南半球環(huán)狀模與南極冰芯中氣候信息關(guān)聯(lián)研究綜述

史貴濤 孫波 曾剛 李院生 馬紅梅 安春雷 姜蘇

（1國家海洋局極地科學(xué)重點實驗室，中國極地研究中心，上海200136；2南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點實驗室，江蘇南京210044）

0 引言

南半球環(huán)狀模（Southern Annular Mode，SAM）是大范圍緯向水平對稱的大氣氣團(tuán)在副熱帶高壓區(qū)（以45°S為中心）與極地地區(qū)呈現(xiàn)“翹翹板”式的變化特征，這種大氣環(huán)流模態(tài)也被稱為南極濤動或南半球高緯度模［1-2］。中緯度氣壓異常高，高緯度區(qū)域氣壓異常低時，SAM變化表現(xiàn)為正位相，反之為負(fù)位相。

SAM是南半球大氣環(huán)流變化最主要的模態(tài)，是驅(qū)動南半球中高緯地區(qū)氣候季節(jié)變化到年代際變化的最主要因素，大約可以解釋南半球氣候變化（低頻到高頻）的35%，在低頻氣候變化上貢獻(xiàn)率可能更大［3］；在全球尺度上，SAM可以解釋全球大氣氣團(tuán)傳輸變異的10%［4］，因此近年來得到了氣候?qū)W家和大氣學(xué)家較多關(guān)注。以往的研究主要基于再分析資料（現(xiàn)代觀測資料）和氣候代用指標(biāo)（如樹輪、冰芯等），對SAM的演化特征及與之關(guān)聯(lián)的區(qū)域氣候影響等進(jìn)行了研究［3，5-7］，并得到了一系列重要結(jié)論。同其他氣候代用指標(biāo)相比，冰芯在研究過去大氣環(huán)流異常中具有獨特的優(yōu)勢，本文簡單總結(jié)了近幾十年來SAM演化規(guī)律，重點綜述了SAM與南極冰芯氣候信息的關(guān)聯(lián)特征，總結(jié)了冰芯氣候記錄對SAM的指示意義，為研究長時間尺度SAM演化特征提供了依據(jù)。

1 SAM近期演化特征

SAM異?？梢酝ㄟ^SAM指數(shù)（SAMI）來定量刻畫，通常采用經(jīng)驗正交分解（EOF）［1］和氣壓差法計算［8］。NCEP／NCAR（NNR）和 ERA-40再分析資料是目前研究SAM的常用數(shù)據(jù)資料，有研究認(rèn)為在揭示SAM時間變化規(guī)律方面ERA-40優(yōu)于NNR［9］，不同學(xué)者利用這兩套資料構(gòu)建了多個SAMI序列，目前應(yīng)用較廣的總結(jié)于表1。由于各序列在計算時選取的資料及研究的側(cè)重點存在差異，因此在研究SAM與區(qū)域氣候關(guān)系時SAMI的選?。ɑ蛴嬎悖?yīng)綜合考慮。

表1 目前應(yīng)用較多的SAM I序列Table 1.Themostly referenced SAMI from the published reports

針對過去幾十年SAM的演化特征很多學(xué)者進(jìn)行了研究，如 Thompson等［2］研究發(fā)現(xiàn)1960s以來SAM明顯增強(qiáng)，Kidson［14］通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)1958—1997年間SAM表現(xiàn)出明顯的正位相趨勢，Gong等計算發(fā)現(xiàn)1950s以來 SAMI有增大趨勢［8］，這些研究均發(fā)現(xiàn)1970s—1980s間SAM正位相趨勢最明顯，同卞林根等［5］研究認(rèn)為1972年是SAM演化的躍變點是一致的。圖1總結(jié)了表1中7組SAMI（時間分辨率均歸一至年），可以看出近期（1950s—2010s）SAMI上升趨勢明顯。對SAM的變化周期，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)存在3—5年的變化周期［5，8］，但無明顯的季節(jié)變化規(guī)律［2］。

圖1 器測資料及再分析資料構(gòu)建的SAMIFig.1.Construction of SAM index based on the instrumentalmeasured data and NCEP／NCAR reanalysis data

近幾十年來SAM正位相的空間分布型并不是完全的環(huán)狀對稱（圖2），有研究指出，南半球冬春季節(jié)非緯向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)更明顯［15］。SAM的空間變異對研究區(qū)域氣候影響尤為重要，如在研究SAM同澳大利亞氣候關(guān)系時，90°E—180°E區(qū)域的 SAMI能更準(zhǔn)確地揭示SAM與該區(qū)域氣候的關(guān)系［16-17］。我們利用ERA-40再分析資料年平均MSLP異常（20°S以南的年均值，2.5°×2.5°），通過 EOF分解計算了南半球不同區(qū)域SAMI（圖3），可以看出不同地理單元SAM在位相和變化幅度上表現(xiàn)出一定的差異（如大西洋扇區(qū)的 SAMI振幅最?。?，總體上各區(qū)域SAMI表現(xiàn)出較好的相關(guān)性（r＞0.70，p＜0.001）。由此來看，SAM的演化同時具有時空變異特征，但其空間變異常被忽略。

