南半球环状模与南极冰芯中气候信息关联研究综述

史贵涛 孙波 曾刚 李院生 马红梅 安春雷 姜苏

（1国家海洋局极地科学重点实验室，中国极地研究中心，上海200136；2南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室，江苏南京210044）

0 引言

南半球环状模（Southern Annular Mode，SAM）是大范围纬向水平对称的大气气团在副热带高压区（以45°S为中心）与极地地区呈现“翘翘板”式的变化特征，这种大气环流模态也被称为南极涛动或南半球高纬度模［1-2］。中纬度气压异常高，高纬度区域气压异常低时，SAM变化表现为正位相，反之为负位相。

SAM是南半球大气环流变化最主要的模态，是驱动南半球中高纬地区气候季节变化到年代际变化的最主要因素，大约可以解释南半球气候变化（低频到高频）的35%，在低频气候变化上贡献率可能更大［3］；在全球尺度上，SAM可以解释全球大气气团传输变异的10%［4］，因此近年来得到了气候学家和大气学家较多关注。以往的研究主要基于再分析资料（现代观测资料）和气候代用指标（如树轮、冰芯等），对SAM的演化特征及与之关联的区域气候影响等进行了研究［3，5-7］，并得到了一系列重要结论。同其他气候代用指标相比，冰芯在研究过去大气环流异常中具有独特的优势，本文简单总结了近几十年来SAM演化规律，重点综述了SAM与南极冰芯气候信息的关联特征，总结了冰芯气候记录对SAM的指示意义，为研究长时间尺度SAM演化特征提供了依据。

1 SAM近期演化特征

SAM异常可以通过SAM指数（SAMI）来定量刻画，通常采用经验正交分解（EOF）［1］和气压差法计算［8］。NCEP／NCAR（NNR）和 ERA-40再分析资料是目前研究SAM的常用数据资料，有研究认为在揭示SAM时间变化规律方面ERA-40优于NNR［9］，不同学者利用这两套资料构建了多个SAMI序列，目前应用较广的总结于表1。由于各序列在计算时选取的资料及研究的侧重点存在差异，因此在研究SAM与区域气候关系时SAMI的选取（或计算）应综合考虑。

表1 目前应用较多的SAM I序列Table 1.Themostly referenced SAMI from the published reports

针对过去几十年SAM的演化特征很多学者进行了研究，如 Thompson等［2］研究发现1960s以来SAM明显增强，Kidson［14］通过统计发现1958—1997年间SAM表现出明显的正位相趋势，Gong等计算发现1950s以来 SAMI有增大趋势［8］，这些研究均发现1970s—1980s间SAM正位相趋势最明显，同卞林根等［5］研究认为1972年是SAM演化的跃变点是一致的。图1总结了表1中7组SAMI（时间分辨率均归一至年），可以看出近期（1950s—2010s）SAMI上升趋势明显。对SAM的变化周期，有学者研究发现存在3—5年的变化周期［5，8］，但无明显的季节变化规律［2］。

图1 器测资料及再分析资料构建的SAMIFig.1.Construction of SAM index based on the instrumentalmeasured data and NCEP／NCAR reanalysis data

近几十年来SAM正位相的空间分布型并不是完全的环状对称（图2），有研究指出，南半球冬春季节非纬向对称结构更明显［15］。SAM的空间变异对研究区域气候影响尤为重要，如在研究SAM同澳大利亚气候关系时，90°E—180°E区域的 SAMI能更准确地揭示SAM与该区域气候的关系［16-17］。我们利用ERA-40再分析资料年平均MSLP异常（20°S以南的年均值，2.5°×2.5°），通过 EOF分解计算了南半球不同区域SAMI（图3），可以看出不同地理单元SAM在位相和变化幅度上表现出一定的差异（如大西洋扇区的 SAMI振幅最小），总体上各区域SAMI表现出较好的相关性（r＞0.70，p＜0.001）。由此来看，SAM的演化同时具有时空变异特征，但其空间变异常被忽略。

