新生代南极冰盖演化的模拟研究——气候场不确定性的影响_满凯.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月第 四 纪 研 究,满凯,魏强,谭宁,等 新生代南极冰盖演化的模拟研究 气候场不确定性的影响 第四纪研究,():.,():.:文章编号:()新生代南极冰盖演化的模拟研究 气候场不确定性的影响满凯,魏强,谭宁,张仲石,李熙晨,刘永岗(中国科学院大气物理研究所,北京;北京大学物理学院大气与海洋科学系,北京;中国科学院地质与地球物理研究所,北京;中国地质大学(武汉)环境学院大气科学系,湖北 武汉)摘要:观测显示,南极冰盖在始新世到渐新世交界时期()开始形成,之后随着全球气候的逐渐变冷而扩张并趋于稳定。以此为约束,可以检验气候模式和冰盖模式在模拟中晚新生代气候和冰盖演化的有效性。
2、本研究采用冰盖模式.,分别使用两个气候模式.和 模拟得到的新生代气候场为强迫场,对南极冰盖的演化进行了模拟,对比了两种气候场得到的南极冰盖演化的差异。其中,.模拟采用的 浓度是以重建的全球平均温度为约束反推得到的,而 模拟则是采用由地质记录中的 代用资料重建得到的浓度。结果显示,.模拟的气候场在 时可以在东南极形成冰盖,在 和 该冰盖持续存在,但始终都没有形成显著的西南极冰盖。而 模拟的气候场在 之前都不能形成冰盖,但在 时可以形成包括西南极冰盖在内的大冰盖。总的来说,使用.模拟的气候场给出的南极冰盖演化相对更为合理,也在一定程度上说明了新生代全球平均温度重建的合理性。关键词:南极冰盖;古气候
3、;新生代;中图分类号:文献标识码:开放科学标识码()收稿,收修改稿 国家自然科学基金项目(批准号:和)资助 第一作者简介:满凯,男,岁,博士研究生,冰冻圈研究,:通讯作者:刘永岗,:引言南极冰盖是目前最大的陆地冰盖,对海平面变化和气候演化有重要的影响。很多研究认为始新世到渐新世交界时期()全球气候从相对温暖的气候状态()转变为更冷的气候状态(),南极冰盖开始形成。南极冰盖的变化通过影响地表反照率、改变大气和海洋环流来影响区域和全球气候,是始新世之后气候变化的重要驱动力,。因此,对于理解始新世以来的气候演变,了解南极冰盖的形成和演化是非常重要的。总的来说,对于构造尺度上新生代南极冰盖演化的数值模
4、拟研究仍不系统和不充分。相较其它时期,南极冰盖在始新世到渐新世交界时期()的演化模拟较多。和 使用冰盖模式与气候模式耦合模拟了东南极冰盖的初始生长和早期演化,该气候模式中使用了平板海洋模型,冰盖模式采用了垂向积分的浅冰近似动力学模型,并且没有考虑冰架对于冰盖演化的影响;等模拟了中新世早期到中期()氧同位素曲线所显示的南极冰盖体积的较大波动。在模拟中他们采用了包含高分辨率大气模式的气候模式与冰盖模式的异步耦合方案,海洋仍然为平板海洋,冰盖模式中使用了浅冰近似动力学模型,但加入了冰架的模拟。模拟结果显示出了由于 增加导致的南极冰盖退缩;等模拟了中新世中期之后(.)南极冰盖在大气 浓度和轨道参数变化
5、下的扩张,模拟使用了较简单的纬向均一的冰盖模式 分区箱式的气候模式耦合方第 四 纪 研 究 年案;首 次 模 拟 了 上 新 世(.)的南极冰盖,模拟中使用了浅冰近似的动力学模型和表面物质平衡参数化方案;等使用了类似的模拟框架,说明了上新世最极端的轨道强迫之下,东南极冰盖的退缩可能会引起大约 的海平面升高(相比于现代)。除此之外,还有更多的研究关注轨道尺度和千年尺度上南极冰盖的变化。现有的关于构造尺度上新生代南极冰盖的模拟研究比较分散,并且各个模拟由于采取的模式、模拟方法和边界条件的限定各不相同,较难进行横向的比较。在模拟方法上,由于千万年时间尺度上连续积分计算气候演化超出了现在计算机计算能力
6、,因此必须根据具体情况采用不同替代方案。较为简单的气候演化的参数化方法是一种可行的方式,比如,和 曾提出了包含轨道参数变化和海平面变化影响的表面温度、降水和冰架底部融化率的参数化方法,驱动既包含冰盖也包含冰架的模式,模拟了过去 以来南极冰盖的演化,重现了在短短几千年之内西南极坍塌和重建的周期变化;另一种避免长时间直接模拟气候的方式是建立气候强迫场的查询表,等在模拟始新世渐新世转变中南极冰盖形成时首次较好的使用了这样的方法,他首先通过大气海洋耦合模式模拟并插值生成包含南极太阳辐射、冰盖覆盖区域和大气 浓度 个维度气候场查询表,然后使用冰盖模式连续模拟始新世渐新世前后的冰盖生长,加深了人们对于南极