圖2 700 mbar位勢高度場的EOF第一主分量（解釋總變異的27%）.資料為1979—2000年，時間分辨率為月份.SAM正位相趨勢明顯，中-高緯氣壓梯度增大，導(dǎo)致更多更強(qiáng)的向極方向的氣流和風(fēng)暴，同時繞極西風(fēng)環(huán)流增強(qiáng)（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）

近幾十年SAM為什么會出現(xiàn)明顯的正位相發(fā)展趨勢？針對這一問題很多學(xué)者對其驅(qū)動因素進(jìn)行了探討［12，18-19］，但由于 SAM演化是復(fù)雜的大氣過程，受多種因素制約，同時受其他大氣環(huán)流模態(tài)（如SO等）的強(qiáng)迫，因此關(guān)于SAM形成、維持的動力學(xué)機(jī)制的認(rèn)識程度還很有限，且仍存在爭議，不在本文綜述范圍內(nèi)。

2 冰芯記錄對SAM的指示

圖3 不同區(qū)域平均海平面氣壓距平經(jīng)驗正交分解第一向量的時間系數(shù)（SAM指數(shù)，時間分辨率為年），基于1958—2012年ERA-40再分析資料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緯度區(qū)域氣象觀測數(shù)據(jù)較少，1950s IGY期間南極才開始進(jìn)行氣象觀測，直到1970s南半球高緯度區(qū)域衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)才被同化到再分析資料中，同時南大洋觀測數(shù)據(jù)大量缺失，因此很難通過再分析資料研究較長時期SAM演化規(guī)律，只能借助于相關(guān)的氣候代用指標(biāo)，在這方面已開展了一些研究工作：Jones等［20］利用樹輪記錄發(fā)現(xiàn)11—1月份的SAMI同樹輪序列有良好的相關(guān)性，并以此重建了1743年以來的SAMI，首次給出了器測資料以前的SAMI，但仍存在較大的不確定性；Gong等［21］通過珊瑚記錄，研究發(fā)現(xiàn)Sr含量同冬季SAMI的相關(guān)性明顯，但Sr含量變化滯后于SAM 1—3個月；Moreno等［22］利用孢粉記錄研究了過去5 000年西風(fēng)環(huán)流的變率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)貥浞N及分布范圍的變化同西風(fēng)帶的強(qiáng)度和位置密切相關(guān)，從另一方面反映了千年時間尺度上SAM的趨勢信息。此外，國內(nèi)學(xué)者張自銀等［23］利用樹輪、珊瑚、冰芯等多種代用資料研究了1 500年以來南半球夏季的SAM序列，發(fā)現(xiàn)SAM變率及周期信號有明顯的時間變化特征。總體來看，由于這些氣候代用指標(biāo)的局限性（如沉積物時間分辨率相對較低、樹木年輪時間尺度較短），很難利用這些代用指標(biāo)研究SAM演化的年際、年代際和多年代際變化規(guī)律和特征。同其他氣候代用指標(biāo)相比，南極冰芯記錄由于信息量大、保真度好（離子濃度、同位素等信息）、時間分辨率高（可達(dá)月份）、時間尺度范圍大（時間分辨率為年，可達(dá)千年—萬年）、分布范圍廣（便于空間對比分析）等特點在揭示長時間SAM時空演化序列方面具有獨特優(yōu)勢。

國際南極橫穿科學(xué)考察計劃（ITASE，International Trans-Antarctic Scientific Expedition）在南極大陸開展了廣泛的冰芯研究工作，積累了大量數(shù)據(jù)資料，為開展氣候重建工作奠定了基礎(chǔ)。同時隨著冰芯分析技術(shù)的進(jìn)步，可獲取更多指標(biāo)（如17O、15NNO－3等）和更高分辨率的氣候記錄（如連續(xù)流動分析裝置CFA的應(yīng)用）［24］，結(jié)合器測數(shù)據(jù)及再分析資料，利用冰芯記錄定量重建過去大氣環(huán)流，是當(dāng)前氣候變化研究領(lǐng)域一個重要的方向。目前冰芯記錄中海鹽離子、NO－3、SO2－4、水穩(wěn)定同位素、積累率等均是常用的氣候代用指標(biāo)，以下基于已有冰芯記錄研究，對可能指示SAM及與之相關(guān)的大氣環(huán)流的冰芯代用指標(biāo)進(jìn)行了闡釋。需要說明的是由于SAM通過繞極西風(fēng)環(huán)流的強(qiáng)度和位置來表現(xiàn)［25］，本質(zhì)上反映的是南半球中高緯度區(qū)域海平面氣壓的異常，因此冰芯理化參數(shù)指示的中高緯海平面氣壓變化，西風(fēng)帶強(qiáng)弱及位置變化等大氣環(huán)流信息，實際上都指示了SAM的變化。

