Microsoft Word - N 已统稿(0321)
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- 雄 仰
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1 中 国 科 学 : 地 球 科 学 2016 年 第 46 卷 第 4 期 : 555 ~ 562 SCIENTIA SINICA Terrae earth.scichina.com 中 国 科 学 杂 志 社 SCIENCE CHINA PRESS 论 文 北 冰 洋 中 心 区 夏 季 大 气 边 界 层 结 构 特 征 及 其 与 海 冰 范 围 变 化 的 关 系 卞 林 根 12*, 丁 明 虎 1, 林 祥 1, 逯 昌 贵 1 2, 高 志 球 1 中 国 气 象 科 学 研 究 院, 北 京 ; 2 南 京 信 息 工 程 大 学 气 象 灾 害 预 报 预 警 与 评 估 协 同 创 新 中 心, 南 京 * 通 讯 作 者, blg@cams.cma.gov.cn 通 讯 作 者, zgao@mail.iap.ac.cn 收 稿 日 期 : ; 接 受 日 期 : ; 网 络 版 发 表 日 期 : 北 极 专 项 极 地 资 源 环 境 调 查 与 评 估 计 划 项 目 (2016~2020) 和 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目 ( 编 号 : 2015CB953900) 资 助 摘 要 利 用 中 国 第 4~6 次 北 极 考 察 获 得 的 北 冰 洋 中 心 区 (80 ~88 N))GPS 探 空 资 料 和 NCEP 再 分 析 资 料, 分 析 了 大 气 垂 直 结 构 边 界 层 参 数 的 变 化 特 征 及 其 与 海 冰 和 温 度 变 化 的 关 系. 结 果 表 明, 和 2014 年 夏 季 北 冰 洋 中 心 区 的 对 流 层 顶 边 界 层 高 度 逆 温 强 度 及 风 速 和 风 向 的 垂 直 结 构 均 存 在 明 显 差 异. 通 过 分 析 1979~2014 年 9 月 温 度 与 海 冰 范 围 变 化 的 关 系, 解 释 了 其 差 异 的 原 因 年 9 月 北 极 海 冰 范 围 最 小, 减 少 了 44%, 具 有 明 显 的 增 温 过 程 年 和 2014 海 冰 分 别 减 少 了 22.6% 和 17%, 出 现 的 是 降 温 过 程. 对 比 2 种 过 程 反 映 出 海 冰 变 化 对 大 气 边 界 层 结 构 有 重 要 影 响. 近 30 年 北 冰 洋 中 心 区 (80 ~90 N)1000 和 850hPa 的 温 度 变 化 呈 显 著 的 升 温 趋 势, 并 与 海 冰 范 围 呈 显 著 的 负 相 关. 表 明 北 极 海 冰 的 持 续 减 少, 会 使 地 表 至 对 流 层 中 层 持 续 增 温. 关 键 词 北 冰 洋 中 心 区, 大 气 边 界 层, 北 极 海 冰 范 围 变 化, 大 气 增 温 1 引 言 北 极 海 冰 面 积 和 厚 度 持 续 减 少 对 全 球 气 候 变 化 的 影 响 机 制 是 国 内 外 研 究 的 关 键 问 题. 目 前 多 数 气 候 模 式 对 北 极 地 区 海 冰 变 化 趋 势 模 拟 的 误 差 都 较 大 (IPCC, 2007). 美 国 1998 年 在 北 极 开 展 了 海 / 冰 / 气 能 量 平 衡 的 观 测 试 验 SHEBA(Surface Heat Budget of the Arctic Ocean) 计 划 (Uttal 等, 2002). 欧 盟 在 北 极 组 织 实 施 了 国 际 极 地 年 合 作 计 划 (Vihma 等, 2008). 由 于 北 冰 洋 没 有 固 定 气 象 观 测 站, 大 气 垂 直 探 测 资 料 是 空 白 区. 有 关 对 流 层 结 构 变 化 及 其 趋 势 的 研 究 工 作 (Hoinka, 1998; Randel 等, 2007; Zangl 和 Hoinka, 2001; Seidel 和 Randel, 2006) 主 要 是 利 用 NCEP(National Centre for Environmental Prediction) 和 ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) 再 分 析 资 料, 但 难 已 与 观 测 资 料 对 比 验 证, 尤 其 是 在 北 冰 洋 中 心 区 中 文 引 用 格 式 : 卞 林 根, 丁 明 虎, 林 祥, 逯 昌 贵, 高 志 球 北 冰 洋 中 心 区 夏 季 大 气 边 界 层 结 构 特 征 及 其 与 海 冰 范 围 变 化 的 关 系. 