南乔治亚岛2016年冬季大风天气特征分析

刘旺 胡松,2,3

(1上海海洋大学海洋科学学院,上海 201306; 2国家远洋渔业工程技术研究中心,上海 201306;3河口海洋测绘工程技术研究中心,上海 201306)

0 引言

南乔治亚岛(South Georgia Islands)位于南大洋南极半岛东北侧(图1),位于南纬 54°15′—54°55′、西经 36°45′—38°05′,与福克兰群岛距离 1 300 km,与南极半岛距离 1 400 km,属寒冷海洋性气候,常年低温潮湿。南乔治亚岛海域是南极磷虾渔业的主要渔场之一,大风是影响该区域的主要天气现象。大风和大浪经常导致该区域航运中断,渔业、旅游业等经济活动受损,更严重甚至导致船只沉没和人员伤亡。

随着对海洋资源的重视,近年来我国积极参与开发南极海洋生物资源。朱建钢等[1]对南极资源开发及其利用前景进行了分析,磷虾是南大洋最大的生物资源; 黄洪亮等[2]对南极磷虾渔业的近况和趋势进行了分析,研究表明南极磷虾开发潜力巨大。每年冬季我国都有多艘大型渔船前往该海域捕捞磷虾,因此,加强该区域大风天气的研究,对于帮助我国有效地在该海域捕捞及安全生产具有重要的指导意义。

自20世纪80年代我国在南极建立第一个科学考察站长城站以来,我国大部分研究工作的区域主要集中在南极长城站、中山站等区域[3-9]。关于大风天气的研究,杨清华等[8]分析了造成长城站大风的天气类型; 胡胜利等[9]分析了造成中山站大风的天气类型; 张永萍等[10]对南极半岛及附近地区大风天气给出了预报思路。对于气旋特征的研究,王景毅等[11]对南大洋夏季爆发性气旋进行了分析,发现了极区气旋的准周期性活动特征;刘娜等[12]统计了南大洋夏季气旋的位置和路径等特征; 解思敏等[13]对南极普里兹湾气旋的发展与消亡进行了分析,发现气旋也能在湾内东风带里生成; 陈善梅等[14]对西南极地区极地气旋的路径做了统计,认为气旋的移速与路径有关; 国外,Carrasco等[15]对南极半岛附近的中尺度气旋活动进行了研究。也有人研究了南极绕极流区中尺度涡旋现象,史久新等[16]发现中尺度涡旋会影响德雷克海峡与布兰斯菲尔德海峡之间的水交换。张文霞等[17]认为南极绕极流区中尺度涡的年际变化与风应力变化和等密面倾斜程度变化有关。虽然我国对南乔治亚岛海域渔业作业气象保障存在需求,但是国内对该区域的天气研究较少,尤其对经常出现的大风现象研究较少,并且缺乏海上观测资料。本文根据作者在2016年冬季跟随磷虾探捕船连续作业期间的现场测量数据,结合巴西海军水文中心提供的地面天气图资料和美国国家环境预报中心(NCEP)FNL数据,分析归纳了影响捕捞作业的大风及降雪等天气过程规律,期望为该海域的渔业气象保障提供参考。

图1 南乔治亚岛作业区地理位置Fig.1.Location of South Georgia Island

1 资料和方法

1.1 资料来源

资料来源包括:(1)巴西海军水文中心每日世界时(UTC)00:00、12:00提供的地面天气图;(2)2016年6—8月第一作者在南乔治亚岛海域作业期间,利用 Kestrel 4000手持风速仪测得世界时每日00:00,06:00,12:00,18:00的平均风速、风向、海面气压、相对湿度、气温等实测资料;(3)观察员目测海况数据,主要包括当时天气现象、云量、能见度、风浪及涌浪波高;(4)航海和渔捞日志的天气记录,主要包括能见度、海面气压、气温、风向、风力、浪级、海水表层温度等;(5)雷达探测的冰山数据;(6)美国国家环境预报中心FNL分析数据。

Kestrel 4000手持风速仪是美国生产的一种高精度、耐用的小型仪器,它可以同时测量当前风速、最大风速、平均风速、海面气压、相对湿度、气温等气象要素,风速的测量范围为 0.4—40 m·s–1,精度为±3%,分辨率为 0.1 m·s–1,足以测量出大风期间的风速。

