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 100081; 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 210044 * 通 讯 作 者, E-mail: blg@cams.cma.gov.cn 通 讯 作 者, E-mail: zgao@mail.iap.ac.cn 收 稿 日 期 : 2015-07-29; 接 受 日 期 : 2015-10-29; 网 络 版 发 表 日 期 : 2015-08-25 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, 2010 2012 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. 2012 年 9 月 北 极 海 冰 范 围 最 小, 减 少 了 44%, 具 有 明 显 的 增 温 过 程. 2010 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. 2016. 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: 555 562, doi: 10.1360/N072015-00201 英 文 引 用 格 式 : Bian L G, Ding M H, Lin X, Lu C G, Gao Z Q. 2016. 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: 1057 1065, doi: 10.1007/s11430-015-5238-8 2016 中 国 科 学 杂 志 社 www.scichina.com
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). 1999 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 2010 2012 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, 177.07 W) (81.7 N, 112.9 W) 和 (80.56 N, 157.38 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, 2010 2012 和 2014 年 温 度 垂 直 递 减 率 分 别 为 5.2 5.56 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
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 9.8 9.0 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 48.35. 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 1.3 100m 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). 2012 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. 2010 2012 和 2014 年 急 流 层 分 别 出 现 在 5.3 9.3 8.1 km; 对 应 的 最 大 风 速 分 别 为 11.7 13.74 和 16.7m s 1. 2012 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
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 2010 2012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. 2010 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
中 国 科 学 : 地 球 科 学 2016 年 第 46 卷 第 4 期 图 4 2010(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 3 2010(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 (http://nsidc.org/ data/docs/noaa/) 同 期 的 地 面 和 850hPa 气 象 再 分 析 资 料 (http://www.cdc.noaa.gov), 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
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 5 1979-2014 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 2010 2012 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 2~4. 2014 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
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). 2012 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 7 1979~2014 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 8 1979~2014 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 2010 2012 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. 2010 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. 2012 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
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 0.74. 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. 2003. 北 极 海 洋 环 境 与 海 气 相 互 作 用 研 究. 北 京 : 海 洋 出 版 社. 108 115 盛 裴 轩, 毛 节 泰, 李 建 国. 2003. 大 气 物 理 学. 北 京 : 北 京 大 学 出 版 社. 522 马 德 义. 2013. 中 国 第 五 次 北 极 科 学 考 察 报 告. 北 京 : 海 洋 出 版 社. 160 潘 根 弟. 2015. 潘 根 弟. 2015. 中 国 第 六 次 北 极 科 学 考 察 报 告. 北 京 : 海 洋 出 版 社. 134 余 兴 光. 2011. 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. 2003. 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. 2004. 中 国 第 二 次 北 极 科 学 考 察 报 告. 北 京 : 海 洋 出 版 社. 202 203 张 海 生. 2009. 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. 2007. 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. 2011. Experiment of turbulent flux near surface layer and its parameterizations on an drift ice over the Arctic Ocean. Acta Oceanol sin, 33: 34 40 Hoinka K P. 1998. Statistics of the global tropopause pressure. Mon Weather Rev, 126: 3303 3325 IPCC. Climate Change. 2007. The Physical Scientific Basis. Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press. 997 1008 Ma Y F, Bian L G, Zhou X J, Lu C G. 2011. Vertical structure of troposphere in the floating ice zone over the Arctic Ocean. Acta Oceanol Sin, 33: 48 58 Qu S H, Zhou L B, Wang W. 2002. 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. 2007. The extratropical tropopause inversion layer: Global observations with GPS data, and a radiative forcing mechanism. J Atmos Sci, 64: 4489 4496 Seidel D J, Randel W J. 2006. 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. 2001. Climatological characteristics of the tropical tropopause as revealed by radiosondes. J Geophys Res, 106: 7857 7878 Sullivan P P, Moeng C H, Stevens B, Lenschow D H, Mayor S D. 1998. Structure of the entrainment zone capping the convective atmospheric boundary layer. J Atmos Sci, 55: 3042 3064 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. 2002. Surface heat budget of the Arctic Ocean. Bull Amer Meteorol Soc, 83: 255 276 Vihma T, Jaagus J, Jakobosn E, Timo P. 2008. 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. 1957. Definition of the tropopause. WMO Bull, 6: 136 Wyngaard J C, Lemone M A. 1980. Behavior of the refractive index structure parameter in the entraining convective boundary layer. J Atmos Sci, 37: 1573 1585 Zangl G, Hoinka K P. 2001. The tropopause in the polar regions. J Clim, 14: 3117 3139 Zou H, Zhou L B, Jian Y X, Wang W. 2001. Arctic upper air observations on Chinese Arctic Research expedition 1999. Polar Meteorol Glaciol, 15: 141 146 562