丁明虎 卞林根 張林 王召民 逯昌貴 孫維君 袁乃明 傅良 謝澤林

(1中國氣象科學(xué)研究院,北京100081;2國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心,北京100081;3南京信息工程大學(xué),江蘇南京210044;4山東師范大學(xué),山東濟(jì)南250014)

0 引言

在國家海洋戰(zhàn)略的指導(dǎo)下,繼長(zhǎng)城站、中山站、昆侖站和泰山站之后,中國即將在南極洲建立第五個(gè)科學(xué)考察站。經(jīng)過國內(nèi)遙感選址和兩個(gè)考察季的現(xiàn)場(chǎng)踏勘,新站確定將于東南極維多利亞地(Victoria Land)特拉諾瓦灣(Terra Nova Bay)難言島(Inexpressible Island)(圖1)建設(shè)。該島緊鄰羅斯冰架(Ross Iceshelf),附近有多個(gè)國家建立考察站,如新西蘭的斯科特基地、美國的麥克默多站和意大利的特拉諾瓦海灣站。

維多利亞地是南極研究重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。過去幾十年中,該區(qū)域開展了多學(xué)科的研究。研究表明,由于地形和高原冷源的共同作用,東南極冰蓋盛行下降風(fēng)(又稱“下泄流”)自冰穹起源的下降風(fēng)中的一支,在重力的作用下轉(zhuǎn)向,形成強(qiáng)勁的偏西風(fēng)由難言島附近經(jīng)過,吹開了特拉諾瓦灣的海冰,產(chǎn)生了大面積的冰間湖[1-2]。受到快速冰流和強(qiáng)勁西風(fēng)的作用,難言島南側(cè)60 km處發(fā)育了維多利亞地最大的支出冰川——德里加爾斯基冰舌[3]。

常規(guī)氣象觀測(cè)是氣象工作和大氣科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ),南極地區(qū)的臺(tái)站也是世界天氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)不可缺少的組成部分[3-4]。對(duì)南極地區(qū)的氣象氣候狀況進(jìn)行研究,不僅僅在大氣科學(xué)理論上很重要,而且對(duì)在南極地區(qū)建立科學(xué)考察站、指導(dǎo)和實(shí)施中國南極考察計(jì)劃具有重要的參考意義。近年來,在氣象研究領(lǐng)域,中國科學(xué)家卞林根、陸龍驊和楊清華等[5-8]針對(duì)南極和全球變化的研究取得了不少成果。

圖1 中國南極新站候選地及附近氣象站所在位置(a)和難言島氣象站實(shí)景(b)Fig.1.The location of automatic weather stations(AWS)around Inexpressible Island(a)and the AWSat Inexpressible Island(b)

20世紀(jì)末,美國和意大利在難言島附近區(qū)域前后布設(shè)了7個(gè)氣象站進(jìn)行過氣象觀測(cè),如Manuela、Sofia、Pat、Mario Zucchelli等氣象站[9]。但是由于該區(qū)域風(fēng)力過強(qiáng)、冬季氣溫相對(duì)較低,很難獲取完整的風(fēng)、溫、濕、壓、輻射等氣象資料,所以鮮有分析論文發(fā)表。本文利用2013年1月1日至12月31日間,我們?cè)陔y言島布設(shè)的自動(dòng)氣象站所觀測(cè)的數(shù)據(jù),分析難言島氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)和輻射的氣象特征,為進(jìn)一步研究難言島的環(huán)境變化及新站建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

中國南極第29次考察隊(duì)在2012/2013年南半球夏季期間,對(duì)難言島的地形、地貌、地質(zhì)、生態(tài)等基礎(chǔ)資料進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研。中國氣象科學(xué)研究院結(jié)合遙感地形資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料,在難言島中心開闊地布設(shè)了自動(dòng)氣象站(74°54′11.1″S,163°41′7.9″E,35 m a.s.l.),目的是探明難言島氣象參數(shù)的基本特征。該氣象站可以觀測(cè)2 m和4 m高度的氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速和風(fēng)向,2 m高度的向上向下輻射和4 m高度的氣壓。氣象站所有傳感器均在國內(nèi)進(jìn)行過低溫實(shí)驗(yàn),其觀測(cè)精度符合世界氣象組織和中國氣象局觀測(cè)規(guī)范,具體參數(shù)指標(biāo)詳見表1。觀測(cè)頻率為每30 min一次,所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)卡內(nèi)并通過Argos衛(wèi)星實(shí)時(shí)傳輸至國內(nèi)服務(wù)器。