图2 700 mbar位势高度场的EOF第一主分量（解释总变异的27%）.资料为1979—2000年，时间分辨率为月份.SAM正位相趋势明显，中-高纬气压梯度增大，导致更多更强的向极方向的气流和风暴，同时绕极西风环流增强（修自 NOAA，Antarctic Oscillation，http：／／www.cpc.ncep.noaa.gov／products／precip／CW link／daily＿ao＿index／aao／aao.loading.shtml）Fig.2.Leading EOF（27%）shown as regression map of 700 mbar height（m）.The monthly 700 mbar height of NNR was used for the EOF analysis.Therewas a significant positive trend of SAM，leading to stronger，more poleward jet and storm tracks（After NOAA，Antarctic Oscillation）

近几十年SAM为什么会出现明显的正位相发展趋势？针对这一问题很多学者对其驱动因素进行了探讨［12，18-19］，但由于 SAM演化是复杂的大气过程，受多种因素制约，同时受其他大气环流模态（如SO等）的强迫，因此关于SAM形成、维持的动力学机制的认识程度还很有限，且仍存在争议，不在本文综述范围内。

2 冰芯记录对SAM的指示

图3 不同区域平均海平面气压距平经验正交分解第一向量的时间系数（SAM指数，时间分辨率为年），基于1958—2012年ERA-40再分析资料Fig.3.Time coefficients of the first component of empirical orthogonal function（EOF）analysis of anomalies of annualmean sea level pressures ranging from 1958 to 2012，based on ERA-40 reanalyses

由于南半球尤其是高纬度区域气象观测数据较少，1950s IGY期间南极才开始进行气象观测，直到1970s南半球高纬度区域卫星遥感数据才被同化到再分析资料中，同时南大洋观测数据大量缺失，因此很难通过再分析资料研究较长时期SAM演化规律，只能借助于相关的气候代用指标，在这方面已开展了一些研究工作：Jones等［20］利用树轮记录发现11—1月份的SAMI同树轮序列有良好的相关性，并以此重建了1743年以来的SAMI，首次给出了器测资料以前的SAMI，但仍存在较大的不确定性；Gong等［21］通过珊瑚记录，研究发现Sr含量同冬季SAMI的相关性明显，但Sr含量变化滞后于SAM 1—3个月；Moreno等［22］利用孢粉记录研究了过去5 000年西风环流的变率，发现当地树种及分布范围的变化同西风带的强度和位置密切相关，从另一方面反映了千年时间尺度上SAM的趋势信息。此外，国内学者张自银等［23］利用树轮、珊瑚、冰芯等多种代用资料研究了1 500年以来南半球夏季的SAM序列，发现SAM变率及周期信号有明显的时间变化特征。总体来看，由于这些气候代用指标的局限性（如沉积物时间分辨率相对较低、树木年轮时间尺度较短），很难利用这些代用指标研究SAM演化的年际、年代际和多年代际变化规律和特征。同其他气候代用指标相比，南极冰芯记录由于信息量大、保真度好（离子浓度、同位素等信息）、时间分辨率高（可达月份）、时间尺度范围大（时间分辨率为年，可达千年—万年）、分布范围广（便于空间对比分析）等特点在揭示长时间SAM时空演化序列方面具有独特优势。

国际南极横穿科学考察计划（ITASE，International Trans-Antarctic Scientific Expedition）在南极大陆开展了广泛的冰芯研究工作，积累了大量数据资料，为开展气候重建工作奠定了基础。同时随着冰芯分析技术的进步，可获取更多指标（如17O、15NNO－3等）和更高分辨率的气候记录（如连续流动分析装置CFA的应用）［24］，结合器测数据及再分析资料，利用冰芯记录定量重建过去大气环流，是当前气候变化研究领域一个重要的方向。目前冰芯记录中海盐离子、NO－3、SO2－4、水稳定同位素、积累率等均是常用的气候代用指标，以下基于已有冰芯记录研究，对可能指示SAM及与之相关的大气环流的冰芯代用指标进行了阐释。需要说明的是由于SAM通过绕极西风环流的强度和位置来表现［25］，本质上反映的是南半球中高纬度区域海平面气压的异常，因此冰芯理化参数指示的中高纬海平面气压变化，西风带强弱及位置变化等大气环流信息，实际上都指示了SAM的变化。