1.2 影响剔除法

观测在正点前15 min内进行,风的观测选择在船上四周无障碍、不挡风处,在迎风面,测量2 min内的平均风速,结合当时船舶航速航向,一般船速都是以1 m·s–1左右的速度航行,真风的求取必须依照测风仪给出的相对风速和风向以及船速和船向,剔除船速船向的影响,利用矢量三角形法算出真实风速、风向。当发生持续大风时,渔船往往会前往离岛较近的区域,所以避风和转载期间缺测数据和有误数据予以剔除。刘慧等[18]对船测资料与智利外海 QuikSCAT风场进行了比较,虽然实测数据会受到船体等因素的影响,但是足以描述大风天气的基本过程。海况主要采用人工目测记录。风浪、涌浪分别观测,根据海况等级表,对挑选出较远处的3—5个显著大波,求这些大波波高的平均值,根据道氏浪级表,估计出当时的浪级。

2 结果与分析

2.1 气象要素特征分析

2016年6月18日—2016年9月4日,在南乔治亚岛区域海上作业期间,共观测到对捕捞作业影响较大(平均风速＞8级)的大风日数为23 d,占到总观测日数的 30%。图2中散点为 00:00、06:00、12:00、18:00 UTC的船测数据,包括气压、风速、气温。将避风和转载期间误差较大的部分数据剔除后,共有有效数据219组。图2中实线为从FNL数据中提取的最近点连续分析资料,共310组数据。阴影部分所示为大风期,图2a观测的气压值与FNL分析资料变化较一致,最高气压为1 032.7 hPa,最低气压为961.4 hPa。一般情况下,一段时间内变压较大,往往出现大风天气,由图2a可以看出7月3日—7月7日发生的大风天气气压降低较为明显,7月4日00:00气压为1 005.1 hPa,7月4日18:00气压下降到971.9 hPa,平均每小时下降为2 hPa,对7次持续时间超过24 h的大风期间统计表明,其中有 6次变压超过了20 hPa。图2b表明南乔治亚岛这段时期内观测到最大平均风速为 27 m·s–1,根据现场观测资料对2016年南乔治亚岛海域捕捞作业影响较大的8级以上大风天气一共有12次,其中5次影响小于24 h,4次影响持续48 h左右,3次影响超过72 h。图2c中温度的变化范围为–8.4—5.6℃,7月3日18:00气温为1℃,大风至7月7日减弱,8日18:00温度下降到–8.4℃,盛行西南风,给南乔治亚岛带来明显的降温,图中可以看出大多数情况下大风会带来降温,但并不是每一次降温都伴随着大风天气,往往是大风过后极地冷空气北移,给该区域带来降温。如7月7日18:00气温–2.1℃,18 h后,气温下降到–7.8℃,此时风力虽然只有 6级左右,但由于盛行西南气流,给该地区带来明显的降温。

图2 2016年冬季南乔治亚岛气象要素变化.a)海面气压,b)平均风速,c)气温Fig.2.Variation of meteorological elements near South Georgia Island in winter 2016.a)sea surface air pressure,b)wind speed,c)air temperature

2.2 大风天气形势分类

图2的数据对比说明FNL分析资料比较能够真实反应当地的一些基本天气变化特征,例如大风发生的起始时间、持续时间。下面结合巴西海军水文中心的地面天气图(图略)以及实测资料对2016年冬季渔船作业影响较大的 12次大风过程进行统计,发现其主要规律。

统计表明,观测期间大风天数占总天数的33%。根据出现大风的天气形势,可简单地将南乔治亚岛的大风天气过程分成两大类,即“单一气旋型”和“高低压共同作用型”,前者是由单个气旋直接导致南乔治亚岛大风天气过程,后者指由于高压和气旋之间密集的气压梯度导致南乔治亚岛大风的天气过程,主要是由气旋和南大西洋高压、南大西洋高压脊、南美大陆高压共同作用形成的。

表1给出了2016年各类大风天气过程的主要特征。“北高南低型”的出现频数最多,占58.3%;“西高东低型”次之,占 25%; “单一气旋型”发生的概率较小,占 16.7%。平均持续时间最长的是“北高南低型”,为 63 h; 平均持续时间最短的是“西高东低型”,为10 h左右; 各类大风都有其特征风向。

表1 2016年南乔治亚岛大风天气过程特征分析Table 1.Analysis of the characteristics of the gales near South Georgia Island in 2016

2.3 大风天气过程分析

气旋是造成南乔治亚岛大风天气的主要天气系统,本次研究期间所有的大风天气都是由气旋直接或间接造成的,根据FNL数据,对观测期间单一气旋型、北高南低型、西高东低型的典型过程进行分析。

