北冰洋中心区海冰漂流与大气过程

卞林根，王继志，孙玉龙，逯昌贵，林祥，李多

（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和评估协同创新中心，江苏南京 210044；3.国家气候中心，北京 100081）

北冰洋中心区海冰漂流与大气过程

卞林根1，2，王继志1，孙玉龙2，逯昌贵1，林祥1，李多3

（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和评估协同创新中心，江苏南京 210044；3.国家气候中心，北京 100081）

利用北冰洋中心区漂流自动气象站（DAWS）2012年9月—2013年2月的观测数据，分析了北极点周围海冰漂流轨迹和速度及相关大气过程。结果显示，北冰洋中心区海冰具有不稳定漂流过程。2012年9月1日—2013年1月6日，DAWS所在海冰从西向西北方向漂流，2013年1月6日以后稳定地向东南方向漂流，平均移速为0.06 m／s，最大达到0.4 m／s。海冰漂流方向的突变和加速与穿极气旋和急流的影响有关。净辐射常出现短期突变过程，导致海冰从大气吸收能量，减缓了海冰的辐射冷却。爆发性增温过程的最大幅度达到30℃，是由强穿极气旋和伴随的暖湿气流向北极中心区输送引起，这种现象在中低纬度十分罕见。增温过程的作用是高空大气向冰面输送热量，导致海冰破裂，海冰硬度的脆变，减缓海冰厚度的增长，这种过程可能是北极海冰面积和厚度减少重要过程。

北冰洋；漂流自动气象站；海冰运动；爆发性增温；穿极气旋

1 引言

近年来北极海冰面积和厚度持续减少及其对全球气候变化的反馈作用已成为国内外研究的关键问题。目前多数气候模式对北极地区气候变化和海冰变化趋势模拟的误差都较大［1—3］。由于北冰洋大气和海洋缺少固定站观测资料，分析研究多采用同化分析或遥感反演资料，需要实测资料加以验证。北极浮标站资料与再分析资料对比研究表明，北极浮标站资料对极地地区资料缺失的填补有重要意义［4］。北冰洋海冰表面热量平衡的观测和研究近年来取得进展，北极海冰生消过程与大气的动力和热力作用过程关系密切［5—8］。美国、日本和欧洲建立了北极点环境观测计划（NPEO）和国际北极浮标合作研究计划，获取了局部海区的海洋、大气和海冰实时数据。由于北冰洋海冰的漂流，难以获得固定点的欧拉时间序列观测信息，计划中除采用飞机安装自动气象流站外，还开展了机载水文调查研究［9—10］。当前，通过北冰洋实时资料的获取与分析，研究海冰漂流规律和融化过程在气候变化中的作用也是目前的研究焦点［11—13］。我国在1999—2012年夏季，开展了5次北极科学考察，获取大量的考察资料，并进行了相关研究［4，14—23］。2010年我国第4次北极考察队在北冰洋安装的首个冰浮标站（IMB），获得了海冰漂流速度和方向的资料［17］。本文利用2012年我国安装的首个北极漂流自动气象站获得的观测资料和再分析资料，对北极点周围海冰漂流轨迹和速度及其大气过程进行分析，并讨论大气过程对海冰变化的影响。

2 北极漂流自动气象站

中国第5次北极考察队于2012年8月29日到达北冰洋中心区，利用船载直升机将自动气象站运抵87°39′N，123°37′E的浮冰上，在面积约3 km2、厚约1.5 m的海冰上布放了我国研发的首个北极漂流自动气象站（DAWS）。DAWS由气象塔、传感器、卫星发射天线、采集器和电源系统组成。卫星发射天线安装在塔顶部，在2 m和4 m高度分别安装了温度、湿度传感器（HMP45D，Vaisala）、风速和风向传感器（05106 monitor-Ma，Young），在2 m高度安装了向上向下的长波和短波辐射传感器（CNR1，Kipp-Zonen）、冰面红外温度传感器（IRR-P，APOGEE）和大气压力传感器（CS106，Campbell），在冰面以下0.1 m和0.4 m深处安置了冰温探头（PT100）。所有传感器与数据采集器（CR-5000，Compbell）连接，由耐低温电池组供电，每小时采集10 min平均数据，自动发射到ARGOS卫星通信平台，实现观测数据实时传送。DAWS在－60℃低温条件下可正常运行，在风和洋流的作用下，随所布放的海冰一起漂流。DAWS从2012年8月30日开始传送资料，到2013年2月23日停止，运行了178 d。由于北冰洋湿度很大，风传感器产生冻结，影响了风资料的连续性和精度，因此，在分析中没有利用风的资料。

