南极海冰气候开关：早始新世气候适宜期与始新世气候变冷原因

                              吉林大学：杨学祥，杨冬红

      刘青松教授最近指出，在渐新世这么长时间内，如果说南半球构造运动（比如塔兹曼海道和德雷克海峡的开启等）对全球变冷一点作用也没有，好像也说不过去。毕竟长尺度的构造运动会影响大洋的洋流模式。比如，在PETM之前的南北大西洋贯通，就有助于形成MOC，为高位输送热量提供新的路径，从而为全球升温，做好铺垫。但是，想要确定这一时期具体的洋流模式还非常缺乏数据支持。我们可以构建一个系统的研究，在EECO结束前后，系统研究南极洲的大陆气候、侵蚀历史、南大洋深水形成与全球开始变冷的关系。

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       我们在2007年撰文指出，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]。

       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(图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]。

       南极海冰变化的拉马德雷周期

       南极海冰变化与拉马德雷（PDO，即太平洋十年涛动）现象相关：在1947-1976年拉马德雷冷位相处于增大时期，1977-1999年拉马德雷暖位相处于减少时期，在2000-2030年拉马德雷冷位相又处于增大时期，这是1979年至2014年间，科学家们观察到一个既有趣又令人安心的现象：南极海冰的覆盖面积正在扩大的原因。

图1  1973-1994年南极海冰变化曲线

      可是，从2014年到2017年，在近4年的时间里，“南极损失的冰几乎和北极近40年损失的一样多”，且南极海冰融化的速度一直在加快。目前，研究人员对这一现象还没有合理解释。

      最近几十年，随着全球变暖持续，北极海冰早就呈现逐年减少的倾向，而南极海冰则呈现强烈波动，甚至直到2015年之前，南极海冰面积都在逐步增长。

      但这一切在2015年发生了变化。2016年到2017年间，南极海冰面积经历了历史性的下跌，短短两年间就损失了120万平方公里，相当于两个法国面积。这引起科学家们的高度紧张。难道全球变暖加速了？

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参考文献 

1.杨冬红, 杨学祥.2007a, 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, 22(5): 1680~1685

Yang Donghong, Yang Xxuexiang.Australiasnowin summer and three ice regulators for El Nino [J]. Progress in Geophysics, 2007,22（5）:1680～1685.

2.杨冬红. 2009. 潮汐周期性及其在灾害预测中应用[D][博士论文].长春:吉林大学地球探测科学与技术学院.

3.杨冬红，杨德彬，杨学祥. 2011. 地震和潮汐对气候波动变化的影响[J]. 地球物理学报， 54（4）：926-934

Yang D H,Yang D B, Yang X X, The influence oftidesandearthquakes in globalclimatechanges. Chinese Journal ofgeophysics(inChinese),2011, 54(4): 926-934

4.杨学祥, 陈殿友.1998, 地球差异旋转动力学. 长春:吉林大学出版社, 2, 99~104, 196~198

5.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, 24（4）：367-370

YANG Xue-xiang. Tectonic basis andexcitation condition of El Nino[J]. Northwestern Seismological Journal, 2002,24 (4): 367-370.

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

Yang Xuexiang. The reason for thevelocity in Pacific circumfluence becoming slower. Global Geology[J], 2003, 22(4):380-384.

7.杨冬红，杨学祥。全球变暖减速与郭增建的“海震调温假说”。地球物理学进展。2008，23 (6): 1813～1818

Yang Donghong, Yang Xxuexiang. Thehypothesis of the oceanic earthquakes adjusting climate slowdown of global waring[J]. Progress in Geophysics, 2008, 23（6）: 1813～1818.

8. 杨冬红，杨德彬。日食诱发厄尔尼诺现象的热-动力机制。世界地质。2010，29（4）：652-657.

YangDH,Yang D B. Thermal dynamicmechanism of ElNino induced by solareclipse.GlobalGeology (in Chinese), 2010,29 (4):652-657.  

9. 杨学祥，陈震，陈殿友，等。厄尔尼诺事件与强潮汐的对应关系[J]。吉林大学学报(地球科学版)，2003，33(1)：87～91。

Yang, Xuexiang, Chen Zhen and ChenDianyou, et al. The corelation between El Nino events and strong tides[J].Journal of Ji Lin Univrsity(Earth Science Edition), 2003, 33(1): 87～91.

