南极海冰变率及南极大气环流演变的观测分析、数值模拟和机制解析

In contrast to the large background of global warming, Antarctic Sea Ice has abnormally increased over the past several decades. This so called “Antarctic Paradox” has drawn broad attention from the climate research community. Recent study pointed out that Antarctica is playing a key role in the Earth’s climate system. It drives the deep-ocean circulation and further impacts on global climate. Moreover, the ocean-ice-atmosphere interaction around Antarctica influences the global climate system, as well as regional climate around China. Antarctic sea ice is driven by local atmospheric circulation, while the later is affected by changes in key factors such as radiative forcing and tropical-polar teleconnection.We therefore propose to comprehensively study the impact of the above climate factors on Antarctic circulation, and its driving mechanism on sea ice. We will first develop techniques to effectively combine multi-source observational datasets to study interannual and decadal Antarctic sea ice variability. We will then apply a series of atmosphere, ocean and coupled models to simulate Antarctic sea ice and atmospheric circulation, in order to systematically analyze the various climate factors and mechanisms that influence Antarctic sea ice variability. This project will help to explain the Antarctic Paradox. More importantly, it will contribute to our understanding of climate phenomena such as global warming hiatus, and has significant implications for the decadal predictability of the global climate system, and in particular, the East Asian climate.

全球变暖不仅未能导致南极海冰消融，反而出现海冰面积增加的现象，被学术界称为“南极悖论”。研究表明，南极海冰对地球气候系统有重要影响，它驱动大洋温盐环流，而海－冰－气相互作用又对全球也包括我国周边区域气候造成显著影响。另一方面，南极海冰受周边大气环流的驱动，而后者又受辐射强迫变化、热带与极地遥相关等因素的影响。因此，研究各气候要素对南极大气环流的影响及其对海冰的驱动作用机制，对于解析地球气候系统具有重要价值。本项目首先将多种观测数据有机结合，量化分析南极海冰及大气环流的年纪和年代纪变率；并应用大气模式模拟南极大气环流演变的多种气候要素，进而将大气环流模式结果与理想模型和经典理论模型相结合，探讨改变大气环流各要素间的相互关系和作用机制；最后通过海气耦合模式模拟上述气候要素对海冰变率的影响。为解释南极悖论、理解全球变暖及其停滞、以及我国局地气候系统演变等问题奠定基础。

在2015年之前，全球变暖不仅未能导致南极海冰消融，反而出现海冰面积增加的现象，被学术界称为“南极悖论”；而在2015年之后，南极海冰突然崩溃式消融，南极海冰面积创下历史最低记录。我们针对这些现象开展了一些列研究。我们首先对南极区域气象站和自动气象站数据进行系统的收集、整理和订正，并针对南极区域再分析数据开展了系统的评估；之后将观测数据与多种数值模式的模拟试验有机结合，比较了热带大西洋和热带太平洋年代际变率通过热带-南极遥相关对南极气候产生影响的差异，发现大西洋AMO在2000年前对南极尤其是西南极的环流和海冰变化起到主导作用，而太平洋IPO在2000年后慢慢变得更为重要；我们也应用多种模式开展数值模拟，研究南极海－冰－气相互作用对海洋气候变率的影响，发现南极海冰的变率可能造成南大洋次表层升温，加速冰川融化；我们最后针对近5年来南极海冰崩溃式消融开展研究，探讨了南极海冰短时快速消融的机制，发现热带-极地遥相关过程、南极海洋动力学过程以及南极海洋-海冰-大气相互作用过程对近年来海冰加速消融都起到了至关重要的作用。这些研究帮助理解了近年来南极海冰的气候变率，也对理解南极多圈层气候变化和它们之间的相互作用机制具有重要意义。课题负责人也因此受邀作为第一作者，与国内外南极气候变化方向的专家一起撰写了南极气候变化与热带-极地遥相关的综述文章。南极气候变化，尤其是南极海冰和冰川的变化可能通过影响海平面上升、调整全球能量输送和碳循环等对全球气候产生关键影响。本课题的科研工作对我国的社会安全和我国海洋和极地战略都具有重要的意义。