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 ?==∑∑??

11

T i,j 代表格点（i , j ）的气温，?i,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。

年平均气温在南大洋区域主要表现为下降的趋势，其中达到显著信度水平的大片突出地区是南大西洋和南美东岸的太平洋。在南极大陆及邻近区域，显著的增暖地区包括罗斯海及附近地区、别林斯高晋海及阿蒙森海地区、邻近南极大陆的50?E-60?E附近的南印度洋地区，以及玛丽皇后地地区；在东南极大陆也还有一些地区年气温呈下降趋势，不过下降的强度较弱，未达显著水平。因此总体上看，整个南极大陆及相邻地区，多数地方年气温都是以上升趋势为主，其中西南极上升趋势更为突出，东南极地区则上升不明显或有下降趋势。

年降水量有上升趋势的地区大致是与绕南极低气压槽的位置相吻合，而增加趋势显著地区的分布大致与气温上升趋势明显的地区比较接近或一致。而在50?S-60?S的南大洋地区降水有减少的趋势。

南极地区平均气温和降水都有上升趋势，从区域分布特点来看，也是气温有增加趋势的地区与降水有增加趋势的地区比较接近，这是可以理解的，在南半球普遍升温的情况下，更多的水汽从海洋进入到大气圈，从而有利于南极地区降水的增加。取南极大陆上139个格点来代表南极大陆，计算其气温和降水，年平均气温和年降水量间的相关系数可达0.57(n=23)，因此，气温的升高对南极地区降水的增加是有利的。这也可以从不同的大气环流模式（GCM）模拟结果得到证实，在CO2倍增情况下极地地区的降水响应是强烈的，最近GFDL、GISS和UKMO的模拟都显示当CO2倍增时极地地区积雪量将增加，而且与北极地区相比，南极地区积雪量的增加非常突出[13]。

4 大气环流的变化及其与气温、降水的关系

前面分析表明虽然南极地区总体上气温和降水都有上升的趋势，但有明显的区域差别。气温和降水变化的这种区域差别可能与南半球大气环流的作用有密切的关系。

4.1大气环流指标

在反映南半球中高纬地区大气环流的诸多指标中，大部分都是区域性的，反映的尺度也较小，且主要集中在新西兰、澳大利亚东南部及南极半岛和南美南端[14,15]。

最近的研究表明南半球中高纬地区大尺度大气环流变化最突出的特征是南极涛动[16]，即40?S-50?S纬度地带大部分区域与南极大陆及附近纬度气压的变化呈一种“翘翘板”形式的驻波性质关系，波节在55?S附近，计算纬圈平均海平面气压之间的相关，以40?S和65?S 间负相关最显著[16]，而且不管是对观测的、还是模拟的南半球及全球海平面气压场，进行经验正交函数分析南极涛动都是最显著的，解释的方差也最大1)；因此，文献[16]用40?S 和65?S纬圈平均海平面气压的差来定义南极涛动指数（即Antarctic Oscillation Index, 缩写AOI），对60?S到90?S的高纬地区，南极涛动指数平均可以解释海平面气压总方差的37.6%，南极涛动指数很好地刻划了南半球中高纬近地面大气环流的特征。

以往对南半球中高纬地区大尺度环流指标中研究得比较多的是“贯极指数”（即Trans-Polar Index，缩写TPI）[17,18,19]，最早Pittock（1980）发现南大西洋的Stanley（52?S，

1)龚道溢,1997: 20世纪全球大气涛动变率的研究. 北京大学博士学位论文.

58?W）气压与澳大利亚塔斯马尼亚岛的Hobart（42.88?S，147.33?E）气压存在反向变化的趋势，因此用Hobart与Stanley海平面气压距平的差来定义TPI。比较“贯极指数”和“南极涛动指数”的定义可以发现，从纬度位置上看，Hobart接近40?S，而Stanley则介于40?S 和65?S之间，所以Hobart和Stanley间海平面气压变化的显著负相关关系并不稳定，如1931-1960年间相关系数为-0.68，但1951-1982年期间则仅为-0.12（Carleton 1989）[18]，但是如果不用Stanley而用比它位置更偏南的Orcadas（60.7?S，44.7?W）等站与Hobart或新西兰的站点，则随时间变化仍然保持稳定的显著负相关，Orcadas及附近3个站平均气压与新西兰5个站平均气压夏季相关系数1903-1945年和1946-1990年期间分别达-0.53和-0.52（Villalba et al 1997）[19]。这也从另一方面说明用40?S和65?S平均海平面气压差定义的南极涛动指数对南半球中高纬大尺度大气环流有更好的代表性，也有更高的稳定性。1974年以来年平均、夏季和冬季的AOI变化见图5。

