中国南极维多利亚地新站气象特征分析

丁明虎 卞林根 张林 王召民 逯昌贵 孙维君 袁乃明 傅良 谢泽林

(1中国气象科学研究院,北京100081;2国家海洋环境预报中心,北京100081;3南京信息工程大学,江苏南京210044;4山东师范大学,山东济南250014)

0 引言

在国家海洋战略的指导下,继长城站、中山站、昆仑站和泰山站之后,中国即将在南极洲建立第五个科学考察站。经过国内遥感选址和两个考察季的现场踏勘,新站确定将于东南极维多利亚地(Victoria Land)特拉诺瓦湾(Terra Nova Bay)难言岛(Inexpressible Island)(图1)建设。该岛紧邻罗斯冰架(Ross Iceshelf),附近有多个国家建立考察站,如新西兰的斯科特基地、美国的麦克默多站和意大利的特拉诺瓦海湾站。

维多利亚地是南极研究重点关注区域。过去几十年中,该区域开展了多学科的研究。研究表明,由于地形和高原冷源的共同作用,东南极冰盖盛行下降风(又称“下泄流”)自冰穹起源的下降风中的一支,在重力的作用下转向,形成强劲的偏西风由难言岛附近经过,吹开了特拉诺瓦湾的海冰,产生了大面积的冰间湖[1-2]。受到快速冰流和强劲西风的作用,难言岛南侧60 km处发育了维多利亚地最大的支出冰川——德里加尔斯基冰舌[3]。

常规气象观测是气象工作和大气科学发展的基础,南极地区的台站也是世界天气监测网不可缺少的组成部分[3-4]。对南极地区的气象气候状况进行研究,不仅仅在大气科学理论上很重要,而且对在南极地区建立科学考察站、指导和实施中国南极考察计划具有重要的参考意义。近年来,在气象研究领域,中国科学家卞林根、陆龙骅和杨清华等[5-8]针对南极和全球变化的研究取得了不少成果。

图1 中国南极新站候选地及附近气象站所在位置(a)和难言岛气象站实景(b)Fig.1.The location of automatic weather stations(AWS)around Inexpressible Island(a)and the AWSat Inexpressible Island(b)

20世纪末,美国和意大利在难言岛附近区域前后布设了7个气象站进行过气象观测,如Manuela、Sofia、Pat、Mario Zucchelli等气象站[9]。但是由于该区域风力过强、冬季气温相对较低,很难获取完整的风、温、湿、压、辐射等气象资料,所以鲜有分析论文发表。本文利用2013年1月1日至12月31日间,我们在难言岛布设的自动气象站所观测的数据,分析难言岛气压、气温、相对湿度、风和辐射的气象特征,为进一步研究难言岛的环境变化及新站建设提供参考依据。

1 资料与方法

中国南极第29次考察队在2012/2013年南半球夏季期间,对难言岛的地形、地貌、地质、生态等基础资料进行了实地调研。中国气象科学研究院结合遥感地形资料和现场调查资料,在难言岛中心开阔地布设了自动气象站(74°54′11.1″S,163°41′7.9″E,35 m a.s.l.),目的是探明难言岛气象参数的基本特征。该气象站可以观测2 m和4 m高度的气温、相对湿度、风速和风向,2 m高度的向上向下辐射和4 m高度的气压。气象站所有传感器均在国内进行过低温实验,其观测精度符合世界气象组织和中国气象局观测规范,具体参数指标详见表1。观测频率为每30 min一次,所有数据存储在数据卡内并通过Argos卫星实时传输至国内服务器。

表1 难言岛气象站传感器参数列表Table 1.Specifications of the AWS at Inexpressible Island

由于极昼极夜的存在,南极地区的气象特征无明显的四季之分,所以在分析过程中,本文一般以冬夏两季作为季节区分。为了更好地了解难言岛附近的气象环境,探讨特定气象状况出现的原因,本文部分内容将参考难言岛附近的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.)气象站共同分析。Sofia站于2002年停止观测,Manuela和Rita站的观测只有2005年有全年记录,所以在下文中,我们选择Sofia站2001年记录和Manuela、Rita站的2005年记录进行分析。