中 国 科 学 : 地 球 科 学, 46: , doi: /N 英 文 引 用 格 式 : Bian L G, Ding M H, Lin X, Lu C G, Gao Z Q Structure of summer atmospheric boundary layer in the center of Arctic Ocean and its relation with sea ice extent change. Science China Earth Sciences, 59: , doi: /s 中 国 科 学 杂 志 社
2 卞 林 根 等 : 北 冰 洋 中 心 区 夏 季 大 气 边 界 层 结 构 特 征 及 其 与 海 冰 范 围 变 化 的 关 系 探 空 资 料 极 其 稀 少. 最 近 的 研 究 指 出, 北 极 海 冰 减 少, 加 强 了 北 极 大 气 边 界 层 中 海 / 冰 / 气 相 互 作 用, 特 别 是 秋 季 - 初 冬 季 海 / 气 热 通 量 的 增 加 和 边 界 层 稳 定 度 的 下 降 (Vihma, 2008) 年 以 来 中 国 实 施 了 6 次 北 冰 洋 科 学 考 察. 考 察 期 间, 开 展 了 对 大 气 垂 直 结 构 探 测 和 海 / 冰 / 气 相 互 作 用 的 观 测 试 验 使 我 们 对 北 极 浮 冰 区 不 同 海 冰 密 集 度 的 大 气 边 界 层 特 征 有 了 初 步 认 识 ( 陈 立 奇, 2003; 张 占 海, 2004). 研 究 指 出 北 极 海 冰 区 的 大 气 逆 温 层 能 有 效 地 阻 碍 大 气 与 冰 面 之 间 的 热 量 及 物 质 交 换 (Qu 等, 2002; Zou 等, 2001) 北 冰 洋 大 气 边 界 层 可 分 为 稳 定 型 不 稳 定 型 和 多 层 结 构 等 类 型, 并 发 现 来 自 高 空 较 强 的 暖 湿 气 流 与 冰 面 近 地 层 冷 空 气 强 烈 相 互 作 用 会 形 成 强 风 切 变 和 逆 温 逆 湿 过 程, 从 而 导 致 北 冰 洋 高 纬 度 地 区 的 大 块 海 冰 破 裂 (Bian 等, 2007). 随 着 北 极 海 冰 的 持 续 减 少, 2008 年 夏 季 中 国 第 3 次 北 极 考 察 队 到 达 北 冰 洋 85 N 海 域 ( 张 海 生, 2009), 第 4 次 北 极 科 学 考 察 队 ( 余 兴 光, 2011) 到 达 北 极 点 附 近 (88.41 N), 2012 年 第 5 次 和 2014 年 第 6 次 北 极 科 学 考 察 队 都 到 达 了 80 N 以 北 冰 区 ( 马 德 义, 2013; 潘 根 弟, 2015), 使 我 们 得 以 在 北 冰 洋 中 心 区 冰 站 获 取 了 GPS 探 空 资 料, 为 研 究 北 冰 洋 高 纬 度 的 对 流 层 和 边 界 层 结 构 提 供 了 重 要 基 础. Ma 等 (2011) 和 Bian 等 (2011) 分 析 了 对 流 层 和 边 界 层 逆 温 强 度 的 变 化 特 征, 对 北 冰 洋 大 气 层 边 界 层 高 度 的 变 化 特 征 提 出 了 新 认 识. 本 文 利 用 中 国 第 4~6 次 北 极 考 察 队 获 得 的 北 极 探 空 资 料, 对 比 分 析 北 极 夏 季 海 冰 面 积 变 化 对 大 气 边 界 层 结 构 的 影 响, 为 研 究 北 极 海 冰 变 化 对 大 气 环 流 的 影 响 机 理 提 供 观 测 事 实. 2 观 测 资 料 与 方 法 2.1 观 测 资 料 中 国 于 和 2014 年 夏 季 分 别 开 展 了 第 4~6 北 极 科 学 考 察. 在 考 察 船 到 达 北 冰 洋 最 北 海 区 后, 分 别 在 (88.41 N, W) (81.7 N, W) 和 (80.56 N, W), 设 立 长 期 冰 站 开 展 了 综 合 科 学 考 察. 在 2010 年 8 月 10~24 日 考 察 期 间 进 行 了 35 次 探 GPS 探 空 观 测, 2012 年 8 月 27 日 至 9 月 4 日 考 察 期 间 进 行 了 23 次 GPS 探 空 观 测, 2014 年 8 月 19~26 日 考 察 期 间 开 展 了 21 次 探 空 观 测. 