櫑 櫑 櫑 櫑 櫑 櫑 櫑 櫑 櫑 第 25 卷 第 3 期 极 地 研 究 Vol.25,No.3 2013 年 9 月 CHINESEJOURNALOFPOLARRESEARCH September2013 毀 櫑 毀 毀 研 究 论 文 毀 2012 年 南 极 长 城 站 气 象 和 海 冰 特 征 分 析 1 杨 清 华 2 张 本 正 1 李 明 1 孟 上 ( 1 国 家 海 洋 环 境 预 报 中 心, 北 京 100081; 2 武 汉 市 气 象 局, 湖 北 武 汉 430040) 提 要 基 于 中 国 第 28 次 南 极 科 学 考 察 长 城 站 越 冬 期 间 获 取 的 常 规 气 象 和 海 冰 观 测 资 料, 结 合 统 计 的 1985 2010 年 气 候 值, 对 比 分 析 了 长 城 站 2012 年 的 气 象 及 海 冰 特 征 气 象 分 析 表 明, 该 年 平 均 气 压 和 气 温 偏 低,N W 风 向 频 率 显 著 偏 低,E SE 风 向 频 率 显 著 偏 高 ; 雾 日 偏 少, 降 雪 量 吹 雪 及 雪 暴 显 著 偏 多 ; 针 对 观 测 期 间 某 些 月 份 比 较 明 显 的 气 象 要 素 和 天 气 现 象 异 常, 从 大 气 环 流 角 度 进 行 了 分 析 解 释 海 冰 观 测 表 明, 长 城 湾 冰 情 变 化 受 大 气 动 力 作 用 影 响 大, 冰 情 稳 定 性 差, 外 围 海 域 海 冰 极 不 稳 定,2012 年 4 月 至 2012 年 11 月 冰 情 几 经 进 退, 先 后 交 替 出 现 3 个 完 全 冰 冻 和 3 个 部 分 冰 冻 期 关 键 词 南 极 长 城 站 气 象 异 常 大 气 环 流 海 冰 doi:10.3724/sp.j.1084.2013.00268 0 引 言 IPCC 第 四 次 评 估 报 告 指 出, 南 极 半 岛 地 区 是 过 去 50 年 中 全 球 变 暖 最 剧 烈 的 地 区 之 一, 年 平 均 温 度 升 高 了 2.8, 且 冬 季 升 温 最 为 剧 烈 [1 2] 南 极 长 城 站 (62 13 S,58 59 W) 地 处 南 极 半 岛 地 区 的 乔 治 王 岛, 其 气 象 和 海 洋 观 测 资 料 对 于 我 们 理 解 南 极 半 岛 对 全 球 气 候 变 化 的 响 应 和 反 馈 过 程 尤 为 重 要 自 1985 年 中 国 首 次 科 学 考 察 建 立 长 城 站 至 2012 年 底, 已 连 续 开 展 了 28 次 越 冬 气 象 科 学 考 察, 对 该 地 区 的 天 气 和 短 期 气 候 进 行 了 较 多 研 究 长 城 站 属 典 型 的 亚 南 极 海 洋 性 气 候, 常 年 低 温 高 湿, 阴 天 多 云 量 大 ; 气 压 气 温 和 风 速 具 有 明 显 的 季 节 变 化, 相 对 湿 度 的 季 节 变 化 不 明 显 [3 5] 1985 2008 年 气 象 观 测 资 料 表 明, 长 城 站 气 温 和 气 压 有 上 升 趋 势, 降 水 量 和 风 速 有 下 降 趋 势, 相 对 湿 度 变 化 趋 势 不 明 显 [6 7] 由 于 长 城 站 附 近 海 冰 稳 定 性 较 差, 中 国 学 者 对 长 城 湾 [8] 的 海 冰 观 测 研 究 相 对 较 少, 秦 大 河 曾 对 长 城 湾 海 冰 物 理 结 构 和 生 消 过 程 进 行 了 一 年 的 越 冬 观 测 研 究, 认 为 湾 内 雪 冰 和 冻 结 冰 在 总 冰 厚 中 所 占 比 例 倒 置, 海 冰 呈 双 向 增 长 中 国 第 28 次 南 极 长 城 站 越 冬 大 气 科 学 考 察 自 2011 年 11 月 21 日 持 续 至 2012 年 12 月 5 日, 共 计 380d 本 文 统 计 分 析 了 2011 年 12 月 2012 年 11 月 ( 以 下 简 称 2012 年 ) 长 城 站 的 压 温 湿 风 云 等 基 本 气 象 要 素, 降 水 海 雾 吹 雪 及 雪 暴 等 重 要 灾 害 性 天 气 及 其 同 气 候 值 的 差 异, 海 冰 要 素 特 征, 并 尝 试 通 过 大 气 环 流 分 析 解 释 了 2012 年 某 些 月 份 的 天 气 异 常 现 象 同 北 半 球 相 反, 南 半 球 12 月 至 次 年 2 月 为 夏 季,3 至 5 月 为 秋 季,6 至 8 月 为 冬 季,9 至 11 月 春 季 ;2011 年 12 月 2012 年 11 月 刚 好 对 应 一 次 完 整 的 四 季 变 化 1 观 测 资 料 说 明 长 城 站 气 象 观 测 始 于 1985 年, 是 世 界 气 象 组 织 [ 收 稿 日 期 ] 2013 年 1 月 收 到 来 稿,2013 年 4 月 收 到 修 改 稿 [ 基 金 项 目 ] 国 家 自 然 科 学 基 金 (41006115,41076128) 国 家 十 二 五 科 技 支 撑 计 划 (2011BAC03B02) 和 国 家 十 二 五 极 地 考 察 专 项 (CHIN ARE) 资 助 [ 作 者 简 介 ] 杨 清 华, 男,1983 年 生 副 研 究 员, 主 要 从 事 极 地 海 冰 和 大 气 研 究 E mail: yqh@nmefc.gov.cn
