南極中山站氣象要素變化特征分析

楊清華，張林，李春花，李榮濱，李凱

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心 北京 100081）

南極中山站氣象要素變化特征分析

楊清華，張林，李春花，李榮濱，李凱

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心 北京 100081）

利用1989—2008年南極中山站及戴維斯站的氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析了表面氣溫、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速和相對(duì)濕度的年際、年和日尺度變化特征，并討論了各氣象要素的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。分析結(jié)果表明中山站年均氣溫趨于升高，氣壓趨于下降，但變化趨勢(shì)并不明顯，說(shuō)明在全球氣候變化大背景下，南極中山站的大氣要素仍保持相對(duì)穩(wěn)定。但也有一些比較顯著的變化趨勢(shì)，如風(fēng)速減弱，以及秋季氣溫增暖趨勢(shì)等。

氣象要素；變化趨勢(shì)；中山站；南極

1 前 言

南極中山站（69°22′S，76°22′E）位于東南極普里茲灣、拉斯曼丘陵沿岸，常年氣溫低且冬夏溫差大、濕度小、風(fēng)力強(qiáng)，具有明顯的南極大陸性氣候特征。同時(shí)，由于地處南極內(nèi)陸冰蓋前緣，下降風(fēng)非常明顯。中國(guó)氣象工作者已開(kāi)展了一些針對(duì)該地區(qū)的天氣和短期氣候研究，如姜德忠等發(fā)表的中山站首次越冬氣象考察報(bào)告，歸納了中山站 1989年的氣象要素特點(diǎn)[1]；李栓科利用中山站1989—1991年觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了拉斯曼丘陵區(qū)風(fēng)力強(qiáng)度、頻率的時(shí)空變化[2]；卞林根等根據(jù)中山站1989—1995年氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)討論了拉斯曼丘陵的短期氣候特征，指出該地區(qū)的溫度年變化具有南極特有的“無(wú)心冬季”和“短暫夏季”特點(diǎn)[3]；同南極半島地區(qū)的顯著增溫不同，中山站在1989—2000年期間有較明顯的降溫趨勢(shì)[4]；許淙等分析了2002年1月—2003年12月的中山站風(fēng)要素變化，指出中山站風(fēng)向呈單峰型分布[5]。但以上研究所用資料長(zhǎng)度較短，沒(méi)能討論溫、壓、濕、風(fēng)等氣象要素的長(zhǎng)期變化特征。本文利用南極中山站 1989—2008年共計(jì) 20年的氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合同期的澳大利亞戴維斯站數(shù)據(jù)，對(duì)該區(qū)的年際、年和日尺度的氣象要素變化特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)各要素時(shí)間序列的變化趨勢(shì)進(jìn)行了初步的探索。

2 資料選取與分析方法

本文選用 1989—2008年南極中山站氣象臺(tái)（海拔高度14.9 m）表面氣壓、2 m氣溫和相對(duì)濕度、10 m風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)。中山站氣象觀(guān)測(cè)最初為人工觀(guān)測(cè)，2002年將溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速和氣壓改為有線(xiàn)遙測(cè)自動(dòng)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)。其中，月平均資料由日平均值計(jì)算，日平均用每天國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)00:00、06:00、12:00和18:00觀(guān)測(cè)資料平均得到，日變化特征統(tǒng)計(jì)則使用2002—2008年每小時(shí)的整點(diǎn)氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)分析采用線(xiàn)性?xún)A向估計(jì)方法，并通過(guò)相關(guān)系數(shù)計(jì)算對(duì)變化趨勢(shì)的程度進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)。同時(shí)統(tǒng)計(jì)了澳大利亞戴維斯站的溫、壓和風(fēng)的變化趨勢(shì)，該觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)從南極科學(xué)研究委員會(huì)資助的 READER數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.antarctica.ac.uk/met/READER/)[6]獲取。

