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提前预报厄尔尼诺:南极大陆的三个海冰开关

已有 3180 次阅读 2011-3-6 17:24 |个人分类:全球变化|系统分类:论文交流|关键词:厄尔尼诺,南极环流,德雷克海峡,海冰| 厄尔尼诺, 海冰, 德雷克海峡, 南极环流

提前预报厄尔尼诺:南极大陆的三个海冰开关

                       杨学祥,杨冬红

    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[1~7]

       Van Andel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[3, 7]。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[3, 4]。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[8]

 

               1 全球气候的三个海冰启动开关示意图

               Fig1 Sketch map of three sea-ices switches for global climate

 

    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德雷克海峡海冰的气候开关效应(1) [9-10]

    同样,非洲海冰开关可控制南大西洋的海洋环流,澳大利亚海冰开关可控制印度洋的海洋环流。由于德雷克海峡通道狭窄,海冰开关的控制效果更为显著。

    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1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[10]

    日本和法国合作的一项新研究表明,厄尔尼诺现象发生约一年前,印度洋表层水温会出现变化。研究人员因此认为,如果利用人造卫星监测印度洋表层水温和其上空云团的变化,提早一年就可预报厄尔尼诺现象的发生。 所谓厄尔尼诺现象,是指南美洲秘鲁等国家外海所处的太平洋赤道海域表层水温上升带来的全球异常气象。每当厄尔尼诺现象严重时,全球一些地区将暴雨成灾、洪水泛滥,而另外一些地区则久旱无雨、农业歉收。 日本海洋研究开发机构与东京大学、法国海洋开发研究院合作,对太平洋和印度洋表层水温500年来的变化情况进行了模拟计算。研究人员发现,在厄尔尼诺现象发生的十多个月前,印度洋东侧表层水温将有所上升,而印度洋西侧表层水温则有所下降。 研究人员由此推断,印度洋和太平洋之间的大气循环系统紧密相连,只要着眼于印度洋表层水温的变化,就能够预测约一年后太平洋可能出现的变化。这一成果已于2010222刊登在英国《自然—地球科学》杂志网络版上。 目前,国际上已存在不少厄尔尼诺预报模型,其中一些曾数次在厄尔尼诺现象发生前几个月就成功预报,但总体而言成功率并不高。日本的这项新研究成果则将预报时间提早到厄尔尼诺现象发生前约一年,不仅大大提早了预报时间,也为研制更准确的预报模型提供了新思路。 《自然—地球科学》杂志在为这项研究配发的一篇文章中说:“如果要扩展有关厄尔尼诺预报的视野,那么无论是经验预报模式,还是动态预报模式,都要把印度洋和太平洋的情况同时考虑在内[11]。”

    日本和法国合作的一项新研究表明,厄尔尼诺现象发生约一年前,印度洋表层水温会出现变化。这是澳大利亚海冰开关先于德雷克海峡海冰开关被打开的证据。南大西洋表层水也会有相应的变化,我们应该通过卫星监测三个海冰开关开启的先后循序。

参考文献

1. Frakes. L.A. and Kemp, E.M., 1972. Influence of continental positions on Early Tertiary climate. Nature, 240: 97~100.

2. Frakes. L.A. and Kemp, E.M., 1973. Palaeogene continental positions and evolution of climate. In: D.H. Tarling and S.K. Runcorn (Editors), Implications of Continental Drift to the Earth Sciences, 1. Academic Press, London, pp. 539~559.

3. Frakes, L. A., 1979. Climates throughout geologic time. Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam—Oxford—New York, pp. 182, 192, 200, 223, 315.

4. Kaneps, A., 1970. Late Neogene Biostratigraphy (Planktonic Foraminifera) Biogeography and Depositional History. Ph. D. Dissertation, Columbia University, New York, N.Y., pp. 299~328.

5. Kennett, J. P., Burns, R. E. and Andrews, J. E. et al., 1972. Australian-Antarctic continental drift, palaeocirculation changes and Oligocene deep-sea erosion. Nature, 239: 51~55

6. Kennett, J. P., Houtz, R. E. and Andre, P. B., 1975. Antarctic glaciation and the development of the Circum-Antarctic Current. In: Initial Reports of the Deep Sea Drilling Project, 29. U.S. Government Printing Office, Washington, D.C., pp. 1155~1170

7. Van Andel, T. H., Heath, G.R. and Moore, T.C., 1975. Cenozoic History and Paleooceanography of the Central Equatorial Pacific Ocean. Geol. Soc. Am., Mem., 143: 134 pp.

8. 杨学祥. 2002, 厄尔尼诺现象的构造基础与激发因素. 西北地震学报, 244):367-370

9. 杨学祥.2003,青藏高原隆升的潮汐-均衡模式. 世界地质, 22(2): 119-123

10.     杨学祥. 2003, 太平洋环流速度减慢的原因. 世界地质, 22(4): 380-384.

11.     罗园。厄尔尼诺现象可提早一年预报。来源:科学时报 2010022316:02http://it.sohu.com/20100223/n270386593.shtml

 

 

南极大陆的三个海冰开关



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2 钟炳 杨华磊

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