相关报道

轻松读懂海洋（17）气候事件—早始新世气候适宜期（EECO）与随后的始新世气候变冷 精选

刘青松

已有 1622 次阅读 2022-2-13 11:16 |系统分类:科普集锦

始新世（Eocene,56-34Ma）跨越了22Ma。在始新世早期、早中期、中后期和后期，全球平均温度为29°、26°、23°、19°。而工业化革命之前，温室效应还没开始时，全球平均温度才14.4°。可见，整个始新世都为将来的温室世界提供了可参考的模型。

始新世整体处于温室世界，北极无冰盖，南极洲从40Ma起，可能存在着初始的小规模冰盖，但是地球气候整体靠CO₂和全球温度变化作为主要调控手段，气候现象相当丰富。比如，在50-52Ma，全球温度达到最高值，叫做早始新世气候适宜期（EECO），随后是持续的变冷过程。EECO及前后时间段，在大的热背景下，还会出现一系列的二级超热事件（Hyperthermals），把具有非常偏负δ¹³C的碳加入海洋大气中，并具有显著的天文轨道10万年和更长的40万年（400 kyr）周期（Eccentricity），说明整个地球气候系统对天文轨道参数调谐非常敏感，扰动了海洋和陆地碳库，包括深层海水的碳库。当然，之前讨论的PETM算是这种事件中的佼佼者。在400kyr周期上，深水温度变化领先于δ¹³C的变化22kyr。在100kyr周期信号上，则领先~5kyr。这说明温度变化驱动碳库的随后变化。

除了100kyr的周期变化，偶尔还存在着不那么显著的40kyr周期的信息。我们一般认为40kyr周期的信息来自高纬度。高纬度碳库最可能来自冻土层。当然，对于这么老的样品，可能也存在样品分辨率不够，从而造成两个20kyr周期的信号合并成为40kyr。这个问题到现在为止，并没有完全解决。找到高精度的剖面进行研究是解决这个难题的突破口。现今的碳循环碳库总量大概为40000 Gt C，每年C的进出量为0.4 Gt C/yr，大洋内部的碳循环时间大约为1000年。简单估算一下，全球的碳库翻新一遍最短需要40000 Gt C / (0.4 Gt C/yr) = 100 kyr。这和10万年Eccentricity调谐周期刚好配对。

这些超热事件有时还有成对出现的现象（paired events），就像孪生素数一样。从整体上来看，如果我们把这些超热事件变化的δ¹⁸O和δ¹³C做相关图，就会发现所有事件几乎在分布在同样一条相关曲线上，说明其内在机制基本一样，且全球温度和CO₂同步变化。

经过进一步研究，就会发现那些成对出现的极热事件的后续孪生兄弟稍微有些许不同。这说明在成对事件中偏年轻的一次事件时，有不同的碳库和机制参与进来，比如，碳酸钙溶解，陆地上的碳库加盟等等，这还需更多详细的高精度数据来加以证明。

这些极热事件（负的δ¹³C漂移）对应着全球温度增加，这个现象一直可以追溯到中新世。唯一的区别就是，始新世的整体背景是温室地球，而EOT之后变成冰球。可见，这些由Eccentricity来调控的碳库变化与冰盖变化关系不大。这些事件发生在Eccentricity的极大值时期，这就为确定其背后的变化机制提供了线索。

关于400kyr信号，在温室地球和冰地球模式下都存在，也就是和南北极冰盖变化无关。另外，在δ¹³C曲线中，这个长周期信号最为特征，进一步说明，400kyr信号可以有效调节碳库变化。到了冰球时代，高纬冻土土成为新的碳库来源，同时高纬冰量变化对大洋环流产生作用，海洋，尤其是深海和大气交换作用加强，对δ¹³C曲线和δ¹⁸O曲线同时进行调谐，于是，我们发现在冰期-间冰期旋回上，这二者的特征逐渐趋于一致。

既然400kyr是对碳库进行调节，那就涉及到有机碳和无机碳两部分。在海洋中，有两种重要的生物，CaCO₃为壳体的有孔虫和颗石藻，以及以硅为壳体的硅藻。这二者生活在不同环境下，二者之间的变化，以及海洋中有机碳和无机碳的比例分布，涉及生物生产力以及碳埋藏和溶解过程，会在400kyr周期被充分调谐，这是因为碳在海洋中的驻留时间足够长。这一过程或者类似的过程，可以被模型进行模拟。当然，在实际数据中，我们发现这个信号在不同的记录中并不完全是标准的400kyr，而是在400-500kyr之间变动，这需要深入研究。