第 3 期 杨 清 华 等 :2012 年 南 极 长 城 站 气 象 和 海 冰 特 征 分 析 269 (WMO) 南 极 基 本 天 气 站 网 (ABSN) 和 南 极 基 本 气 候 站 网 (ABCN) 基 本 台 站, 国 际 区 站 号 89058 [6] 地 面 气 象 观 测 项 目 的 观 测 仪 器 和 方 法 及 仪 器 精 度 均 按 [9] 中 国 气 象 局 地 面 观 测 规 范 操 作 其 中, 气 温 湿 度 风 向 风 速 和 气 压 为 有 线 遥 测 自 动 观 测, 降 水 地 面 温 度 云 量 云 状 能 见 度 等 天 气 现 象 为 人 工 观 测 [6], 观 测 方 法 见 中 国 气 象 局 地 面 观 测 规 范 月 平 均 资 料 由 日 平 均 值 计 算, 日 平 均 则 由 每 天 世 界 时 00:00 06:00 12:00 18:00 观 测 资 料 求 得 2012 年 长 城 湾 冰 情 观 测 基 于 人 工 目 测, 该 观 测 自 4 月 4 日 冰 期 开 始 至 11 月 1 日 冰 期 结 束, 观 测 频 率 为 每 天 一 次 长 城 湾 固 定 点 和 断 面 冰 厚 / 雪 厚 测 量 通 过 直 径 为 5cm 的 麻 花 钻 实 施, 测 量 精 度 为 0.5cm 其 中 固 定 测 点 位 于 长 城 湾 中 心 区 域, 观 测 从 7 月 5 日 持 续 至 10 月 21 日, 每 隔 5 10d 测 量 一 次 ; 断 面 测 量 自 污 水 处 理 房 沿 岸 至 阿 德 利 岛 堤 坝 处 设 置 10 个 测 点, 每 隔 15 20d 测 量 一 次 2 基 本 气 象 要 素 分 析 2.1 气 压 以 往 气 候 研 究 表 明, 受 南 极 大 陆 冷 高 压 南 大 洋 高 压 和 频 繁 过 境 的 气 旋 交 替 影 响, 长 城 站 气 压 具 有 明 显 的 半 年 波 变 化,4 9 月 为 高 压 期, 其 他 月 份 为 低 压 期 [7] 我 们 统 计 了 长 城 站 建 站 以 来, 即 1985 2010 年 的 气 候 特 征 值, 得 到 了 类 似 的 气 候 统 计 结 果 ( 表 1) 2012 年 的 气 压 变 化 同 气 候 平 均 结 果 差 异 较 大 该 年 平 均 气 压 986.5hPa, 比 气 候 值 989.5hPa 偏 低 3.0hPa; 月 平 均 气 压 在 5 8 月 及 10 2 月 均 偏 低, 最 低 气 压 出 现 在 冬 季 6 月 份, 且 气 压 距 平 达 -16.0hPa( 图 1a);4 月 的 正 距 平 最 大, 有 4.8hPa 第 4 节 将 结 合 大 气 环 流 分 析 2012 年 的 气 压 和 天 气 异 常 月 平 均 气 压 /hpa 平 均 气 温 / 表 1 南 极 长 城 站 气 象 要 素 的 气 候 特 征 值 统 计 (1985 2010) Table1.ClimatestatisticsoftheGWSmeteorologicalelements(1985 2010) 相 对 湿 度 /% 平 均 总 云 量 (0.1) 降 水 量 /mm 降 水 量 大 于 降 水 等 于 0.1 日 日 数 /d 数 /d 平 均 风 速 / 最 多 风 向 及 (m s -1 ) 频 率 /% 极 大 风 速 / (m s -1 ) 及 风 向 大 风 日 数 /d 日 照 时 数 /h 1 988.4 1.9 89 9.1 48.5 25 18 6.3 NW/13 27.1/ESE 5 79.3 2 989.1 1.8 89 8.6 56.1 23 19 6.8 WNW/19 30.5/SE 7 61.4 3 988.7 0.5 89 8.9 64.3 25 22 7.2 WNW/14 36.2/W 12 41.8 4 989.6-1.6 88 8.9 55.1 26 22 7.5 ESE/14 32.4/ESE 12 20.7 5 993.3-3.4 88 8.5 39.2 25 21 7.6 ESE/15 35.9/SE 14 12.6 6 992.5-5.4 88 8.5 38.7 25 21 7.6 ESE/15 37.7/ESE 13 4.8 7 991.4-6.3 89 8.6 41.1 25 22 7.7 WNW/13 36.8/NW 14 8.3 8 990.3-5.5 89 8.7 31.6 25 21 8.0 WNW/16 37.2/ESE 15 20.6 9 990.8-4.1 90 9.0 34.7 25 22 8.0 WNW/15 36.6/NW 14 38.0 10 986.7-2.6 90 8.9 38.6 25 22 8.6 WNW/16 34.1/SE 15 59.5 11 985.7-0.9 89 9.1 36.9 24 20 7.3 WNW/16 32.9/SE 10 74.5 12 987.1 0.5 88 9.1 33.8 23 18 6.7 WNW/14 31.9/N 7 88.8 全 年 989.5-2.1 89 8.8 518.6 295 248 7.5 WNW/14 37.7/ESE 138 510.4