表1 難言島氣象站傳感器參數(shù)列表Table 1.Specifications of the AWS at Inexpressible Island

由于極晝極夜的存在,南極地區(qū)的氣象特征無明顯的四季之分,所以在分析過程中,本文一般以冬夏兩季作為季節(jié)區(qū)分。為了更好地了解難言島附近的氣象環(huán)境,探討特定氣象狀況出現(xiàn)的原因,本文部分內(nèi)容將參考難言島附近的Manuela(-74.95°S,163.68°E,78 m a.s.l.)、Sofia(-74.80°S,163.32°E,40 m a.s.l.)和 Rita(-74.72°S,164.02°E,260 m a.s.l.)氣象站共同分析。Sofia站于2002年停止觀測(cè),Manuela和Rita站的觀測(cè)只有2005年有全年記錄,所以在下文中,我們選擇Sofia站2001年記錄和Manuela、Rita站的2005年記錄進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣壓

圖2為難言島氣象站2013年間日均氣壓和月均氣壓的變化曲線。由圖可見,由于難言島地處海邊,其年均氣壓為987.8 hPa,與中山站接近[6,10]。根據(jù)氣象站記錄和模擬結(jié)果(略),2013年度冬春季節(jié),特拉諾瓦灣曾有4次高壓系統(tǒng)過境,所以難言島氣象站2013年記錄中冬季氣壓較高且起伏較大(平均為991.3 hPa),夏季氣壓較低(平均為984.3 hPa)。2005年間Manuela站和Rita站氣壓記錄則顯示,夏季氣壓明顯高于冬季氣壓,表明該區(qū)域氣候系統(tǒng)年際變化較強(qiáng)。中山站則因?yàn)榈靥幁h(huán)南極低壓帶和大陸地面冷高壓之間,常年受周期性高低壓系統(tǒng)影響,所以夏季氣壓較高,冬季氣壓較低[11]。對(duì)比相對(duì)濕度記錄和風(fēng)速記錄,這4次高壓系統(tǒng)過境并未帶來降水和極大風(fēng)天氣。

圖2 難言島(黑)2013年和Manuela(紅)、Rita(藍(lán))氣象站2005年日均氣壓記錄(a)和季節(jié)平均氣壓記錄(b)對(duì)比Fig.2.Daily air pressure variations(a)and seasonal air pressure comparison(b)at Inexpressible Island(black),Manuela(red)and Rita(blue).Please note that the record of Inexpressible Island is during 2013 and the rest two AWSs are during 2005

難言島氣壓最高值為1 021 hPa,出現(xiàn)在8月14日;最低值955 hPa,出現(xiàn)在7月20—21日,高低壓差為66 hPa,為同一次環(huán)流系統(tǒng)變化造成。與Manuela站和Rita站2005年記錄相比較,三站氣壓雖受局地海拔影響,同時(shí)均表現(xiàn)出夏季穩(wěn)定冬季多變的特征。根據(jù)圖2可以看出,2005年間特拉諾瓦灣環(huán)流場(chǎng)非常穩(wěn)定,而2013年冬春季節(jié)難言島受高壓控制,且展現(xiàn)出明顯的1—2月震蕩,這說明2013年與2005年相比,特拉諾瓦灣的環(huán)流場(chǎng)在冬春季節(jié)有明顯不同。

2.2 氣溫

圖3為難言島及其周圍氣象站日均氣溫和月均氣溫的變化曲線。由圖3和表2可見,難言島周邊區(qū)域月均氣溫均在零度以下,年平均氣溫約為-15.3至-18.7℃。自1—4月,無論是高山上的Rita站,冰面上的Sofia站,還是難言島氣象站,氣溫下降均非常迅速,其線性遞減率可達(dá)到0.3℃·d-1。難言島冬季最低氣溫為-39.3℃,出現(xiàn)在6月9日仲冬節(jié)前;若考慮海拔和年際變化因素,該記錄與Manuela和Rita站相差不大。冬季(5—10月)平均氣溫為-21.8℃,氣溫變化波動(dòng)較大,標(biāo)準(zhǔn)差可達(dá)±6.0℃,這和羅斯海冬季氣旋活動(dòng)頻繁有關(guān)[9]。10月下旬至12月,日均氣溫迅速回升至0℃以上,最高氣溫可達(dá)5.4℃。根據(jù)2013年氣象記錄,日均溫＞0℃的時(shí)間能持續(xù)15 d左右。

