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变化中的北极(61)北极海冰和南极海冰的差异 精选

已有 7069 次阅读 2023-2-6 19:26 |系统分类:科研笔记

变化中的北极(61)北极海冰和南极海冰的差异

------南极冰事(1)南极海冰和北极海冰的差异

 

张武昌202326日星期一




 极地的基本风场

 

北极和南极由于日照输入的热量少,而散失的热量多,因而大气温度会降低,低至零下60-70度。导致极点附近冷空气下沉。

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这个下沉的冷空气就是驱动大气三个环流圈中最北(南)的极地环流圈(polar cell)的主要动力。

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在极地环流圈的上层大气是极地涡旋polar vortex,呈现逆时针方向。

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而地表的大气则呈现从极点向低纬度的顺时针的环流(下图中的黄色箭头),有辐聚作用。

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海水虽然也会向外辐射热量,但是主要的散热途径是向空气中传导,海水温度零下2度左右,海水和大气之间巨大的温差使得海水散失很多热量。


冬季海冰的差异  

如果北极和南极的陆地和海洋格局一样,从理论上讲,两者的海冰应该差异不大。

但是现实是,北冰洋和南大洋的陆地海洋格局存在着显著的不同:根据选择的边界不同,北冰洋面积约为1310 万平方千米,也有说1200万,也有说1400万。南极洲面积1400万平方千米。北冰洋和南极洲的面积几乎相等,都相当于半径为18个纬度的圆形。

北冰洋位于北极点的附近,四周被陆地环绕,南大洋的中心被南极大陆占据。这样的陆海格局产生了重要的影响。


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南极和北极上的地表(海表)都有从极点向低纬度吹的冷风,在科里奥利力的作用下,形成顺时针的大气环流,但是北极的环流中心是海洋,而南极的环流中心是南极大陆,其4000米的高度使得陆地大气以极快的速度向海洋倾斜而下,是为下降风Katabatic Wind


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南极的下降风将海冰吹向北方,在陆地边缘形成冰间湖,被海冰研究者称为冰工厂,这里是南极大陆吹来的寒风从海水带走热量形成海冰的地方,由于海冰形成后迅速被吹走,冰间湖得以持续形成海冰。另外海冰的外缘是西风带,是辐散作用,所以海冰被源源不断的向北方输送。

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在向较低纬度扩散后,南极海冰最终停止在西风带形成的极锋(南极绕极流的中心)前面,海冰外缘(上图左下小图)最终形成了与polar front (下图中的粗线)一致的形状。

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在北极,此处的大气环流为顺时针,由于科里奥利力的作用,形成辐聚作用,海冰也随风呈现顺时针环流并被保持在其中。加上大陆的环绕阻挡,冬季北冰洋几乎全部被海冰充满。而边缘的海冰受到洋流(主要是大西洋入流水的影响,在北大西洋和北太平洋都是呈现西部海冰向低纬度分布,而东部海冰向高纬度分布。在我国渤海和胶州湾冬季都有结冰现象,是北半球海冰势力的最南端,到达北纬36度,而南半球的海冰止步于48度,向低纬度的延伸少得多。

 

北冰洋的海冰面积最大达1600万平方千米(北冰洋面积1400万),南大洋的海冰面积海冰最大1800万平方千米,可见南大洋海冰比北冰洋海冰面积大。


夏季海冰的差异

北冰洋海冰面积在夏季最低值为700万平方千米。是冬季的50% 南大洋夏季190万平方千米,是冬季的10%。

北极点附近纬度高,此处的海冰位于更冷的环境,更容易保留。南大洋海冰夏季留存较少主要是因为纬度较低。 北冰洋夏季海冰的面积相当于以北极点为中心,半径为13个纬度的圆形。南极洲的面积相当于半径为18个纬度的圆形。所以南极陆地周围夏季能有海冰已经是超出理想圆形大陆的冰量。

北冰洋夏季海冰面积虽然缩减,也能看出大西洋入流水导致的西侧海冰偏向低纬度、东部海冰偏向高纬度的趋势。

在北极夏季,海冰上层的冰雪融化,形成很多融池,但是在南极融池几乎不见。这是因为南极的冰融化较快,还没有来得及形成融池即被海水热量融化而消失。北冰洋夏季海冰持续时间太久,甚至有多年冰,所以夏季有大量融池。

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冰年龄和厚度的差异

北冰洋的海冰年龄较大,有的海冰形成海冰冰架,年龄有几千年,厚度60米,流动的海冰的年龄为0-9岁,厚度达6米。南极海冰因为大多是当年冰,厚度最大约1.2米。

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海冰对全球变暖的反应

北冰洋的海冰在迅速消失,而南大洋的海冰面积持续多年没有减少,反而有稍微增加的趋势,最近几年才出现快速下降的趋势。

这是因为海冰的融化主要来自洋流的热量,夏季北冰洋入流水的流量增大,温度升高,是北冰洋海冰消失的主要原因,夏季海冰的覆盖面积的形状基本与入流水的环流形状一致。


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南大洋的极锋 polar front环绕南极大陆,阻挡了低纬度海水进入高纬度,随着全球变暖,西风带增强,polar front 变强,对北方温暖海水的阻挡作用增强,所以在全球海洋变暖的大背景下,极锋以北的环形海域是温度稍微降低的,这就导致了南大洋海冰面积多年不变,甚至稍有增加,抵御了全球变暖的影响。这部分内容请参考‘我们的海洋系列(21)海洋变暖https://blog.sciencenet.cn/blog-39359-1299280.html

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1982-2017年南大洋3月(左)和9月(右)温度变化趋势

2019IPCC 气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告)

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随着全球变暖的程度加深,polar front以南的海水也因全球变暖的普遍效应而变暖,导致近年来海冰面积减少。

ps 此文也做为“ 南极冰事系列的第一篇(1)南极海冰和北极海冰的差异“。















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