7、冰盖形成中 阈值的认识。还有一种方式是将长时间的模拟转化为多个时间切片的模拟,即在冰盖演化的不同阶段选取时间片,耦 合 或 非 耦 合 的 运 行 气 候 模 式 和 冰 盖 模式,。本文将采用这种方式研究南极冰盖在千万年尺度上的演化,模拟 、和 南极冰盖的形态。为了探究模式模拟气候场的不确定性对于冰盖模拟结果的影响,本文采用了两套公开发表的气候模拟资料。这两套资料都是通过全耦合的大气海洋环流模式模拟得到,分别为通用地球系统模式(.)和挪威地球系统模式()。生成两套资料的气候模式不同,模拟气候时采用的策略也不同,本文的主要目的是通过模拟南极冰盖来初步检验两套资料是否能合理地给出极地气候在新生代
8、的演化。文章的结构如下:第 节描述了模拟方法,分为 个部分,第 部分介绍了所使用的两套气候模拟资料和地形资料,第 部分介绍了所使用的冰盖模式和其中的参数设置,第 部分介绍了模拟试验的设置;第 节展示了现代冰盖的模拟结果。为了验证并说明模拟方法的有效性,本文完成了现代南极冰盖的模拟,并将试验结果与观测资料对比;第 节展示了新生代南极冰盖的模拟结果,然后讨论了气候场的不确定性对于模拟结果的影响;第 节阐述了研究结论,并对研究结果的不确定性进行讨论。模拟方法.新生代气候模拟资料本 文 使 用 的 两 套 气 候 资 料 分 别 是 用.和 模式模拟得到的。两个模式都包含完整的大气、海洋和海冰动力学、
9、陆面以及植 被 过 程。其 中,第 一 套 资 料 提 供 了 由.模拟得到的过去.亿年的气候资料,每 千万年一个时间切片。模拟采用了 和的基岩高程重建资料作为地形边界条件(图),设置的太阳常数值随着时间向前回溯而线性减少,地球轨道与现代地球的相同,植被的变化由.自带的动态植被模块模拟得到。由于过去温室气体的变化有很大的不确定性,为了得到比较合理的气候,采取的策略是在除工业革命前(,简称)试验外的每个切片试验中通过调整大气 浓度使全球平均温度接近重建的全球平均温度,大气中其它气体组分与现代相同。本文中使用了、和 这 个时间切片的气候场,每个试验的 浓度、全球平均温度见表,地表年平均温度和降水的
10、空间分布见图。这里的地表温度指的都是近地表()大气温度。该套数据的大气水平分辨率为.。第二套资料中提供了由挪威地球系统模式低分辨率版本()模拟得到的、和 气候场(表 和图)。该模拟同样采用了 和的地形重建资料作为整体地形边界条件,并在海深、高程、海道等一些细节上根据不同记录进行了调整。不同时期大气 设置参考已有 重建记录设定,详见表。此套试验均采用 条件下的轨道参数设置;在不同时期植被均采用了理想化植被处理,即在南北纬 度以外覆盖灌木和草地类型,在南北纬 度以内覆盖森林植被;期满凯,等:新生代南极冰盖演化的模拟研究 气候场不确定性的影响图 和 给出的 、和 的南极基岩高程.,图 .模拟的南极年
11、平均()温度场和()降水场.()().表 .模拟所使用的太阳常数和 浓度及得到的全球平均温度 .模拟试验 太阳常数()浓度()全球平均温度()表 模拟所使用的 浓度和得到的全球平均温度 模拟试验浓度()全球平均温度()第 四 纪 研 究 年图 模拟的南极年平均()温度场和()降水场.()()南北两极均未设置冰盖。.和 的试验都运行了超过 年,分别取最后一百年和两百年气候变量的平均来驱动冰盖模式。对比表 和表 可以看出,对于 的平衡态气候敏感性(定义为 瞬间加倍且气候达到平衡态后的全球平均温度变化)似乎显著大于.的敏感性,但由于两个模式采用的植被很不一样,而植被对气候的影响很显著,这样的比较可能
12、很不准确。比如,在使用.模拟 气候时,我们发现采用.自带动态植被模块和采用 植被模块在相同的 浓度下得到的全球平均温度相差超过.(结果未展示),前者模拟的植被偏少,温度偏低。由于重建的全球平均温度和重建的 浓度都有很大的不确定性,并不容易判断采用哪种策略来模拟新生代气候更可靠。但是显然如果模式的平衡态气候敏感性与真实气候的敏感性有偏差,采用给定 的方法来模拟会带来新的偏差,这个偏差与 浓度的偏差可能互相抵消也可能互相叠加。.冰盖模拟本文所采用的冰盖模式是 (简称.),该模式是热力耦合模式,其中动力学部分既可以采用浅冰近似也可以采用一阶近似或全斯托克斯的动力学框架来求解。本文中使用的是一阶近似的