圖3 (a)難言島2013年日均氣溫和月均氣溫記錄,陰影代表不同時(shí)期氣溫可能變化的范圍;(b)難言島2013年、Manuela站2005年、Sofia站2001年和Rita站2005年月均氣溫記錄對(duì)比Fig.3.(a)Variations of dailymean air temperature andmonthlymean temperature at Inexpressible Island.The shaded area represents the possible range of air temperature;(b)Variations ofmonthlymean air temperature at Inexpressible Island(2013),Manuela(2005),Sofia(2001)and Rita(2005)AWSs

根據(jù)卞林根等[12]、肖暉等[10]和楊清華等[13]對(duì)中山站1989—2009年間氣溫的統(tǒng)計(jì),多年平均氣溫約為-10.0—-10.7℃,極端最高氣溫為9.6℃,最低氣溫為-39.0℃;與難言島相比,中山站日均溫、月均溫、最高氣溫都相應(yīng)高出6.0℃左右。這種差異產(chǎn)生的原因有兩方面,一是難言島所在地緯度比中山站高5°32′0″,其太陽高度角相對(duì)較低;二是難言島氣候具有極地大陸型特征,中山站則為副極地大陸型氣候[12]。

表2 難言島、Manuela、Sofia、Rita和中山站氣象狀況對(duì)比Table 2.Annualmean air temperature,lowest air temperature,annualmean wind speed and strongestwind records at Inexpressible Island,Manuela,Sofia,Rita and Zhongshan Station

2.3 相對(duì)濕度

圖4是難言島氣象站2013年日均比濕和日均相對(duì)濕度的變化曲線。由圖可見,該站空氣非常干燥,年均相對(duì)濕度僅為42.1%,年均比濕為0.63±0.62 g·kg-1,堪比中國最干旱城市吐魯番。受冰蓋高壓系統(tǒng)在夏季減弱的影響,12—3月相對(duì)濕度稍大,而極夜期間相對(duì)濕度較小;比濕則冬夏兩季差距明顯,這與空氣飽和度的季節(jié)變化有一定關(guān)系?？偟膩砜?難言島全年相對(duì)濕度小,降水量低,且月際變化和季節(jié)性變化不明顯。

圖4 難言島2013年度日均比濕和日均相對(duì)濕度Fig.4.Daily mean specific humidity and relative humidity at Inexpressible Island during 2013

2.4 風(fēng)向和風(fēng)速

多個(gè)研究表明[2,9],難言島西側(cè)為兩條冰川的匯合區(qū),來自冰蓋的風(fēng)沿著冰川流快速下降加強(qiáng),在匯合區(qū)合并。但是受到難言島西側(cè)懸崖的遮擋,下降風(fēng)又一分為二從難言島南北兩側(cè)流過?？傮w來看,由于該區(qū)域地勢(shì)西高東低,下降風(fēng)受到重力的加強(qiáng)作用,自西向東風(fēng)速會(huì)越來越大,所以難言島島內(nèi)風(fēng)力較高且風(fēng)向非常穩(wěn)定。

圖5 特拉諾瓦灣地區(qū)地面風(fēng)場(chǎng)模擬AV、PR、RE和DA分別代表Aviator,Priestley,Reeves和David冰川[2]Fig.5.Streamlines of surface wind by simulation.AV,PR,RE and DA indicate,respectively,the Aviator,Priestley,Reeves and David Glacier valleys;cited in paper by Davolio and Buzzi[2]

圖6是難言島附近氣象站風(fēng)日均風(fēng)速和月均風(fēng)速的變化曲線?？梢钥闯?11—1月月均風(fēng)速介于6.2—8.0 m·s-1之間,而 2—10月月均風(fēng)速在9.6—13.1 m·s-1之間,冬夏兩季風(fēng)速差別非常明顯。3—9月份風(fēng)力長(zhǎng)期持續(xù)在6級(jí)及以上,且風(fēng)向持續(xù)性非常高(97%),全部來自于WNW方向。