270 极 地 研 究 第 25 卷 图 1 2012 年 ( 黑 色 ; 以 下 同 ) 和 1985 2010 年 ( 白 色 ; 以 下 同 ) 长 城 站 气 象 要 素 逐 月 变 化.(a) 气 压 ;(b) 气 温 ;(c) 相 对 湿 度 ; (d) 风 速 ;(e) 降 水 量 Fig.1.Monthlyvariationof(a)airpresure,(b)temperature,(c)relativehumidity,(d)windspeedand(e)precipitationatGWS in2012(black)and1985 2010(white) 表 2 给 出 了 各 月 极 端 最 高 最 低 气 压 除 1 月 和 11 月 外, 各 月 极 端 最 高 气 压 均 超 过 1000hPa, 受 一 次 很 强 的 南 太 平 洋 高 压 影 响,4 月 21 日 出 现 极 端 最 高 气 压 1018.9hPa; 各 月 极 端 最 低 气 压 均 低 于 970hPa, 年 度 极 端 最 低 气 压 944.3hPa, 出 现 在 7 月 25 日, 对 应 一 次 气 旋 中 心 过 境 长 城 站 的 天 气 过 程 表 2 2012 年 长 城 站 气 象 要 素 极 值 统 计 Table2.ExtremevaluesoftheGWSmeteorologicalelementsin2012 参 数 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 全 年 极 端 最 高 气 压 /hpa 998.1 1015.1 1013.1 1018.9 1011.1 1005.2 1011.7 1012.0 1015.0 1004.6 995.4 1005.4 1018.9 极 端 最 低 气 压 /hpa 966.6 956.2 961.8 960.5 959.2 956.6 944.3 961.7 966.3 951.0 965.6 959.8 944.3 极 端 最 高 气 温 / 5.7 5.9 7.7 2.7 2.2 0.0 0.3 1.9 0.6 0.9 3.6 5.3 7.7 极 端 最 低 气 温 / -1.3-5.6-5.2-13.2-13.8-17.4-16.3-15.7-15.8-13.6-6.7-1.3-17.4 地 面 极 端 最 高 / 25.2 24.1 15.8 5.5 0.9-0.1 0.5 1.5 2.6 5.3 9.4 17.0 25.2 地 面 极 端 最 低 / -2.4-6.5-6.5-13.5-15.2-17.9-18.5-15.5-16.5-16.5-9.1-2.6-18.5 最 大 风 速 / (m s -1 ) 及 风 向 极 大 风 速 / (m s -1 ) 及 风 向 14.9NW 20.0ESE16.0WSW 26.4ESE 20.3W 23.8ESE 26.7ESE 21.4ESE 27.4ESE 22.9SE 26.1ESE21.5WNW 26.7ESE 18.9WSW 24.4ESE 20.2W 31.1ESE 25.0NE 28.3ESE 30.3SE 23.4ESE 31.6SE 28.2SE 30.6SE 25.3WNW 31.6SE 2.2 气 温 和 地 温 以 往 统 计 表 明, 长 城 站 常 年 低 温, 全 年 气 温 以 1 月 平 均 温 度 最 高,7 月 平 均 温 度 最 低, 年 较 差 为 8.2 ; 气 温 年 变 化 具 有 无 心 冬 季 和 短 暂 夏 季 特 点 [6] 我 们 的 气 候 统 计 结 果 进 一 步 验 证 了 这 些 结 论 ( 表 1) 2012 年 平 均 气 温 -2.5, 比 气 候 值 -2.1 偏 低 0.4 ; 其 中,12 3 月 平 均 气 温 均 高 于 0, 其 余 月 份 低 于 0,1 月 平 均 气 温 最 高, 达 1.7,6 月 最 低, 为 -7.1, 月 平 均 气 温 年 较 差 8.8 同 气 候 值 相 比, 气 温 正 负 距 平 各 有 6 个 月,4 月 最 小, 距 平 达 -2.7,12 月 正 距 平 最 大, 为 0.7 ( 图 1b) 表 2 给 出 了 各 月 极 端 最 高 最 低 气 温 各 月 极 端 最 高 气 温 均 达 到 或 高 于 0, 极 端 最 低 气 温 则 都 在 0 之 下 ; 年 极 端 最 高 气 温 7.7, 最 低 -17.4, 分 别 出 现 在 3 月 4 日 和 6 月 10 日 年 平 均 地 表 温 度 -1.9, 比 气 温 高 0.6 ; 季 节 变 化 明 显,12 3 月 平 均 地 表 温 度 为 正, 其 余 月 份 为 负 ;1 月 最 高, 为 4.1,6 月 最 低, 为 -7.0, 同 气 温 变 化 一 致 ( 图 2) 地 表 温 度 具 有 比 气 温 更 大 的 年 较 差, 极 端 最 高 25.2, 出 现 在 1 月 29 日 ; 极 端