如果用CCD的变化来审视整个始新世，会发现大体上以45Ma为界限，之前CCD都较浅（3km），之后逐渐加深，到了EOT，已经加深到大约4km，这有利于CaCO₃的埋藏。当然，45Ma之后，CCD的波动性也加大，每当遇到暖事件时，CCD就会变浅。

CCD的变化与CO₂输入时间尺度有密切关系。同样是加入大量的CO₂，在不同的时间尺度上，对CCD的影响并不一样。在百万年尺度上，通过风化和生产力提高，大量的有机质被埋藏，这个过程会加深CCD。所以，在始新世，CCD在大趋势上加深，更加有利于碳的埋藏，对全球变冷有额外的贡献。这是一个正向反馈。

在千年尺度上，上述反馈还没发生之前，大洋会变酸，于是CCD会变浅，也就是浅部的碳酸钙也会被溶解。

在始新世温室地球时期，两极没有冰。海洋深水主要在南半球高纬度形成。所以，海洋深水与南半球高纬度地区表层海水温度密（SST）切相关。这就提供了一种非常便捷的方式来研究海洋深水温度变化。

但是，如果想研究始新世长尺度的变冷趋势，光靠南半球高纬度的SST还不够，我们必须利用全球思维来思考两个可能的机制：1）大气中的CO₂减少，温室效应减弱；2）海洋通路改变，造成大洋环流模式改变，热量不容易向高纬度聚集，从而高纬度降温。

科学家发现在始新世期间，热带SST与南半球高纬SST的变化趋势几乎一样，包括长趋势变化和一些气候事件。这说明三个问题。首先，热带地区的SST不是固定不变的，也会随着全球温度而统一变化。在温室气体效应下，热带SST会显著上升。第二，全球气候是由温室气体进行的全球统一驱动，而非靠大洋环流改变造程。第三，在没有冰盖的系统下，极低地区的温度放大效应，应该由大气系统反馈造程。当然不排除南极初始小规模冰盖对气候响应也及其敏感。

现在的问题是，大气中的CO₂靠什么机制下降？

在同一时期，δ¹³C的变化是稳中上升。这说明整体上有机质是向海底输送埋藏为主。通过之前的讨论，具体的过程包括生物泵和物质风化两大类。

对于风化过程，需要的一些有利因素包括地形凸起、降雨量增加、表面温度升高、以及一些易被风化的岩石，尤其是那些基性岩，比如橄榄岩或者蛇纹石化橄榄岩。在新生代以来，北半球中低维度地区是构造碰撞和岩浆喷发的剧烈活动区。新特提斯洋关闭，岛弧和大陆碰撞，海底基性岩被抬起风化，足够引起全球大气CO₂含量降低。

因为始新世时期，海洋深层水主要的南大洋来源，所以其行为较为一致，比如始新世底层水都记录了明显的降温趋势。但是，对于表层水的温度变化，却显示出了不同大洋区域之间的差异性。比如，在大西洋中低维地区，SST的变化就和南大洋不一致。这表明，北半球表层水对南半球的降温敏感度偏小，或者在一些暖流存在的区域，带来的热量会补偿全球降温行为，所以才显得不同区域未必按照同样的规律降温。

在渐新世这么长时间内，如果说南半球构造运动（比如塔兹曼海道和德雷克海峡的开启等）对全球变冷一点作用也没有，好像也说不过去。毕竟长尺度的构造运动会影响大洋的洋流模式。比如，在PETM之前的南北大西洋贯通，就有助于形成MOC，为高位输送热量提供新的路径，从而为全球升温，做好铺垫。但是，想要确定这一时期具体的洋流模式还非常缺乏数据支持。我们可以构建一个系统的研究，在EECO结束前后，系统研究南极洲的大陆气候、侵蚀历史、南大洋深水形成与全球开始变冷的关系。

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太平洋热能的内循环和外循环：海冰开关控制气候

已有 6675 次阅读 2011-12-16 14:09 |个人分类:全球变化|系统分类:论文交流| 拉尼娜, 厄尔尼诺, 海冰开关, 海洋环流, 德雷克海峡

                 太平洋热能的内循环和外循环：海冰开关控制气候

                                              杨学祥，杨冬红

                               （吉林大学,长春130026）

  摘要：北太平洋对北极的半封闭状态和南太平洋对南极的开放状态是厄尔尼诺事件发生的构造基础，它导致北太平洋海表热能的积累和周期性向南太平洋输送。南极海冰和南太平洋的海温具有明显的相关性，即德雷克海峡冰冻线的季节性北移，关闭了德雷克海峡的”海冰开关”，导致秘鲁寒流的对应增强，是拉尼那事件发生和秘鲁沿海表层水季节性降温的主要原因。2005年2月德雷克海峡的最低温度记录，将使海冰面积增加，减弱南极环流，增强秘鲁寒流，使赤道东太平洋海温降低。