通過圖1我們可以看出,Manuela地處難言島南緣基巖裸露區(qū)域,緊鄰Reeves冰川冰舌末端,距離海洋約1 km;Sofia站地處難言島西北側(cè)Reeves冰川和Priestley冰川交匯區(qū)域中間開闊地區(qū);Rita站位于難言島北方Abbott山脈東側(cè)海拔較低山坡。各氣象站由于所處地形不一樣,位置偏西的氣象站所觀測(cè)到的年均和月均風(fēng)速較小(表2),如Sofia站年均風(fēng)速僅為6.6 m·s-1;而東側(cè)的Rita氣象站,因?yàn)槭艿街亓铀俚淖饔?年均風(fēng)速為10.2 m·s-1,和我們?cè)陔y言島所觀測(cè)到的風(fēng)力接近。

難言島及附近區(qū)域風(fēng)向主要為西風(fēng)偏北,不同氣象站由于所處位置不同,可能受到局地氣流的影響;如Sofia站(圖7)處在Reeves和Priestley冰川交匯處,因此其大風(fēng)天氣雖然全部來自于西風(fēng),仍有相當(dāng)部分時(shí)間以北風(fēng)為主。我們?cè)陔y言島所觀測(cè)平均風(fēng)向?yàn)?93°(圖7),在此方向上于2013年6月8日出現(xiàn)了年度最大風(fēng)速-34.8 m·s-1,比年最低氣溫出現(xiàn)的時(shí)間早4h。過去幾十年中,美國和意大利在Manuela、Sofia和Rita站所觀測(cè)到的最大風(fēng)速分別為32.2、35.5和50.9 m·s-1(表2),說明該區(qū)域在常規(guī)狀況下,年最大風(fēng)速應(yīng)在30—40 m·s-1左右,但在特定氣象條件和地形作用下,有可能產(chǎn)生超過50 m·s-1的颶風(fēng)。

圖6 (a)Manuela、Rita和Sofia站月均風(fēng)速的變化;(b)難言島日均風(fēng)速、月均風(fēng)速和月最大風(fēng)速的變化Fig.6.(a)Monthlymean wind speed atManuela,Rita and Sofia AWSs;(b)Daily mean wind speed,monthly mean wind speed and monthly strongest wind variations at Inexpressible Island

本區(qū)域氣旋活動(dòng)強(qiáng)烈,且受到強(qiáng)下降風(fēng)的影響,全年大風(fēng)出現(xiàn)頻繁[2]。統(tǒng)計(jì)分析表明,難言島2013年間共有287天發(fā)生6級(jí)及以上大風(fēng)(持續(xù)超過0.5 h),共有138天發(fā)生8級(jí)及以上大風(fēng)。圖7為2013年各風(fēng)力等級(jí)出現(xiàn)頻率分布圖,可見難言島5—7級(jí)風(fēng)出現(xiàn)頻率最高,占比超過50%(8級(jí)及以上風(fēng)力占比約為12%),在這樣的大風(fēng)天氣下很難進(jìn)行室外工作。Manuela站風(fēng)力分布相對(duì)均勻,主要原因是其所在區(qū)域處于冰川下游開闊地帶,局地加強(qiáng)作用不明顯;Sofia站則因經(jīng)常受到來自兩個(gè)方向的氣流的影響,風(fēng)力非常小,3級(jí)風(fēng)所占比率超過1/3;Abbott山脈地形崎嶇,因此,Rita站風(fēng)力分布相對(duì)均勻且颶風(fēng)天氣明顯多于其他三站。

圖7 難言島、Manuela、Sofia和Rita站風(fēng)玫瑰圖及風(fēng)力頻率分布Fig.7.Wind roses and wind grade frequency at Inexpressible Island,Manuela,Sofia and Rita

為了進(jìn)一步分析考察站可補(bǔ)給能力,我們分析了南半球夏季期間風(fēng)力分布,發(fā)現(xiàn)12—1月期間風(fēng)力明顯低于其他月份,日累積可工作時(shí)間超過12 h的日數(shù)為24日/月。這種天氣情況,有利于中國新站建設(shè)的安全保障,也是多個(gè)國家在特拉諾瓦灣附近建站的重要原因之一。但冬季期間快速變化的天氣和強(qiáng)勁的風(fēng)力,也對(duì)越冬考察工作提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),需要在工程設(shè)計(jì)中加以考慮(注:在建筑工程施工安全規(guī)范中,一般要求風(fēng)力＜6級(jí)風(fēng)才能進(jìn)行室外工作,因此,定義風(fēng)力＜6級(jí)風(fēng)的時(shí)間為“可工作時(shí)間”,每日風(fēng)力＜6級(jí)風(fēng)的時(shí)間總和為“日累計(jì)可工作時(shí)間”)。