2 结果与分析

2.1 气压

图2为难言岛气象站2013年间日均气压和月均气压的变化曲线。由图可见,由于难言岛地处海边,其年均气压为987.8 hPa,与中山站接近[6,10]。根据气象站记录和模拟结果(略),2013年度冬春季节,特拉诺瓦湾曾有4次高压系统过境,所以难言岛气象站2013年记录中冬季气压较高且起伏较大(平均为991.3 hPa),夏季气压较低(平均为984.3 hPa)。2005年间Manuela站和Rita站气压记录则显示,夏季气压明显高于冬季气压,表明该区域气候系统年际变化较强。中山站则因为地处环南极低压带和大陆地面冷高压之间,常年受周期性高低压系统影响,所以夏季气压较高,冬季气压较低[11]。对比相对湿度记录和风速记录,这4次高压系统过境并未带来降水和极大风天气。

图2 难言岛(黑)2013年和Manuela(红)、Rita(蓝)气象站2005年日均气压记录(a)和季节平均气压记录(b)对比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

难言岛气压最高值为1 021 hPa,出现在8月14日;最低值955 hPa,出现在7月20—21日,高低压差为66 hPa,为同一次环流系统变化造成。与Manuela站和Rita站2005年记录相比较,三站气压虽受局地海拔影响,同时均表现出夏季稳定冬季多变的特征。根据图2可以看出,2005年间特拉诺瓦湾环流场非常稳定,而2013年冬春季节难言岛受高压控制,且展现出明显的1—2月震荡,这说明2013年与2005年相比,特拉诺瓦湾的环流场在冬春季节有明显不同。

2.2 气温

图3为难言岛及其周围气象站日均气温和月均气温的变化曲线。由图3和表2可见,难言岛周边区域月均气温均在零度以下,年平均气温约为-15.3至-18.7℃。自1—4月,无论是高山上的Rita站,冰面上的Sofia站,还是难言岛气象站,气温下降均非常迅速,其线性递减率可达到0.3℃·d-1。难言岛冬季最低气温为-39.3℃,出现在6月9日仲冬节前;若考虑海拔和年际变化因素,该记录与Manuela和Rita站相差不大。冬季(5—10月)平均气温为-21.8℃,气温变化波动较大,标准差可达±6.0℃,这和罗斯海冬季气旋活动频繁有关[9]。10月下旬至12月,日均气温迅速回升至0℃以上,最高气温可达5.4℃。根据2013年气象记录,日均温＞0℃的时间能持续15 d左右。

图3 (a)难言岛2013年日均气温和月均气温记录,阴影代表不同时期气温可能变化的范围;(b)难言岛2013年、Manuela站2005年、Sofia站2001年和Rita站2005年月均气温记录对比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

根据卞林根等[12]、肖晖等[10]和杨清华等[13]对中山站1989—2009年间气温的统计,多年平均气温约为-10.0—-10.7℃,极端最高气温为9.6℃,最低气温为-39.0℃;与难言岛相比,中山站日均温、月均温、最高气温都相应高出6.0℃左右。这种差异产生的原因有两方面,一是难言岛所在地纬度比中山站高5°32′0″,其太阳高度角相对较低;二是难言岛气候具有极地大陆型特征,中山站则为副极地大陆型气候[12]。

表2 难言岛、Manuela、Sofia、Rita和中山站气象状况对比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 相对湿度

图4是难言岛气象站2013年日均比湿和日均相对湿度的变化曲线。由图可见,该站空气非常干燥,年均相对湿度仅为42.1%,年均比湿为0.63±0.62 g·kg-1,堪比中国最干旱城市吐鲁番。受冰盖高压系统在夏季减弱的影响,12—3月相对湿度稍大,而极夜期间相对湿度较小;比湿则冬夏两季差距明显,这与空气饱和度的季节变化有一定关系。总的来看,难言岛全年相对湿度小,降水量低,且月际变化和季节性变化不明显。