探 测 要 素 是 温 度 风 向 和 风 速 随 高 度 的 分 布. 温 度 测 量 范 围 为 80~40, 分 辨 率 0.1, 响 应 时 间 小 于 2s; 风 向 和 风 速 测 量 范 围 分 别 为 0~100m s 1 和 0 ~360, 分 辨 率 为 0.1m s 1 和 1, 响 应 时 间 均 为 1s. GPS 探 空 系 统 的 测 量 精 度 满 足 中 国 气 象 局 常 规 高 空 气 象 探 测 规 范 ( 中 国 气 象 局 气 象 探 测 中 心, 2003). 获 得 的 探 测 资 料 为 不 同 天 气 过 程 下 的 大 气 对 流 层 垂 直 结 构. 探 测 的 最 大 高 度 2010 年 为 15km, 2012 年 16.2km, 2014 年 为 21.35km. 在 这 3 次 考 察 中, 探 测 时 间 都 是 在 北 极 海 冰 融 化 的 盛 期 (8 月 中 旬 至 9 月 初 ), 探 测 区 域 在 北 冰 洋 中 心 区 (80 ~88 N). 2.2 对 流 层 顶 和 边 界 层 高 度 的 确 定 方 法 对 流 层 顶 是 大 气 垂 直 结 构 的 重 要 参 数 之 一. 采 用 世 界 气 象 组 织 (World Meteorological Organization, WMO, 1957) 热 力 学 对 流 层 顶 的 定 义 确 定 对 流 层 顶. 当 温 度 递 减 率 减 小 为 2K km 1 或 更 小 时 的 最 低 高 度, 且 在 这 一 高 度 以 上 至 少 2km 内 的 平 均 温 度 递 减 率 不 超 过 2K km 1, 称 之 为 递 减 率 对 流 层 顶 (Lapse-Rate Tropopause, LRT)(Seidel 等, 2001). 利 用 最 低 温 度 也 能 够 确 定 对 流 层 顶 的 高 度, 是 热 力 学 对 流 层 顶 的 另 一 种 判 别 方 法, 称 之 冷 点 对 流 层 顶 (Cold-Point Tropopause, CPT)(Seidel 等, 2001), 因 此, 从 探 空 温 度 曲 线 容 易 确 定 CPT 的 位 置 高 度. 有 两 种 方 法 能 够 确 定 边 界 层 高 度. 一 是 将 逆 温 层 底 的 高 度 定 为 边 界 层 高 度 (Wyngaard 和 Lemone, 1980), 用 H b 表 示. 二 是 用 温 度 梯 度 的 最 大 高 度, 对 应 于 逆 温 层 的 中 间 高 度 (Sullivan 等, 1998) 定 为 边 界 层 高 度, 用 h 表 示. 由 于 北 冰 洋 雪 冰 下 垫 面 的 强 烈 辐 射 冷 却 作 用, 形 成 接 地 逆 温, 若 直 接 用 第 一 种 方 法 确 定, 边 界 层 高 度 就 会 在 贴 近 地 层, 因 此 选 取 最 强 逆 温 层 的 高 度 为 边 界 层 高 度. 3 夏 季 对 流 层 大 气 结 构 特 征 探 测 资 料 经 剔 除 个 别 异 常 值 后, 处 理 成 50m 等 间 隔 的 资 料, 然 后 计 算 各 次 考 察 的 平 均 廓 线. 图 1 给 出 2010 年 2012 年 和 2014 年 北 冰 洋 中 心 区 的 温 度 风 速 和 风 向 的 平 均 垂 直 廓 线. 图 1 显 示, 1~10km 温 度 随 高 度 降 低, 和 2014 年 温 度 垂 直 递 减 率 分 别 为 和 4.75 km 1, 其 中 以 2012 年 夏 季 的 温 度 垂 直 递 减 率 为 最 大. 这 3 年 的 递 减 率 比 2008 年 第 3 次 北 极 考 察 在 79 ~85.5 N, 144 ~170 W 的 分 析 结 果 (Ma 556
3 中 国 科 学 : 地 球 科 学 2016 年 第 46 卷 第 4 期 图 1 北 冰 洋 中 心 区 2010 年 8 月 10 日 至 8 月 24 日 2012 年 8 月 27 日 至 9 月 4 日 和 2014 年 8 月 19 至 26 日 平 均 温 度 (T) 风 速 (WS) 和 风 向 (WD) 垂 直 廓 线 等, 2011) 明 显 偏 低. LRT 高 度 相 差 不 大, 分 别 为 和 9.7km, CPT 高 度 和 对 应 温 度 分 别 为 10.5km 和 53.95, 9.35km 和 54.2, 10.4km 和 由 此 可 见, 2012 年 的 LRT 和 CPT 均 比 2010 和 2014 年 降 低. 