2.1 冰芯NO－3含量

极地雪冰中NO－3是主要的可溶性杂质，在南极内陆通常占阴离子总量的30%，在海岸带，受海盐颗粒的影响占阴离子总量的7%左右［26］。已有研究表明南极雪冰中NO－3主要源于高层大气NOx的长距离输移，以氧化硝酸乙酰（PAN）形式输送至南极对流层顶部／平流层底部，并下沉到冰盖表层雪中，这种沉降以气态 HNO3沉降为主［27-28］。基于NOx的传输模式，雪冰中NO－3含量可能记录了相关的大气环流异常。Goodwin等［29］研究发现南极Wilkes地（处于南极风场辐合带）冰芯（覆盖时间1920s—1990s）中NO－3浓度受区域风速影响显著，可较好指示地面风场强度，统计结果显示冰芯中NO－3浓度同南半球冬季经向平均海平面气压MSLP异常表现出显著的相关性（图4，r＝－0.52，p＜0.01），说明该冰芯NO－3记录可较好地指示中高纬区域气压梯度。该冰芯记录到1964年以后NO－3浓度逐渐降低，指示了冬季中纬度大气高压脊对Wilkes地的影响减弱，这同观测到的1960s以来南极绕极低压槽加深［30］、SAM正位相发展［31］一致。此外，南极半岛Dolleman Island冰芯分析表明，NO－3浓度可指示横穿半岛指数 CPI（Cross-Peninsula Index），结果显示 1650—1700年、1900s早期及1950s—1980s西风带频率增强，伴随SAM的正位相［32］。由此可见，冰芯中NO－3记录较好地指示了SAM的变化规律（中高纬MSLP异常）。

图4 Wilkes冰芯中NO－3同南半球冬季中高纬区域（130°E—170°E）海平面气压梯度的关系［29］Fig.4.Mean annual nitrate concentration at Wilkes plotted against the average MSLP gradient，in Austral winter season［29］

需要说明的是NO－3在南极内陆区域，尤其是低积累率地区，会发生明显的沉积后丢失过程，即表层几米雪层中NO－3含量随深度会显著降低［33-34］，因此内陆冰芯NO－3记录在指示大气NO－3输入时可能存在偏差。为深入研究NO－3含量与大气输入的定量关系，在发生NO－3沉积后丢失的区域必须将NO－3含量同初始降雪时的含量（基于雪-气界面交换）建立对应关系［35］，才能利用NO－3记录重建大气环流异常。

2.2 冰芯海盐离子

南极雪冰中海盐离子以Na＋，Cl－和Mg2＋等为主要成分，主要来源于海洋表面飞沫，雪冰中这几种离子往往表现出显著的相关性［36］。目前研究表明雪冰中海盐离子（以Na＋为代表）主要源于中纬度海洋气溶胶的远距离经向输送［35，37］，这种传输模式下海盐浓度可以指示纬向风的强度，气旋系统的范围及强弱，极地涡旋强度及相关的大气环流模态（如SAM等）；另外南极大陆周围海冰上吹来的含较高海盐离子的冰花也可能是海盐组分的重要来源［38］，这一来源可能会干扰雪冰中海盐离子对大气环流的指示。