3 海冰漂流轨迹和速度

采用2012年9月31日—2013年2月23日DAWS逐时经度和纬度资料，绘制了北冰洋中心区海冰漂流轨迹。由图1可见，DAWS所在海冰运动方向多次出现摆动过程，其中有2次显著迂回运动过程，分别出现在9月到10月中旬和11月中旬到下旬。海冰漂流方向为东南向西北，直线距离漂移了近2个纬度。2013年1月6日DAWS漂流到北极点附近（89.5°N）后，穿过北极点一直向东南方向漂流，经向摆动幅度很小。1月23日DAWS漂流到87.33°N，104.43°W位置后消失，在此期间DAWS漂移约2个纬度。与2008年10月我国在北极中心区海冰上安装的冰浮标（IMB）所在海冰的漂流轨迹较为相似，秋季海冰漂流也存在迂回运动过程，漂流方向也是偏北［17］。该现象显示北冰洋中心区大范围的海冰破碎，存在未冻结水域，在海流和气流的作用下，海冰漂流能够产生迂回运动。冬季随着温度的下降，北极点附近海域全部冻结，形成面积巨大的浮冰，DAWS所在海冰的漂流方向相对稳定。

图1 2012年9月1日－2013年2月23日DAWS北冰洋中心区海冰漂流轨迹Fig.1 DAWS drifting trajectory over centre of Arctic ocean from September 1，2013 to February 23，2013

利用DAWS每小时经度和纬度数据计算出海冰漂流速度。图2给出海冰漂流速度的时间序列。北冰洋中心区海冰漂流速度秋季平均为0.05 m／s，冬季平均为0.06 m／s，最大移速达到0.4 m／s。由此可见，秋季海冰漂流速度小于冬季。与邓娟等［4］的结果相比，2008年和2012年秋季北极海冰平均漂流速度相差不大，但2012年冬季海冰漂流速度要比2008年大30%左右。可能与海冰分布状况和大尺度风场的年际变化有关［17］。

图2 2012年9月1日—2013年2月23日DAWS漂流速度的时间序列Fig.2 The time series of DAWS drifting speed from September 1，2012 to February 23，2013

2013年1月2—6日，DWAS所在海冰漂流到北极点附近（图1），漂流方向突然发生了从西北转向东南的漂移过程。为了解该过程发生的原因，利用NOAA再分析资料分析了2013年1月2日高低空的天气形势。在1 000 hPa图上，DWAS位于很强的反气旋环流中心附近（图3a），500 hPa上的反气旋中心靠近极点（图3b），冷暖气流的交汇和气压梯度产生了持续的穿极高空急流，低层伴有大于20 m／s的强风气流，该天气形势导致了DWAS所在浮冰沿高空急流方向运动。北极反气旋环流影响的范围较大，尽管冬季北冰洋新冰和多年生海冰已冻结成一起，在强风暴的影响下，也会产生漂流方向的改变。因此，在研究北极海-冰-气相互作用过程中，需要考虑穿极气旋和急流的影响。

图3 2013年1月2日北极地区（60°N以北）1 000 hPa和500 hPa流场和温度场Fig.3 The 1 000 hPa flow field and 500 hPa temperature field in January 2，2013 over Arctic area（north of 60°N）

