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极地冰冻圈关键过程及其对气候的响应机理研究

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作者效存德，武炳义等著

出版社科学出版社

ISBN9787030581341

出版时间2018-11

装帧平装

开本16开

定价198元

货号9341860

上书时间2024-09-03

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品相描述：全新
商品描述
目录
目录
总序一
总序二
前言
第1章 引言 1
1.1 概述 1
1.2 国内外进展与趋势 3
1.2.1 东南极冰盖表面物质平衡的星-地一体化观测计算与评估 3
1.2.2 典型冰盖-冰架系统监测与模拟研究 5
1.2.3 北极海冰时空变化特征、消融机制及其对天气气候变化的影响机理 6
1.2.4 极地冰冻圈长期变化与气候的关系 8
1.3 问题与主要关注点 9
1.3.1 冰盖物质平衡计算的不确定性及多源数据的融合计算 9
1.3.2 影响冰盖动力不稳定性的几个关键问题 10
1.3.3 北极增暖、北极海冰融化对中纬度区域影响中存在的科学问题 11
1.3.4 年代际至百年际冰芯记录反映的极地冰冻圈变化 11
第2章 研究区域与方法 13
2.1 研究区域 13
2.1.1 南极冰盖和格陵兰冰盖 13
2.1.2 北冰洋 17
2.2 研究方法 18
2.2.1 冰盖物质平衡 18
2.2.2 海冰观测 24
2.2.3 冰盖动力：三维Stokes冰盖动力模型的构建 27
2.2.4 大气动力诊断与模拟 27
2.2.5 冰芯重建方法 28
2.3 基本研究思路 30
2.3.1 本研究的基本思路 30
2.3.2 采用的技术路线 31
第3章 南极冰盖典型流域表面物质平衡 36
3.1 南极冰盖表面物质平衡的影响因素 36
3.2 南极冰盖海岸至内陆表面物质平衡变化规律 37
3.2.1 中山站—Dome A断面表面物质平衡变化 37
3.2.2 Syova—Dome F断面表面物质平衡变化 42
3.2.3 Terra Nova Bay—Dome C断面表面物质平衡变化 45
3.3 三个典型区域表面物质平衡的异同 47
第4章 影响冰盖物质平衡的冰下和冰内过程 48
4.1 冰盖的冰厚与冰下地形 48
4.1.1 Bedmap数据库评述 49
4.1.2 中山站—Dome A断面的冰厚和冰下地形 50
4.1.3 Dome A核心区域冰厚和冰下地形 53
4.1.4 泰山站的冰厚与冰下地形 58
4.1.5 格罗夫山的冰厚与冰下地形 60
4.2 冰盖内部等时层及其应用 62
4.2.1 内部等时层的表示 63
4.2.2 内部等时层的形成机制 64
4.2.3 内部等时层的形变 66
4.2.4 内部等时层的应用 67
4.3 冰下复结冰、冰下湖和冰下水系统 73
4.3.1 冰下复结冰 73
4.3.2 冰下湖 77
4.3.3 冰下水系统 80
4.4 冰盖稳定性与冰下过程 82
第5章 南极冰盖表面物质平衡模拟 84
5.1 多源再分析资料适用性评估 84
5.1.1 再分析资料基本情况 84
5.1.2 南极冰盖表面物质平衡实测数据库 87
5.1.3 基于实测资料的多源再分析资料空间变化评估 88
5.1.4 多源再分析资料时间变化评估 89
5.2 多区域气候模式相互比较与评估 92
5.2.1 区域气候模式基本情况 92
5.2.2 多区域气候模式表面物质平衡空间变化模拟评估 94
5.2.3 多区域气候模式表面物质平衡时间变化模拟评估 94
5.3 现代南极冰盖表面物质平衡变化模拟 95
5.3.1 表面物质平衡及各分量空间分布 96
5.3.2 表面物质平衡及各分量季节变化、年际变化和趋势 97
5.4 21世纪和22世纪南极冰盖表面物质平衡预估 97
5.4.1 LMDZ4大气环流模式及动力降尺度 98
5.4.2 LMDZ4和SMHiL模拟的南极现代表面物质平衡评估 98
5.4.3 21世纪和22世纪南极冰盖表面物质平衡预估 99
第6章 冰盖物质平衡的卫星观测 101
6.1 卫星观测原理介绍 101
6.1.1 卫星测高原理介绍 101
6.1.2 GRACE重力卫星原理介绍 104
6.2 卫星测高与卫星重力数据处理介绍 108
6.2.1 卫星测高数据处理 108
6.2.2 卫星重力GRACE数据处理 112
6.3 卫星测高与卫星重力观测的冰盖物质平衡时空分布特征 115
6.3.1 基于卫星测高的冰盖物质平衡时空分布 115
6.3.2 卫星重力的冰盖物质平衡时空分布 124
6.4 地面与卫星多源数据在冰盖物质平衡的融合与同化 126
6.4.1 联合卫星重力和卫星测高的格陵兰冰盖冰/雪高程变化分离 126
6.4.2 卫星与地面数据融合与同化 128
第7章 冰盖-冰架动力模型的构建与模拟 129
7.1 冰盖动力模型简述 129
