南极海冰的季节性变化及其对拉尼娜的影响

                          杨学祥，杨冬红

一、南极海冰的季节性变化

据马丽娟等人（2004）的研究，南极海冰有明显的季节性变化，以9月份最多，2月份最少，海冰冻结速度明显慢于融化速度。2月份南极海冰北界位置最南，海冰面积最小；而在冬季的9月份海冰北界位置最北，海冰面积最大。此外，由夏到冬海冰冻结期为7个月，而由冬到夏海冰融化期只有5个月，即海冰融化速度快，季节短，冻结增长阶段相对较慢。南极海冰季节变率最大的区域是威德尔海区和罗斯海区，季节变率最小的区域是南极半岛地区。

两极地区的气温变化与极昼和极夜有关。极昼（polar day），又称永昼或午夜太阳，是在地球的两极地区，一日之内，太阳都在地平线以上的现象，即昼长等于24小时。极昼只会出现在南极圈和北极圈，当南极出现极昼的时候，北极就出现极夜，反之一样。因为地球转动是倾斜的，所以在夏，冬季的时候，地球转动时，北极朝向太阳，尽管地球怎样转，也总是朝向太阳，所以就出现极昼了，反之一样。而南极圈和北极圈是对立的，所以北极出现极昼时，南极就出现极夜了，反之也一样。极昼和极夜只会出现在夏季和冬季。

太阳直射点在哪个半球，哪一极就会出现极昼现象。极昼的范围与太阳直射点纬度有关，其边界与极点的纬度差就是太阳直射点的纬度。

对于北半球，春分过后，北极附近就会出现极昼，此后极昼范围越来越大；至夏至日达到最大，边界到达北极圈；夏至日过后，北极附近极昼范围逐渐缩小，至秋分日缩至0；秋分过后，北极附近出现极夜，此后北极附近的极夜范围越来越大；至冬至日达到最大，边界到达北极圈；冬至日过后，北极附近极夜范围逐渐缩小，至春分日缩至0。

南半球的季节变化与北半球正好相反，春分过后，南极附近就会出现极夜，此后极夜范围越来越大；至夏至日达到最大，边界到达南极圈；夏至日过后，南极附近极夜范围逐渐缩小，至秋分日缩至0，这是南极海冰面积9月份最大的原因；秋分过后，南极附近出现极昼，此后南极附近的极昼范围越来越大；至冬至日达到最大，边界到达南极圈；冬至日过后，南极附近极昼范围逐渐缩小，至春分日缩至0，这是南极海冰面积在2月达到最小值的原因（提前一个月的原因在于海冰融化速度快）。

二、南极海冰的气候开关作用

在短周期的气候变化中，德雷克海峡中的海冰进退控制气候变化的一个可能模式是：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，加强沃克环流及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水减少；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，使部分本应北上的水流转而进入德雷克海峡，造成秘鲁海流变弱和东太平洋表面海水变暖，减弱沃克环流；结果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，称之为南极环大陆海冰的气候开关效应（图1）。

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，阻塞环南极大陆的海流，加快南太平洋环流，并从向极方向连接南极洲热输送，从而使南极洲变暖；当南极洲的温度变暖时，存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I，澳大利亚海冰开关II和德雷克海峡开关III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。

图1. 全球气候的三个海冰启动开关示意图

南极海冰季节性变化幅度较大.海冰净冰面积在2月最小，为2.3×10⁶ km²，在9月最大，为15.4×10⁶ km²，最大值约是最小值的6.5倍。南太平洋低纬度的海温，历年在3月附近为最暖，9月附近为最冷。日长在1月份比在7月份要长，即1月的地球自转速度比7月减慢。在南、北半球±10^o的低纬度地区，自东而西的太平洋赤道洋流在2月最大流速为51 cm/s，8月最大流速大于77 cm/s。即8月赤道洋流流速要明显地大于2月。

南半球冬季冰冻线使非洲、澳大利亚和南美洲与南极洲的表面水流宽度分别缩小到原来的1/3、1/2和1/8。这种情况在平面地图上是难以觉察到的。南极半岛的海冰面积在2月最小，扩大了德雷克海峡海水通道，使南半球西风漂流速度加快，使太平洋外循环加快，内循环减慢，减弱秘鲁寒流，有利于厄尔尼诺事件的形成，对应赤道太平洋3月海水最暖，流速降低；南极半岛的海冰面积在9月最大，缩小了德雷克海峡海水通道，使南半球西风漂流速度减慢，增强秘鲁寒流，有利于拉尼娜事件的形成，对应赤道太平洋9月最冷，流速增大，使太平洋外循环减慢，内循环加快。

德雷克海峡的海冰大小控制了太平洋的内循环和外循环，控制了太平洋热能的热输出。检测德雷克海峡海冰变化可发现厄尔尼诺现象发生的前兆：南太平洋外循环加快内循环减慢有利于厄尔尼诺事件的形成；外循环减慢内循环加快有利于拉尼娜事件的形成。

厄尔尼诺事件的发生是北太平洋积累的热能向南太平洋输送的结果，潮汐南北震荡加快了南北太平洋的热能输送。德雷克海峡的海冰变化具有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。

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（东太平洋南美沿海的海温降低），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，形成厄尔尼诺事件。反之，“拉尼娜”事件出现。

2014年9月南极半岛海冰达到1979年以来最大值，阻止了2014年超级厄尔尼诺的发生，2015年超级厄尔尼诺能否发生，取决于2015年9月南极海冰最大值的异常程度，异常变小将导致强厄尔尼诺的发生。

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http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-891293.html

2016年9月21日南极半岛海冰面积明显少于2015年9月24日，秘鲁寒流增强的趋势受到遏制。这是目前拉尼娜发展缓慢的主要原因。2016年9月21日南极半岛海冰面积也明显少于2016年8月18日。

2016年9月21日南极半岛海冰面积明显减少是十分罕见的特殊事件，与2014-2016年月亮赤纬角最小值导致的2014-2016年创纪录的高温记录密切相关，值得我们特别关注。

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2016年2月25日南极半岛海冰面积最小值非常显著，使秘鲁寒流减弱，对超级厄尔尼诺延续到2016年第一季度做出了贡献。

对比2015年9月24日和2016年2月25日南极半岛海冰面积最大面积和最小面积，我们可以明显看到南极半岛海冰面积大小变化对厄尔尼诺和拉尼娜的影响。

关注2016年10月南极半岛海冰面积变化对拉尼娜的影响。

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有利于拉尼娜生成和发展的条件：

2月南极半岛海冰面积最小值异常变大；

9月南极半岛海冰面积最大值异常变大。

参考文献

马丽娟，陆龙骅，卞林根。南极海冰的时空变化特征。极地研究。2004,16（1）：29-37.

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

杨学祥. 大气、海洋与固体地球的能量交换. 世界地质, 2004, 23(1): 28-34

杨冬红，杨学祥。澳大利亚夏季大雪与南极海冰三个气候开关。地球物理学进展。2007，22（5）：1680-1685。