对 流 层 顶 以 上 1~2km 为 对 流 层 顶 逆 温 层 (Tropopause Inversion Layer, TIL), 温 度 随 高 度 明 显 增 加, 增 温 率 约 为 2.0 km 1. 其 逆 温 层 的 存 在, 使 得 对 流 层 顶 附 近 大 气 更 加 稳 定, 多 为 大 尺 度 的 平 流 运 动. 逆 温 层 以 上 温 度 随 高 度 变 化 很 小, 近 似 等 温 层. 在 1km 以 下, 2010 年 和 2014 年 近 地 面 边 界 层 存 在 明 显 的 逆 温 结 构, 是 由 海 冰 辐 射 冷 却 效 应 所 造 成, 逆 温 层 内 平 均 温 度 递 减 率 为 m 1, 逆 温 层 出 现 在 100~500m, 强 逆 温 会 阻 碍 海 - 冰 - 气 之 间 物 质 与 能 量 的 交 换 (Zou 等, 2001) 年 很 少 出 现 近 地 面 逆 温 层, 可 能 与 测 站 周 围 存 在 无 冰 海 域 和 近 地 层 气 流 较 强 的 混 合 作 用 有 关. 风 速 廓 线 ( 图 1) 显 示, 近 地 层 风 速 随 高 度 均 有 迅 速 增 加 的 过 程, 2010 年 和 2014 年 风 速 随 高 度 增 加 基 本 是 连 续 的, 2012 年 有 所 不 同, 从 0.8~4km 之 间 出 现 了 明 显 的 混 合 区, 即 风 速 随 高 度 不 变. 对 流 层 顶 中 部 出 现 的 最 大 风 速 达 到 11m s 1 以 上 ; 称 之 高 空 急 流 和 2014 年 急 流 层 分 别 出 现 在 km; 对 应 的 最 大 风 速 分 别 为 和 16.7m s 年 急 流 层 出 现 后, 风 速 随 高 度 持 续 减 小 到 15km 左 右, 没 有 出 现 混 合 层, 而 2010 年 和 2014 年 在 对 流 层 上 层 均 出 现 了 明 显 的 混 合 层, 与 等 温 层 对 应. 风 向 随 高 度 变 化 显 示 ( 图 1), 2010 年 和 2014 年 在 4km 以 下 盛 行 557
4 卞林根等: 北冰洋中心区夏季大气边界层结构特征及其与海冰范围变化的关系 偏东南风, 5km以上为偏南风和偏东风. 2012年4km以 同厚度的逆温层, 并有多层结构的变化特征. 多层 下为南到西南风; 风向变化不稳定, 对流层顶以上高 逆温结构与中低层冷暖空气的相互作用有关. 在中 度转为西南到偏西风, 而且风向标准差较大. 北冰洋 国1~3次北极考察中已发现北冰洋存在多层逆温结 大气温度和风的垂直结构特征表明, 2012年与2010和 构的现象, 主要与测站周围不同海冰覆盖范围所产 2014年的温度递减率 对流层顶高度 风速和风向垂 生 的 热 力 和 动 力 作 用 有 关 (Zou 等, 2001; Bian 等, 直结构均存在十分明显差异. 2007). 图2显示, 2010年和2014年观测期间, 在1.0km 高度以下逆温层频繁出现, 以2010年逆温最强, 逆 夏季边界层逆温和边界层高度 温层高度也较高. 2012年近地层逆温层出现次数较 由于极区冰雪下垫面反射率高和辐射冷却效应, 征直接影响海-冰-气之间的物质交换(陈立奇, 2003), 容易形成边界层逆温和强稳定的天气. 图2给出了 逆温层顶高度会影响大气污染物和气溶胶的输送高 和2014年观测期间3km以下温度垂直递减 度, 也影响能量交换和动量参数的估计(Bridgman等, 1989). 为定量分析北冰洋中心浮冰区的边界层高度, 4 率的时间剖面. 近地层至3km之间存在不同强度 不 少,逆温层高度有所升高. 逆温层的存在及其变化特 利用2010年32次 2012年17次和2014年18次探测资 料, 采用两种方法确定了边界层高度. 从图3可以看 出, 虽然hb和h相关都非常显著,但差异也较大 年观测期间的hbmean和hmean平均分别约为342和453m, 表明采用逆温层底高度定义的hb 比最大温度梯度高 度定义的h低111m左右. 当边界层高度小于350m时, 两种定义结果比较接近.当边界层高度大于350m时, 二者差别较大. 2012年观测期间的hbmean 和hmean 平均 分别为690和765m, 2者相差75m. 当边界层高度大于 1.0km时, 2种高度比较接近. 反之, 当边界层高度小 于500m时, 二者明显差异. 2014年观测期间的hbmean 和hmean平均分别约为482和584m, 二者相差102m. 当 边界层高度小于400m时, 两种高度比较接近, 当边 界层高度大于400m时, 两种高度相差较大. 