南極特拉諾瓦灣下降風(fēng)特征

孫啟振 張占海 丁卓銘 沈輝 張林 孟上

(1物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)海洋大學(xué), 山東 青島 266100;2國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心, 極地環(huán)境研究預(yù)報(bào)室, 北京 100081;3國(guó)家海洋局極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)極地研究中心, 上海 200136)

0 引言

南極大陸近表層風(fēng)場(chǎng)的主要特征是: 由冰蓋表層冷卻作用產(chǎn)生的下降風(fēng)風(fēng)場(chǎng)在空間分布上極不均勻, 下降風(fēng)在大陸邊緣少數(shù)地區(qū)匯合, 形成風(fēng)向穩(wěn)定的強(qiáng)下降風(fēng)區(qū)。下降風(fēng)在這些地區(qū)的匯集現(xiàn)象是由當(dāng)?shù)鬲?dú)特的地形決定的[1-2]。南極下降風(fēng)在水平方向上綿延數(shù)千千米, 而在垂直方向上僅到達(dá)數(shù)百米的高度[3]。下降風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)特征具有空間上的穩(wěn)定性和時(shí)間上的持續(xù)性, 早在20世紀(jì)60年代就引起了人們的研究興趣[4]; 20世紀(jì)80年代以來(lái), 對(duì)南極大尺度下降風(fēng)發(fā)生機(jī)制的研究越來(lái)越多。南極地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)資料少, 因此數(shù)值模式和衛(wèi)星遙感已經(jīng)成為研究下降風(fēng)動(dòng)力過(guò)程的重要手段[5-9],這些研究也涉及了下降風(fēng)的質(zhì)量輸送及其與中緯度大尺度環(huán)流之間的相互作用[10]。

南極羅斯海西岸的特拉諾瓦灣(Terra Nova Bay,TNB)及其附近地區(qū)地形環(huán)境復(fù)雜, 氣候特征鮮明,是下降風(fēng)較強(qiáng)的地區(qū)之一[11]。來(lái)自南極大陸的下降風(fēng)從橫貫?zāi)蠘O山脈泄流而下, 流經(jīng)特拉諾瓦灣西岸的冰川, 其長(zhǎng)期的沖刷作用在該地區(qū)形成了面積廣闊的藍(lán)冰。強(qiáng)烈的下降風(fēng)將特拉諾瓦灣的海冰向東推動(dòng), 特拉諾瓦灣南側(cè)的Drygalski冰舌阻擋了更高緯度地區(qū)的海冰向北漂移, 使得該海灣即使在冬季也經(jīng)常處于無(wú)冰或少冰狀態(tài), 這是特拉諾瓦灣冰間湖在冬季形成和維持的重要原因[12-17]。這些地形特征從衛(wèi)星可見(jiàn)光圖像上清晰可辨(圖1)。

圖1 南極羅斯海特拉諾瓦灣及其附近地區(qū)地形和衛(wèi)星可見(jiàn)光圖像.白色區(qū)域?yàn)槟蠘O冰蓋冰架, 曲線(xiàn)為間隔200 m的地形等高線(xiàn), 黑色區(qū)域?yàn)楸g湖, 藍(lán)色區(qū)域?yàn)榱_斯海Fig.1. The topography and visible satellite image of Terra Nova Bay and its surrounding areas, Antarctica. The ice sheet and ice shelf are indicated by white, polynyas by black, and the Ross Sea by blue. Black contours show topography with 200 m intervals

自20世紀(jì)80年代起, 國(guó)際上就開(kāi)始了對(duì)南極特拉諾瓦灣下降風(fēng)的研究[18-20]。美國(guó)和意大利先后在特拉諾瓦灣西側(cè)的Priestley冰川、Reeves冰川、難言島(Inexpressible Island)和富蘭克林島(Franklin Island)等地安裝了自動(dòng)氣象站, 用以監(jiān)測(cè)這些特殊地形環(huán)境下降風(fēng)的分布情況[21-24]。這些研究工作歸納了特拉諾瓦灣西岸冰川的下降風(fēng)特點(diǎn), 發(fā)現(xiàn)下降風(fēng)在Reeves冰川東部匯合加速并流經(jīng)難言島地區(qū), 在空間和時(shí)間上具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性[25]。從特拉諾瓦灣向東流向羅斯海的下降風(fēng)可以向東延續(xù)達(dá)200 km, 還可能引發(fā)中尺度氣旋[26]。

