理想化南极融冰方案的海洋边界条件初探

马 浩, 张作为

（1. 中国海洋大学 物理海洋实验室, 山东 青岛 266100; 2. 中国海洋大学 海洋-大气相互作用与气候实验室,山东 青岛 266100）

理想化南极融冰方案的海洋边界条件初探

马 浩1,2, 张作为1

（1. 中国海洋大学 物理海洋实验室, 山东 青岛 266100; 2. 中国海洋大学 海洋-大气相互作用与气候实验室,山东 青岛 266100）

基于气候态的SODA（Simple Ocean Data Assimilation）数据, 比较了气候态意义下南极附近和南极绕极流区域的海洋层结, 对南极融冰问题的合理海洋边界条件进行了初步探讨。结果表明: 南极融冰所注入的淡水通量在大西洋东部和印度洋海区将沿着表层路径到达南极绕极流区, 在大西洋西部和太平洋的经向运动路径视淡水通量的强度而定: 在融冰较为剧烈时, 将沿表层路径到达绕极流区域;在融冰较为和缓时, 将沿次表层路径向北运动。在此基础上, 定量评估了淡水通量沿表层路径运动的临界情况, 对目前大多数气候模式采用理想化淡水通量模拟南极融冰问题的合理性进行了分析, 以期为南极融冰问题的模式方案选择提供必要的参考。

南极融冰; 淡水通量; 海洋层结

1995年体积的40%左右[6]。2007年5月, 美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）宣布卫星发现南极洲西部发生30年以来最为严重的冰雪大面积融化, 融冰面积相当于加利福尼亚州大小（参见NASA网站专题报道: http://www.

nasa.gov/vision/earth/lookingatearth/arctic-20070515.h

tml）。这一事实打破了“南极大陆冰架状况较为稳定”这一传统认识[7-8], 使南极融冰问题成为全球变暖研究中的一大焦点。已有的研究广泛探讨了南极融冰对海平面抬升的影响[9-10], 以及融冰过程中注入极地海洋的淡水对气候系统的影响[11-17], 而后者由于会减弱南极附近的深对流、抑制南极底层水

（Antarctic Bottom Water, AABW）的形成、进一步通过南极底层水和北大西洋深层水（North Atlantic Deep Water, NADW）的相互作用影响热盐环流全球输送带[18-20]而更引人关注。鉴于南极附近的观测资料十分稀缺, 当前主要采用海-气耦合模式来研究南极附近淡水通量的气候效应[13-17]。为了方便起见,在耦合模式中常常把南极融冰释放的淡水通量简化为南大洋的理想化淡水通量, 在南大洋的高纬地区进行均匀洒水实验（如Seidov等[14]和Stouffer等[15]的数值实验就是在 60oS以南的海洋中均匀播洒1Sv（1Sv = 1.0×106m3/s）淡水）来考察气候系统的变化。应当指出, 理想化淡水通量实验发现了很多有意义的结果, 如两极之间海温变化的“跷跷板”现象[13]（北大西洋的表层海温和南大洋的表层海温通过热盐环流的调节呈现反位相变化）, 南大洋淡水通量的全球逃逸现象（Southern Escape, SE）[14-15]（南大洋表面的淡水通量会在较短时间内通过上层海洋的平流作用逃逸到全球大洋）, 等等。然而, 从数值模拟本身来说, 这种均匀洒水的物理构想是否合理, 即理想化淡水通量实验能否较为真实地反映南极融冰的物理过程, 一直以来缺乏应有的探讨。如果洒水实验的设计方案不能较好地反映南极融冰的实际过程, 就会削弱数值实验的价值, 模式结果对于未来气候变化的指示意义也会有所减弱。本文拟采用SODA（Simple Ocean Data Assimilation）数据对这一问题进行初步探讨。

1 资料和方法

本文主要利用 SODA再分析资料进行统计分析。SODA是美国马里兰大学（Maryland University）开发的海洋同化资料, 是在全球海洋环流模式MOM（Modular Ocean Model）基础上融合卫星观测和实测资料进行实时同化再分析得到的格点化海洋再分析产品, 其中有风应力、温度、盐度、二维流速和海表面高度等7个变量[21], 包括1958～2001年的逐月数据, 水平空间分辨率为0.25o×0.4o（投影到0.5o×0.5o网格）, 垂向上自海表至海底分为40层。模式强迫场采用欧洲气象中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECWMF）40年再分析资料（ECWMF 40 year reanalysis data archive, ERA40）的逐日表面风场。该套 SODA资料在时间和空间上具有连续性, 资料要素也较为完整。之所以采用SODA数据, 主要是考虑到 SODA具有较高的空间分辨率, 可以更好地刻画海洋的精细特征, 为了不失一般性, 本文主要采用 SODA提供的气候态数据SODA_1.4.2_clim来进行分析。