2.1 冰芯NO－3含量

極地雪冰中NO－3是主要的可溶性雜質(zhì)，在南極內(nèi)陸通常占陰離子總量的30%，在海岸帶，受海鹽顆粒的影響占陰離子總量的7%左右［26］。已有研究表明南極雪冰中NO－3主要源于高層大氣NOx的長距離輸移，以氧化硝酸乙酰（PAN）形式輸送至南極對流層頂部／平流層底部，并下沉到冰蓋表層雪中，這種沉降以氣態(tài) HNO3沉降為主［27-28］?；贜Ox的傳輸模式，雪冰中NO－3含量可能記錄了相關(guān)的大氣環(huán)流異常。Goodwin等［29］研究發(fā)現(xiàn)南極Wilkes地（處于南極風(fēng)場輻合帶）冰芯（覆蓋時間1920s—1990s）中NO－3濃度受區(qū)域風(fēng)速影響顯著，可較好指示地面風(fēng)場強(qiáng)度，統(tǒng)計結(jié)果顯示冰芯中NO－3濃度同南半球冬季經(jīng)向平均海平面氣壓MSLP異常表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性（圖4，r＝－0.52，p＜0.01），說明該冰芯NO－3記錄可較好地指示中高緯區(qū)域氣壓梯度。該冰芯記錄到1964年以后NO－3濃度逐漸降低，指示了冬季中緯度大氣高壓脊對Wilkes地的影響減弱，這同觀測到的1960s以來南極繞極低壓槽加深［30］、SAM正位相發(fā)展［31］一致。此外，南極半島Dolleman Island冰芯分析表明，NO－3濃度可指示橫穿半島指數(shù) CPI（Cross-Peninsula Index），結(jié)果顯示 1650—1700年、1900s早期及1950s—1980s西風(fēng)帶頻率增強(qiáng)，伴隨SAM的正位相［32］。由此可見，冰芯中NO－3記錄較好地指示了SAM的變化規(guī)律（中高緯MSLP異常）。

圖4 Wilkes冰芯中NO－3同南半球冬季中高緯區(qū)域（130°E—170°E）海平面氣壓梯度的關(guān)系［29］Fig.4.Mean annual nitrate concentration at Wilkes plotted against the average MSLP gradient，in Austral winter season［29］

需要說明的是NO－3在南極內(nèi)陸區(qū)域，尤其是低積累率地區(qū)，會發(fā)生明顯的沉積后丟失過程，即表層幾米雪層中NO－3含量隨深度會顯著降低［33-34］，因此內(nèi)陸冰芯NO－3記錄在指示大氣NO－3輸入時可能存在偏差。為深入研究NO－3含量與大氣輸入的定量關(guān)系，在發(fā)生NO－3沉積后丟失的區(qū)域必須將NO－3含量同初始降雪時的含量（基于雪-氣界面交換）建立對應(yīng)關(guān)系［35］，才能利用NO－3記錄重建大氣環(huán)流異常。

2.2 冰芯海鹽離子

南極雪冰中海鹽離子以Na＋，Cl－和Mg2＋等為主要成分，主要來源于海洋表面飛沫，雪冰中這幾種離子往往表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性［36］。目前研究表明雪冰中海鹽離子（以Na＋為代表）主要源于中緯度海洋氣溶膠的遠(yuǎn)距離經(jīng)向輸送［35，37］，這種傳輸模式下海鹽濃度可以指示緯向風(fēng)的強(qiáng)度，氣旋系統(tǒng)的范圍及強(qiáng)弱，極地渦旋強(qiáng)度及相關(guān)的大氣環(huán)流模態(tài)（如SAM等）；另外南極大陸周圍海冰上吹來的含較高海鹽離子的冰花也可能是海鹽組分的重要來源［38］，這一來源可能會干擾雪冰中海鹽離子對大氣環(huán)流的指示。

Goodwin等［39］通過研究 Law Dome DSS冰芯海鹽記錄發(fā)現(xiàn)，Na＋濃度反映了南半球中緯度區(qū)域海鹽的經(jīng)向輸送，南半球早冬季節(jié)（5—7月）MJJ-Na＋濃度與SAMI表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖5，r＝－0.53，p＜0.01），即高 Na＋濃度記錄了弱 SAM，低濃度則記錄了強(qiáng) SAM，基于此相關(guān)關(guān)系重建了700年來南大洋MSLP異常序列（即SAMI），并分析了700年來SAM的變化特征，1300—1995 AD期間SAM表現(xiàn)出顯著的年代際尺度變化，1500 AD以后變化趨緩，同記錄的早期相比，表現(xiàn)出弱正位相發(fā)展趨勢。需要說明的是Law Dome冰芯雖距海岸較近，但海鹽離子仍很好地指示了中高緯海域大氣物質(zhì)的傳輸過程，需要在更多區(qū)域揭示海冰冰花輸入對雪冰海鹽的貢獻(xiàn)。

圖5 1960s—1990s Law Dome冰芯Na＋記錄與 SAMI的相關(guān)關(guān)系［39］Fig.5.Correlation between Law Dome ice core Na＋ concentrations and the SAMI during the period of 1960s—1990s［39］