4.2 大气环流对气温和降水变化的影响

南极涛动的强弱反映的是南半球中高纬大尺度大气运动的形式与强度的变化，对南极地区气温和降水变化的影响是显著的[16]。

年平均气温与AOI的相关分布见图6a，显著的正相关区集中在南极半岛及附近大片地区，而罗斯海以东的地区和东南极大陆大片地区是显著的负相关，即南极涛动强时，南极大陆大部分地区气温都偏低而南极半岛及附近地区气温偏高。年平均降水与AOI的相关分布中，正相关主要分布在绕极低压槽及附近地区，南极大陆以负的相关为主，显著的负相关集中在罗斯海以东地区，见图6b。

气温、降水与南极涛动的这种相关关系的分布特征，与南极涛动变化引起的近地面大气环流的异常有很大关系。当南极涛动加强时，则40?S附近气压偏高，65?S左右地区的气压偏低，所以南极大陆上偏南风加强，使得气温偏低，而且气流主要由大陆吹向海洋，还由于地形的关系，地面主要表现为下吹风(katabatic wind)，都不利于南极大陆地区增加降水。而60?S-70?S地区当南极涛动强时，绕南极低气压带气压下降，意味着气旋活动的加强，这将导致降水的增加。

南极半岛及罗斯海以东地区的气温和降水的变化，都是表现为两个显著的相反性质的区域，这可能与南极涛动变化引起的低气压中心的强度和位置的变化有关。对比AOI最强和最弱两种情况下年海平面气压距平变化，发现南极涛动强时，罗斯海域的低压中心位置大大偏东，与正常状况相比，其变化向东可达一千多公里，到达阿蒙森海[16,20]。因此，低压东部的偏北气流和其西部的偏南气流都加强，且位置东移，形成南极半岛及附近区域气温和降水的正异常和罗斯海以东地区的负异常。

从年际变化来看，南极大陆的年平均气温和降水与南极涛动指数表现为反向的关系，当南极涛动强时，气温偏低，降水量减少，年平均南极涛动指数和南极大陆139格点计算的年平均气温及年降水量之间的相关系数分别为-0.55和-0.31。

但是，从长期变化趋势来看，南极涛动指数也有上升的趋势，夏季的上升趋势比冬季更明显。夏季南极涛动指数的上升趋势与气温的下降趋势与年际尺度上二者的反向关系是一致的，说明夏季气温的长期变化（即下降趋势），南极涛动可能有很大的贡献的。但是，

夏季和年的降水及年平均气温都与年际涛动指数有相同的上升趋势，这与年际尺度上南极涛动指数和南极地区降水及气温的反向关系是不一致的。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，而通过南极涛动的变化又进一步影响和改变区域的气温和降水，因而造成在全球增暖的大背景下区域气候变化在不同地区的差异。

5 结论

由再分析资料格点资料，按面积加权计算的平均气温和降水有较好的代表性。近二十多年来南极地区年平均气温有上升的趋势，在气温变暖的背景下，年降水量也有增加的趋势。

气温和降水的变化不同季节和地区有较大的差异。气温的增暖主要是冬季和春季，而夏季平均气温呈下降趋势。东南极地区一些地区的年平均气温也有下降趋势。降水增加最显著的区域集中分布在绕极低压槽附近地区。

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。而通过南极涛动的变化使得南极地区对全球变暖响应的方式和强度、及区域的差异等都发生变化。

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Antarctic Climate Change Under the Background of Global Warming

Gong Daoyi

(Department of Geophysics, Peking University, Beijing 100871)

ABSTRACT

This paper analyzed the characteristics of surface temperature and precipitation changing over the Antarctic region in the past two decades based on the NCEP-NCAR reanalysis data. Under the background of global warming, the temperature of Antarctic region increases in winter, spring and autumn, but the summer temperature tends to reduce. The annual temperature also increases. The strongest warming occurs in winter. Antarctic precipitation of all four seasons is increasing. The variation of temperature and precipitation has different features in different area. Evidence shows that the atmospheric circulation may play an important role in the difference between places. Annual averaged AOI correlated to surface temperature and precipitation of Antarctica is -0.55 and -0.31 respectively, and the temperature to precipitation is 0.57. These show that in annual scale the variation of surface air temperature and precipitation are both affected , or controlled, by the AOI. But, all AOI, temperature and precipitation have the same upward trend, especially the trend of AOI and precipitation is pronounced. One feasible explanation is that under the background of global warming, Antarctic temperature is also increasing, higher temperature means more moisture in air, then increasing precipitation can be expected. Many general circulation models also suggest that precipitation amounts in polar latitudes will increase under double CO2 scenarios, especially in Antarctic region.

Key Words: global warming, Antarctica, climate change, Antarctic Oscillation