第 3 期 杨 清 华 等 :2012 年 南 极 长 城 站 气 象 和 海 冰 特 征 分 析 271 最 低 -18.5, 出 现 在 7 月 27 日 ( 表 1) 除 7 月 地 气 温 差 在 -0.2 外, 其 他 月 份 均 为 正 值,1 月 正 温 差 最 高, 达 2.4 说 明 该 年 大 部 分 时 间 内 都 以 地 面 加 热 大 气 为 主, 且 夏 季 更 为 明 显 响 应 于 表 层 气 温 和 地 表 温 度 变 化, 各 层 地 温 均 有 一 定 的 季 节 变 化 ( 图 2) 地 表 温 度 从 4 月 开 始 低 于 0, 进 入 冻 结 期,12 月 解 冻, 冻 结 期 8 个 月 地 下 0.4m 温 度 在 1 3 月 为 正, 其 余 月 份 为 负, 土 层 冻 结 期 9 个 月 ;2 月 温 度 最 高, 为 0.7 ;8 月 最 低, 为 -4.2 除 3 月 的 0.0 外, 地 下 0.8m 地 温 在 其 他 月 份 均 为 负, 土 层 冻 结 期 接 近 全 年 ;7 月 最 低, 为 -3.4 地 下 1.6m 则 是 全 年 为 负, 其 季 节 变 化 最 小, 最 高 值 -0.2, 出 现 在 4 月 ; 最 低 值 -2.5, 出 现 在 7 月 深 层 地 温 相 对 气 温 具 有 明 显 的 滞 后 性, 且 越 向 深 处, 滞 后 时 间 越 长, 年 变 化 越 不 明 显, 这 同 之 前 的 研 究 结 论 一 致 [3,5] 图 2 2012 年 长 城 站 气 温 和 各 层 地 温 逐 月 变 化 Fig.2.MonthlyvariationoftheGWSsurfaceairandground temperaturein2012 2.3 湿 度 以 往 统 计 表 明, 长 城 站 常 年 相 对 湿 度 较 大, 且 没 有 明 显 的 季 节 变 化 [7] 我 们 的 统 计 结 果 与 其 一 致 ( 表 1) 2012 年 均 相 对 湿 度 91%, 同 气 候 平 均 89% 相 当 ; 同 时, 表 现 出 准 半 年 变 化 特 征,4 11 月 相 对 湿 度 较 高, 都 超 过 90%; 其 他 月 份 相 对 较 低 ;7 月 最 高,2 月 最 低, 分 别 为 95% 和 83% 正 负 距 平 分 别 有 9 个 和 3 个 月, 其 中 4 12 月 相 对 湿 度 连 续 高 于 气 候 值 ( 图 1c) 由 于 长 城 站 气 温 常 年 较 低, 故 空 气 绝 对 湿 度 较 小, 且 有 明 显 的 季 节 变 化 2012 年 平 均 水 汽 压 4.8hPa,12 月 最 大, 为 6.0hPa;6 月 最 小, 为 3.6hPa 绝 对 湿 度 较 小, 全 年 极 端 最 高 水 汽 压 8.6hPa, 最 低 水 汽 压 1.4hPa, 分 别 出 现 在 3 月 2 日 和 6 月 10 日 2.4 风 速 和 风 向 南 极 长 城 站 地 处 南 极 半 岛 北 侧 南 太 平 洋 温 带 气 旋 生 成 中 心 的 下 游, 平 均 每 3 4d 便 受 一 次 气 旋 过 境 影 响 [4] 以 往 研 究 表 明, 长 城 站 常 年 风 力 较 强, 大 风 日 数 较 多, 且 有 明 显 的 季 节 变 化, 冬 季 和 春 季 的 风 速 大 于 夏 季 和 秋 季,;W N 是 最 主 要 风 向 区 间, 出 现 频 率 在 75% 以 上, 其 次 为 E SE;10 月 份 平 均 风 速 最 大,2 月 份 风 速 最 小 [7] 我 们 的 气 候 统 计 结 果 与 之 类 似 ( 表 1);1985 2010 年 年 平 均 大 风 天 数 138d, 出 现 频 率 达 37.8%( 表 1) 2012 年 平 均 风 速 7.7m s -1, 比 气 候 平 均 偏 高 0.2m s -1 ; 且 冬 春 季 (6 11 月 ) 风 速 较 强 ; 其 中, 6 月 平 均 风 速 最 大, 为 10.6m s -1, 比 气 候 值 偏 高 2.0m s -1 ;1 3 月 平 均 风 速 最 小, 为 6.2m s -1 ( 图 1d) 全 年 大 风 日 133d, 比 气 候 值 偏 少 5d, 但 6 月 显 著 偏 多 (+9d),3 月 偏 少 6d( 图 3a); 年 最 大 风 速 27.4m s -1, 极 大 风 速 31.6m s -1, 均 出 现 在 9 月 9 日 ( 表 2)
272 极 地 研 究 第 25 卷 图 3 2012 年 和 1985 2010 年 长 城 站 逐 月 天 气 变 化.(a) 大 风 日 ;(b) 降 水 日 ;(c) 雾 日 ;(d) 吹 雪 日 Fig.3.Monthlyvariationof(a)gale,(b)precipitation,(c)fog,(d)blowingsnowdaysatGWSin2012(black)and1985 2010 (white) 2012 年 风 向 也 主 要 集 中 在 W N 和 E SE 两 大 区 间, 但 W N 出 现 频 率 (57.0%) 比 气 候 值 偏 低,E SE 频 率 (25.1%) 比 气 候 值 显 著 偏 高 ( 图 4), 这 是 因 为 长 城 站 2012 年 受 北 路 过 境 气 旋 影 响 较 多, 北 低 南 高 的 天 气 形 势 ( 北 侧 气 旋 南 侧 南 极 大 陆 冷 高 压 ) 给 长 城 站 带 来 极 为 恶 劣 的 E SE 雪 暴 天 气 同 气 候 统 计 结 果 相 近,2012 年 风 向 也 有 一 定 的 季 节 变 化, 夏 季 风 向 集 中 在 W N 象 限, 但 春 秋 冬 季 的 季 节 变 化 并 