7.1.1 南极冰盖和格陵兰冰盖 129
7.1.2 冰盖动力模型发展历史 130
7.1.3 海洋性冰盖的动力学不稳定性 131
7.2 完全Stokes冰盖模型 132
7.2.1 冰盖流动的Stokes方程 132
7.2.2 构建Stokes模型的数值方法 133
7.3 冰架系统的模拟 133
7.3.1 冰架的动力学性质 133
7.3.2 模拟冰架流动的数值方法 134
7.4 接地线动力过程的模拟 135
7.4.1 接地线位置的确认 135
7.4.2 模拟接地线位置的移动 137
7.5 冰盖的底部滑动 138
7.5.1 冰盖底部的水热特征 138
7.5.2 确定冰盖底部滑动系数分布 141
第8章 海冰变化观测事实与原因分析 142
8.1 北极海冰的快速变化 142
8.1.1 密集度变化 142
8.1.2 范围和面积变化 146
8.1.3 厚度变化 150
8.1.4 漂流速度的变化 152
8.1.5 冰龄变化 155
8.1.6 基于遥感数据的北极海冰快速变化的观测事实 158
8.2 基于ICESat测高数据的北极海冰干舷研究 160
8.2.1 数据简介 160
8.2.2 解算方法 161
8.2.3 解算结果 162
8.2.4 验证分析 164
8.3 北极黑碳对于北极海冰消融影响的观测与模拟研究 166
8.4 北极降水形态变化对北极海冰消融影响的观测与模拟研究 171
第9章 北极海冰变化对气候的影响与反馈 173
9.1 9月北极海冰变化的动力学原因研究 173
9.1.1 9月北极SIE变化趋势 173
9.1.2 夏季北极表面风场变率优势模态的空间特征 174
9.1.3 风场优势模态位相演变的物理意义 178
9.1.4 夏季风场模态对9月北极SIE的影响 179
9.2 秋冬季节北极海冰融化对欧亚大陆冬季盛行天气模态的影响 184
9.2.1 冬季欧亚大陆盛行天气模态的空间特征以及位相演变的物理意义 185
9.2.2 盛行天气模态的时间演变特征 190
9.2.3 冬季欧亚大陆盛行天气模态与秋季北极海冰的可能联系 194
9.3 秋冬季节北极海冰对冬季西伯利亚高压的影响 200
9.3.1 北极SIC和冬季西伯利亚高压的联系：对季节预测的启示 200
9.3.2 近20年来冬季西伯利亚高压的变化趋势 204
9.3.3 趋势的可能机制和讨论 207
9.4 冬春季节北极海冰异常对夏季欧亚大陆大气环流以及东亚中纬度地区降水的影响 208
9.4.1 冬季北极海冰与夏季欧亚大陆大气环流异常的联系 210
9.4.2 夏季欧亚大陆大气环流变率的优势模态的主要特征 213
9.4.3 冬季北极海冰异常影响后期夏季欧亚大陆大气环流的可能机理 216
第10章 南极浅冰芯记录与海冰长期变化 219
10.1 用代用指标反演南极海冰的原理与方法 219
10.1.1 MSA与SIE 219
10.1.2 海盐离子与SIE 222
10.1.3 其他代用指标 224
10.2 南印度洋过去300年SIE的变化特征 225
10.2.1 LGB69冰芯记录 225
10.2.2 LGB69冰芯内MSA与南印度洋 SIE 226
10.3 南极海冰长期变化的驱动因子探讨 228
10.3.1 对南极海冰增长趋势原因的几种观点 229
10.3.2 南极海冰的长期变化 231
10.3.3 SAM与SIE的可能关联 233
10.4 指示南极冰盖水汽来源的同位素和化学指标 235
10.4.1 南大洋断面水汽同位素反映的纬向水汽输送通道 235
10.4.2 冰盖水汽和降水稳定同位素比率反映的水汽来源 241
10.4.3 海盐离子反映的水汽来源和高程分布 245
10.4.4 中山站—Dome A断面水汽源区及其气候学意义 247
10.5 南极冰盖气温和积累率长期变化特征 249
10.5.1 根据冰芯重建的冰盖千年气温记录序列 249
10.5.2 积累率长期变化及其空间差异 250
10.5.3 构建分流域序列 251
第11章 主要结论与展望 254
11.1 主要结论 254
11.2 极地冰盖物质平衡研究展望 257
11.2.1 影响冰盖物质平衡计算的主要不确定性 257
11.2.2 消除不确定性的途径 258
11.2.3 相关国际计划 259
11.3 冰盖动力学模型与地球系统的耦合 260
11.3.1 冰盖稳定性与海平面变化的关系 261
11.3.2 地球系统模式中应该引入更加精细化的冰盖动力学模块 261
11.3.3 全球海平面变化的长期预估 262
11.4 两极海冰变化的影响研究及其展望 262
11.4.1 北极海冰变化与航道、资源及其地缘政治 262
11.4.2 南极海冰变化机理研究 263
11.4.3 两极海冰变化异同 263
11.5 极地冰冻圈长期演变与预估 263
11.5.1 East GRIP等深冰芯与冰盖动力学的结合 264
11.5.2 格陵兰冰盖和南极冰盖的联动变化与全球海平面 264
11.5.3 构建极地海冰长期变化序列 264
参考文献 265