3 統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

3.1 氣溫

3.1.1 年際變化和趨勢(shì)分析 圖 1(a) 示出了1989—2008年中山站年均氣溫距平變化。中山站1989—2008年平均氣溫-9.8 ℃，年均氣溫`最低的年份是1993年，為-11.8 ℃，最高的年份是2007年，為-8.2 ℃。有12個(gè)年份年均氣溫超過(guò)多年平均，8個(gè)年份低于多年平均；其中1989—1999年，氣溫距平大致表現(xiàn)出2 ～ 3年的年際變化周期；而2000—2007年的8年里，僅2005年均氣溫略低于多年平均，其余年份均高于多年平均，初步表明中山站具有一定程度的增暖傾向。趨勢(shì)分析（ 表1 ）進(jìn)一步表明，1989—2008年中山站年均氣溫呈升高傾向 +0.12 ℃ /10 a，同處普里茲灣沿岸的戴維斯站的同期氣溫變化速率 +0.07 ℃ /10 a，兩者相當(dāng)，但趨勢(shì)都不明顯。秋季升溫速率較大，中山站和戴維斯站分別是 +1.1 ℃ /10 a和 +1.2 ℃ /10 a，且相關(guān)系數(shù)都達(dá)到 0.10顯著性水平（︱r0.10︳=0.36），說(shuō)明該地區(qū)有顯著的秋季增暖現(xiàn)象。夏季亦趨于升溫，冬季、春季則有降溫傾向，但趨勢(shì)都不明顯。

圖 1 中山站1989—2008年氣象要素距平(a)氣溫，(b)氣壓，(c)風(fēng)速，(d)相對(duì)濕度Fig. 1 Annual anomalies of meteorological elements (1989-2008) at Zhongshan Station,(a) surface air temperature, (b) air pressure, (c) wind speed, (d) relative humidity

表 1 南極中山站和戴維斯站1989—2008年氣象要素的變化趨勢(shì)Tab. 1 Trends of meteorological elements (1989-2008) at Zhongshan and Davis stations

3.1.2 年變化 圖2(a) 為中山站20 年平均氣溫的逐月變化，1月份平均氣溫最高，達(dá)0.2℃，其余月份均在0 ℃ 以下，其中4—10月平均氣溫在-12℃以下；月平均最低氣溫出現(xiàn)在7月份，為-16.1 ℃。氣溫年較差16.3 ℃，表明中山站氣溫具有顯著的年變化特征。由于夏天日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，中山站夏季極端最高氣溫接近 10 ℃，冬季極端最低氣溫則可低于 -40.0 ℃。

圖 2 中山站氣象要素多年（1989—2008）平均的逐月變化(a) 氣溫，(b) 氣壓，(c) 風(fēng)速，(d) 相對(duì)濕度，實(shí)線(xiàn)指均值Fig. 2 Annual variation of meteorological elements (1989-2008) at Zhongshan Station(a) surface air temperature, (b) air pressure, (c) wind speed, (d) relative humidity

3.1.3 日變化 圖 3 (a) 示出了中山站多年（2002—2008）平均的1月和7月氣溫日變化。冬季白晝時(shí)間短，日照時(shí)間少，且單一的冰雪下墊面具有很高的表面反照率，故白天接收的熱量很小，氣溫日變化不明顯。夏季多晴好天氣，太陽(yáng)輻射加熱時(shí)間長(zhǎng)，冰雪表面融化導(dǎo)致站區(qū)絕大部分地面裸露，白天接收輻射熱量較多，氣溫迅速增加，而夜間輻射失熱使氣溫明顯下降，呈現(xiàn)明顯的日變化。

圖 3 中山站氣溫和風(fēng)速多年（2002—2008）平均氣溫日變化，(a)氣溫，(b)風(fēng)速Fig. 3 Daily variation of surface air temperature and wind speed (2002-2008) at Zhongshan Station, (a) surface air temperature, (b) wind speed

3.2 氣壓

3.2.1 年際變化和趨勢(shì)分析 統(tǒng)計(jì)表明中山站1989—2008年平均氣壓984.6 hPa，年均最高987.6 hPa，出現(xiàn)在1990年，年均最低981.7 hPa，出現(xiàn)在1998年。圖1（b）所示，有10個(gè)年份平均氣壓超過(guò)多年平均，10個(gè)年份低于多年平均；其中，1997年以來(lái)的 13年里，僅 4個(gè)年份超過(guò)多年平均，1997～2001連續(xù)5年在多年平均以下，初步表明中山站表面氣壓具有下降傾向。