除了利用現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)資料進(jìn)行局地氣候研究之外, 衛(wèi)星遙感、飛機(jī)觀(guān)測(cè)和數(shù)值模擬手段也被用于分析特拉諾瓦灣及其附近地區(qū)的大尺度下降風(fēng)特征。由于下降風(fēng)在垂直尺度上的混合作用不明顯,加之其下墊面海冰的熱力作用, 很難從衛(wèi)星圖像上對(duì)下降風(fēng)進(jìn)行辨識(shí)和分析[27]。飛機(jī)觀(guān)測(cè)[28]發(fā)現(xiàn), 在距離地面170 m高度的下降風(fēng)風(fēng)場(chǎng)仍然受到地形的強(qiáng)烈影響。對(duì)該地區(qū)下降風(fēng)的數(shù)值模擬研究[29-30]發(fā)現(xiàn), 特拉諾瓦灣地區(qū)的下降風(fēng)起源于距離沿岸約180 km處的南極內(nèi)陸, 下降風(fēng)在南極內(nèi)陸海拔大于1 500 m的地區(qū)風(fēng)速較小, 在大陸邊緣陡峭地區(qū)開(kāi)始加強(qiáng)。數(shù)值模擬研究還證實(shí)了下降風(fēng)在特拉諾瓦灣冰間湖的出現(xiàn)過(guò)程中發(fā)揮了重要作用[31]。

特拉諾瓦灣由于其特殊的地理位置和豐富的科學(xué)研究資源, 吸引了國(guó)際上南極科學(xué)研究者的目光。繼意大利和韓國(guó)分別于1985年和2014年在特拉諾瓦灣建立考察站以來(lái), 我國(guó)也已經(jīng)開(kāi)始在該海灣沿岸的難言島建設(shè)新的考察站。我國(guó)南極考察隊(duì)于2012年年底和2016年年初在難言島安裝了兩套自動(dòng)氣象站, 用于長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)該地區(qū)的天氣特征, 這些氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于當(dāng)?shù)貧庀蟓h(huán)境研究具有重要作用[32-33]。然而, 難言島的自動(dòng)氣象站資料并不足以代表特拉諾瓦灣及其附近地區(qū)的下降風(fēng)特征, 因此對(duì)特拉諾瓦灣及其附近地區(qū)氣象要素場(chǎng)的分析顯得尤其重要。在南極地區(qū)采用高分辨率數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模擬技術(shù), 有助于我們對(duì)特拉諾瓦灣地區(qū)的下降風(fēng)特征開(kāi)展深入研究。目前, 美國(guó)國(guó)家大氣研究中心和俄亥俄州立大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的南極中尺度預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Antarctic Mesoscale Prediction System,AMPS)在南極天氣數(shù)值預(yù)報(bào)方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位[34-36]。AMPS自2000年開(kāi)始為美國(guó)的南極科研計(jì)劃和國(guó)際南極科考隊(duì)提供天氣預(yù)報(bào)支持, 經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展, AMPS可提供的南極地區(qū)短期天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品的水平分辨率不斷提高, 其多年存檔數(shù)據(jù)也曾被用于南極大尺度下降風(fēng)研究[37]。自2013年5月以來(lái), AMPS在特拉諾瓦灣地區(qū)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)水平分辨率提升為1.1 km, 這為分析該地區(qū)下降風(fēng)風(fēng)場(chǎng)提供了可能。

我國(guó)即將在羅斯海西岸建設(shè)的常年考察站即位于特拉諾瓦灣沿岸的難言島上, 因此很有必要對(duì)該地區(qū)的下降風(fēng)時(shí)空分布特征做一些分析研究。本文采用南極中尺度預(yù)報(bào)系統(tǒng)高分辨率資料和特拉諾瓦灣難言島自動(dòng)氣象站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 分析特拉諾瓦灣及其附近地區(qū)的下降風(fēng)特征。

1 數(shù)據(jù)

1.1 模式預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)