由此可 见, 2010年和2014年观测期间存在明显的接地逆温, 采用第一种定义确定边界层高度较好, 在逆温层较 低时, 两种方法均可使用, 而2012年接地逆温以及较 低层逆温很少出现, 导致第一种定义确定的hb 差异 较大. 其结果说明2012年观测期间出现的几次强逆 温在1.0km左右, 也显示2012年夏季边界层结构与 2010和2014年有明显差异. 分析逆温强度与边界层高度的关系, 能够深入 认识北极中心区的边界层过程及其影响. 图4给出边 界层高度(hb)与逆温强度的关系. 2010和2014年两者 图 2 北冰洋中心区 2010 年 8 月 10~24 日(a) 2012 年 8 月 27 日至 9 月 4 日(b)和 2014 年 8 月 19~26 日(c)观测期间 3km 以下温度垂直递减率时间剖面 558 呈显著的对数关系, 相关系数分别为0.81和0.92, 表 明逆温强度越强, 边界层高度越低. 2012年两者对 数比较离散, 相关系数为0.56, 其结果进一步显示了
5 中 国 科 学 : 地 球 科 学 2016 年 第 46 卷 第 4 期 图 (a) 2012(b) 和 2014 年 (c) 北 冰 洋 中 心 区 观 测 期 间 逆 温 强 度 与 边 界 层 高 度 (h b ) 的 关 系 5 大 气 边 界 层 结 构 对 北 极 海 冰 变 化 的 相 应 图 (a) 2012(b) 和 2014 年 (c) 北 冰 洋 中 心 区 观 测 期 间 不 同 方 法 确 定 的 边 界 层 高 度 的 相 关 2012 年 与 2010 和 2014 年 北 极 中 心 区 边 界 层 结 构 的 差 异. 北 极 大 气 边 界 层 结 构 除 了 受 大 尺 度 天 气 过 程 的 影 响 外, 主 要 与 海 冰 覆 盖 范 围 的 变 化 有 直 接 关 系. 上 述 分 析 表 明, 2012 年 夏 季 北 冰 洋 中 心 区 的 大 气 边 界 层 结 构 与 2010 和 2014 年 有 明 显 差 异. 为 了 认 识 海 冰 范 围 变 化 对 大 气 结 构 的 影 响 过 程, 利 用 1979~2014 年 9 月 北 极 海 冰 范 围 和 海 冰 面 积 资 料 ( data/docs/noaa/) 同 期 的 地 面 和 850hPa 气 象 再 分 析 资 料 ( 研 究 海 冰 减 少 及 其 对 北 冰 洋 中 心 区 温 度 变 化 的 影 响. 大 量 的 研 究 表 明, 从 20 世 纪 80 年 代 以 来 北 极 海 冰 最 大 和 最 小 范 围 均 呈 显 著 的 减 小 趋 势. 海 冰 最 大 范 围 (2 月 ) 以 3%/(10a) 的 速 率 减 少, 变 化 趋 势 相 当 平 稳, 但 与 最 小 范 围 的 减 少 速 率 有 显 著 不 同. 由 图 5 可 见, 在 1979~2014 年 期 间, 9 月 的 559
6 卞 林 根 等 : 北 冰 洋 中 心 区 夏 季 大 气 边 界 层 结 构 特 征 及 其 与 海 冰 范 围 变 化 的 关 系 图 年 9 月 北 极 海 冰 范 围 ( 蓝 线 ) 和 海 冰 面 积 ( 红 线 ) 距 平 百 分 率 (%) 的 时 间 序 列 海 冰 范 围 以 13.3%/(10a) 速 率 在 减 少, 2001 年 以 来 减 少 速 率 明 显 大 于 前 20 年, 且 变 化 速 率 的 年 际 波 动 较 大. 其 中 最 显 著 的 变 化 特 点 是, 在 1979~2001 年 期 间, 海 冰 的 减 少 趋 势 不 明 显, 减 少 速 率 为 7%/(10a), 而 在 2002~2014 年 期 间, 减 少 速 率 达 到 18%/(10a). 图 5 还 显 示, 9 月 海 冰 范 围 和 海 冰 面 积 的 变 化 趋 势 基 本 相 似. 相 对 于 1979~2001 年 期 间 9 月 的 海 冰 平 均 范 围, 2012 年 9 月 海 冰 范 围 减 少 最 多, 达 到 43.6%, 2010 年 和 2014 海 冰 范 围 分 别 减 少 了 22.6% 和 17%. 可 见, 2012 年 9 月 海 冰 覆 盖 范 围 仅 是 2010 年 和 2014 年 9 月 的 70% 左 右. 为 了 分 析 和 2014 年 9 月 不 同 海 冰 范 围 所 对 应 的 大 气 场 发 生 的 变 化, 图 6 给 出 北 极 地 区 (60 N 以 北 )9 月 1000hPa 地 面 温 度 距 平 和 气 压 距 平 场 850hPa 温 度 距 平 和 位 势 高 度 距 平 场. 