由于融冰现象主要发生在南极大陆冰架的周围,本文主要考察SODA气候态资料刻画的南大洋高纬地区的海洋密度层结, 来探讨洒水实验的设计方案是否合理（图1）。由于目前国际上通行的洒水实验大多是在 60oS以南的海洋中均匀洒水[14-15], 故南极绕极流（Antarctic Circumpolar Current, ACC）以南地区的海洋层结就显得尤为重要。一旦淡水通量从表层通过ACC, 就可以在局地Ekman输运的作用下被输送到中低纬地区, 进一步被上层海洋环流平流到全球大洋, 产生 SE现象。因此, 我们选取了两个典型的纬度, 70oS和 60oS, 分别表征南极大陆附近和ACC区域的海洋层结（在印度洋海区, 由于70oS为陆地, 故选取65oS表征南极大陆附近的层结）。在密度的计算上, 我们采用Mamayev[22]1964年提出的简化计 算 方 案:σT= 28.152 − 0.0735T− 0.00469T2+（0.802 −0.002T）（S− 35）, 利用温盐来反演海水密度。该方案的适用范围为: 温度 0～30°C, 盐度 0～40 psu, 压力 0～106hPa。除南极点附近的个别点之外,南大洋高纬地区基本满足这一要求, 故采用Mamayev方案来反演南大洋高纬地区的海洋层结是可行的。

图1 南大洋地理位置概况（90oS～40oS）Fig. 1 Geographical locations of the Southern Ocean（90oS-40oS）

2 结果分析

从南大洋高纬地区的气候态层结来看, 太平洋70oS剖面的表层海水位密（位密即位势密度, 指把海水微团从海面以下某一位置绝热抬升至海面时所具有的密度, 由于位密考虑了压强对密度的影响, 因而较密度而言更为准确）明显要比60oS剖面处大, 二者之差最大达到 0.6 kg/m3, 平均而言, 二者之差大约为0.2～0.3 kg/m3（图2c）。从而说明在气候态意义上,由于海水沿着等密面运动, 70oS的海水将沿着次表层路径到达 60oS以南, 即南极附近的海水将沿着次表层路径穿越 ACC。一旦发生南极融冰, 如果融冰带来的淡水通量不能使南极大陆附近（70oS附近）的海洋表层位密减小 0.2～0.3 kg/m3, 则淡水通量仍然会沿着次表层路径穿越 ACC, 否则, 淡水会沿表层平流到ACC区域。大西洋和印度洋的情况与太平洋有所不同。在大西洋和印度洋的西部, 70oS剖面的表层位密大于 60oS剖面, 二者之差在大西洋最大达到0.5 kg/m3, 平均而言约为 0.3 kg/m3左右; 在印度洋最大达到0.2 kg/m3, 平均而言约为0.1 kg/m3左右。而在大西洋和印度洋的东部, 70oS剖面的表层位密明显小于60oS剖面（图2f,i）。因此对大西洋和印度洋海区来说, 气候态意义下西部和东部海水的运动路径是不同的, 西部的海水将沿次表层路径穿越 ACC,东部的海水将沿表层路径到达 ACC。考虑到在印度洋西部, 70oS剖面和60oS剖面的表层位密相差不大,一旦发生融冰, 70oS附近上层位密减小, 则 70oS的表层位密与 60oS极有可能相差无几。因此, 在南极融冰的背景下, 淡水通量在大西洋东部和印度洋海区将沿表层平流到 ACC区域（图 3a, 该图将大西洋东部和印度洋海区作为一个整体处理）, 在大西洋西部和太平洋海区, 淡水通量的路径与其强度有关（图3b,c）。当融冰较为剧烈, 淡水通量强度较大时, 由于 70oS附近的海洋层结发生显著改变, 淡水通量仍然将沿表层路径到达 ACC; 当融冰较为平缓, 淡水通量强度较小时,淡水通量将沿次表层路径到达ACC。

图2 南太平洋、南大西洋和南印度洋的气候态位密垂向剖面分布Fig. 2 Vertical distributions of climatological potential density in the South Pacific, the South Atlantic and the Indian Ocean,respectively

图3 纬向平均的气候态位密垂直剖面Fig. 3 Vertical profile of zonal-mean climatological potential density

3 一个估算

通过以上分析可知, 如果南极融冰带来的淡水沿表层路径达到 ACC, 则南极大陆附近（70oS）的太平洋和大西洋西部的表层位密至少要减少 0.2～0.3 kg/m3。下面我们定量地估计一下: 要实现这一过程, 至少需要南极大陆释放多少淡水。假设不考虑融冰对海表面温度的影响, 即密度的变化完全由盐度变化引起, 则依据Mamayev方案, 有:

考虑极端情况, 假设南极附近的上混合层温度为0oC,且淡水与上混合层内海水充分混合, 则有:

若融冰前南极大陆附近海洋上混合层体积为V, 平均盐度为S, 融冰的体积为∆V, 则根据盐度守恒,易知:

现在我们需要求出南极大陆附近上混合层的平均盐度S。根据Monte´gut等[23]的研究结果, 南大洋高纬海区的混合层厚度约为150～200 m。根据SODA资料的实际情况, 取上13层（表层至水下171 m）作为南极大陆附近的上混合层。从而有:即:

对（5）式来说, 分子代表上 13层的盐通量之和,分母则为70oS以南的海水体积。经计算,

4 小结和讨论

本文基于气候态的SODA数据对南极融冰问题的合理海洋边界条件进行了初步探讨。结果表明: 南极融冰所带来的淡水通量在大西洋东部和印度洋海区将沿表层路径到达ACC区域, 进一步将在ACC的表层Ekman输运作用下进一步向北平流。在大西洋西部和太平洋海区, 淡水通量的经向运动路径与其强度有关: 在南极融冰较为剧烈时（融冰量至少达到南极大陆冰架总体积的万分之一以上）, 将沿表层路径到达绕极流区; 在融冰较为和缓时, 将沿次表层路径到达ACC。

在对南极大陆的融冰量进行估算时, 我们并没有考虑平流效应, 即假设融冰发生时, 淡水通量源源不断地蓄积在70oS以南的海区而不流向ACC区域,从而持续地减小70oS以南的表层位密, 而ACC区域的海洋层结保持不变。实际上, 淡水通量将会持续地流向ACC区域而使60oS附近的层结也发生改变。因此, 要使南极附近的淡水通量沿表层路径达到 ACC,所需的淡水量应当适当大于冰架总体积的万分之一。

对南极融冰问题来说, 最合理的海洋边界条件当然是在 70oS以南均匀洒水, 这样就避免了淡水通量可能沿次表层路径运动而使模式设计方案失真。可是, 当前的大多数气候模式对极地气候系统的模拟能力十分有限, 因此, 在 70oS以南均匀洒水相当于在一个误差很大的物理环境中进行敏感性实验,实验结果的可靠性难以得到保证。在此情况下, 60oS以南的均匀洒水方案虽然不尽合理, 也是不得已而为之的设计方案。当然, 通过本文的分析, 我们看到这种洒水方案未必能反映南极融冰的真实物理过程。

本文考虑的是整个南极大陆边缘均匀融冰的情景, 实际上, 观测表明西南极冰架已经开始显著融冰[24], 而东南极冰架基本保持稳定[25], 如果考虑这种东西不对称的情形, 则南极融冰的合理海洋边界条件无疑将更为复杂, 这是我们下一步的工作。

致谢:在本文完成过程中, 得到了王伟教授的悉心指点, 赵杰女士与本文作者进行了有益的讨论, 并致谢忱。

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Received: May, 4, 2009

Key words:Antarctic ice sheet melting; freshwater flux; oceanic stratification

Abstract:Using the Simple Ocean Data Assimilation （SODA） climatological data, we compared the climatological oceanic stratification around the Antarctic and the Antarctic Circumpolar Current （ACC） region to conduct a preliminary study on the reasonable oceanic boundary condition of Antarctic ice sheet melting. Our results indicate freshwater flux induced by ice-melting will advect along the surface path in the East Atlantic and Indian Ocean,while in the West Atlantic and Pacific Ocean, the meridional motion path of freshwater flux depends on the intensity of freshwater flux itself. When there appears intense ice-melting of Antarctic, freshwater will travel along the surface path; when ice-melting is relatively generous, subsurface path will be preferred by freshwater flux. On the basis of these analyses, we quantitatively assessed the threshold state guaranteeing freshwater flux moving along surface path, and further analyzed the rationality of simulation of Antarctic ice-melting with idealized freshwater flux in most of current climate models, in order to providing neccessary reference for the selection of modeling strategy simulating the Antarctic ice-melting scenario.

（本文编辑:刘珊珊）

A preliminary study on the oceanic boundary condition of an idealized Antarctic ice sheet melting scheme

MA Hao1,2, ZHANG Zuo-wei1
（1. Physical Oceanography Laboratory, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Ocean-Atmosphere Interaction and Climate Laboratory, Ocean University of China, Qingdao 266100, China）

P731.2

A

1000-3096（2011）01-0075-06近年来, 随着全球变暖的加剧, 南极融冰问题引起了海洋学家和气候学家的广泛关注。西南极冰架的体积占整个南极大陆冰架的 10%, 由于它本身的不稳定性, 被认为是全球冰盖中最容易造成大范围海平面上升的因子[1], 因此长期以来成为气候变化的重要指示剂[2], 此前的很多研究讨论了它对全球变暖可能的响应方式[3-5]。2002年, 观测发现南极附近的 Larsen B冰架开始破裂, 现存体积仅为其

2009-05-04;

2010-11-07

国家杰出青年科学基金项目（40788002）

马浩（1984-）, 男, 安徽合肥人, 博士研究生, 主要从事海-气相互作用和气候变化研究, 电话: 0532-66781570-804, E-mail:mahao20032003@yahoo.com.cn