AMPS是一個(gè)針對(duì)南極地區(qū)的實(shí)時(shí)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng), 其核心是Polar WRF極地?cái)?shù)值天氣預(yù)報(bào)模式[38], 自2000年10月開(kāi)始為美國(guó)的南極科研計(jì)劃以及國(guó)際南極科考提供天氣預(yù)報(bào)支持。美國(guó)國(guó)家大氣研究中心負(fù)責(zé)每天兩次運(yùn)行AMPS系統(tǒng), 為國(guó)際預(yù)報(bào)團(tuán)體提供模式產(chǎn)品、存檔預(yù)報(bào)產(chǎn)品并維護(hù)模式代碼; 俄亥俄州立大學(xué)伯德極地研究中心負(fù)責(zé)繼續(xù)發(fā)展Polar WRF模式的物理過(guò)程并評(píng)估模式性能。根據(jù)目前的數(shù)值預(yù)報(bào)模式配置方案, AMPS在南極地區(qū)設(shè)置5個(gè)嵌套預(yù)報(bào)區(qū)域, 其中最外層(Domain 1)分辨率為30 km, 包含南極大陸的預(yù)報(bào)區(qū)域(Domain 2)分辨率為10 km, 分辨率最高的區(qū)域(Domain 5)以羅斯島為中心, 覆蓋了羅斯冰架西北部分、維多利亞地東岸, 并向北延伸至特拉諾瓦灣地區(qū)(圖2)。

本文選取的數(shù)據(jù)為AMPS自2014年1月—2015年12月Domain 3和Domain 5的3 h預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和月平均數(shù)據(jù), 包含10 m高度風(fēng)、2 m高度氣溫和地面氣溫、地面氣壓等要素場(chǎng)數(shù)據(jù), 并選取2016年7月10日06 UTC Domain 5預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)分析下降風(fēng)空間結(jié)構(gòu)。

圖2 南極中尺度預(yù)報(bào)系統(tǒng)(AMPS)的部分區(qū)域設(shè)置示意圖. 本文采用的資料來(lái)自Domain 3和Domain 5, 分辨率分別為3.3 km和1.1 km; 填色表示地形高度, 南極內(nèi)陸海拔高度按照紅色、白色、棕色、黃色和綠色的順序逐漸減小;Fig.2. The domains of Antarctic Mesoscale Prediction System (AMPS). Archive data from Domain 3 and Domain 5 are used in this study, and the resolution of Domain 3 and Domain 5 are 3.3 km and 1.1 km, respectively. Terrain heights are indicated by shaded colors, decreasing with the order of red, white, brown, yellow and green

1.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

自20世紀(jì)50年代至今, 美國(guó)威斯康星大學(xué)在南極地區(qū)陸續(xù)建立了多套自動(dòng)氣象站, 形成了南極地面氣象自動(dòng)觀(guān)測(cè)網(wǎng)[39]。其中, 難言島南端的Manuela自動(dòng)氣象站(74.946°S, 163.687°E)建立于1984年。該自動(dòng)氣象站海拔高度78 m, 觀(guān)測(cè)要素有氣壓、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向和相對(duì)濕度等, 各傳感器距離地面高度為1.5 m, 采樣間隔為10 min。該站曾于1987年1月觀(guān)測(cè)到極端強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速46.9 m·s–1,于1992年9月觀(guān)測(cè)到極端低溫–42.4℃。本文采用該站自2014年1月—2017年1月實(shí)測(cè)的1 h平均數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果分析