      关键词：厄尔尼诺，拉尼娜，海洋热能交换，陆海分布，德雷克海峡，海冰开关效应

1  南太平洋的内部环流和三大洋外部环流 

      在北半球，由于大陆的阻隔，北太平洋与北极处于半封闭状态，海洋寒流由北极进入太平洋要通过狭窄的白令海峡，流入量受到限制。印度洋北部是欧亚大陆。因此，太平洋和印度洋的北部完全在海洋暖流的控制之下。与此相反，大西洋、太平洋和印度洋对南极而言是完全开放的，特别是南半球环南极大陆强烈的海洋西风漂流，在经过南美洲的德雷克海峡时严重受阻，部分寒流沿南美洲西海岸北上，加强了秘鲁寒流，其规模远大于非洲西海岸的本格拉寒流，形成太平洋北暖南冷、西暖东冷的格局。南半球西风飘流是海洋寒流，北半球西风飘流是北太平洋暖流和北大西洋暖流，这个重大差别是由陆海分布差异造成的。

      西澳大利亚寒流是南半球最弱的海洋寒流，因为太平洋南赤道暖流能够通过阿拉弗拉海进入印度洋，加强印度洋南赤道暖流，减弱西澳大利亚寒流，形成印度洋和西太平洋的高温低压区，与东南太平洋由秘鲁寒流形成的低温高压区组成一个沃克环流。

      赤道附近太平洋上，东部海域海水较冷（寒流影响），使海水上空的气温偏低，气流下沉（近海面形成高压），而东部海域的海水的温度较高（暖流影响），空气受其影响气温偏高，气流上升，近海面形成低压，所以在近海面就形成从高压向低压的风，上空气流方向相反，就形成了环流，这就是沃克环流，它是纬向环流。

      纬向的沃克环流和径向的哈得来环流组合，构成南太平洋的内部循环，其路径是：太平洋的南赤道暖流----东澳大利亚暖流----南中纬度的西风漂流----秘鲁寒流^[1]。

      事实上，印度洋和大西洋都有类似的环流和现象，由于热能相对较少，厄尔尼诺和拉尼娜现象也就不明显。

      太平洋、印度洋和大西洋在北半球是相互封闭的；在南半球是相互连通的，南半球西风漂流带和环南极大陆海流是三大洋热能交换的渠道，构成太平洋的外循环。太平洋有广阔的赤道海域，由此获得的热能通过外循环向外传输。

2  全球海洋环流的热能输送数量估计 

      北太平洋通过白令海峡向北极输出的热量为10TW(1TW = 10¹²W),南太平洋向南极输出的热量为1190TW，是前者的119倍。印度洋向南极输出的热量为490TW，而北大西洋输出的热量起源于太平洋，数量超过1000TW，其中向北极输出的热量为260TW^[2]。海洋输送的热量数量为北太平洋向南太平洋的热输出提供了证据。

      地质资料表明, 对第三纪早期的普遍变冷起作用的明显构造事件是巴拿马地峡的封闭，迅速变暖和较长的变冷由轨道参数的周期性所决定。阻挡大西洋赤道暖流进入东太平洋，加强秘鲁寒流，是气候变化的原因。南美洲与南极大陆的分离造成环绕南极大陆强烈的海洋西风漂流带，它阻挡赤道暖流南移，生成南极冰盖并维持其稳定的存在,为全球构造运动影响气候变化提供了证据^{[3 - 5]}。这表明,北太平洋向南太平洋输送热量的波动性是厄尔尼诺事件和拉尼娜事件发生的本质原因,相应的海洋环流在温差积累到一定程度时必然发生。厄尔尼诺发生时，太平洋暖水由东向西，或由西向东，或由中部分别向东向西运动，其实质是北部暖水向南运动。