Goodwin等［39］通过研究 Law Dome DSS冰芯海盐记录发现，Na＋浓度反映了南半球中纬度区域海盐的经向输送，南半球早冬季节（5—7月）MJJ-Na＋浓度与SAMI表现出显著的负相关关系（图5，r＝－0.53，p＜0.01），即高 Na＋浓度记录了弱 SAM，低浓度则记录了强 SAM，基于此相关关系重建了700年来南大洋MSLP异常序列（即SAMI），并分析了700年来SAM的变化特征，1300—1995 AD期间SAM表现出显著的年代际尺度变化，1500 AD以后变化趋缓，同记录的早期相比，表现出弱正位相发展趋势。需要说明的是Law Dome冰芯虽距海岸较近，但海盐离子仍很好地指示了中高纬海域大气物质的传输过程，需要在更多区域揭示海冰冰花输入对雪冰海盐的贡献。

图5 1960s—1990s Law Dome冰芯Na＋记录与 SAMI的相关关系［39］Fig.5.Correlation between Law Dome ice core Na＋ concentrations and the SAMI during the period of 1960s—1990s［39］

2.3 冰芯水同位素构成

冰芯H、O同位素比率一直是重建过去气候环境变化的有效代用指标。大量研究表明，雪冰中氧同位素的组成与云团形成降水时的凝结温度有关［40-41］，但冰芯中水同位素构成和温度的关系受到一系列因素的影响：水汽源区条件、平流输送和对流输送比率、逆温层强度、携带降水的大气团蒸馏历史、云中形成降雪的微物理过程、降雪的季节变化和沉积后同位素的扩散作用等［42］；此外，南极内陆下降风所携带的风吹雪也会对区域同位素构成产生影响［43］。通过H、O同位素可以计算过量氘（d），较高的d值指示更远的水汽来源，较低的d值反映高纬度地区的水汽来源［44］。

已有研究表明在月份时间尺度上气温异常变异的17%可由SAM来解释［6］，因此SAM同指示温度的水稳定同位素可能存在关联。数值模拟表明SAM同雪冰中18O同位素关联密切，典型的正相位SAM同低温相关联，可以引起南极大陆冰芯中δ18O值 －0.2‰— －0.8‰的变量［45］。Naik等［46］利用DML的IND-25／B5冰芯（65m）反演了过去100年的气候变化，发现在年际变化上ENSO-SAM共同决定了δ18O的时间变率，其中δ18O的4年变化周期正好同SAM的4—5年变化周期一致；而在年代际变化上（通过带通滤波处理，将年际信号去除），SAM则主导了 δ18O的变化周期（图 6，r＝－0.72，p＜0.01）。在 南 极 其 他 地 区 DML、Law Dome和ITASE00-5冰芯中，SAMI与冰芯中δ18O协方差相关显著，定量关系为－0.3‰—－0.9‰的δ18O变量对应1倍SAMI标准偏差［47］。由此来看冰芯中水同位素记录可以较好地指示SAM的变化，但通过对IND-25／B5冰芯100年δ18O记录与SAMI的滑动相关分析发现，两者相关性不稳定［46］，因此需要更多的研究揭示冰芯 δ18O与 SAM的关系。Marshall等［48］指出，南极内陆地区冰芯δ18O可能更好地指示SAM，但这一论断需要进一步的验证。

图6 IND-25／B5冰芯8—12年带通滤波处理后的SAM同δ18O的关系［46］Fig.6.The 8—12 year band pass filtered data showing relation betweenδ18 O and SAM［46］

2.4 冰芯记录的积累率

南极地区雪冰积累率是由降雪量、雪冰升华和风吹蚀再分配作用等过程共同决定的，是南极冰芯研究的最基础数据，积累率除受上述因素影响外，还受到气温、海拔、距海岸距离等地理因素的影响。总体上南极地区的降水很大程度上源于中纬度海洋气团的输入［49］，因此积累率大小可能指示了中纬度海域向极地物质输送的强弱。南极半岛西南Gomez冰川136 m冰芯记录表明，该区域近年来降水量呈明显增加趋势，从1855—1864年的0.49 m weq／a到1997—2006年的1.10 m weq／a，1958年以来积累率同 SAMI表现出稳定的正相关关系（图 7，r＝0.41，p＜0.01），两者线性关系为每单位SAMI的增大可以引起0.05 m weq／a的积累率增加；两者年代际平滑的相关系数达0.66，表明SAM的变化是控制该区域积累率年代际变化的主要因素，在年代际尺度上该区域积累率可以较好地指示SAM演化特征［50］。