2.3.1 单一气旋型

由于没有大陆安第斯山脉阻挡,德雷克海峡与南极半岛是气旋活动最活跃区,气旋常常经过别林斯高晋海穿过南极半岛,随后根据移动方向不同可分为三路。第一路由于西风带中气流比较平直,气旋在东移过程中,没有受到天气系统阻挡,极地气旋自西向东移动; 第二路是受南极大陆冷高压脊影响,转向东北移动,对南乔治亚岛影响较大; 第三路受到(南美大陆)副热带高压脊南伸影响,气旋向东南方向移动。第一路和第二路气旋往往是影响南乔治亚岛的主要气旋,这类气旋往往持续时间较短,但强度大。第三路气旋单独影响较小,它往往会与威德尔海上的气旋多次合并后加深,易形成北高南低的天气形势,副热带高压与强低压气旋之间形成很强的气压梯度,造成南乔治亚岛大风天气,这类替换气旋往往持续时间长,强度更大。

上述三路气旋主要是由极地气旋造成,还有一种大风天气由生成于中纬度地区的温带气旋造成,通常向东南或向东方向移动,中心气压逐渐减小,带来大雪天气,移速较快,大风较急,持续时间不长。图3为单一气旋类型的典型例子,可以明显看出6月28日12:00气旋中心位于58°S、26°W附近。气旋向东北方向移动,并未发生停滞或者与其他气旋合并或替换,12 h后,气旋中心位于 57°S、8°W 附近。图3a南乔治亚岛受单一气旋影响带来大风天气,图3b南乔治亚岛受高压控制,晴好天气,这类大风持续时间不会太长,一般在24 h左右,很少超过48 h。

2.3.2 北高南低型

北高南低型通常为北面高压和南面多个低压气旋相互作用,持续时间长。一个发展成熟的气旋,后面再跟着一个初生气旋,形成气旋族。高压底部、低压顶部等压线密集,南北之间气压梯度加大。北高通常为南大西洋副热带高压或南美大陆高压,南低通常为威德尔海附近出现的多个气旋停滞打转同时强度加强,一个气旋接着一个气旋,不停地发生替换,因此,北高南低的天气形势随着气旋的位置发生着交替变化。与单一气旋型相比,此类大风特点为持续时间较长,通常可达3 d以上,风速较大。图4所示为典型北高南低型的天气形势。8月9日,如图4a所示,南乔治亚岛西南部为低压,东北部为高压,气旋中心位于 58°S、50°W 附近,随着气旋向东移动; 8月10日,图4b所示,南乔治亚岛南部为高压,北部为低压,气旋中心位于 68°S、33°W附近; 8月11日,图4c所示,南乔治亚岛西北部为高压,东南部低压气旋中心位于 65°S、33°W附近。由上可见,8月9—11日连续3 d均为大风天气。8月 12日,图4d所示,南乔治亚岛海域风速较小,大风过程结束,南乔治亚岛处于鞍型场内,这类大风天气一般会超过48 h,超过72 h也较为普遍。在这种情况下,由于大风持续时间长,渔船通常无法作业。

图3 不同时刻的地面天气图.a)2016年6月28日12:00 UTC; b)2016年6月29日00:00 UTC;Fig.3.Ground weather maps at different time.a)12:00 UTC June 28,2016; b)00:00 UTC June 29,2016

图4 不同时刻的地面天气图.a)2016年8月9日12:00 UTC; b)2016年8月10日12:00 UTC; c)2016年8月11日12:00 UTC; d)2016年8月12日12:00 UTCFig.4.Ground weather maps at different time.a)12:00 UTC August 9,2016; b)12:00 UTC August 10,2016; c)12:00 UTC August 11,2016; d)12:00 UTC August 12,2016

2.3.3 西高东低型

这类大风天气往往是南美大陆受闭合高压或高压脊控制,南乔治亚岛西部受闭合高压控制,东部受一个或多个低压控制,东西两侧形成密集的气压梯度。图5a是南乔治亚岛海域大风发生前的地面气压场,南乔治亚岛处于鞍型场中心区域,此时出现持续性降雪; 图5b所示为南乔治亚岛海域大风发生期间的地面气压场,可见鞍型场东移,高压脊东偏,低压中心位于45°S、15°W附近,南乔治亚岛处于密集的等压线之间,东南风较大,此时风浪和涌浪较大,且方向与常年平均态不同,这种天气形势往往对作业渔船危害较大。根据观测记录,7月15日浪级达到5—6级,浪涌方向为东南方向,当时作业区域位于南乔治亚岛东侧,由于没有岛的地形遮挡,渔船只能提前做好迎抗准备,对作业的影响较大。