2.3 冰芯水同位素構(gòu)成

冰芯H、O同位素比率一直是重建過去氣候環(huán)境變化的有效代用指標(biāo)。大量研究表明，雪冰中氧同位素的組成與云團(tuán)形成降水時的凝結(jié)溫度有關(guān)［40-41］，但冰芯中水同位素構(gòu)成和溫度的關(guān)系受到一系列因素的影響：水汽源區(qū)條件、平流輸送和對流輸送比率、逆溫層強(qiáng)度、攜帶降水的大氣團(tuán)蒸餾歷史、云中形成降雪的微物理過程、降雪的季節(jié)變化和沉積后同位素的擴(kuò)散作用等［42］；此外，南極內(nèi)陸下降風(fēng)所攜帶的風(fēng)吹雪也會對區(qū)域同位素構(gòu)成產(chǎn)生影響［43］。通過H、O同位素可以計算過量氘（d），較高的d值指示更遠(yuǎn)的水汽來源，較低的d值反映高緯度地區(qū)的水汽來源［44］。

已有研究表明在月份時間尺度上氣溫異常變異的17%可由SAM來解釋［6］，因此SAM同指示溫度的水穩(wěn)定同位素可能存在關(guān)聯(lián)。數(shù)值模擬表明SAM同雪冰中18O同位素關(guān)聯(lián)密切，典型的正相位SAM同低溫相關(guān)聯(lián)，可以引起南極大陸冰芯中δ18O值 －0.2‰— －0.8‰的變量［45］。Naik等［46］利用DML的IND-25／B5冰芯（65m）反演了過去100年的氣候變化，發(fā)現(xiàn)在年際變化上ENSO-SAM共同決定了δ18O的時間變率，其中δ18O的4年變化周期正好同SAM的4—5年變化周期一致；而在年代際變化上（通過帶通濾波處理，將年際信號去除），SAM則主導(dǎo)了 δ18O的變化周期（圖 6，r＝－0.72，p＜0.01）。在 南 極 其 他 地 區(qū) DML、Law Dome和ITASE00-5冰芯中，SAMI與冰芯中δ18O協(xié)方差相關(guān)顯著，定量關(guān)系為－0.3‰—－0.9‰的δ18O變量對應(yīng)1倍SAMI標(biāo)準(zhǔn)偏差［47］。由此來看冰芯中水同位素記錄可以較好地指示SAM的變化，但通過對IND-25／B5冰芯100年δ18O記錄與SAMI的滑動相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，兩者相關(guān)性不穩(wěn)定［46］，因此需要更多的研究揭示冰芯 δ18O與 SAM的關(guān)系。Marshall等［48］指出，南極內(nèi)陸地區(qū)冰芯δ18O可能更好地指示SAM，但這一論斷需要進(jìn)一步的驗證。

圖6 IND-25／B5冰芯8—12年帶通濾波處理后的SAM同δ18O的關(guān)系［46］Fig.6.The 8—12 year band pass filtered data showing relation betweenδ18 O and SAM［46］

2.4 冰芯記錄的積累率

南極地區(qū)雪冰積累率是由降雪量、雪冰升華和風(fēng)吹蝕再分配作用等過程共同決定的，是南極冰芯研究的最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，積累率除受上述因素影響外，還受到氣溫、海拔、距海岸距離等地理因素的影響。總體上南極地區(qū)的降水很大程度上源于中緯度海洋氣團(tuán)的輸入［49］，因此積累率大小可能指示了中緯度海域向極地物質(zhì)輸送的強(qiáng)弱。南極半島西南Gomez冰川136 m冰芯記錄表明，該區(qū)域近年來降水量呈明顯增加趨勢，從1855—1864年的0.49 m weq／a到1997—2006年的1.10 m weq／a，1958年以來積累率同 SAMI表現(xiàn)出穩(wěn)定的正相關(guān)關(guān)系（圖 7，r＝0.41，p＜0.01），兩者線性關(guān)系為每單位SAMI的增大可以引起0.05 m weq／a的積累率增加；兩者年代際平滑的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.66，表明SAM的變化是控制該區(qū)域積累率年代際變化的主要因素，在年代際尺度上該區(qū)域積累率可以較好地指示SAM演化特征［50］。

圖7 Gomez冰芯積累率序列同1958—2006年500 hPa位勢高度場（ECMWF數(shù)據(jù)）的空間相關(guān)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］

此外需要說明的是，近幾十年來南極半島與其他區(qū)域氣候變化差異較大，觀測數(shù)據(jù)顯示近50年來東南極冰蓋大部分區(qū)域積累率未發(fā)生明顯變化［51］，因此積累率在南極其他區(qū)域?qū)AM的指示意義需進(jìn)一步驗證。

2.5 冰芯 SO2－4和MSA含量

MSA和SO2是大氣中由海洋生物釋放的二甲基硫（DMS）氧化生成的穩(wěn)定產(chǎn)物，由DMS氧化產(chǎn)生的SO2在大氣中進(jìn)一步被氧化為SO2－4，成為南極雪冰中SO2－4的重要來源［52］，因此雪冰中MSA和nss-SO2－4具有一定的生物指示作用。海冰范圍對DMS的生成和排放具有決定性作用［53］，同時SAM的變化可影響南大洋海冰分布范圍，如SAM正位相時南極半島西部的異常低壓引起的經(jīng)向風(fēng)導(dǎo)致了Ross海-Amundsen海和Weddell海-南極半島區(qū)域海冰范圍偶極子變化［54］，因此冰芯中含S化合物與 SAM可能存在一定關(guān)聯(lián)。