趨勢(shì)分析計(jì)算結(jié)果（ 表1 ）表明，1989—2008年中山站年均氣壓呈-0.88 hPa/10 a的下降趨勢(shì)，同期戴維斯站也呈下降趨勢(shì)。各季節(jié)平均氣壓均呈下降趨勢(shì)，且夏、秋速率更快，戴維斯站表現(xiàn)出類(lèi)似的變化特征。但相關(guān)系數(shù)均未達(dá)到0.10顯著性水平，說(shuō)明該地區(qū)表面氣壓雖然有下降傾向，但趨勢(shì)并不明顯。該地區(qū)氣壓減小可能同已被證實(shí)的極地氣旋活動(dòng)增多有關(guān)[7]。

3.2.2 年變化 圖2 (b) 所示，中山站氣壓呈半年周期年變化，一年中的兩次低值分別出現(xiàn)在3—4月和8—10月，兩次高值分別出現(xiàn)在12月—次年1月和6月。氣壓的年變化型式同南極大陸冷高壓和繞極低壓帶周期性活動(dòng)密切相關(guān)[3]，低壓帶中心始終在中山站以北，且其位置在2—3月和8—10月相對(duì)偏南，其他月份偏北，其中6月低壓帶中心位置最北，此時(shí)的南極高壓亦最為強(qiáng)盛，故中山站 6月份氣壓最高，而8—10月份氣壓最低，6—8月出現(xiàn)顯著的氣壓下降。

3.3 風(fēng)向和風(fēng)速

3.3.1 風(fēng)向頻率 圖4示出了1989—2008年中山站各風(fēng)向的頻率分布。盛行風(fēng)向集中在 NNE-ESE區(qū)間，E風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，達(dá) 27%；其次是 ENE風(fēng)，出現(xiàn)頻率23%；再次為NE風(fēng)，占16%；ESE占13%，NNE占6%。NNE-ESE頻率之和為85%，其他風(fēng)向出現(xiàn)頻率較低。

圖 4 中山站多年（1989—2008年）平均風(fēng)向頻率分布Fig. 4 Frequencies of surface wind direction(1989-2008) at Zhongshan Station

3.3.2 風(fēng)向季節(jié)變化 圖 5示出了 1989—2008年多年平均的中山站風(fēng)向季節(jié)變化。中山站一年四季都以E風(fēng)和偏E風(fēng)為主，但冬、夏季節(jié)也有一些差異，如夏季風(fēng)向以ENE最多，占25%，其它季節(jié)E風(fēng)出現(xiàn)最多，如冬季的E風(fēng)占29%。

圖 5 中山站多年（1989—2008）平均的風(fēng)向季節(jié)變化Fig. 5 Seasonal variation of surface wind direction(1989-2008) at Zhongshan Station

中山站位于南極大陸邊緣，臨近冰蓋，其風(fēng)要素變化主要受南極大陸高壓北部偏東氣流、極地氣旋和下降風(fēng)的共同影響[5]。夏季南極大陸冷高壓和繞極低壓帶強(qiáng)度較弱，高、低壓之間氣壓梯度小[8]，中山站白天易受小擾動(dòng)影響而出現(xiàn)多種風(fēng)向；夜晚經(jīng)常受源自冰蓋上游的下降風(fēng)影響，盛行E風(fēng)或偏E風(fēng)。冬季南極大陸高壓強(qiáng)盛，繞極低壓帶位置南移，高低壓間氣壓梯度較大，中山站地區(qū)盛行強(qiáng)烈和恒定的偏東氣流，小擾動(dòng)不易產(chǎn)生，海上氣旋在越過(guò)150°E后會(huì)向SE方向移動(dòng)，并經(jīng)常在普里茲灣內(nèi)出現(xiàn)打轉(zhuǎn)停留現(xiàn)象，中山站頻繁受到海上氣旋的影響，氣旋前部帶來(lái)強(qiáng)烈的NE風(fēng)，后部帶來(lái)更加猛烈、持久的ENE風(fēng)，因此在冬季NE－ENE風(fēng)的出現(xiàn)頻率更高，而其他風(fēng)向的出現(xiàn)次數(shù)明顯減少，甚至為零。