2.1 難言島Manuela站氣候特征

2.1.1 日循環(huán)特征

難言島長(zhǎng)寬僅分別為14 km和4 km, 面積不足40 km2, 但其地形復(fù)雜, 單點(diǎn)測(cè)站的數(shù)據(jù)并不足以代表整個(gè)難言島的總體氣候狀況, 風(fēng)速的空間分布尤其如此。本文以2016年7月和2017年1月分別代表冬季和夏季, 以Manuela站的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、相對(duì)濕度日平均曲線(xiàn)(圖3)來(lái)分析該站在這兩個(gè)季節(jié)的氣象要素日循環(huán)特征。該曲線(xiàn)圖中短豎線(xiàn)代表該月份31 d統(tǒng)計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。Manuela站在冬季7月份觀(guān)測(cè)到的風(fēng)向穩(wěn)定為西西南, 風(fēng)力較大, 約為7—8級(jí), 風(fēng)速平均為16.3 m·s-1,統(tǒng)計(jì)顯示7月份不同日期的風(fēng)速相差較大。夏季1月份的風(fēng)速日變化較大, 當(dāng)?shù)貢r(shí)間傍晚至夜間(世界時(shí)08:00—12:00)風(fēng)速較低, 僅有5 m·s–1左右, 中午前后風(fēng)速稍大, 風(fēng)力最高為4—5級(jí)。1月風(fēng)力較小時(shí), 不同日期的風(fēng)向有顯著不同,但基本集中在南至西南這個(gè)風(fēng)向范圍; 風(fēng)力較大時(shí), 風(fēng)向與冬季一致, 穩(wěn)定為西至西南。

與風(fēng)速的季節(jié)特征類(lèi)似, 不同季節(jié)的氣溫日平均變化特征差異較大。冬季7月不同日期的氣溫相差較大, 但平均氣溫日變化較小, 日溫差約為1℃, 這主要是因?yàn)闃O夜期間沒(méi)有日照。夏季1月份極晝期間, 氣溫日變化顯著, 凌晨氣溫最低,傍晚氣溫最高, 日溫差可達(dá)4℃。從圖3可見(jiàn), 氣溫在冬季沒(méi)有顯著的日變化, 因?yàn)槎練鉁嘏c風(fēng)速?zèng)]有較強(qiáng)的相關(guān)性。夏季1月份Manuela站的氣溫與風(fēng)速均有顯著的日變化特點(diǎn), 風(fēng)速變化比氣溫變化滯后了約3 h, 例如日最高風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間比日最低氣溫滯后約3 h。不同季節(jié)的相對(duì)濕度日變化特征相似, 均表現(xiàn)出了微弱的日循環(huán)特征,當(dāng)?shù)貢r(shí)間中午前后的濕度較低, 夜間至凌晨濕度較高。夏季的濕度日變化幅度比冬季高, 夏季當(dāng)?shù)貢r(shí)間凌晨濕度較高, 比下午高約9%, 而冬季日濕度差約為5%, 濕度最高值出現(xiàn)在夜間。

2.1.2 季節(jié)循環(huán)特征

AMPS在覆蓋難言島的Domain 5區(qū)域分辨率高達(dá)1.1 km, 可以較好地模擬當(dāng)?shù)靥鞖夂蜌夂蛱卣?。此處取AMPS數(shù)據(jù)在Manuela站周?chē)?個(gè)格點(diǎn)的雙線(xiàn)性插值, 與自動(dòng)氣象站觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較, 兩組數(shù)據(jù)時(shí)間范圍均為2014年1月—2015年12月。圖4為該時(shí)間段的月平均值。

由圖4和表1可見(jiàn), AMPS對(duì)難言島地區(qū)的風(fēng)速和氣溫有較好的模擬能力?？傮w而言, AMPS在難言島地區(qū)冬季的模擬風(fēng)速稍高于實(shí)測(cè)值, 而夏季模擬值稍低于實(shí)測(cè)值, 但平均偏差僅為1.79 m·s–1。冬季氣溫模擬值稍低于實(shí)測(cè)值, 夏季氣溫模擬接近實(shí)測(cè)值。難言島地區(qū)風(fēng)速?gòu)?月開(kāi)始迅速增大,至4月份達(dá)到全年最高值, 接著在長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月的時(shí)間里, 風(fēng)速均處于較高的范圍, 此時(shí)段內(nèi)風(fēng)力平均為8級(jí)以上, 9月份之后, 風(fēng)速逐漸減弱。與之相對(duì)應(yīng), 氣溫從1月份開(kāi)始迅速降低, 4—9月的氣溫處于–25—–30℃且變化幅度較小, 9月之后氣溫開(kāi)始升高。