Becagli等［55］通過 Talos Dome 23 m雪芯所記錄的140 a的MSA含量變化發(fā)現(xiàn)，MSA同SAMI無顯著的相關(guān)性，但功率譜分析表明SAM是影響MSA含量3.5 a周期變化的主要原因，中間過程是海冰范圍：SAM正相位時Ross海冰范圍增大，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可能更多受南方濤動SO的影響，同SAM的關(guān)系較弱，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記錄揭示SAM的演化過程要充分考慮SO的影響，需通過信號剝離手段將SO的影響過濾后再進(jìn)行分析。

2.6 冰芯多指標(biāo)綜合分析

將冰芯中多種指標(biāo)進(jìn)行主成分分析（PCA）或EOF分解，可以找出影響冰芯化學(xué)記錄的主分量，從而獲得冰芯記錄的主要變量特征。冰芯記錄主分量反映了冰芯記錄的主要影響因素，可揭示影響冰芯記錄的主要大氣環(huán)流變化信息。

Xiao等［57］利用伊麗莎白公主地LGB65冰芯主要離子組分和δ18O的EOF1重建了過去250年南印度洋MSLP異常序列，指出南印度洋低壓同南極渦旋的異常密切相關(guān)，功率譜分析結(jié)果顯示南印度洋MSLP異常表現(xiàn)出約21年的變化周期。Law Dome DSS冰芯主要離子、δ18O和積累率EOF的主分量能解釋冰芯中海鹽離子大部分的變異，EOF1同SLP的相關(guān)性較好（圖 8，r＝0.37，p＜0.02），并以此重建了過去700年7月份東南極高壓異常變化序列，指出1800s年代經(jīng)向傳輸增強(qiáng)，1700s年代最弱，大氣環(huán)流的變化表現(xiàn)出明顯的年代際變化規(guī)律，25年變化周期較明顯［58］。在利用綜合代用指標(biāo)反演大氣環(huán)流時，需要對冰芯各指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分析，并明確主要分量所指代的氣候環(huán)境意義。由于單一指標(biāo)氣候指代意義簡單明確，目前被廣泛使用，當(dāng)其同PCA分析或EOF分解的主分量氣候指示意義相似時，兩者重建結(jié)果類似［57］。

圖8 Law Dome冰芯EOF第一分量同南極凱西站6月份平均氣壓的相關(guān)性［58］Fig.8.Correlation of the annual LDEOF1 record and Casey June SLP for the period 1957—1996［58］

綜合上述各冰芯記錄對SAM的指示可以看出，冰芯記錄同SAM序列（或SLP）基本是同期變化特征。然而，冰芯記錄同SAM的關(guān)系存在較大的空間差異，相同的冰芯指標(biāo)在不同區(qū)域與SAM的關(guān)聯(lián)性可能存在顯著差異，可能有以下幾個方面的原因。（1）沉積后過程的影響。雪冰中化學(xué)組分及同位素構(gòu)成在南極不同區(qū)域的沉積后過程存在差異，如NO－3在低積累率區(qū)域更容易發(fā)生沉積后丟失［59］，穩(wěn)定同位素18O在南極內(nèi)陸地區(qū)更容易出現(xiàn)沉積后平滑過程［60］等，沉積后過程導(dǎo)致了冰芯記錄對氣候環(huán)境信息指示的偏差或丟失。（2）局地或其他大氣環(huán)流模態(tài)的影響。冰芯記錄除受大范圍大氣環(huán)流變化影響外，還受局地氣候系統(tǒng)的影響，同時ENSO等也會對南半球的大氣環(huán)流產(chǎn)生顯著影響，因此冰芯記錄的信號可能反映了多個大氣環(huán)流模態(tài)的疊加結(jié)果。如何將多種大氣環(huán)流模態(tài)信號剝離分析，目前仍是一個較復(fù)雜的問題。（3）多種物質(zhì)來源影響。如南極雪冰中海鹽組分除源于中緯度海洋氣溶膠輸入外，還受到近岸海冰冰花的影響［38］，沿海區(qū)域雪冰中NO－3可能受到內(nèi)陸區(qū)域NO－3光降解產(chǎn)生的氣溶膠的影響［61］，物質(zhì)來源的多樣性可能干擾了冰芯記錄對主導(dǎo)大氣環(huán)流模態(tài)的指示。（4）風(fēng)吹雪擾動影響。南極內(nèi)陸區(qū)域盛行東風(fēng)，部分區(qū)域下降風(fēng)明顯，因此其攜帶的風(fēng)吹雪對區(qū)域雪冰的化學(xué)組分及同位素構(gòu)成會產(chǎn)生擾動［43］；同時沉降后的雪冰也會隨風(fēng)吹散，發(fā)生沉積斷層現(xiàn)象。

