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平流层臭氧恢复对南极海冰的辐射影响

大气臭氧层自20世纪70年代后期至90年代中期经历了持续性的减少,尤其是南极臭氧层在每年9-11月降低50%以上,形成所谓的南极臭氧洞。进入21世纪,臭氧层开始逐步恢复。

两极地区的海冰是全球气候系统的重要组成部分,海冰的变化导致海表反照率的巨大变化,从而影响海表对太阳辐射的吸收和海洋表面温度的变化。臭氧层位于大气平流层,臭氧层变化如何影响海冰和地表气候,这是气候变化领域的一个热点问题。

前几年的研究表明,南极臭氧层的变化将通过影响绕南极西风急流进而影响洋面风应力和海洋环流,改变海表温度,导致海冰发生变化。近期,北京大学大气与海洋科学系胡永云教授团队的研究表明,臭氧变化可通过辐射作用影响南极海冰。

使用气候模式,胡永云等开展了臭氧恢复模拟试验,模拟结果表明,南极臭氧恢复可导致南极海冰增加(图1)。因为在他们的模拟试验中,大气环流模式始于一个平板海洋耦合在一起的,所以,海洋环流不起作用,动力海冰也不起作用,海冰变化完全是辐射过程和热力变化造成的。胡永云等的分析表明,辐射效应导致的海冰变化并不是臭氧层变化的直接辐射效应造成的,而是通过间接辐射效应造成的。间接辐射效应是由于云的变化产生的。

进一步的分析表明,当臭氧恢复时,平流层增温,对流层顶附近大气层结更稳定,云量减少。云的减少导致向外的红外辐射增加,向下的红外辐射减少,海面降温,海冰增加。虽然云量减少也导致向下的太阳辐射增加,但海冰的增加反射更多的太阳辐射,使得海冰增加更多,形成海冰—反照率正反馈过程。

该研究成果将在Advances in Atmospheric Sciences》发表。该项研究得到了“十一五”国家科技支撑计划,国家自然科学基金和中国博士后科学基金等项目的共同资助,夏炎为第一作者, 胡永云教授为通讯作者。

 


1 a)年平均海冰与(b)月平均南极海冰面积对平流层臭氧恢复的响应(供图:夏炎)

 

 

论文信息:

Xia, Y., Y. Y. Hu, J. P. Liu, Y. Huang, F. Xie, and J.T. Lin, 2020: Stratospheric ozone-induced cloud radiative effects on Antarcticsea ice. Adv. Atmos. Sci., 37(4), https://doi.org/10.1007/s00376-019-8251-6.

论文链接:

http://www.iapjournals.ac.cn/aas/en/article/doi/10.1007/s00376-019-8251-6