4 北冰洋中心区大气过程

DAWS观测的178天逐时气象数据，经过质量控制后显示资料具有较高的可靠性。资料覆盖了秋季（9－11月）和冬季（12－2月）。北极中心区9月下旬进入极夜期，2个季节的资料能够代表无太阳辐射加热条件下的大气环境。

4.1 秋冬季的辐射平衡

图4给出太阳总辐射、反射辐射、反照率、长波辐射和净辐射日平均值的时间序列。9月上中旬北极中心区太阳高度角较很低，太阳辐射强度很弱（见图4a），加之海冰表面具有较高的反照率（见图4b），海冰吸收的辐射能很少。辐射平衡主要是海冰和大气之间的长波辐射相平衡。长波辐射的季节变化十分显著，从秋季的300 W／m2左右下降到冬季的150 W／m2左右。由于气旋活动的影响，长波辐射出现了几次很大的振幅过程，最大升幅达到100 W／m2以上。海冰表面的红外温度和冰面放出长波辐射呈显著相关关系（见图4f），相关系数达到0.99，超过了0.001的显著性水平，相关显著说明资料具有很高的可信度。在此基础上，计算的净辐射（见图4e）显示，9月上中旬，由于有太阳辐射，净辐射为正，冰面吸收辐射能，其后期进入极夜，净辐射均为负值，平均为－5.3 W／m2，表明大气向海冰输送热量。净辐射多次出现短期突变过程，日平均最大值达到45 W／m2左右，导致海冰表面吸收能量强烈，减缓了海冰的辐射冷却。

4.2 秋冬季温度和湿度的变化特征

图5给出气温、相对湿度、冰温、气压和冰面红外温度的日平均序列。各个要素的变化过程在时间上具有显著的一致性，说明DWAS的传感器在运行期间没有出现冻结现象。从图5可看出，气温和湿度多次出现不稳定的变化过程，气温升高会直接引起冰温的升高，但海冰温变化幅度较小。9－10月冰温维持在－5～0℃（见图5e和图5f），表明海冰处于不稳定的融化期，冬季的平均气压大于秋季，但季节变化不十分明显，出现的低压过程都会引起了温度和湿度明显升高，表明北极中心区低压过程伴随着暖湿气流影响DWAS所在的海冰区。

表1给出DAWS观测的逐时资料计算的逐月平均经纬度、平均温度和相对湿度。北极中心区秋季的平均温度和湿度也显示，海冰处于不稳定融化期，相对湿度大于90%，冰温接近0℃，气温为－4℃左右，这种气象条件能够造成海冰融化。从秋季到冬季，气温下降了30℃，而冰温仅下降了约15℃，相对湿度下降了30%。秋季月平均温度和湿度下降速率明显大于冬季，说明北极未冻结海洋对大气的作用十分显著，而在冻结海域大气向海冰输送热量，能够延缓辐射冷却的强度。观测的冬季最低气温为－40℃，最低相对湿度为60%，说明北极中心区并不是北极地区最冷、最干的区域，具有典型的高纬度海洋性气候特征。由于北冰洋中心区实测资料难以获取，通过DAWS获取北冰洋大气和海洋资料是深入研究海洋-海冰-大气相互作用的有效方法，资料也能为验证再分析资料和模式的模拟结果提供参考。

图4 2012年9月2－20日太阳总辐射和反射辐射日平均通量（a）、日平均反照率（b）、2012年9月1日—2013年2月23日向上和向下长波辐射的日平均通量（c、d）和净辐射日平均通量的时间序列（e）以及向上长波与冰面红外温度的相关（f）Fig.4 The daily mean flux（a）of global radiation and reflection radiation and daily mean albedo（b）in September 2 to 20，2013.The time series of daily mean flux of up and down long wave radiation（c、d）and net radiation（e）from September 1，2012 to February 23，2013.The relationship between up long wave radiation and ice surface infrared temperature