目前通常利用相關(guān)分析來篩選SAM代用指標(biāo)，但需要注意的是冰芯記錄同SAMI相關(guān)性不明顯時，不一定說明冰芯記錄同SAM無關(guān)，因為兩者的關(guān)系可能是非線性且不穩(wěn)定的，也可能是多種影響因素協(xié)同作用的結(jié)果［62-63］?？傮w上，目前利用氣候代用指標(biāo)研究SAM演化的工作相對較少，也較零散，研究的時間尺度、時間分辨率、研究目標(biāo)等存在較大差異。基于已有冰芯記錄開展SAM演化研究，有必要在統(tǒng)一的時間分辨率和時間尺度條件下，對冰芯記錄的各指標(biāo)進(jìn)行比對分析，結(jié)合近年來的器測資料和再分析資料，構(gòu)建不同區(qū)域冰芯記錄與SAM信號的關(guān)系。

3 研究展望

綜上分析可以看出，在時間分辨率、分布范圍、時間尺度等方面南極冰芯記錄是SAM演化研究的優(yōu)選代用指標(biāo)，但不同地理單元冰芯記錄對SAM的指示存在空間差異，需要具體分析。目前，雖然利用冰芯記錄反演大氣環(huán)流異常已進(jìn)行了一些研究工作，但Russell等［64］總結(jié)南極冰芯記錄反演南半球大氣環(huán)流異常的研究工作發(fā)現(xiàn)，由于各重建工作所考慮的大氣環(huán)流特征存在較大差異，尚無法對這些重建的一致性進(jìn)行評估。要實現(xiàn)更長時間尺度SAM演化時空特征的研究，必須在同一研究目標(biāo)下（如中高緯大氣SLP異常），重建不同地理單元SAM演化序列，揭示其演化規(guī)律，進(jìn)而預(yù)測其未來發(fā)展趨勢。同時重點注意以下問題。

（1）在構(gòu)建近期SAM序列時，通常用到近期的器測數(shù)據(jù)或再分析資料，但NNR、ERA-40及相關(guān)的氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量需要進(jìn)一步評估，尤其是1950s年代的數(shù)據(jù)。

（2）進(jìn)一步加強(qiáng)冰芯中氣候信息的提取和可靠性分析，驗證近100年來的大氣參數(shù)。

（3）盡管不同方法構(gòu)建的SAM序列總體上表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，但不同SAMI序列之間微小的差異對區(qū)域氣候的影響是顯著的。在研究SAM的區(qū)域氣候效應(yīng)時，應(yīng)根據(jù)研究區(qū)域和目標(biāo)構(gòu)建合理的SAMI序列。

（4）目前的研究多關(guān)注于SAM演化的時間變率特征，包括年際、年代際至多年代際，但對SAM演化的空間變異關(guān)注很少，應(yīng)加強(qiáng)這方面研究。

1 Thompson DW J，Wallace JM.Annularmodes in the extratropical circulation.PartⅠ：month-to-month variability.Journal of Climate，2000，13（5）：1000—1016.

2 Thompson DW J，Wallace JM，Hegerl G C.Annularmodes in the extratropical circulation.PartⅡ：trends.Journal of Climate，2000，13（5）：1018—1036.

3 Marshall G J.Half-century seasonal relationships between the southern Annularmode and Antarctic temperatures.International Journal of Climatology，2007，27（3）：373—383.

4 Trenberth K E，Stepaniak D P，Smith L.Interannual variability of patterns of atmospheric mass distribution.Journal of Climate，2005，18（15）：2812—2825.

5 卞林根，林學(xué)椿.南極濤動和南極繞極波的年代際變化.大氣科學(xué)，2009，33（2）：251—260.

6 Schneider D P，Steig E J，Comiso JC.Recentclimate variability in Antarctica from satellite-derived temperature data.JournalofClimate，2004，17（7）：1569—1583.

7 Genthon C，Cosme E.Intermittent signature of ENSO in west-Antarctic precipitation.Geophysical Research Letters，2003，30（21）：doi：10.1029／2003GL018280.

8 Gong D Y，Wang SW.Definition of Antarctic oscillation index.Geophysical Research Letters，1999，26（4）：459—462.

9 Marshall G J.Trends in the Southern Annular Mode from observations and reanalyses.Journal of Climate，2003，16（24）：4134—4143.

10 Nan S L，Li JP.The relationship between the summer precipitation in the Yangtze River valley and the boreal spring Southern Hemisphere annular mode.Geophysical Research Letters，2003，30（24）：doi：10.1029／2003GL018381.

11 Fan K，Wang H J.Antarctic oscillation and the dustweather frequency in north China.Geophysical Research Letters，2004，31（10）：doi：10.1029／2004GL019465.

12 Fogt R L，Perlwitz J，Monaghan A J，etal.Historical SAM variability.PartⅡ：twentieth-century variability and trends from reconstructions，observations，and the IPCC AR4 models.Journal of Climate，2009，22（20）：5346—5365.

13 Visbeck M.A station-based Southern Annular Mode index from 1884 to 2005.Journal of Climate，2009，22（4）：940—950.

14 Kidson JW.Principalmodes of Southern Hemisphere low-frequency variability obtained from NCEP-NCAR reanalyses.Journalof Climate，1999，12（9）：2808—2830.

15 Jones JM，F(xiàn)ogt R L，Widmann M，et al.Historical SAM variability.PartⅠ：century-length seasonal reconstructions.Journal of Climate，2009，22（20）：5319—5345.