難言島面積較小但地形復(fù)雜, 其東南部分是較為開(kāi)闊的平坦地形, 西北部分有海拔約400 m的山峰。AMPS在此地區(qū)雖然水平分辨率較高, 但仍然無(wú)法精確描述當(dāng)?shù)貜?fù)雜的地形,因而對(duì)風(fēng)向模擬的偏差不可避免。由圖4可見(jiàn),AMPS模擬得到的風(fēng)向比實(shí)測(cè)值偏西約30°,在夏季風(fēng)速相對(duì)較小時(shí), 風(fēng)向的模擬值偏差更大。相對(duì)濕度是數(shù)值預(yù)報(bào)的難點(diǎn)之一, 尤其是極端氣象環(huán)境下的沿海地區(qū)。雖然AMPS對(duì)濕度的模擬能力弱于風(fēng)速和氣溫, 但仍然處于可信賴(lài)的水平。

圖4 2014年1月—2015年12月難言島Manuela自動(dòng)氣象站的各要素季節(jié)平均曲線(xiàn)圖. 實(shí)線(xiàn)為AMPS的1.1 km數(shù)據(jù)在Manuela站的插值結(jié)果; 虛線(xiàn)為Manuela自動(dòng)氣象站的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.4. Seasonal mean time series of wind speed, direction, temperature and humidity of Manuela AWS at Inexpressible Island from Jan. 2014 to Dec. 2015. Solid: AMPS 1.1 km; Dashed:AWS

表1 難言島Manuela自動(dòng)氣象站所在位置的AMPS 1.1 km高分辨率模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)值(2014年1月—2015年12月)Table 1. Statistics of AMPS 1.1km simulations at the position of Manuela AWS on Inexpressible Island(from January 2014 to December 2015)

2.2 特拉諾瓦灣地區(qū)風(fēng)場(chǎng)特征

上節(jié)以難言島的自動(dòng)氣象站觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)為主,分析了局地氣候特征。本節(jié)討論特拉諾瓦灣及其附近地區(qū)的大尺度下降風(fēng)特征。

2.2.1 水平分布特征

圖5為2014—2015年季節(jié)平均的羅斯海西岸近地層風(fēng)場(chǎng)特征?？傮w來(lái)看, 該地區(qū)風(fēng)向的空間分布在不同季節(jié)有相似的特征, 但風(fēng)速有顯著的季節(jié)變化。近地層風(fēng)從橫貫?zāi)蠘O山脈和維多利亞地以西海拔較高的冰蓋流向沿岸, 冬季在特拉諾瓦灣西岸等幾處冰川地帶形成強(qiáng)風(fēng)匯集區(qū)。特拉諾瓦灣的北部和維多利亞地東岸的風(fēng)速相對(duì)較小。羅斯島地勢(shì)較高, 在地形阻擋作用下, 其以北的羅斯冰架地區(qū)形成了微弱的中尺度系統(tǒng), 但風(fēng)速較小。在夏季, 無(wú)論是冰蓋內(nèi)陸還是沿岸的強(qiáng)風(fēng)區(qū), 風(fēng)速都顯著減小, 但風(fēng)場(chǎng)的形態(tài)與冬季相比變化不大。強(qiáng)風(fēng)匯集區(qū)從特拉諾瓦灣向東延伸至羅斯海內(nèi)的范圍,在夏季明顯縮小。

圖5 羅斯海西岸地區(qū)2014年1月—2015年12月季節(jié)性平均風(fēng)場(chǎng). 數(shù)據(jù)源于AMPS 3.3 km分辨率數(shù)據(jù), MAM: 3—5月, JJA: 6—8月, SON: 9—11月, DJF: 12—2月Fig.5. Seasonal mean wind pattern of the western coast of the Ross Sea from January 2014 to December 2015. Data from AMPS 3.3 km, MAM: from March to May, JJA: from June to August, SON: from September to November, DJF: from December to February