4.3 爆发性增温过程

从图5中可知，北极中心区出现了多次增温过程。2012年11月7－10日和2012年12月30日－2013年1月1日出现的2次显著的增温过程，可称为爆发性增温过程。增温幅度分别达到30℃（－32.9～－2.9℃）和28.6℃（－35.1～－6.5℃），相对湿度和长波辐射分别上升了30%和100 W／m2以上，增温过程伴随气压的下降。温湿增幅如此之大，在中低纬度十分罕见。

图5 2012年9月1日－2013年2月23日DAWS观测的日平均2 m（a）和4 m（b）气温、2 m（c）和4 m（d）相对湿度、0.1 m（e）和0.4 m（f）冰温、气压（g）和冰面红外温度（h）的时间序列Fig.5 The time series of daily mean 2 m（a）and 4 m（b）air temperature and 2 m（c）and 4 m（d）relative humidity，sea ice temperature in depth 0.1 m（e）and 0.4 m（f），air pressure（g）and ice surface infrared temperature（h）from September 1，2012 to February 23，2013.The data observed by DWAS over centre of Arctic ocean

表1 北冰洋中心区2012年9月－2013年2月逐月平均温度（℃）和相对湿度（%）Tab.1 Monthly mean air temperature（℃）and relative humidity（%）over centre of Arctic ocean from September 2012 to February 2013

爆发性增温过程与大尺度穿极低压系统的形成与演变有关。图6给出2012年11月8日和10日1 000 hPa和500 hPa温度场与环流场形势。8日在DWAS所在海冰的南侧为很强的低压槽，槽前气旋性环流伴随的强暖湿气流控制了大范围的海冰区，1 000 hPa上暖中心的温度高达－3～－6℃。DWAS所在海冰处在气旋伴随的暖湿平流输送的下风方，500 hPa温度场暖中心的温度达到－24～－22℃，DWAS所在海冰区在高空急流辐散区附近，受强暖湿气流的影响，形成了爆发性增温。8日1 000 hPa上的低压槽，10日在极点附近加深并切断，形成孤立的低压系统，伴随500 hPa上空的穿极急流，引导低压系统穿过极点向偏东方向移动。由此可见，DWAS观测的爆发性增温过程与强气旋穿过北极中心区伴随的强暖湿气流的影响过程非常吻合。表明北极中心区爆发性增温现象常有发生。这种现象会导致北极中心区大尺度海冰破碎和融化，可能也是北极海冰面积减少和厚度变薄的重要过程。Long和Perrie［24］及Screen等［25］研究指出，在全球变暖背景下，北极中心区风暴影响的频数增加和气旋强度有所加强，使大范围的海冰断裂和破碎，是造成近年来海冰减少的主要原因。虽然其结果有争论，但在研究北极海冰减少机制的过程中，需要研究北极爆发性过程对海洋-海冰-大气相互作用的加强过程及其对海冰消涨的影响。

图6 2012年11月8日和10日北极地区60°以北1 000 hPa和500 hPa流场和温度场Fig.6 The 1 000 hPa flow field and 500 hPa temperature field in November 8 and 10，2012 over Arctic area（north of 60°N）

5 结果与讨论

通过我国首套漂流自动气象站（DWAS）观测资料的分析，对北极中心区秋冬季海冰漂流轨迹和相关的大气过程的分析有了新的认识，对进一步研究北极海冰减少的机制及其在气候变化中的作用有参考意义。几点结果讨论如下：

（1）北冰洋中心区的海冰具有不稳定漂流过程。在2012年9月初—2013年1月6日，海冰主要从西向西北方向漂流。在此期间，海冰漂流出现了2次明显的迂回运动过程，2013年1月6日后海冰稳定的向东南方向漂移，表明海冰已进入稳定冻结期。秋季和冬季平均漂移速度为0.06 m／s，最大移速出现在冬季达到0.4 m／s。其结果与2008年我国北极安装的冰浮标（IMB）观测结果接近。