图4 难言岛2013年度日均比湿和日均相对湿度Fig.4.Daily mean specific humidity and relative humidity at Inexpressible Island during 2013

2.4 风向和风速

多个研究表明[2,9],难言岛西侧为两条冰川的汇合区,来自冰盖的风沿着冰川流快速下降加强,在汇合区合并。但是受到难言岛西侧悬崖的遮挡,下降风又一分为二从难言岛南北两侧流过。总体来看,由于该区域地势西高东低,下降风受到重力的加强作用,自西向东风速会越来越大,所以难言岛岛内风力较高且风向非常稳定。

图5 特拉诺瓦湾地区地面风场模拟AV、PR、RE和DA分别代表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]

图6是难言岛附近气象站风日均风速和月均风速的变化曲线。可以看出,11—1月月均风速介于6.2—8.0 m·s-1之间,而 2—10月月均风速在9.6—13.1 m·s-1之间,冬夏两季风速差别非常明显。3—9月份风力长期持续在6级及以上,且风向持续性非常高(97%),全部来自于WNW方向。

通过图1我们可以看出,Manuela地处难言岛南缘基岩裸露区域,紧邻Reeves冰川冰舌末端,距离海洋约1 km;Sofia站地处难言岛西北侧Reeves冰川和Priestley冰川交汇区域中间开阔地区;Rita站位于难言岛北方Abbott山脉东侧海拔较低山坡。各气象站由于所处地形不一样,位置偏西的气象站所观测到的年均和月均风速较小(表2),如Sofia站年均风速仅为6.6 m·s-1;而东侧的Rita气象站,因为受到重力加速的作用,年均风速为10.2 m·s-1,和我们在难言岛所观测到的风力接近。

难言岛及附近区域风向主要为西风偏北,不同气象站由于所处位置不同,可能受到局地气流的影响;如Sofia站(图7)处在Reeves和Priestley冰川交汇处,因此其大风天气虽然全部来自于西风,仍有相当部分时间以北风为主。我们在难言岛所观测平均风向为293°(图7),在此方向上于2013年6月8日出现了年度最大风速-34.8 m·s-1,比年最低气温出现的时间早4h。过去几十年中,美国和意大利在Manuela、Sofia和Rita站所观测到的最大风速分别为32.2、35.5和50.9 m·s-1(表2),说明该区域在常规状况下,年最大风速应在30—40 m·s-1左右,但在特定气象条件和地形作用下,有可能产生超过50 m·s-1的飓风。

图6 (a)Manuela、Rita和Sofia站月均风速的变化;(b)难言岛日均风速、月均风速和月最大风速的变化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

本区域气旋活动强烈,且受到强下降风的影响,全年大风出现频繁[2]。统计分析表明,难言岛2013年间共有287天发生6级及以上大风(持续超过0.5 h),共有138天发生8级及以上大风。图7为2013年各风力等级出现频率分布图,可见难言岛5—7级风出现频率最高,占比超过50%(8级及以上风力占比约为12%),在这样的大风天气下很难进行室外工作。Manuela站风力分布相对均匀,主要原因是其所在区域处于冰川下游开阔地带,局地加强作用不明显;Sofia站则因经常受到来自两个方向的气流的影响,风力非常小,3级风所占比率超过1/3;Abbott山脉地形崎岖,因此,Rita站风力分布相对均匀且飓风天气明显多于其他三站。

图7 难言岛、Manuela、Sofia和Rita站风玫瑰图及风力频率分布Fig.7.Wind roses and wind grade frequency at Inexpressible Island,Manuela,Sofia and Rita