不 明 显, 最 多 风 向 均 是 ESE ( 图 4) 影 响, 天 空 大 多 比 较 阴 霾 ; 全 年 云 量 较 多, 云 种 较 为 简 单, 大 部 分 为 气 旋 过 境 前 后 的 云 系, 一 般 以 低 云 为 主 [4 5] 2012 年 平 均 总 云 量 9.1 成, 比 气 候 值 8.8 成 略 高 ( 表 1); 云 量 的 年 变 化 不 明 显,12 月 最 多,9 月 最 少, 分 别 为 9.6 成 和 8.6 成 ; 平 均 低 云 量 7.9 成 低 云 出 现 频 率 超 过 90%, 多 为 普 通 层 积 云 和 雨 层 云, 有 时 也 有 积 云 出 现, 但 次 数 较 少, 这 是 因 为 该 地 区 边 界 层 比 较 稳 定, 垂 直 对 流 较 弱 的 缘 故 [7] 长 城 站 也 有 高 云 出 现, 大 多 出 现 在 高 压 控 制 的 晴 朗 天 气 里, 多 为 卷 云 和 卷 层 云, 中 云 出 现 频 率 高 于 高 云, 多 为 普 通 高 积 云 和 高 层 云 (2) 日 照 和 辐 射 长 城 站 日 照 时 数 较 短 2012 年 全 年 总 日 照 时 数 仅 562.5h, 占 总 可 照 时 数 的 13.0%; 但 比 气 候 值 510.4h 偏 多 10.2%( 表 1), 其 中, 夏 季 偏 多, 冬 季 偏 少 ( 图 5a) 逐 月 日 照 时 数 呈 V 型 分 布,1 月 份 最 高 为 120.5h; 在 准 极 夜 的 5 6 和 7 月, 日 照 时 数 分 别 仅 有 6.0 7.3 和 3.8h 月 累 积 曝 辐 量 也 呈 V 型 分 布 ( 图 5b) 3 重 要 灾 害 性 天 气 分 析 图 4 长 城 站 2012 年 ( 粉 线 ) 及 夏 季 ( 蓝 线 ) 冬 季 ( 红 线 ) 风 向 频 率 分 布 Fig.4.Theannual(pink),summer(blue)andwinter(red) winddirectionfrequenciesofgwsin2012 2.5 云 日 照 和 辐 射 (1) 云 状 和 云 量 长 城 站 处 于 绕 极 低 压 带 中, 受 频 繁 过 境 的 气 旋 同 锋 面 气 旋 相 联 系 的 雾 降 雪 和 吹 雪 可 显 著 减 小 能 见 度, 是 长 城 站 频 发 的 灾 害 性 天 气 气 候 统 计 表 明, 好 的 能 见 度 ( 10km) 约 占 61.0%, 差 的 能 见 度 ( 小 于 1km) 占 8.0% 夏 季 月 份 中, 海 雾 和 降 水 是 能 见 度 降 低 的 主 要 原 因, 冬 季 则 主 要 归 因 于 频 繁 的 降 雪 吹 雪 或 雪 暴
第 3 期 杨 清 华 等 :2012 年 南 极 长 城 站 气 象 和 海 冰 特 征 分 析 273 图 5 2012 年 长 城 站 日 照 时 数 和 曝 辐 量 逐 月 变 化.(a) 日 照 时 数 ;(b) 曝 辐 量 Fig.5.Monthlyvariationof(a)sunshinetimeand(b)radiantexposureofGWSin2012 3.1 降 水 异 常 长 城 站 降 水 天 气 较 多, 降 水 量 比 较 充 沛 其 中, 夏 季 平 均 气 温 高 于 0, 常 会 出 现 降 雨 过 程 ; 冬 季 则 基 本 都 是 降 雪 天 气 1984 2008 年 资 料 分 析 表 明, 降 水 量 年 变 化 显 著,1 4 月 的 降 水 明 显 高 于 其 他 月 份, 以 3 月 份 降 水 最 多,8 月 份 最 少, 年 平 均 降 水 日 数 259d, 降 水 量 503mm [7] 由 于 2009 和 2010 年 的 降 水 较 多, 我 们 统 计 的 降 水 日 数 和 降 水 量 结 果 都 略 高, 年 平 均 降 水 量 518.6mm, 降 水 日 数 295d, 降 水 量 0.1mm 的 降 水 日 数 248d 2012 年 全 年 降 雨 日 数 121d, 降 雪 日 数 271d; 降 水 量 0.1mm 的 降 水 日 数 268d, 比 气 候 值 248d 偏 多 20d, 其 中 8 月 最 多 为 26d,1 月 最 少 为 19d ( 图 3b); 大 于 5.0mm 的 降 水 日 数 47d,4 月 11 日 和 9 月 19 日 均 观 测 到 18.7mm 的 单 日 最 大 降 水 量 经 统 计,2012 年 最 长 一 次 连 续 性 降 水 长 达 17d, 即 从 5 月 11 日 至 27 日, 降 水 量 51.3mm; 最 长 连 续 无 降 水 日 6d,2 月 和 5 月 各 出 现 一 次 2012 年 降 水 量 789.3mm, 比 气 候 值 518.6mm 偏 多 52.2%, 偏 多 的 降 水 量 主 要 以 降 雪 的 形 式 出 现 在 气 温 较 低 的 4 10 月 ; 同 气 候 值 明 显 不 同, 该 年 9 月 降 水 量 最 多, 达 87.2mm;1 月 降 水 量 最 少, 为 37.7mm; 除 1 2 月 外, 其 余 各 月 降 水 量 均 高 于 气 候 值,4 12 月 降 水 量 均 明 显 偏 多, 又 以 8 月 和 9 月 偏 多 最 为 