（2）秋冬季海冰吸收的太阳辐射能很少，辐射平衡主要是海冰和大气之间的长波辐射相平衡。净辐射仅在有太阳辐射的9月上中旬为正，9月下旬进入极夜，均为负值，平均为－5.3 W／m2，显示了海冰表面以辐射冷却为主。净辐射多次出现短期突变过程。最大值达45 W／m2左右，导致海冰表面强烈的吸收能量，减缓了海冰的辐射冷却。突变过程与温度升高过程同时出现，表明大气向海冰输送热量。

（3）月平均资料显示，北极中心区秋季海冰处于不稳定融化期，相对湿度大于90%，冰温接近0℃，气温为－4℃左右，这种气象条件有利于海冰的融化。从秋季到冬季，气温下降了30℃，冰温仅下降了约15℃，冬季的最低气温为－40℃。这些数据显示，北极中心区并不是北极地区最冷区域，具有典型的高纬度海洋性气候特征。

（4）北极中心区频繁出现爆发性增温过程，最大增温幅度达到30℃。爆发性增温过程是由穿极高空急流的发展和暖湿气流向北极中心区输送所引起，这种现象在中低纬度十分罕见。增温过程中高空大气向冰面输送热量，导致海冰破裂，海冰硬度的脆变，减缓海冰厚度增长。这种过程可能是北极海冰面积和厚度减少的重要过程，需要获取更多资料研究增温过程的作用及其变化趋势。

致谢：中国第5次北极考察队在漂流自动气象站的安装过程中做出了很大的贡献，在此表示衷心感谢。

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Sea ice drifting and atmospheric processes over the central Arctic Ocean

Bian Lingen1，2，Wang Jizhi1，Sun Yulong2，Lu Changgui1，Lin Xiang1，Li Duo3

（1.Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing 100081，China；2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China；3.National Climate Center，Beijing 100081，China）

Based on the data observed by drifting automatic weather station（DAWS）from August 2012 to February 2013 and NOAA re-analyzing data over the Arctic Centre，the track，movement velocity of drifting seaice and the evolution of temperature，humidity，radiation of drifting sea ice，atmospheric processes，including the evolvement of flow pattern and temperature field and its relative dynamic and thermodynamic processes over the Arctic troposphere in 500 and 1 000 hPa during period of autumn and winter around north polar are analyzed.The results show that，before 6 January 2013，sea ice moves mainly from the east to the northwest，and appearing the unstable trajectory of roundabout and turning process，then drifting towards to the south east.Its average drift velocity is 0.06 m／s，the maximum speed up to 0.4 m／s.The mutation and accelerated in the direction of polar sea ice drifting is associated with the activities of across the polar cyclone and jet stream in polar troposphere.Sea ice surface net radiation repeated short-term mutation process，resulting in the ice surface to absorb energy from the air，reduced the radiation cooling of sea ice in the Arctic area.In the autumn and winter it emerges sudden warming process in many time with the maximum increased of temperature reaches 30℃，caused conveying the warm and wet air flow.This kind of phenomenon is very rare in area of low and middle latitude.In the warming process it transports heat to the ice surface from the middle or up layer atmosphere may lead to ice floe rupture，fragile sea ice hardness，thickness of the slow growth of sea ice to accelerate the movement of the channel.This process may be one of the important mechanisms of the Arctic sea ice area and thickness reduction.

Arctic；DAWS；sea ice movement；sudden warming；cross polar cyclone

P731.15

A

0253-4193（2014）10-0048-08

2014-03-13；

2014-06-02。

南北极环境综合考察与评估极地专项（CHINARE 2011－2015）。

卞林根（1951—），男，江苏省东台市人，研究员，主要从事极地气象研究。E-mail：blg＠cams.cma.gov.cn

卞林根，王继志，孙玉龙，等.北冰洋中心区海冰漂流与大气过程［J］.海洋学报，2014，36（10）：48—55，doi.10.3969／j.issn.0253-4193.2014.10.005

Bian Lingen，Wang Jizhi，Sun Yulong，et al.Sea ice drifting and atmospheric processes over the central Arctic Ocean［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（10）：48—55，doi.10.3969／j.issn.0235-4193.2014.10.005