玉珀编译。南极地表1982---2004年温度趋势图。气象港-快讯。2006年4月27日(气象港*20060427*kx1981*朝霞*自NASA每日图片2006-4-27)=an&tid=50&id=55302.MichaelJ.McPhadenandDongxiaoZhang.2002,SlowdownofthemeridionaloverturningcirculationintheupperPacificOcean.Nature,415:603-608.3.杨学祥.太平洋环流速度减慢的原因.世界地质,2003,22(4):380-384.4.周秀骥,陆龙骅主编.1996,南极与全球气候环境相互作用和影响的研究.北京:气象出版社.2,12,380,381~392.5.Frakes.L