显 著, 分 别 比 气 候 值 偏 高 147.0% 和 151.3% ( 图 1e) 频 繁 的 降 雪 和 雪 暴 天 气 给 2012 年 越 冬 气 象 观 测 工 作 带 来 了 很 多 困 难,2012 年 9 月 至 10 月 气 象 观 测 场 最 大 积 雪 深 度 超 过 3m 3.2 海 雾 长 城 站 的 海 雾 大 多 为 平 流 冷 却 雾, 地 处 南 大 洋 南 极 锋 的 南 侧 和 绕 极 低 压 带 的 独 特 地 理 位 置 决 定 了 长 城 站 多 海 雾 的 天 气 特 点 海 雾 最 主 要 的 天 气 型 是 东 高 西 低, 海 雾 的 持 续 时 间 取 决 于 高 压 在 南 极 半 岛 维 持 时 间 的 长 短, 平 均 每 次 大 雾 持 续 时 间 约 10 个 小 时, 但 次 别 相 差 较 大, 短 者 仅 有 十 几 分 钟, 长 可 达 连 续 数 天 [10] 气 候 统 计 表 明, 长 城 站 平 均 每 年 出 现 145 个 雾 日 ( 含 轻 雾 和 大 雾 ; 以 下 同 ), 占 全 年 总 日 数 的 39.7%; 其 中 大 雾 93d, 占 全 年 总 日 数 的 25.5% 9 3 月 海 雾 发 生 次 数 较 多,4 8 月 海 雾 发 生 较 少 ; 其 中 1 月 最 多, 平 均 有 15 个 雾 日,6 月 最 少, 仅 有 9 个 雾 日 ( 图 3c) 2012 年 共 有 102 个 雾 日 ( 大 雾 64d), 比 气 候 值 偏 少 43d;12 月 最 多, 有 20 个 雾 日,6 月 最 少, 仅 有 1 个 雾 日 ;1 2 和 6 月 份 的 雾 日 分 别 比 气 候 值 偏 少
７４ 极地研究 第 卷 ｄ ｄ和 ８ｄ 气候 场 基 于 ９ 年 平 均 结 果 年 吹雪及雪暴 月 南极半岛东 西侧海域出现强度较强 范围较广 长城站夏季降水以雨为主 吹雪很少发生 进入 的负异常 南美大陆南端 德雷克海峡有较强的气压 冬季后 基本都是降雪天气 地面积雪不断增加 受 大气环流场有利于西北暖湿气流输 正异常 图 ６ 频繁过境的绕极气旋影响 长城站冬季多偏东大风 送 该月雾日 降水日分别偏多 ７ｄ和 ６ｄ 图 ｂ 特殊的气候背景致使吹雪和雪暴天气频发 气候统 ｄ 降水量偏多 ｍｍ 图 平均总云量 ９ ６ 计表明 长城站平均每年有 ７ 个吹雪日 ６ 月 成 比气候值偏多 成 日照时数偏少 ９ｈ 图 较 多 其 他 月 份 较 少 又 以 ８ ９月 吹 雪 日 最 多 年 月 长城站东侧的威德尔海出现 ｄ 月份则基本没有吹雪天气 气压负异常 西侧南太平洋区气压正异常 图 ６ｂ 年吹雪天数 ８８ｄ 比气候平均值多 ７ｄ Ｗ Ｓ Ｗ 气流偏多 不利于西北暖湿空气输送 图 ｄ ６月最多 达 ９ｄ 比气候平均值偏多 ｄ 月份的雾日分别比气候值偏少 ｄ和 ｄ 故 图 ｄ 雪暴天气 ｄ 伴随风向一般为偏东或东 年 ４ 月 连续 ８个月降水量显著偏高 其 南风 南高北低 是其主要天气形势 雪暴是南极 ７ ９月气压距平场类似 长城站位于气压 中 ４ 冬季最严重的灾害性天气之一 对南极考察站越冬 负异常前方 降水较多 年 ６月和 月类似 队员的生命和财产安全威胁极大 长城站处于气压负异常之中 这里以 ４月和 ６月为 例说明 年 ４月 南极冷高压北伸 威德尔海 ４ 大气环流和天气异常分析 出现气压正异常中心 长城站处于别林斯高晋海 阿 蒙森海气压负异常前部 威德尔海正异常外围 图 使用美国 ＮＣＥＰ再分析资料计算了 年 ６ 威 德 尔 海 气 压 正 异 常 使 长 城 站 气 压 偏 高 月 年 月南极海平面气压逐月平均距平 ｈｐ 气温显著偏低 ７ 风速偏大 图 ６ 年 月 年 月南极逐月海平面气压异常和表面风场 红五星所示为长城站位置 Ｆ ｇ ６ Ａ ｍ ｓ ｖ ｐ ｓ ｓ ｕ ｍ ｓ ｄｗ ｄ ｓｆ ｍｄ ｍｂ Ｎ ｖ ｍｂ ｈ ｆｇｗｓ ｓｓ ｈ ｗ ｓ ｄｓ
第 期 杨清华等 年南极长城站气象和海冰特征分析 ７ ｍ ｓ 降水天气偏少 ｄ 同时 由于 阿蒙森海气压负异 处于势力强大的别林斯高晋海 海冰特征分析 常 前 部 长 城 站 降 水 强 度 较 大 故 降 水 量 偏 多 ７ｍｍ ６月 南极冷高压位置偏南 威德尔 年冰期自 ４月 ４日开始至 月 日 共计 海 德雷克海峡及别林斯高晋海区域出现一个很强 持续 ｄ 中山站附近固定冰生长主要受热力学影 的气压负异常 长城站恰好处于该负异常中心 图 响 长城湾冰情则受动力作用影响更大 年 ６ｇ 中心值低于 ｈ Ｐ 表明本月过境气旋强度 ４月 ４ ６日持续 ＥＳ Ｅ大风从外海吹来了大量浮冰 偏大 频数偏多 这同我们的观测相吻合 年 ６ 不仅将长城湾完全覆盖 图 ７ 还延伸到湾外几十 月的大气环流异常导致长城站该月 Ｅ ＥＳＥ风向显 由于 ４月天气突然转冷 月均气温由 公里处 图 ７ｂ 著偏多 风速显著偏高 ｍ ｓ 气温显著 月的 ９ 快速下降至 ４月的 ７ 冰情得以持 ７ 降水量偏多 ７ ｍｍ 大风及 偏低 续 故该年冰期开始明显偏早 同时 长城湾冰情稳 吹雪 含雪暴 天气分别多达 ｄ和 ９ｄ 比气候值 定性差 外围海域海冰极不稳定 受气旋过境引起的 ｄ 雾日则仅有 ｄ 比气候值偏 分别偏多 ９ｄ和 个完全冰冻期和 个 大风影响 期间冰情几经进退 少 ８ｄ 可见 ４月和 ６月虽然都是降水偏多 但 ４ 部分冰冻期交替出现 表 西北大风将湾内及湾外浮 