16 Ho M，Kiem A S，Verdon-Kidd D C.The Southern Annular Mode：a comparison of indices.Hydrology and Earth System Sciences，2012，16：967—982.

17 Meneghini B，Simmonds I，Smith IN.Association between Australian rainfall and the Southern Annular Mode.International Journal of Climatology，2007，27（1）：109—121.

18 Shindell D T，Schmidt G A.Southern Hemisphere climate response to ozone changes and greenhouse gas increases.Geophysical Research Letters，2004，31（18）：doi：10.1029／2004GL020724

19 Jones JM，Widmann M.Atmospheric science：early peak in Antarctic oscillation index.Nature，2004，432（7015）：290—291.

20 Jones JM，Widmann M.Instrument-and tree-ring-based estimates of the Antarctic Oscillation.Journal of Climate，2003，16（21）：3511—3524.

21 Gong D Y，Kim SJ，Ho CH.Arctic and Antarctic Oscillation signatures in tropical coral proxies over the South China Sea.Annales Geophysicae，2009，27（5）：1979—1988.

22 Moreno P I，F(xiàn)ran?ois JP，Villa-Martínez R P，et al.Millennial-scale variability in Southern Hemisphere westerly wind activity over the last5000 years in SW Patagonia.Quaternary Science Reviews，2009，28（1-2）：25—38.

23 張自銀，龔道溢，何學(xué)兆，等.近500年南極濤動指數(shù)重建及其變率分析.地理學(xué)報，2010，65（3）：259—269.

24 Cole-Dai J，Budner D M，F(xiàn)erris DG.High speed，high resolution，and continuous chemical analysis of ice cores using amelter and ion chromatography.Environmental Science and Technology，2006，40（21）：6764—6769.

25 Visbeck M，Hall A.Comments on“Synchronous variability in the southern hemisphere atmosphere，sea ice，and ocean resulting from the annular mode”.Journal of Climate，2004，17（11）：2255—2258.

26 秦大河，任賈文.南極冰川學(xué).北京：科學(xué)出版社，2001.

27 Zhang M J，Li ZQ，Qin D H，et al.Preliminary research on the transmission path of nssSO24－and NO3－in Antarctic ice sheet.Chinese Journal of Polar Science，2001，12（1）：48—52.

28 Moxim W J，Levy H，Kasibhatla PS.Simulated global tropospheric PAN：its transportand impacton NOx.Journal ofGeophysicalResearch，1996，101（D7）：12621—12638.

29 Goodwin I，De Angelis M，Pook M，et al.Snow accumulation variability in Wilkes Land，East Antarctica，and the relationship to atmospheric ridging in the 130°—170°E region since 1930.Journal of Geophysical Research，2003，108（D21）：doi：10.1029／2002JD002995.

30 Allan R J，Haylock M R.Circulation features associated with the winter rainfall decrease in southwestern Australia.Journal of Climate，1993，6（7）：1356—1367.

31 Thompson DW J，Solomon S.Interpretation of recent Southern Hemisphere climate change.Science，2002，296（5569）：895—899.

32 Russell A，McGregor G R，Marshall G J.340 years of atmospheric circulation characteristics reconstructed from an eastern Antarctic Peninsula ice core.Geophysical Research Letters，2006，33（8）：L08702，doi：10.1029／2006GL025899.

33 R?thlisberger R，Hutterli M A，Sommer S，et al.Factors controlling nitrate in ice cores：evidence from the Dome C deep ice core.Journal of Geophysical Research，2000，105（D16）：20565—20572.

34 Mayewski P A，Legrand M R.Recent increase in nitrate concentration of Antarctic snow.Nature，1990，346（6281）：258—260.

35 Legrand M，Mayewski P.Glaciochemistry of polar ice cores：a review.Reviews of Geophysics，1997，35（3）：219—243.

36 Bigler M，R?thlisberger R，Lambert F，et al.Aerosol deposited in east Antarctica over the last glacial cycle：detailed apportionment of continental and sea-salt contributions.Journal of Geophysical Research，2006，111（D8）：doi：10.1029／2005JD006469.

37 EPICA Community Members.One-to-one coupling of glacial climate variability in Greenland and Antarctica.Nature，2006，444（7116）：195—198.

38 Yang X，Pyle JA，Cox R A.Sea salt aerosol production and bromine release：role of snow on sea ice.Geophysical Research Letters，2008，35（16）：L16815.

39 Goodwin ID，Van Ommen TD，Curran M A J，etal.Mid latitude winter climate variability in the South Indian and southwest Pacific regions since 1300 AD.Climate Dynamics，2004，22（8）：783—794.

40 Koerner R，Russell R D.δ18O variations in snow on the Devon Island ice cap，Northwest Territories，Canada.Canadian Journal of Earth Sciences，1979，16（7）：1419—1427.

41 Jouzel J，Stiévenard M，Johnsen S J，et al.The GRIP deuterium-excess record.Quaternary Science Reviews，2007，26（1-2）：1—17.

42 Helsen M M，Van deWal R SW，Van Den BroekeM R，etal.Oxygen isotope variability in snow from western Dronning Maud land，Antarctica and its relation to temperature.Tellus B，2005，57（5）：423—435.