3.3.3 風(fēng)速年際變化和趨勢(shì)分析 統(tǒng)計(jì)顯示中山站 1989—2008年多年均風(fēng)速 7.1 m/s，2003和2005年平均風(fēng)速最小，僅6.4 m/s；2007年均風(fēng)速最大，為7.8 m/s。1994—1998年連續(xù)5年風(fēng)速均高于多年平均，2003—2008年僅1年風(fēng)速高于多年平均（ 圖1(c) ），初步說(shuō)明中山站風(fēng)速具有一定的下降趨勢(shì)。

表1趨勢(shì)分析結(jié)果表明，1989—2008年中山站年均風(fēng)速呈明顯的下降趨勢(shì) -0.2 m·s-1/10 a，相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.10水平。就季節(jié)而言，各季節(jié)均有下降傾向，其中夏季風(fēng)速-0.3 m·s-1/10 a的減小趨勢(shì)最為明顯，相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.01顯著性水平（︱r0.01︳=0.54）；春季的減少趨勢(shì)也超過(guò)0.10顯著性水平。與同期戴維斯站風(fēng)速顯著的增加趨勢(shì)（+0.9 m/s/10a，0.001水平）不同，這主要由于地理位置和所受天氣系統(tǒng)影響的差異，如戴維斯站主要受過(guò)境天氣系統(tǒng)影響，基本無(wú)下降風(fēng)[7]，而中山站下降風(fēng)則非常明顯；但已有研究表明，南大洋區(qū)域繞極E風(fēng)加強(qiáng)[9]和氣旋活動(dòng)增加，這應(yīng)導(dǎo)致風(fēng)速增強(qiáng)，但中山站風(fēng)速卻出現(xiàn)了明顯的減弱趨勢(shì)。中山站風(fēng)速減弱背后的物理機(jī)制有待深入研究。

3.3.4 風(fēng)速年變化 圖2(c) 示出了20年平均的風(fēng)速年變化，其中10—2月份平均風(fēng)速較小，1月平均風(fēng)速最小，僅5.3 m/s；3—9月份風(fēng)速較大，均高于年平均，其中6月平均風(fēng)速最大，為8.3 m/s。

3.3.5 風(fēng)速日變化 圖 3(c) 分別以多年（2002—2008）平均的1月和7月為例，示出了中山站夏季和冬季風(fēng)速日變化。夏季風(fēng)速日變化非常明顯，日風(fēng)速高值出現(xiàn)在凌晨 04:00－07:00，超過(guò)7.0 m/s；日風(fēng)速低值出現(xiàn)在 15:00－20:00，約3.0 m/s。冬季風(fēng)速日變化平緩。

中山站緊鄰內(nèi)陸冰蓋，其風(fēng)速日變化型式與南極下降風(fēng)的發(fā)生規(guī)律相對(duì)應(yīng)。中山站夏季晴好天氣多達(dá) 50% 以上，白天受太陽(yáng)輻射加熱，夜間地表向外輻射失熱，存在明顯的白天增溫夜間冷卻效應(yīng)，故夜間下降風(fēng)增強(qiáng)，白天減弱。而冬季中山站及其上游冰蓋日照時(shí)間很少，表面溫度晝夜變化很小，不存在明顯的白天增溫夜間冷卻效應(yīng)，故很少有下降風(fēng)連續(xù)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)，下降風(fēng)沒(méi)有夏季明顯。

3.4 相對(duì)濕度

3.4.1 年際變化和趨勢(shì)分析 統(tǒng)計(jì)顯示，中山站年均相對(duì)濕度較低，僅 59%，1997、1999—2000年均相對(duì)濕度最高，達(dá)71%；1994年最低，僅48%。圖1(d) 所示，1990—1995年中有5年相對(duì)濕度低于多年平均，1996—2001年連續(xù)6年高于多年平均，而2002—2008年連續(xù)7年低于多年平均，初步表明中山站相對(duì)濕度具有6 ～ 7年的變化周期。趨勢(shì)分析結(jié)果（表 1）表明，年均相對(duì)濕度基本無(wú)變化傾向，秋季、春季有增加傾向，冬季、夏季有減小傾向，但趨勢(shì)都不明顯。