图5 不同时刻的地面天气图.a)大风发生前(2016年7月15日12:00 UTC); b)大风发生时(2016年7月16日12:00 UTC)Fig.5.Ground weather maps at different time.a) before strong winds(12:00 UTC July 15,2016); b) strong winds period(12:00 UTC July 16,2016)

3 讨论

南乔治亚岛海域是南极磷虾渔业的主要渔场之一,也是目前我国和世界上磷虾捕捞国冬季捕捞的主要区域,因此分析研究南乔治亚岛海域冬季大风天气非常必要。本文基于2016年6—9月我国南极磷虾探捕航次观察员在南乔治亚岛海域获取的气象观测资料,并结合地面天气图资料和FNL资料,系统研究了南乔治亚岛海域冬季大风的特征,归纳造成大风的天气形势,并分析这些天气形势对渔船作业造成的影响,对于指导海上作业安全有一定的参考价值。

大风研究的重要内容包括大风的变化规律、形成原因、风力强度和持续时间。本文的对比分析研究表明,FNL资料与实测资料气压变化最为一致(图2a),平均偏差为1.78 hPa,FNL资料与实测资料气温变化较为一致,平均偏差为 1.26℃,FNL资料与实测资料风速变化有一定偏差,平均偏差为–3.08 m·s–1,虽然实测数据剔除了船速船向等影响,还是会受到船体等因素(如遮挡、船体温度)的影响,使气压和气温偏大,风速偏小,但是船测资料足以描述大风天气的基本过程、强度变化及持续时间。

根据实时观测资料统计,南乔治亚岛海域海表面温度平均为 3.39℃,变化范围为 2.4—4.2℃,变化幅度为 1.8℃; 气温的平均温度为–0.76℃,变化范围为–8.4—5.6℃,变化幅度为 14℃; 气压平均为999.74 hPa,变化范围为963.4—1 032.7 hPa,变化幅度为71.3 hPa。这表明冬季南乔治亚岛海表面温度变化较小,渔船不会受到海冰冻结影响,海上气温也基本在可作业区间内; 从观测气压的较大变幅可以看出气旋过境前后气压的下降与回升,由于影响气旋都为中尺度气旋,结合地面天气图分析表明,南乔治亚岛海域处于气旋的顶部、底部、前部、后部的位置差异会影响大风的强度和方向,当处于气旋的低后部时,往往对渔船影响较大,所以观察员在根据地面天气图预报大风时也要重点关注南乔治亚岛所处气旋的位置。

通过对2016年6—9月期间地面天气图逐一分析可知,冬季的大风天气主要受气旋影响,强副热带高压、南美大陆高压及副热带高压脊线南伸与低压气旋相互作用会产生不同类型的大风天气(表1),这与张永萍等[10]对南极半岛的分析基本一致,但不同之处在于南极半岛还受到极地高压的强烈影响,而南乔治亚岛是否受到极地高压的直接影响尚不清楚。当副热带高压北抬,由于没有高压系统阻挡,容易形成单一气旋型天气形势(图3a); 当强副热带高压与气旋形成北高南低型天气形势,气旋中心可降到950 hPa以下(图4b);当南美大陆高压和副热带高压南伸时容易形成西高东低型天气形势(图5b),持续时间较长。本文仅仅是从地面天气图着手,还存在一定的局限性,今后有必要根据不同的高度场、气压场和湿度场的合成天气图分析研究,了解该海域高低空环流形势场演变特征,还需要结合数值预报模式模拟更多的天气过程,了解气旋、气旋与冷空气配合过程大风分布的一些共性。

在这里重点强调一下对南乔治亚岛冬季影响较大的西高东低型大风天气,地面天气图分析表明,在南极半岛和德雷克海峡经常由南极高压北伸与东南太平洋高压脊南伸合并而成的副极地高压控制,或者南美大陆高压南伸与南极半岛连成一片(图5),最高气压达到1 025 hPa以上,德雷克海峡以东被深厚的低压气旋控制。随着高低压场东移,南乔治亚岛处于西高东低型这种气压场中间的东南气流中,瞬时风速达到 8级以上,这是冬季南乔治亚岛出现东南大风原因所在。此时浪级达到5—6级,由于浪的方向突变与常年平均态不同,作业区域失去岛的地形遮挡,虽然持续时间不长,但是对渔船影响较大,应提前做好迎抗的准备。

