基于南极冰芯记录的300年来南半球环状模（SAM）的时空演化分异特征研究

Southern Annular Mode (SAM) is the principal mode of the Southern Hemisphere extra-tropical atmospheric circulation. The variability of SAM on multiple timescales could influence both the regional- and global- scale climate systems significantly; therefore the evolution patterns of SAM have aroused more and more concern in recent years. However, the spatial variation characteristics of SAM have not been clarified so far. In this study, the stable isotope ratios, ion concentrations of the ice cores collected in different Antarctic regions are utilized as the potential proxies of SAM reconstruction,and the NCEP/NCAR, ERA-40 reanalysis are the secondary data. The correlations between ice core records (time resolution and climatic implications of the proxies of ice cores are comparable) and atmospheric pressure anomalies will be investigated with the aids of spatial analysis models. Subsequently, the proxies of SAM reconstruction could be established. The SAM evolution sequences in varied geographical regions then will be reconstructed from a spatial differentiation perspective, and the interannual and interdecadal variabilities, amplitudes and phases of different SAM sequences could be elucidated.Thereby, the spatial variations of SAM could be illuminated. Together with the 300 years' ice core records, variations of atmospheric circulation and substances transport processes can be expounded. The interpretation of spatiotemporal evolution characteristics of SAM is helpful to the precise prediction of SAM trends, and it is also of great significance to assess and understand the parameters in the models of future climate change, which is meaningful to the validity of climate change forecasting.

SAM是南半球热带外大气环流的主要模态，其变率在多个时间尺度上对全球及区域气候系统产生重要影响，因此其演化规律近年来得到较多关注，但SAM演化的空间变异规律尚不清晰。本研究以南极不同地理单元冰芯稳定同位素、离子浓度等数据资料为基础，在冰芯记录定年精度、时间分辨率等具有可比性的前提下，结合再分析资料，利用空间分析工具探讨冰芯记录与大气场异常的关系，构建反演SAM序列的代用指标；从地理空间分异的研究视角重建过去300年SAM序列，揭示不同地理单元SAM演化的年际-年代际变化规律、变化幅度和位相关系等，进而阐明SAM演化的空间变异特征；结合300年冰芯记录进一步探讨南极不同区域大气环流和物质输送过程的变化。SAM时空演化特征的探讨有助于预测SAM发展趋势，对评估和理解气候变化模型参数、提高气候预测精度等具有重要的科学意义和价值。

本项目紧密围绕南极不同地理单元冰芯记录与南半球环状模（SAM）的关联开展相关研究工作，通过再分析资料研究过去几十年来SAM演化的时空分异特征，在此基础上分析SAM序列与冰芯记录的相关性，进而通过冰芯记录构建长时间SAM序列（300年），并对其变化规律进行分析。结果表明，利用ERA-40再分析资料重建的不同区域SAM序列表现出明显的空间差异，在过去50年SAM正位相发展明显，根据海陆区域位置，划分为印度洋扇区、太平洋扇区和大西洋扇区，相比较而言，大西洋扇区SAM正位相场相对较弱。SAM与冰芯记录为同期变化，冰芯中NO3－、海盐组分（以Na+为代表）和水同位素比值δ18O同SAM指数具有较好的关联性；冰芯中SO42-和MSA同SAM存在一定的关联，但相关性不显著；西南极冰芯记录的积累率同SAM具有较强的关联。需要说明的是，冰芯中各参数与SAM的相关性存在较大的空间差异。本项目共收集整理了南极33套冰（雪）芯数据记录，重点对Na+的变化特征进行了分析，部分区域冰芯（14组）中Na+在过去几十年表现出明显的时间变化特征，可能受SAM的影响明显，但这些冰芯同时分布在南极沿岸和内陆区域，表现出明显的空间差异。以1组南极内陆冰芯Na+为基础，重建了过去300年的SAM序列，在多年代际时间尺度上，该SAM序列同其它代用指标重建的序列表现出较好的一致性，结果显示SAM序列在多年代际时间尺度上表现出一定的周期变化特征，但相关机制仍不清晰。此外，利用南极内陆雪坑记录研究了各化学指标与SAM的关系，发现δ18O和SAM序列没有显著的相关性，从而排除了前人提出的在南极内陆区域雪冰中δ18O可能较好的指示SAM趋势的推断；同时其它各化学指标同SAM序列的相关性也较差，说明在南极内陆地积累率区域，由于沉积后的平滑作用，在年际时间尺度上雪坑（雪芯）记录可能很难较好反映南半球大气环流的主要变化特征。通过本项目的实施，在南半球大气环流与冰芯记录方面获得了一系列重要成果，为利用冰芯记录定量重建过去大气环流提供了重要的科学依据。