图7 Gomez冰芯积累率序列同1958—2006年500 hPa位势高度场（ECMWF数据）的空间相关分布型［50］Fig.7.Correlation between annual summer-summer accumulation from the Gomez core and 500 hPa geopotential height derived from ECMWF data for 1958—2006［50］

此外需要说明的是，近几十年来南极半岛与其他区域气候变化差异较大，观测数据显示近50年来东南极冰盖大部分区域积累率未发生明显变化［51］，因此积累率在南极其他区域对SAM的指示意义需进一步验证。

2.5 冰芯 SO2－4和MSA含量

MSA和SO2是大气中由海洋生物释放的二甲基硫（DMS）氧化生成的稳定产物，由DMS氧化产生的SO2在大气中进一步被氧化为SO2－4，成为南极雪冰中SO2－4的重要来源［52］，因此雪冰中MSA和nss-SO2－4具有一定的生物指示作用。海冰范围对DMS的生成和排放具有决定性作用［53］，同时SAM的变化可影响南大洋海冰分布范围，如SAM正位相时南极半岛西部的异常低压引起的经向风导致了Ross海-Amundsen海和Weddell海-南极半岛区域海冰范围偶极子变化［54］，因此冰芯中含S化合物与 SAM可能存在一定关联。

Becagli等［55］通过 Talos Dome 23 m雪芯所记录的140 a的MSA含量变化发现，MSA同SAMI无显著的相关性，但功率谱分析表明SAM是影响MSA含量3.5 a周期变化的主要原因，中间过程是海冰范围：SAM正相位时Ross海冰范围增大，有利于DMS在海水中的生成和排放。但目前更多的研究指出雪冰中MSA可能更多受南方涛动SO的影响，同SAM的关系较弱，所以雪冰中MSA含量可能受到了SAM和SO共同作用［56］。因此，利用MSA记录揭示SAM的演化过程要充分考虑SO的影响，需通过信号剥离手段将SO的影响过滤后再进行分析。

2.6 冰芯多指标综合分析

将冰芯中多种指标进行主成分分析（PCA）或EOF分解，可以找出影响冰芯化学记录的主分量，从而获得冰芯记录的主要变量特征。冰芯记录主分量反映了冰芯记录的主要影响因素，可揭示影响冰芯记录的主要大气环流变化信息。

Xiao等［57］利用伊丽莎白公主地LGB65冰芯主要离子组分和δ18O的EOF1重建了过去250年南印度洋MSLP异常序列，指出南印度洋低压同南极涡旋的异常密切相关，功率谱分析结果显示南印度洋MSLP异常表现出约21年的变化周期。Law Dome DSS冰芯主要离子、δ18O和积累率EOF的主分量能解释冰芯中海盐离子大部分的变异，EOF1同SLP的相关性较好（图 8，r＝0.37，p＜0.02），并以此重建了过去700年7月份东南极高压异常变化序列，指出1800s年代经向传输增强，1700s年代最弱，大气环流的变化表现出明显的年代际变化规律，25年变化周期较明显［58］。在利用综合代用指标反演大气环流时，需要对冰芯各指标进行详细分析，并明确主要分量所指代的气候环境意义。由于单一指标气候指代意义简单明确，目前被广泛使用，当其同PCA分析或EOF分解的主分量气候指示意义相似时，两者重建结果类似［57］。

图8 Law Dome冰芯EOF第一分量同南极凯西站6月份平均气压的相关性［58］Fig.8.Correlation of the annual LDEOF1 record and Casey June SLP for the period 1957—1996［58］