在本次观测期间,发现南高北低型和西高东低型这两种天气形势下南乔治亚岛海域容易形成鞍型场(图5a、图4d),有利于生成大雾。实时观测表明,7月14日12:00,南乔治亚岛处于鞍型场中,此时气压为 1 013.7 hPa,风速 6 m·s–1,同时伴随着大雾和强降雪; 7月15日12:00(图5a),南乔治亚岛仍处于鞍型场中,能见度较低,空中云量较多,相对湿度较大,风速 8 m·s–1,伴随着大雾但降雪减少; 鞍型场东移,7月16日,气压升高到1 022.5 hPa,出现东南大风天气,风力达到了8级以上,气温明显降低,此时南乔治亚岛受鞍型场东移影响,出现西高东低型的天气形势(图5b);许淙等[19]分析了造成长城站海雾的天气形势,也发现了鞍型场容易形成海雾,与本次观测较为一致。因此本文认为鞍型场产生和移动会对该海域造成较大影响,有助于产生大雾和大风天气,对于形成鞍型场的机制有待进一步研究。

4 结论

综合以上分析和讨论,可以得出以下结论。

1.南乔治亚岛冬季盛行偏西和偏西北大风,大风与极地气旋活动密切相关。

2.造成南乔治亚岛冬季大风的天气形势有单一气旋型、北高南低型、西高东低型。

3.发生大风天气时,单一气旋型持续时间较短,北高南低型持续时间较长,西高东低型持续时间最短。

4.西高东低型天气形势容易形成鞍型场,盛行东南大风,风浪涌浪较大,需特别注意渔船避风避浪方式。

1 朱建钢,颜其德,凌晓良.南极资源及其开发利用前景分析[J].中国软科学,2005,(8): 17—22,10.

2 黄洪亮,陈雪忠,刘健,等.南极磷虾渔业近况与趋势分析[J].极地研究,2015,27(1): 25—30.

3 韩忠南.南极长城站─中山站航线优选初探[J].海洋预报,1991,8(1): 30—35.

4 王殿昌,施国强,王勇.中国南极长城站—中山站航线分析总结[J].海洋预报,1991,8(1): 53—57.

5 张林.第六次南极考察—长城站越冬气象考察报告[J].海洋预报,1993,10(2): 40—50.

6 张文义.南极长城站一次强降温天气过程分析[J].海洋预报,1996,13(4): 71—75.

7 黄耀荣,许淙,尹涛,等.南极长城站气压场和风场分析[J].极地研究,2000,12(2): 129—136.

8 杨清华,张林,汪孝清.南极长城站大风天气分析和预报[J].海洋预报,2007,24(4): 1—12.

9 胡胜利.南极中山站大风天气形势类型分析[J].海洋预报,1996,13(3): 59—63.

10 张永萍,陈善敏.南极半岛及附近地区大风天气及其预报[J].南极研究,1988,1(2): 44—53.

11 王景毅,谭燕燕.南极南大洋夏季气旋爆发性发展的观测实例及分析[J].海洋学报,1990,12(2): 251—256.

12 刘娜,傅刚,郭敬天,等.南大洋夏季气旋的统计特征[J].中国海洋大学学报,2007,37(4): 517—524,662.

13 解思梅,郝春江,梅山,等.南极普里兹湾气旋的生消发展[J].海洋学报,2002,24(6): 11—19.

14 陈善敏,张遴煜,逯昌贵.西南极地区极地气旋路径的统计分析[J].应用气象学报,1989,4(2): 150—155.

15 Carrasco J F,Bromwich D H,Liu Z.Mesoscale cyclone activity over Antarctica during 1991: 2.Near the Antarctic peninsula[J].Journal of Geophysical Research: Atmospheres,1997,102(D12): 13939—13954.

16 史久新,孙永明,矫玉田,等.2011/2012年夏季南极半岛北端周边海域的水团与水交换[J].极地研究,2016,28(1): 67—79.

17 张文霞,孟祥凤.南极绕极流区中尺度涡动动能年际变化和转换机制[J].极地研究,2011,23(1): 42—48.

18 刘慧,胡松,邹晓荣.船测资料与智利外海QuikSCAT风场比较分析[J].遥感技术与应用,2012,27(5): 763—769.

19 许淙,杨清华,薛振和.南极长城站海雾形成的气候背景及天气形势分析[J].极地研究,2010,22(1): 42—47.