内容摘要
    章 引言

    1.1 概述

    在优选冰冻圈中，极地冰冻圈是冰量很大、覆盖面积很广、冷储量很大的冰冻圈组成部分。例如，在陆地冰冻圈中，山地冰川和南极冰盖、格陵兰冰盖覆盖了优选陆地表面的10%，其中南极冰盖和格陵兰冰盖占9.5%；南极冰盖和格陵兰冰盖的冰体总和折合成水量，若全部释放到海洋，能使海平面分别上升约58.3m 和7.36m。又如，5.3% ~7.3% 的海洋表面被海冰和冰架覆盖。北冰洋海冰很大范围可达15×106km2，在夏季很小时约为6×106km2。南大洋的海冰范围（sea ice extent，SIE）季节变化更大，9 月很大时约为18×106km2，2 月很小时约为3×106km2。

    冰盖不稳定性是影响优选海平面长期变化的很大潜在因子。近10年来，极地冰量的加速损失已经抵消了由海洋热膨胀减缓对海平面上升的贡献，并使海平面几乎以相同的速率持续上升。重力卫星（GRACE）数据显示，2003 ~2010年格陵兰冰盖和南极冰盖冰量损失显示出显著的增加之势，冰量以392.8±70.0Gt/a的速率减少，相当于同期对海平面上升的贡献速率为1.09±0.19mm/a。尽管估算存在差异，2003 ~2010年冰盖物质损失约可解释25% 的海平面上升量。政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）评估报告很新的评估结果表明：①对于山地冰川，2003 ~ 2009年所有冰川（包括两大冰盖周边的冰川）对海平面上升的贡献速率为0.71mm/a（0.64 ~0.79mm/a），在实际计算中有时难于将两个冰盖周围的冰川与冰盖的贡献分离开来，因此，在不考虑两大冰盖周围冰川情况下，优选冰川对海平面上升的贡献速率为0.54mm/a（0.47 ~0.61mm/a）（1901 ~1990年）、0.62mm/a（0.25 ~0.99mm/a）（1971 ~2009年）、0.76mm/a（0.39 ~ 1.13mm/a）（1993 ~ 2009年）及0.83mm/a（0.46 ~ 1.20mm/a）（2005 ~2009年）。②对于格陵兰冰盖和南极冰盖，两者对海平面变化的贡献途径略有不同。格陵兰冰盖物质平衡（mass balance）由其表面物质平衡（surface mass balance）和流出损失量组成，而南极冰盖物质平衡主要由积累量和以崩解与冰架冰流损失构成，两大冰盖对海平面变化贡献的观测真正开始于有卫星和航空测量的近20年，主要有3 种技术应用于冰盖测量：物质收支方法、重复测高法和地球重力测量法。观测表明，格陵兰冰盖对海平面上升的贡献速率为0.09mm/a（-0.02 ~0.20mm/a）（1992 ~2001年）到0.59mm/a（0.43 ~ 0.76mm/a）（2002 ~ 2011年）；南极冰盖对海平面上升的贡献速率平均为0.08mm/a（-0.10 ~ 0.27mm/a）（1992 ~ 2001年）到0.40mm/a（0.20 ~ 0.61mm/a）（2002 ~2011年）。1993 ~2010年两大冰盖对海平面上升的贡献总量为0.60mm/a（0.42 ~0.78mm/a），与IPCC 第四次评估报告给出的数据（1993 ~ 2003年格陵兰为0.21 ±0.07mm/a、南极的0.21±0.35mm/a）比较，冰盖对海平面上升的贡献速率明显增加。