为了进一步分析考察站可补给能力,我们分析了南半球夏季期间风力分布,发现12—1月期间风力明显低于其他月份,日累积可工作时间超过12 h的日数为24日/月。这种天气情况,有利于中国新站建设的安全保障,也是多个国家在特拉诺瓦湾附近建站的重要原因之一。但冬季期间快速变化的天气和强劲的风力,也对越冬考察工作提出了严峻的挑战,需要在工程设计中加以考虑(注:在建筑工程施工安全规范中,一般要求风力＜6级风才能进行室外工作,因此,定义风力＜6级风的时间为“可工作时间”,每日风力＜6级风的时间总和为“日累计可工作时间”)。

2.5 辐射

维多利亚地区有85天极昼(11月上旬至次年2月上旬)和89天极夜(5月上旬至8月上旬)。与南极其他地区类似,维多利亚地区太阳辐射季节变化明显(图8)。夏半年(10月至次年3月)的太阳总辐射和反射辐射远远大于冬半年(4—9月)的,占到全年太阳辐射的96%。进入6月以后,随着太阳直射点不断南移,总辐射在12月达到最大值,月均值为333 W·m-2,随后总辐射不断减小,到5月份进入极夜,一直持续到8月份。反射辐射也表现出了明显的季节差异,从1月底开始快速增加,一直持续到2月中旬,反射辐射的数值基本上也都超过了100W·m-2,最大值达到236 W·m-2。这主要是由于1月底降雪增加,下垫面积雪导致反照率增大,使得反射辐射增强。维多利亚地区太阳总辐射年总量达到3 342.8 MJ·m-2,要小于中国中山站(3 815 MJ·m-2)[12]和日本 Mizuho站(3 847 MJ·m-2)[14]的观测结果。反射辐射与总辐射之比称为地表反照率,其大小对地球表面吸收的太阳辐射能起决定作用,并对研究下垫面的热力性质以及地表面的能量平衡具有重要意义[15]。受下垫面状况的影响,维多利亚地区反照率也具有明显的季节变化(图8)。从1月初开始,难言岛下垫面反照率在不断增大,在1月底到2月初期间,反照率出现峰值,最大值达到0.9,随后反照率不断减小一直持续到10月份。这主要是因为从1月初开始有降雪出现,在1月底降雪较多,导致反照率出现峰值。随后由于风速较大,低温较低,使得难言岛积雪颗粒增大,再加上降雪的出现,反照率出现较大的波动变化。10月下旬以后反照率趋于稳定值,维持在0.15左右,主要是由于此时期没有积雪覆盖,下垫面为砾石导致的。难言岛年均反照率为0.3,和中山站(0.29)非常接近。

图8 难言岛太阳总辐射、反射辐射和反照率日均值变化Fig.8.Dailymean values of global radiation,reflected radiation and albedo in the Inexpressible Island

3 结论

综上分析,中国南极新站所在地难言岛地区的气象要素具有如下几点重要特征。

(1)难言岛地处东南极沿岸,气候背景具有典型极地大陆性特征,受到来自内陆冰盖的下降风的影响,常年盛行风向为西北偏西。

(2)由于气压系统的季节变化,夏季风速明显小于其他季节,冬季强风频率非常高,长期持续在6级风以上,2013年度8级及以上大风日数达138天。

(3)受到罗斯海海域生成的气旋和南极大陆高压的双重影响,天气变化非常快速,1—4月,气温递减率可达到0.3℃·d-1。

(4)难言岛地区空气非常干燥,相对湿度和比湿都非常小。受到风力和地形的影响,地面难以保存积雪。该区域地面反照率和下垫面热力性质的季节变化直接相关。

(5)难言岛气温的月均变化规律与周围气象站历史记录基本相似,但年均风速、年均气温差异明显,表明该区域在受同样天气背景影响的情况下,局地气象效应仍非常显著。该区域夏季气温有明显的日变化,而冬季气温变化主要和气旋活动有关。

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