月的降水正距平源自气旋前部的暖湿气流影响 而 冰吹走 且伴随的迅速升温使海冰融化 而 Ｅ Ｓ Ｅ大风 ６月的降水正距平则主要归因于频繁过境的气旋 将外海浮冰吹来 伴随的剧烈降温使浮冰快速冻结 表 年长城湾冰情演变 Ｔ ｂ Ｓ Ｉ ｖ ｕ ｆ ｈ Ｇ Ｗ Ｂ ｙ 冰情 完全冰冻 部分冰冻 完全冰冻 部分冰冻 完全冰冻 部分冰冻 月 日 ４ ６ ６ ７ ７ ４ ８ ６ ８ ７ ９ ９ ６ ９ 我们于冰情相对稳定的 ７ 月进行了长城湾 断面冰厚 雪厚测量 观测表明 ７ ８月平均冰厚 分别为 ８ ｍ和 ６ ９ ｍ 表 ４ 空间差异较大 标准 差 ｍ 海冰质地较软 ９ 月的冰厚分布比 较均匀 平均冰厚 ８ ｍ和 ９ ４ ｍ 表 海冰质地 较硬 空间差异较小 标准差分别为 ｍ和 ｍ 表 ４ 长城湾固定测点 年海冰和积雪厚度 Ｔ ｂ ４ Ｖ ｆｓ ｄｓ ｗ ｈ ｋ ｓ ｓ ｆ ｘ ｄｓ ｆｇ Ｗ Ｂ ｙ 日期 冰厚 ｍ 雪厚 ｍ ７ ７ ７ ８ ７ ７ ６ ７ ７ ６ ８ ６４ ８ ６７ ４ ８ ７ ８ ９ ７７ ９ ６ ８ ７ ９ ８４ ９ ８ ８ ９ ９ ７ ４ 图 ７ 年 ４月 ６日长城湾冰情 湾内方向 ｂ 湾外 方向 Ｆ ｇ ７ Ｓ ｄ ｆ ｈ Ｇ Ｗ Ｂ ｙ Ａｐ ６ ｓ ｄ ｖ ｗ ｂ ｕ ｓ ｄ ｖ ｗ
276 极 地 研 究 第 25 卷 10 月 观 测 到 的 最 大 冰 厚 达 99cm 长 城 站 气 温 变 化 剧 烈, 当 气 温 相 对 较 高 时 常 会 观 察 到 表 层 积 雪 下 部 富 含 融 水, 冻 结 融 化 再 冻 结 过 程 随 着 气 温 的 变 化 反 复 出 现, 这 使 得 气 冰 海 热 传 导 过 程 非 常 复 杂 ; 当 融 水 存 在 时, 即 使 气 温 低 于 海 水 温 度, 但 表 面 雪 层 下 的 融 水 会 产 生 隔 离 作 用, 进 而 阻 碍 下 部 冻 结 冰 生 长 这 同 前 人 的 观 测 分 析 一 致 [10] 6 结 语 本 文 对 2012 年 长 城 站 气 象 和 海 冰 观 测 结 果 进 行 了 分 析, 并 与 统 计 的 1985 2010 年 气 候 值 进 行 了 对 比 分 析,2012 年 平 均 气 压 和 气 温 偏 低,N W 风 频 率 (57.0%) 显 著 偏 低,E SE 频 率 (25.1%) 显 著 偏 高 ; 降 水 量 显 著 偏 高 达 52.2%, 偏 多 的 降 水 量 主 要 以 降 雪 的 形 式 出 现 在 气 温 较 低 的 4 10 月 ; 该 年 雾 日 偏 少, 吹 雪 及 雪 暴 天 气 则 显 著 偏 多 进 一 步 分 析 表 明,2012 年 某 些 月 份 存 在 明 显 的 气 象 要 素 或 天 气 现 象 异 常, 如 传 统 海 雾 高 发 季 节 的 1 月 2 月 份 雾 日 比 气 候 值 分 别 偏 少 10d 12d;4 月 份 气 温 比 气 候 值 偏 低 -2.7, 入 冬 时 间 明 显 提 前 ;6 月 平 均 气 压 最 低, 且 比 气 候 值 偏 低 -16.0hPa,E ESE 风 向 显 著 偏 多, 平 均 风 速 显 著 偏 高 (+2.0m s -1 ), 气 温 显 著 偏 低 (-1.7 ), 大 风 和 吹 雪 天 气 分 别 偏 多 9d 和 10d, 但 仅 出 现 1 个 雾 日, 比 气 候 值 少 8d;8 月 和 9 月 降 水 量 比 气 候 值 偏 高 147.0% 和 151.3% 针 对 长 城 站 2012 年 某 些 月 份 的 气 象 要 素 和 天 气 现 象 异 常, 我 们 计 算 分 析 了 2011 年 12 月 2012 年 11 月 逐 月 平 均 南 极 海 平 面 气 压 距 平, 从 大 气 环 流 异 常 的 角 度 进 行 了 解 释 分 析 2012 年 6 月 的 南 极 大 气 环 流 异 常 引 起 了 我 们 的 特 别 注 意 : 南 极 威 德 尔 海 德 雷 克 海 峡 及 别 林 斯 高 晋 海 区 域 出 现 很 强 的 气 压 负 异 常, 长 城 站 恰 好 处 于 该 负 异 常 中 心, 中 心 异 常 值 低 于 -15hPa, 表 明 本 月 过 境 气 旋 强 度 偏 大 频 数 偏 多, 导 致 长 城 站 本 月 出 现 了 较 为 明 显 的 天 气 异 常 有 待 今 后 对 2012 年 6 月 的 南 极 大 气 环 流 异 常 现 象 作 进 一 步 分 析 长 城 湾 2012 年 冰 期 开 始 较 早, 持 续 时 间 较 长, 达 212d 其 冰 情 受 大 气 动 力 作 用 影 响 很 大, 冰 情 稳 定 性 差, 外 围 海 域 海 冰 极 不 稳 定, 期 间 冰 情 几 经 进 退,3 次 完 全 冰 冻 和 3 个 部 分 冰 冻 期 交 替 出 现 :N W 大 风 将 湾 内 及 湾 外 浮 冰 吹 走, 且 伴 随 的 迅 速 升 温 使 海 冰 融 化 ; 而 E SE 大 风 将 外 海 浮 冰 吹 来, 伴 随 的 剧 烈 降 温 使 浮 冰 快 速 冻 结 观 测 同 时 表 明, 长 城 湾 海 冰 热 力 学 过 程 复 杂, 今 后 将 开 展 表 面 辐 射 和 冰 内 温 度 观 测, 以 进 一 步 研 究 该 区 域 海 冰 的 生 消 变 化 规 律 致 谢 中 国 第 28 次 南 极 科 学 考 察 长 城 站 汪 大 立 站 长 及 全 体 越 冬 队 友 提 供 了 现 场 支 持, 中 国 气 象 科 学 研 究 院 提 供 了 气 象 观 测 历 史 资 料, 谨 致 谢 忱 参 考 文 献 1 IPCC.ClimateChange,ThePhysicalScienceContributionofWorkingGroupItotheFourthAsesmentReportoftheIntergovernmentalPanelon ClimateChange SolomonS,QinD,ManningM,etal.Cambridge,UnitedKingdomandNewYork:CambridgeUniversityPres,2007. 