43 Gregory S，Noone D.Variability in the teleconnection between the El Ni?o-Southern Oscillation and West Antarctic climate deduced from West Antarctic ice core isotope records.Journal of Geophysical Research，2008，113（D17）：doi：10.1029／2007JD009107.

44 Helsen M M，Van de Wal R SW，Van Den Broeke M R，et al.Modeling the isotopic composition of Antarctic snow using backward trajectories：simulation of snow pit records.Journal of Geophysical Research，2006，111（D15）：doi：10.1029／2005JD006524.

45 Noone D，Simmonds I.Annular variations in moisture transportmechanisms and the abundance ofδ18O in Antarctic snow.Journal of Geophysical Research，2002，107（D24）：4742—4742.doi：10.1029／2002JD002262.

46 Naik SS，Thamban M，Laluraj CM，et al.A century of climate variability in central Dronning Maud Land，East Antarctica，and its relation to Southern Annular Mode and El Ni?o-Southern Oscillation.Journal of Geophysical Research，2010，115（D16）：doi：10.1029／2009JD013268.

47 Schneider D P，Steig E J，van Ommen TD，etal.Antarctic temperatures over the past two centuries from ice cores.Geophysical Research Letters，2006，33（16）：L16707，doi：10.1029／2006GL027057.

48 Marshall G J，Di Battista S，Naik SS，et al.Analysis of a regional change in the sign of the SAM-temperature relationship in Antarctica.Climate Dynamics，2011，36（1-2）：277—287.

49 Petit JR，White JW C，Young NW，etal.Deuterium excess in recent Antarctic snow.Journal of Geophysical Research，1991，96（D3）：5113—5122.

50 Thomas E R，Marshall G J，McConnell JR.A doubling in snow accumulation in the western Antarctic Peninsula since1850.Geophysical Research Letters，2008，35（1）：doi：10.1029／2007GL032529.

51 Monaghan A J，Bromwich D H，F(xiàn)ogt R L，etal.Insignificant change in Antarctic snowfall since the International Geophysical Year.Science，2006，313（5788）：827—831.

52 Gambaro A，Moret I，Piazza R，et al.Temporal evolution of DMSand DMSP in Antarctic coastal sea water.International Journal of Environmental and Analytical Chemistry，2004，84（6）：401—412.

53 Hezel P J，Alexander B，Bitz CM，et al.Modeled methanesulfonic acid（MSA）deposition in Antarctica and its relationship to sea ice.Journal of Geophysical Research，2011，116（D23）：doi：10.1029／2011JD016383.

54 LefebvreW，Goosse H，Timmermann R，et al.Influence of the Southern Annular Mode on the seaice-ocean system.Journal of Geophysical Research，2004，109（C9）：doi：10.1029／2004JC002403.

55 Becagli S，Castellano E，CerriO，etal.Methanesulphonic acid（MSA）stratigraphy from a Talos Dome ice core as a tool in depicting sea ice changes and southern atmospheric circulation over the previous140 years.Atmospheric Environment，2009，43（5）：1051—1058.

56 SeveriM，Becagli S，Castellano E，etal.Thirty years of snow deposition at Talos Dome（Northern Victoria Land，East Antarctica）：chemical profiles and climatic implications.Microchemical Journal，2009，92（1）：15—20.

57 Xiao C D，Mayewski P A，Qin D H，et al.Sea level pressure variability over the southern Indian Ocean inferred from a glaciochemical record in Princess Elizabeth Land，East Antarctica.Journal of Geophysical Research，2004，109（D16101）：doi：10.1029／2003JD004065.

58 Souney JM，MayewskiPA，Goodwin ID，etal.A 700-year record ofatmospheric circulation developed from the Law Dome ice core，East Antarctica.Journal of Geophysical Research，2002，107（D22）：doi：10.1029／2002JD002104.

59 Blunier T，F(xiàn)loch G L，Jacobi HW，et al.Isotopic view on nitrate loss in Antarctic surface snow.Geophysical Research Letters，2005，32（13）：L13501，doi：10.1029／12005GL023011.

60 Hoshina Y，F(xiàn)ujita K，Nakazawa F，et al.Effect of accumulation rate on water stable isotopes of near-surface snow in inland Antarctica.Journal of Geophysical Research，2014，119（1）：274—283.

61 Savarino J，Kaiser J，Morin S，etal.Nitrogen and oxygen isotopic constraints on the origin of atmospheric nitrate in coastal Antarctica.Atmospheric Chemistry and Physics，2007，7（8）：1925—1945.

62 Verdon-Kidd D C，Kiem A S.Nature and causes of protracted droughts in southeast Australia：comparison between the Federation，WWII，and big dry droughts.Geophysical Research Letters，2009，36（22）：doi：10.1029／2009GL041067.

63 Gallant A JE，Kiem A S，Verdon-Kidd D C，et al.Understanding climate processes in the Murray-Darling basin：utility and limitations for natural resourcesmanagement.Hydrology and Earth System Sciences Discussions，2011，8（4）：7873—7918.

64 Russell A，McGregor G R.Southern hemisphere atmospheric circulation：impacts on Antarctic climate and reconstructions from Antarctic ice core data.Climatic Change，2010，99（1-2）：155—192.