13、动力学框架模拟冰盖以及冰架。底部摩擦()由公式()来计算如下:()公式()中,是底部滑动速度,底部摩擦系数 即使在现代也是未知数,通常通过反演来得到,为冰盖底部的有效压强,由公式()定义:()()公式()中,为重力加速度,为冰密度,为水密度,为冰厚度,为冰盖底部的海拔高度,向上为正。公式()中的第二项只有当 为负的时候存在,用来表示海水压力的影响,在西南极地区比较重要。表面物质平衡主要包括表面积累、融化和重凝结过程。对于表面积累来说,它假设每个月积累量占降水量的比例与每个月地表温度小于 的天数成正比,每个月日温度的变化假设呈现均值为(由输入的气候场给定)方差为(设为)的正态分布,公式如下表述:
14、.()|()公式()中,是地表温度,表示冰密度,表示水的密度。表面融化通过度日模型来计算,本文修改了模式中的默认参数设置,具体公式如下:()|()期满凯,等:新生代南极冰盖演化的模拟研究 气候场不确定性的影响|()公式()和()中,是南半球夏季地表的月平均温度;和 分别表示冰和雪的融化率参数,它们和度日因子()的乘积表示年消融量。和中的各系数并没有确定的值,通常都是具体情况具体分析,有很强的主观性。在默认参数的测试试验中,西南极冰盖难以发育完全,厚度和覆盖面积都明显小于观测(未展示)。为了使 的模拟结果呈现与观测相近的结果,尤其是西南极冰盖的冰盖厚度和覆盖范围,本文整体调整了模式默认的()和(
15、)中的值,使得 和 在所有温度下都减半(公式()和()中的参数是已经减半后的数值)。度日因子()的计算公式则如下:.()|()公式()中,假设了每月中小时温度的变化呈现均值 为,方 差 为(在 模 式 计 算 中 取.,比上面的 大是因为考虑到了在阴天(降雨天)中云比较多所以温度变化更小)的正态分布。重凝结的计算方法给出以下公式:,()(,),(,)|()公式()中,给表示年降雨量,表示年降雪量,表示年融雪量,.是毛细作用参数,(在模式计算中取 )表示有效热力层深度,表示冰比热容,表示冰的融化潜热。冰盖表面的温度边界条件由气候模拟的地表温度得到,该温度不仅在计算冰盖内部的温度分布时会用到,在计
16、算表面物质平衡的时候也需要(公式()、()、()、()。考虑到冰盖的高度变化会导致气候场的变化,因此需要在模式运行过程中对输入的地表温度做修正,表述如下:.()公式()中,代表冰面高度变化,表示在参考高度(气候模式模拟时的地表高度)处的温度,分别表示调整后的地表温度,在计算表面物质平衡的时候,每个时间步对温度修正一次,但是计算冰川内部温度场的时候,每经过 年修正一次。同样,计算表面物质平衡的时候,每个时间步对降水也修正一次,用来表示地形抬高造成的气候荒漠化效应,公式如下:|()公式()中,表示在参考高度(与温度类似)处的降水,分别表示调整前后的降水。在冰盖底部,温度方程的下边界条件为地热通量,
17、统一设置为.。只考虑冰架的底部融化,而不考虑冰架的崩解。本文使用了 和 的方法,通过海洋温度参数化计算冰架的底部融化速率()如下:()()公式()中,是热扩散系数,是海水密度,是海水比热容,是冰密度,是冰的融化潜热,在计算时取均一的 ;是冰架附近的海水温度,在计算时使用.模拟 的 海 洋 温 度,.是海水的凝结温度,其中 表示距离海表参考面的深度()。由于在 的气候模拟中西南极地区是有冰盖的,而在冰盖模拟中该地区很大一部分是海洋格点,在这些地方,冰架底部融化率统一设置为.。需要注意的是,由于在模拟 气候的时候在南极大陆已经设置了冰盖,所以在用这个时期的气候场驱动冰盖模式.的时候,先根据公式()
18、和()将温度和降水都调整到没有冰盖的值。本文选用 数据作为 试验的底部地形的边界条件,在新生代几个时间切片的模拟中则沿用和.气候模拟试验相同的 和 的地形重建资料(图),但是由于重建资料中 的地形有不合理的抬升,给冰盖模拟带来过大的误差,因此在 的冰盖模拟试验中采用了 的重建地形进行模拟,同时用公式()和()的方法分别修正温度和降水场。在使用 模拟的气候场进行模拟时,采用同样的第 四 纪 研 究 年地形边界条件方案和气候场调整方案,区别是对于在 和 的 模 拟 中 都 采 用 和重建地形中 的地形数据。.试验设置 本文共进行了现代冰盖和新生代其它时期的模拟试验,在所有的试验中,.的水平网格为三
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