图 中 显 示, 在 海 冰 最 少 的 2012 年 9 月, 北 极 地 区 1000 和 850hPa 温 度 场 正 距 平 范 围 明 显 大 于 2010 年 和 2014 年, 特 别 是 北 冰 洋 中 心 区 温 度 升 高 的 幅 度 较 大, 达 到 2~ 年 9 月 海 冰 范 围 比 2012 年 9 月 有 明 显 的 增 加, 在 北 冰 洋 中 心 区 850hPa 上 空 出 现 了 负 距 平 区 ; 1000hPa 温 度 图 6 北 极 地 区 NCEP 再 分 析 资 料 的 1000hPa 温 度 场 距 平 和 气 压 场 距 平 850hPa 温 度 场 距 平 和 位 势 高 度 场 距 平 ( 等 值 线 ) 图 色 标 表 示 温 度, 单 位 为 K 560
7 中 国 科 学 : 地 球 科 学 2016 年 第 46 卷 第 4 期 正 距 平 区 比 2012 年 有 所 减 小, 局 部 出 现 负 距 平. 由 此 可 知, 北 极 海 冰 范 围 的 增 减, 会 使 地 表 到 850hPa 上 空 的 温 度 上 升 或 下 降. 为 定 量 讨 论 两 者 的 长 期 变 化 关 系, 我 们 计 算 了 1979~2014 年 9 月 1000 和 850hPa 北 冰 洋 中 心 区 (80 ~90 N) 的 逐 年 平 均 温 度 和 距 平. 由 图 7 可 见, 近 30 年 来 北 冰 洋 中 心 区 9 月 平 均 温 度 呈 明 显 的 上 升 趋 势, 1000hPa 温 度 变 化 速 率 为 1.3 /(10a), 850hPa 温 度 变 化 速 率 为 0.81 /(10a) 年 9 月 平 均 温 度 达 到 历 史 最 高, 对 应 了 北 极 海 冰 范 围 最 小. 图 8 清 楚 地 显 示 出 与 海 冰 与 温 度 变 化 的 显 著 负 相 关 关 系, 1000 和 850hPa9 月 温 度 与 同 期 海 冰 范 围 的 相 关 系 数 分 布 为 0.83 和 0.74, 都 达 到 95% 以 上 的 显 著 性 信 度 检 验. 其 统 计 分 析 结 果, 说 明 北 极 海 冰 范 围 的 变 化 对 大 气 温 度 结 构 和 边 界 层 参 数 具 有 重 要 影 响, 而 且 其 影 响 具 有 系 统 性 和 长 期 性. 近 30 年 来, 北 冰 洋 中 心 区 夏 季 在 持 续 增 温, 而 全 球 温 度 变 化 趋 势 2000 年 以 后 出 现 了 停 滞 现 象, 停 滞 的 原 因 主 要 是 东 北 太 平 洋 吸 收 了 大 量 热 量, 北 极 的 增 温 却 是 由 于 海 冰 的 急 剧 减 少. 因 此, 需 要 讨 论 北 极 海 冰 的 持 续 减 少, 海 洋 表 面 或 深 层 也 能 吸 收 一 定 热 量, 但 北 极 海 洋 吸 收 多 少 热 量 才 能 对 全 球 温 度 变 化 有 贡 献 需 要 深 入 研 究. 6 结 论 通 过 分 析 中 国 第 4~6 次 北 极 考 察 获 得 的 北 冰 洋 中 心 区 (80 ~88 N)GPS 探 空 资 料, 我 们 对 不 同 海 冰 覆 范 围 的 大 气 垂 直 结 构 边 界 层 高 度 参 数 的 年 际 变 化 特 征 有 了 新 的 认 识. 特 别 北 冰 洋 中 心 区 的 大 气 探 测 结 果, 图 ~2014 年 9 月 冰 洋 中 心 区 (80 ~90 N)1000hPa 温 度 距 平 ( 红 线 ) 和 850hPa 温 度 距 平 ( 蓝 线 ) 的 时 间 序 列 图 ~2014 年 9 月 北 极 海 范 围 与 冰 洋 中 心 区 (80 ~90 N)1000hPa 温 度 (a) 和 850hPa 温 度 (b) 的 相 关 关 系 未 见 文 献 报 导, 因 此 文 中 获 取 的 大 气 边 界 层 参 数 对 改 进 气 候 模 式 具 有 参 考 作 用. 为 了 探 索 和 2014 年 夏 季 大 气 垂 直 结 构 边 界 层 高 度 参 数 差 异 的 原 因, 分 析 了 1979~2014 年 9 月 1000 和 850hPa 温 度 与 海 冰 范 围 的 变 化 关 系, 揭 示 出 新 的 统 计 事 实 和 他 们 的 紧 密 关 系, 为 深 入 研 究 北 极 海 冰 变 化 在 全 球 气 候 变 化 中 的 作 用 提 供 了 重 要 依 据. 