    北极作为北半球冬季冷空气的源地，对东亚地区的寒潮和冬季风均有重要影响。而北极海冰由于其阻隔了海-气之间的热量交换，以及通过反照率反馈机制对北极和欧亚大陆高纬度地区的冷空气活动有重要调制作用，进而影响东亚地区的天气和气候。早在20 世纪90年代后期，我国学者就指出，喀拉海—巴伦支海是影响东亚气候变化的关键区域。冬季该海域海冰变化主要受北大西洋暖水流入量的影响，而且与500hPa 欧亚大陆遥相关型有密切的联系：冬季该海域海冰异常偏多（少），则东亚大槽减弱（强），冬季西伯利亚高压偏弱（强），东亚冬季风偏弱（强），入侵中国的冷空气偏少（多）。近年来的观测和数值模拟试验也进一步证实了这一结论。

    近几十年北极海冰的减少对北半球冬季降雪产生重要影响。结合观测资料分析和数值模式模拟发现：一方面，夏季北极海冰的大范围减少以及秋冬季北极海冰的延迟恢复可以引起冬季大气环流的变化，但这种环流变化却不同于北极涛动（Arctic Oscillation，AO），因而减弱了北半球中高纬度的西风急流，使其振幅增强，即变得更具波浪状。这种环流变化使得北半球中高纬阻塞环流出现的频率增加，进而增加了冷空气从北极向北半球大陆地区入侵的频率，造成北半球大陆地区出现低温异常。另一方面，夏季北极海冰的大范围减少以及秋冬季北极海冰的延迟恢复使得北极存在更多的开阔水域，从而将大量的局地水汽从海洋输送到大气。同时，北极的变暖也使得大气可以容纳更多的水汽。上述两方面结合在一起，导致近年来东亚、欧洲和北美大部分地区冬季出现异常降雪和低温天气。该研究还指出，如果北极海冰继续减少，很可能会在冬季发生更多的降雪（特别是强降雪过程）和严寒天气。

    在气候变暖背景下，极地冰雪是气候系统中变化很为快速的内部变量之一。其中，极地冰盖物质平衡和动力不稳定性是关系未来优选海平面变化的关键因素，极地海冰变化则是影响优选气候尤其是特别天气/气候的重要因子。鉴于此，在极地雪冰诸多过程中，本研究重点关注冰盖-冰架系统的动力过程，以及北极海冰快速变化机制及其引发的特别气候事件。

    在我国极地冰冻圈研究起步较晚、基础较弱的条件下，如何选择相对优势领域开展研究，以便为将来做出靠前水平的成果打好基础和增加科学积累? 本研究的思路是：在冰盖方面，选择中国冰盖考察的优势区域——东南极冰盖很大的冰流系统（Lambert 冰川—Amery 冰架流域系统，LGB—AIS 系统）开展综合现场监测研究，结合多源观测资料获取关键参数，从而构建具备一定自主知识产权的冰盖动力学模型，评估冰盖-冰架系统的动力不稳定性，并很终将模型推广到全南极冰盖，预估冰盖变化对优选海平面的影响；在两极海冰方面，侧重对东亚气候影响显著的北极海冰，分析造成海冰快速消融的动力、热力学机制，通过数值模拟和观测资料的诊断分析，研究海冰变化引发东亚地区，尤其是我国灾害性特别天气气候事件的强度和范围，为预测东亚地区天气气候变化提供科学依据。为解答上述思路的两个关键问题，还需要寻求冰盖消长的地质学证据以及冰芯记录中合理的代用指标，重建关键要素的长期序列，从较长时间尺度上提供冰盖动力模型所亟须的约束条件、结果验证的基础以及归因分析的依据。