2 TurnerJ,ColwelSR,MarshalGJ,etal.Antarcticclimatechangeduringthelast50years.InternationalJournalofClimatology,2005,25(3): 279 294. 3 卞 林 根, 薛 正 夫.1985 年 长 城 站 气 象 要 素 的 特 征 ( 一 ) 南 极 科 学 考 察 论 文 集 第 四 集. 北 京 : 海 洋 出 版 社,1989:55 66. 4 张 文 义. 第 四 次 南 极 考 察 长 城 站 越 冬 队 极 地 海 洋 气 象 考 察 报 告. 海 洋 预 报,1993,10(2):24 32. 5 杨 清 华, 汪 孝 清, 张 林.2006 年 南 极 长 城 站 的 气 象 要 素 特 征. 海 洋 预 报,2007,24(4):55 64. 6 卞 林 根, 马 永 锋, 逯 昌 贵, 等. 南 极 长 城 站 (1985 2008) 和 中 山 站 (1989 2008) 地 面 温 度 变 化. 极 地 研 究,2010,22(1):1 9. 7 卞 林 根, 马 永 锋, 逯 昌 贵, 等. 南 极 长 城 站 (1985 2008) 和 中 山 站 (1989 2008) 风 和 降 水 等 要 素 的 气 候 特 征. 极 地 研 究,2010,22(4): 321 333. 8 秦 大 河. 南 极 洲 乔 治 王 岛 长 城 湾 一 年 生 海 冰 的 发 育 特 征 和 物 理 性 质. 冰 川 冻 土,1991,13(2):115 130. 9 中 国 气 象 局. 地 面 气 象 观 测 规 范. 北 京 : 气 象 出 版 社,2003. 10 杨 清 华, 张 林, 薛 振 和, 等. 南 极 长 城 站 海 雾 特 征 分 析. 极 地 研 究,2007,19(2):111 120. 11 LeiRB,LiZJ,ChengB,etal.AnnualcycleoflandfastseaiceinPrydzBay,EastAntarctica.JournalofGeophysicalResearch,2010,115 (C11):C002006,doi:10.1029/2008JC005223.
第 3 期 杨 清 华 等 :2012 年 南 极 长 城 站 气 象 和 海 冰 特 征 分 析 277 ANALYSISOFWEATHERANDSEAICEATTHEANTARCTIC GREATWALLSTATIONIN2012 YangQinghua 1,ZhangBenzheng 2,LiMing 1,MengShang 1 ( 1 NationalMarineEnvironmentalForecastingCenter,Beijing100081,China; 2 WuhanMeteorologicalService,Wuhan430040,China) Abstract BasedonobservationattheGreatWalStation(GWS)in2012,weatherandseaiceparametersarediscused incomparisonwithclimatestatisticsfrom1985to2010.thisshowsthatannualairpresureandtemperaturewere lower,north through westwindwaslesfrequent,andeast through southeastwindmuchmorefrequentthanclimat icmeans.therewassignificantlylesfog,andsnowfalandblowingsnowweresignificantlygreaterthannormal. MonthlyAntarcticatmosphericcirculationsarestudiedtoexplaintheGWSweatheranomaliesin2012.Thisshows thatseaiceingreatwalbaywasinanunstablestateandwasmorelikelyafectedbyatmosphericdynamics. Threefrozenandthreepartialyfrozenperiodsoccuredalternatelyin2012. Keywords AntarcticGreatWalStation,weather,anomaly,atmosphericcirculation,seaice