2.5 輻射

維多利亞地區(qū)有85天極晝(11月上旬至次年2月上旬)和89天極夜(5月上旬至8月上旬)。與南極其他地區(qū)類似,維多利亞地區(qū)太陽輻射季節(jié)變化明顯(圖8)。夏半年(10月至次年3月)的太陽總輻射和反射輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冬半年(4—9月)的,占到全年太陽輻射的96%。進(jìn)入6月以后,隨著太陽直射點(diǎn)不斷南移,總輻射在12月達(dá)到最大值,月均值為333 W·m-2,隨后總輻射不斷減小,到5月份進(jìn)入極夜,一直持續(xù)到8月份。反射輻射也表現(xiàn)出了明顯的季節(jié)差異,從1月底開始快速增加,一直持續(xù)到2月中旬,反射輻射的數(shù)值基本上也都超過了100W·m-2,最大值達(dá)到236 W·m-2。這主要是由于1月底降雪增加,下墊面積雪導(dǎo)致反照率增大,使得反射輻射增強(qiáng)。維多利亞地區(qū)太陽總輻射年總量達(dá)到3 342.8 MJ·m-2,要小于中國中山站(3 815 MJ·m-2)[12]和日本 Mizuho站(3 847 MJ·m-2)[14]的觀測(cè)結(jié)果。反射輻射與總輻射之比稱為地表反照率,其大小對(duì)地球表面吸收的太陽輻射能起決定作用,并對(duì)研究下墊面的熱力性質(zhì)以及地表面的能量平衡具有重要意義[15]。受下墊面狀況的影響,維多利亞地區(qū)反照率也具有明顯的季節(jié)變化(圖8)。從1月初開始,難言島下墊面反照率在不斷增大,在1月底到2月初期間,反照率出現(xiàn)峰值,最大值達(dá)到0.9,隨后反照率不斷減小一直持續(xù)到10月份。這主要是因?yàn)閺?月初開始有降雪出現(xiàn),在1月底降雪較多,導(dǎo)致反照率出現(xiàn)峰值。隨后由于風(fēng)速較大,低溫較低,使得難言島積雪顆粒增大,再加上降雪的出現(xiàn),反照率出現(xiàn)較大的波動(dòng)變化。10月下旬以后反照率趨于穩(wěn)定值,維持在0.15左右,主要是由于此時(shí)期沒有積雪覆蓋,下墊面為礫石導(dǎo)致的。難言島年均反照率為0.3,和中山站(0.29)非常接近。

圖8 難言島太陽總輻射、反射輻射和反照率日均值變化Fig.8.Dailymean values of global radiation,reflected radiation and albedo in the Inexpressible Island

3 結(jié)論

綜上分析,中國南極新站所在地難言島地區(qū)的氣象要素具有如下幾點(diǎn)重要特征。

(1)難言島地處東南極沿岸,氣候背景具有典型極地大陸性特征,受到來自內(nèi)陸冰蓋的下降風(fēng)的影響,常年盛行風(fēng)向?yàn)槲鞅逼鳌?/p>

(2)由于氣壓系統(tǒng)的季節(jié)變化,夏季風(fēng)速明顯小于其他季節(jié),冬季強(qiáng)風(fēng)頻率非常高,長(zhǎng)期持續(xù)在6級(jí)風(fēng)以上,2013年度8級(jí)及以上大風(fēng)日數(shù)達(dá)138天。

(3)受到羅斯海海域生成的氣旋和南極大陸高壓的雙重影響,天氣變化非常快速,1—4月,氣溫遞減率可達(dá)到0.3℃·d-1。

(4)難言島地區(qū)空氣非常干燥,相對(duì)濕度和比濕都非常小。受到風(fēng)力和地形的影響,地面難以保存積雪。該區(qū)域地面反照率和下墊面熱力性質(zhì)的季節(jié)變化直接相關(guān)。

(5)難言島氣溫的月均變化規(guī)律與周圍氣象站歷史記錄基本相似,但年均風(fēng)速、年均氣溫差異明顯,表明該區(qū)域在受同樣天氣背景影響的情況下,局地氣象效應(yīng)仍非常顯著。該區(qū)域夏季氣溫有明顯的日變化,而冬季氣溫變化主要和氣旋活動(dòng)有關(guān)。

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