3.4.2 年變化 圖2(d) 可見(jiàn)，中山站相對(duì)濕度的年變化不大，但也呈現(xiàn)一定的季節(jié)差異，如冬季相對(duì)濕度較低，夏季較高。這是由于中山站冬季被冰雪覆蓋，而夏季地面積雪和周邊海域海冰大量融化[3]，致使空氣中的水汽飽和程度增加。

4 結(jié) 論

綜合以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）中山站在 1989—2008年期間年均氣溫有升高傾向，但趨勢(shì)不明顯。秋季氣溫升高趨勢(shì)比較顯著；中山站氣溫有明顯的年變化和日變化特征。

（2）年平均氣壓和各季節(jié)平均氣壓均有下降傾向，且夏、秋速率更快，但趨勢(shì)都不明顯，氣壓減小可能同已被證實(shí)的極地氣旋活動(dòng)增多有關(guān)；中山站氣壓呈半年周期年變化，氣壓的年變化型式同南極大陸冷高壓和繞極低壓帶周期性活動(dòng)密切相關(guān)。

（3）中山站常年盛行東風(fēng)和偏東風(fēng)，所占頻率達(dá)85%；年平均和各季節(jié)風(fēng)速都有下降傾向，且年平均和夏季、春季風(fēng)速下降趨勢(shì)顯著；中山站風(fēng)速具有明顯的年變化特征，即冬強(qiáng)夏弱；夏季下降風(fēng)和風(fēng)速日變化明顯，冬季下降風(fēng)和風(fēng)速日變化不明顯。

（4）中山站年均相對(duì)濕度表現(xiàn)出6 ～ 7年的周期變化。年平均和各季節(jié)平均都無(wú)明顯變化趨勢(shì)；相對(duì)濕度的年變化不大，但具有一定的季節(jié)差異。

趨勢(shì)分析初步表明，在全球氣候變化的大背景下，南極普里茲灣地區(qū)的大氣要素特征仍保持相對(duì)穩(wěn)定。但也具有一些比較顯著的變化趨勢(shì)，如秋季增暖，中山站風(fēng)速減弱以及戴維斯站的風(fēng)速加強(qiáng)趨勢(shì)。有待對(duì)這些變化趨勢(shì)的物理機(jī)制做進(jìn)一步研究。

致 謝：中國(guó)氣象科學(xué)研究院卞林根研究員提供了中山站氣象臺(tái)歷史氣象觀(guān)測(cè)資料，南極科學(xué)委員會(huì)READER計(jì)劃提供了澳大利亞戴維斯站氣象觀(guān)測(cè)資料，在此表示衷心的感謝！

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Analysis on the variation tendencies of meteorological elements at Zhongshan Station, Antarctica

YANG Qing-hua, ZHANG Lin, LI Chun-hua, LI Rong-bin, LI Kai

(National Marine Environmental Forecasting Center, Beijing 100081, China)

Based on the meteorological observation data from 1989 to 2008 at Zhongshan and Davis stations,Antarctica, the features of surface air temperature, air pressure, wind direction, wind speed and relative humidity were studied, and the study focused on the long-term variation trend, both annually and seasonally. The results showed an increasing tendency in annual temperature, a linear decline in annual air pressure. However, none of these tendencies were significant, which proved that the air condition in this region was relatively stable, although in the context of global climate change. Moreover, there was a significant downward trend in annual/summer mean wind speed, and a warming trend in autumn air temperature.

Weather elements; variation trend; Zhongshan Station; Antarctica

P468.2

A

1001-6932(2010)06-0601-07

2010-08-01 ；收修改稿日期：2010-09-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41006115，41076128），國(guó)際極地年中國(guó)行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目，國(guó)家海洋局青年科學(xué)基金（2010215）。

楊清華（1983—），男，助理研究員，主要從事極地環(huán)境研究預(yù)報(bào)，電子郵箱: yqh@nmefc.gov.cn。