综合上述各冰芯记录对SAM的指示可以看出，冰芯记录同SAM序列（或SLP）基本是同期变化特征。然而，冰芯记录同SAM的关系存在较大的空间差异，相同的冰芯指标在不同区域与SAM的关联性可能存在显著差异，可能有以下几个方面的原因。（1）沉积后过程的影响。雪冰中化学组分及同位素构成在南极不同区域的沉积后过程存在差异，如NO－3在低积累率区域更容易发生沉积后丢失［59］，稳定同位素18O在南极内陆地区更容易出现沉积后平滑过程［60］等，沉积后过程导致了冰芯记录对气候环境信息指示的偏差或丢失。（2）局地或其他大气环流模态的影响。冰芯记录除受大范围大气环流变化影响外，还受局地气候系统的影响，同时ENSO等也会对南半球的大气环流产生显著影响，因此冰芯记录的信号可能反映了多个大气环流模态的叠加结果。如何将多种大气环流模态信号剥离分析，目前仍是一个较复杂的问题。（3）多种物质来源影响。如南极雪冰中海盐组分除源于中纬度海洋气溶胶输入外，还受到近岸海冰冰花的影响［38］，沿海区域雪冰中NO－3可能受到内陆区域NO－3光降解产生的气溶胶的影响［61］，物质来源的多样性可能干扰了冰芯记录对主导大气环流模态的指示。（4）风吹雪扰动影响。南极内陆区域盛行东风，部分区域下降风明显，因此其携带的风吹雪对区域雪冰的化学组分及同位素构成会产生扰动［43］；同时沉降后的雪冰也会随风吹散，发生沉积断层现象。

目前通常利用相关分析来筛选SAM代用指标，但需要注意的是冰芯记录同SAMI相关性不明显时，不一定说明冰芯记录同SAM无关，因为两者的关系可能是非线性且不稳定的，也可能是多种影响因素协同作用的结果［62-63］。总体上，目前利用气候代用指标研究SAM演化的工作相对较少，也较零散，研究的时间尺度、时间分辨率、研究目标等存在较大差异。基于已有冰芯记录开展SAM演化研究，有必要在统一的时间分辨率和时间尺度条件下，对冰芯记录的各指标进行比对分析，结合近年来的器测资料和再分析资料，构建不同区域冰芯记录与SAM信号的关系。

3 研究展望

综上分析可以看出，在时间分辨率、分布范围、时间尺度等方面南极冰芯记录是SAM演化研究的优选代用指标，但不同地理单元冰芯记录对SAM的指示存在空间差异，需要具体分析。目前，虽然利用冰芯记录反演大气环流异常已进行了一些研究工作，但Russell等［64］总结南极冰芯记录反演南半球大气环流异常的研究工作发现，由于各重建工作所考虑的大气环流特征存在较大差异，尚无法对这些重建的一致性进行评估。要实现更长时间尺度SAM演化时空特征的研究，必须在同一研究目标下（如中高纬大气SLP异常），重建不同地理单元SAM演化序列，揭示其演化规律，进而预测其未来发展趋势。同时重点注意以下问题。

（1）在构建近期SAM序列时，通常用到近期的器测数据或再分析资料，但NNR、ERA-40及相关的气象站数据质量需要进一步评估，尤其是1950s年代的数据。

（2）进一步加强冰芯中气候信息的提取和可靠性分析，验证近100年来的大气参数。

（3）尽管不同方法构建的SAM序列总体上表现出较强的相关性，但不同SAMI序列之间微小的差异对区域气候的影响是显著的。在研究SAM的区域气候效应时，应根据研究区域和目标构建合理的SAMI序列。

（4）目前的研究多关注于SAM演化的时间变率特征，包括年际、年代际至多年代际，但对SAM演化的空间变异关注很少，应加强这方面研究。

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