主 要 结 果 讨 论 如 下 : (1) 2012 年 与 2010 和 2014 年 夏 季 北 冰 洋 中 心 区 的 对 流 层 顶 边 界 层 高 度 温 度 递 减 率 及 风 速 和 风 向 的 垂 直 结 构 均 存 在 明 显 差 异. 在 1km 以 下, 2010 年 和 2014 年 近 地 面 存 在 明 显 的 逆 温 结 构, 2012 年 逆 温 层 却 很 少 出 现, 其 过 程 与 探 测 区 域 周 围 存 在 无 冰 海 域 和 近 地 层 气 流 较 强 的 混 合 作 用 有 关 和 2014 年 夏 季 边 界 层 高 度 (h b ) 与 逆 温 强 度 呈 显 著 的 对 数 关 系, 相 关 系 数 分 别 为 0.81 和 0.92, 表 明 逆 温 强 度 越 强, 边 界 层 高 度 越 低 年 两 者 对 数 关 系 相 对 离 散, 相 关 系 数 为 0.56, 边 界 层 高 度 (h b ) 为 690m, 明 显 高 于 2010 年 和 2014 年 的 h b, 反 映 了 9 月 海 冰 范 围 的 年 际 变 化 对 大 气 边 界 层 结 构 有 重 要 影 响. (2) 北 极 大 气 垂 直 结 构 除 了 受 大 尺 度 天 气 过 程 的 影 响 外, 与 海 冰 覆 盖 范 围 的 变 化 有 直 接 关 系. 北 冰 561
8 卞 林 根 等 : 北 冰 洋 中 心 区 夏 季 大 气 边 界 层 结 构 特 征 及 其 与 海 冰 范 围 变 化 的 关 系 洋 中 心 区 夏 季 的 海 冰 面 积 越 大, 稳 定 层 结 的 天 气 越 多 ; 反 之, 对 流 性 的 天 气 增 多. 通 过 分 析 1979~2014 年 9 月 北 极 海 冰 范 围 与 1000 和 850hPa 温 度 变 化 的 关 系, 发 现 近 30 年 北 冰 洋 中 心 区 1000 和 850hPa 的 温 度 变 化 呈 显 著 的 升 温 趋 势, 变 化 速 率 分 别 为 1.3 /(10a) 和 0.81 /(10a), 与 海 冰 范 围 呈 负 显 著 相 关, 相 关 系 数 分 别 为 0.83 和 其 结 果 表 明, 北 极 海 冰 减 少, 能 够 引 起 1000~850hPa 高 度 的 大 气 层 增 温, 是 海 - 冰 - 气 相 互 作 用 的 动 力 和 热 力 输 送 结 果. 致 谢 在 北 冰 洋 GPS 探 空 观 测 试 验 期 间 得 到 了 国 家 海 洋 局 极 地 办 和 极 地 中 心 以 及 中 国 第 4~6 次 北 极 科 学 考 察 队 的 后 勤 支 撑 和 大 力 协 助, 在 此 一 并 表 示 衷 心 的 感 谢. 参 考 文 献 陈 立 奇 北 极 海 洋 环 境 与 海 气 相 互 作 用 研 究. 北 京 : 海 洋 出 版 社 盛 裴 轩, 毛 节 泰, 李 建 国 大 气 物 理 学. 北 京 : 北 京 大 学 出 版 社. 522 马 德 义 中 国 第 五 次 北 极 科 学 考 察 报 告. 北 京 : 海 洋 出 版 社. 160 潘 根 弟 潘 根 弟 中 国 第 六 次 北 极 科 学 考 察 报 告. 北 京 : 海 洋 出 版 社. 134 余 兴 光 中 国 第 四 次 北 极 科 学 考 察 报 告. 北 京 : 海 洋 出 版 社. 156 中 国 气 象 局 气 象 探 测 中 心 中 国 气 象 局 常 规 高 空 气 象 探 测 规 范. 北 京 : 气 象 出 版 社. 27 张 占 海 中 国 第 二 次 北 极 科 学 考 察 报 告. 北 京 : 海 洋 出 版 社 张 海 生 中 国 第 三 次 北 极 科 学 考 察 报 告. 北 京 : 海 洋 出 版 社. 203 Bian L G, Lu L H, Zhang Z H Analyses of structure of planetary boundary layer in ice camp over Arctic Ocean. Chin J Polar Sci, 18: 8 17 Bian L G, Ma Y F, Lu C G Experiment of turbulent flux near surface layer and its parameterizations on an drift ice over the Arctic Ocean. Acta Oceanol sin, 33: Hoinka K P Statistics of the global tropopause pressure. Mon Weather Rev, 126: IPCC. Climate Change The Physical Scientific Basis. Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press Ma Y F, Bian L G, Zhou X J, Lu C G Vertical structure of troposphere in the floating ice zone over the Arctic Ocean. Acta Oceanol Sin, 33: Qu S H, Zhou L B, Wang W Eexperiment of planetary boundary layer structure in period of the polar day over Arctic ocean. Chin J Geophys, 45: 8 16 Randel W J, Wu F, Forster P The extratropical tropopause inversion layer: Global observations with GPS data, and a radiative forcing mechanism. J Atmos Sci, 64: Seidel D J, Randel W J Variability and trends in the global tropopause estimated from radiosonde data. J Geophys Res, 111: 1 17 Seidel D J, Rossr J, Angell J K Climatological characteristics of the tropical tropopause as revealed by radiosondes. J Geophys Res, 106: Sullivan P P, Moeng C H, Stevens B, Lenschow D H, Mayor S D Structure of the entrainment zone capping the convective atmospheric boundary layer. J Atmos Sci, 55: Uttal T, Curry J A, Mcphee M G, Perovich D K, Moritz R E, Maslanik J A, Guest P S, Stern H L, Moore J A, Turenne R, Heiberg A, Serreze M C, Wylie D P, Persson O G, Paulson C A, Halle C, Morison J H, Wheeler P A, Makshtas A, Welch H, Shupe M D, Intrieri J M, Stamnes K, Lindsey R W, Pinkel R, Pegau W S, Stanton T P, Grenfeld T C Surface heat budget of the Arctic Ocean. Bull Amer Meteorol Soc, 83: Vihma T, Jaagus J, Jakobosn E, Timo P Meteorological condition in the Arctic Ocean in spring and summer 2007 as recorded on the drifting ice station Tara. Geophys Res Lett, 35: 1 5 WMO Definition of the tropopause. WMO Bull, 6: 136 Wyngaard J C, Lemone M A Behavior of the refractive index structure parameter in the entraining convective boundary layer. J Atmos Sci, 37: Zangl G, Hoinka K P The tropopause in the polar regions. J Clim, 14: Zou H, Zhou L B, Jian Y X, Wang W Arctic upper air observations on Chinese Arctic Research expedition Polar Meteorol Glaciol, 15:
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