海洋热输送的数量估计

图1  海洋热输送的数量估计 

      如果有某种原因使南半球的西风漂流减弱，或使东南太平洋表面海水增温，就会减弱这一地区的沃克环流，出现南太平洋高压和印度尼西亚——澳大利亚低压同时减弱，甚至相反的情况。这是南方涛动和厄尔尼诺同时出现的原因。

3  潮汐振荡产生的季节性增暖

      在南美厄瓜多尔和秘鲁沿岸，由于暖水从北边涌入，每年圣诞节前后海水都会出现季节性的增暖现象。海水增暖期间，渔民捕不到鱼，常利用这段时间在家休息。因为这种现象发生在圣诞节(每年12月25日)前后，渔民就把它称为El Nino，音译为“厄尔尼诺”，是西班牙语“圣婴(上帝之子)”的意思。后来科学家发现有些年份海水增暖异常激烈，暖水区一直发展到赤道中太平洋，持续时间也很长，引起当地气候反常，给全球气候带来重大影响。现在，厄尔尼诺一词被气象和海洋学家用来专门指赤道太平洋东部和中部的海表温度大范围持续异常增暖现象^[6]。

      要解释厄尔尼诺事件发生的原因，首先必须说明为什么在南美厄瓜多尔和秘鲁沿岸每年圣诞节前后海水都会出现季节性增暖现象。

      太阳光在冬至点(每年12月21~23日)直射南纬23.5度，即南回归线。南回归线上的海面在白天正午处于潮汐高潮位，北回归线上的海面此时处于低潮位，地球自转半周后, 南回归线上的海面在半夜子时处于潮汐低潮位，北回归线上的海面此时处于高潮位，即高潮位与低潮位在南、北回归线之间往复振荡。这种现象也发生在夏至点（每年6月21或22日）。但是，太阳辐射、太阳风和太阳引潮力在近日点（1月3~4日）达到最大值，分别比在远日点(每年7月2日或3日)增大6%和9%。这使近日点时南北回归线之间的南北潮汐振荡达到最大值，南回归线附近太阳辐射量也达到最大值，变暖趋势明显。特别是从秋分到冬至，日地距离变为最小，太阳引潮力变为最大，半日潮产生的强烈振荡高值区由赤道向南北回归线偏移，形成低纬大洋南升西移北降东移的顺时针昼环流和南降东移北升西移的逆时针夜环流，昼夜反向环流和最大幅度南北振荡加强了冷暖水的混合^[4]。南北回归线之间的东太平洋海面，有北半球的温暖的赤道逆流和南半球的秘鲁寒流。南北回归线之间的最大幅度的南北潮汐振荡使太平洋东部低纬度北半球暖流南移，南半球秘鲁寒流北移，振荡混合后使厄瓜多尔和秘鲁沿岸海水变暖，加强了北太平洋向南太平洋的热输送。这不仅说明了在南美厄瓜多尔和秘鲁沿岸每年圣诞节前后海水都会出现季节性增暖现象的原因，而且给出了暖水从北边涌入的原因。以往许多关于厄尔尼诺事件发生机制的假说不能解释这种季节性增温现象。 

4  德雷克海峡海冰气候开关作用

      中生代时期，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其巨大的单一陆块，这种轮廓肯定有助于周围大洋中的高效率向极热输送。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^[7]。

德雷克海峡海冰的气候开关

图1. 全球气候的三个海冰启动开关示意图

                Fig.1 Sketch map of three sea-ices switches for global climate

      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^[8-10]。

      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^[11]。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^[12]。

      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。

      南极海冰的长期趋势变化从70年代到90年代海冰有两个突变，一次发生在1975年底1976年(厄尔尼诺年)初，海冰由偏多迅速转变为偏少，另一次发生在1988年(拉尼娜年)，是海冰由偏少缓慢转向偏多。海冰减少与厄尔尼诺有很好的对应关系^[10]。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。1973年南半球冬季海冰的范围比夏季大大扩展；最小的出现在2月10日，最大的出现在7月16日^[11] (与9月出现最大值的一般情况相比是特殊的异常现象)。与其相关的是，1972年4月~1973年2月是厄尔尼诺事件时期，1973年6月~1974年4月是拉尼那事件时期。对比两者的变化趋势可以看出，南极海冰和南太平洋的海温具有明显的相关性，即德雷克海峡冰冻线的季节性北移，关闭了德雷克海峡的”海冰开关”，导致秘鲁寒流的对应增强，是拉尼那事件发生和秘鲁沿海表层水季节性降温的主要原因。

5  结论

      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。

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