    本研究包含四大部分内容：

    1）东南极冰盖表面物质平衡的星-地一体化观测计算与评估；

    2）典型冰盖-冰架系统监测与模拟研究；

    3）北极海冰时空变化特征、消融机制及其对天气气候变化的影响机理；

    4）极地冰冻圈长期变化与气候的关系。

    从国家重大需求来看，本研究将有助于提升我国极地冰冻圈研究的能力。我们力争在冰盖动力响应模拟方面取得突破性进展和重要科学认识，预估冰盖变化对海平面的影响，增强我国在气候变化与相关靠前谈判的话语权和主动性；北极与我国天气气候变化密不可分，冬季北极冷空气向南爆发直接与我国的寒潮低温天气过程关系密切。北极海冰异常是影响东亚季风和降水的重要外强迫信号。因此，研究北极海冰变化的成因及其对东亚天气气候变化的影响，不仅在科学上有重要意义，而且对于我们理解东亚天气气候异常的原因，提高短期气候预测能力，应对和减轻气象灾害造成的损失，具有重要的现实意义。

    1.2 靠前外进展与趋势

    1.2.1 东南极冰盖表面物质平衡的星-地一体化观测计算与评估

    冰盖物质平衡指格陵兰冰盖或南极冰盖上的物质收入和物质支出之差，其中物质收入主要来自降雪或降水，物质支出主要由冰架崩解和底部融化、冰盖边缘融水以及冰盖表面升华组成。表面物质平衡是冰盖表面的物质收入和物质支出的净值。对于南极冰盖，其表面物质损失以升华为主，总量很少，可与雪积累率等同；格陵兰冰盖的表面有融化现象，因此较为复杂（丁明虎，2013；王慧等，2015）。

    两极冰盖作为优选气候系统的冷源，不仅在气候变化中起到放大器和驱动器的作用，而且以固态形式储存了大量的淡水，其中南极冰盖尤其重要，冰川储量约占优选冰川储量的90%，占优选淡水总量的70%。冰盖物质平衡的微小变化都会对优选海平面变化、水循环、大气热动力循环等造成巨大影响，优选海平面上升将导致一系列的环境问题和社会问题。因此，了解优选海平面上升趋势及其原因极其重要，南极研究科学委员会（Scientific Committee on Antarctic Research，SCAR）专门设立了“冰盖物质平衡和海平面”（Ice Sheet Mass Balance and Sea Level，ISMASS）研究计划，着重针对极地冰盖物质平衡的各个分量进行研究。

    20 世纪90年代之前，冰盖表面积累率、边缘冰架的崩解和底部相变的测量虽然一直受到重视，但由于自然环境恶劣，实地考察开展困难，所获得的直接资料十分有限，大部分集中在近海地区和常年考察站附近，同时这些有限资料，也因为测量标准不同，考察时期不一致等因素，其可比性受到约束。1991年，SCAR协调多国科学家参与靠前横穿南极科学考察计划（International Trans-Antarctic Scientific Expedition，ITASE），其中一个重要方面就是获取数条横穿南极冰盖路线上的表面积累率，通过浅冰芯获取百年来的积累率序列，为海平面变化研究和冰盖物质平衡模拟研究提供了基础资料，并进一步评价了南极冰盖的物质平衡状态。

    虽然已有多种方法可直接对冰盖表面物质平衡开展观测，如花杆法、雪坑和浅冰芯、冰雷达（ice radar）、超声高度计等（Eisen et al.，2008；丁明虎等，2009），极地冰盖物质平衡实测站位仍然十分稀少，能长期或大范围开展的观测更是少之又少（Favier et al.，2013）。尽管如此，这些数据是研究冰盖物质平衡的基础验证手段。为了更好地利用这些数据，Vaughan 等（1999）收集整理了南极冰盖表面物质平衡的观测数据，建立了参照数据集。使用该数据集作为验证，van de Berg 等（2006）、Krinner 等（2007，2008）、Lenaerts 等（2012）对南极冰盖物质平衡进行了模拟和评价。进一步补充数据之后，Arthern 等（2006）和van de Berg 等（2006）使用差值方法对南极冰盖表面物质平衡进行评价，估算结果分别为143mm/a 和168mm/a。

    在使用过程中，多个研究发现该数据集在部分地区与实测差异较大，主要原因是未经质量控制（Anschutz et al.，2009，2011）。因此，为了更正和补充表面物质平衡数据集，Agosta 等（2012）在Adelie Land 建立了长达40年（1971 ~2011年）的高分辨率数据集，Magand 等（2007）在南极冰盖90°E ~ 180°E 建立了长达55年（1950 ~ 2005年）的数据集，并分别对所在地区的表面物质平衡状况开展了系统研究。

    在Vaughan 等（1999）的基础上，Favier 等（2013）收集整理了近十几年的观测数据，特别是补充了中国南极Dome A考察、靠前

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