圖6為特拉諾瓦灣及其附近地區(qū)的2014—2015年近地層月平均風(fēng)場(chǎng)。來(lái)自南極大陸冰蓋斜坡的強(qiáng)下降風(fēng)主要匯集區(qū)位于Reeves冰川,Reeves冰川的下降風(fēng)在到達(dá)難言島附近地區(qū)時(shí)風(fēng)速達(dá)到最大, 次要匯集區(qū)位于David冰川(各冰川位置見(jiàn)圖1)。這些冰川地區(qū)之所以成為下降風(fēng)匯集區(qū), 一是從圖1的地形等高線(xiàn)可見(jiàn), Reeves冰川、David冰川及Larsen冰川等地區(qū)西部的高度落差較大, 下降風(fēng)氣流從冰蓋內(nèi)陸可以加速流下;二是冰川內(nèi)部下墊面平坦, 且在冰川東部?jī)蓚?cè)的峽谷逐漸狹窄, 這種獨(dú)特的地形使得下降風(fēng)在前進(jìn)過(guò)程中不斷加速, 峽谷效應(yīng)也增強(qiáng)了近地面風(fēng)速。下降風(fēng)氣流長(zhǎng)期流經(jīng)這些冰川, 在雪粒的摩擦作用下, 形成了從衛(wèi)星圖像上可分辨的藍(lán)冰。從圖6還可以發(fā)現(xiàn), 下降風(fēng)氣流流經(jīng)上述冰川時(shí),其兩側(cè)邊緣界限非常明顯, 表明邊緣地區(qū)的風(fēng)速梯度較大。

從季節(jié)變化特征來(lái)說(shuō), 強(qiáng)風(fēng)區(qū)的風(fēng)速在11月至次年1月較小, 2月和10月分別為風(fēng)速增大和減小的過(guò)渡期, 3—9月風(fēng)速較大。不同月份的風(fēng)場(chǎng)空間分布形態(tài)相似, 風(fēng)向穩(wěn)定, 可見(jiàn)該地區(qū)下降風(fēng)的形態(tài)特征主要來(lái)源于周邊地形的作用和下降風(fēng)自身的形成機(jī)制, 很少受南大洋天氣尺度系統(tǒng)的影響。圖6表明, 來(lái)自Reeves冰川和David冰川的強(qiáng)風(fēng)向東延伸至特拉諾瓦灣以東海域, 其延伸范圍隨季節(jié)而變化, 冬季可達(dá)100 km以上,夏季風(fēng)力較弱時(shí)僅能向東延伸30—50 km。Drygalski冰舌東南方向的羅斯海海域基本不受下降風(fēng)影響, 風(fēng)速常年較小。

圖6 特拉諾瓦灣及其附近地區(qū)2014年1月—2015年12月的月平均風(fēng)場(chǎng). 數(shù)據(jù)源于AMPS 1.1 km分辨率數(shù)據(jù)Fig.6. Monthly mean wind pattern of the Terra Nova Bay(TNB) and its surrounding areas from January 2014 to December 2015. Data from AMPS 1.1 km

為了分析特拉諾瓦灣及其附近地區(qū)風(fēng)向隨著時(shí)間變化的程度, 計(jì)算了無(wú)量綱的風(fēng)向穩(wěn)定度(wind directional constancy)DC, 即平均矢量風(fēng)速與標(biāo)量風(fēng)速的比值。該風(fēng)向穩(wěn)定度值為1時(shí)表示風(fēng)向完全穩(wěn)定。風(fēng)向穩(wěn)定度由如下公式計(jì)算得到:

其中,

根據(jù)圖3不同季節(jié)的風(fēng)速日變化曲線(xiàn), 選取2015年1月各日21:00 UTC、09:00 UTC和2015年7月各日06:00 UTC、15:00 UTC數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,分別代表夏季風(fēng)速較大時(shí)和較小時(shí)、冬季風(fēng)速較大時(shí)和較小時(shí)的風(fēng)向穩(wěn)定度。圖7為4個(gè)時(shí)次的日平均風(fēng)向穩(wěn)定度。由該圖可見(jiàn), 夏季1月份風(fēng)速較大時(shí), 上述特拉諾瓦灣地區(qū)各冰川強(qiáng)風(fēng)匯集區(qū)及其西部大陸冰蓋上風(fēng)向較為穩(wěn)定, 1月份風(fēng)速較小時(shí), 風(fēng)向分布不集中, 即夏季風(fēng)速變化時(shí),各地區(qū)風(fēng)向有明顯變化。而在冬季7月份, 無(wú)論風(fēng)速相對(duì)較大還是較小, 圖中大部分地區(qū)的風(fēng)向穩(wěn)定度都接近于1。值得注意的是, 圖3和圖6已經(jīng)表明, 冬季風(fēng)速的最低值仍然高于夏季風(fēng)速的最高值。由此可見(jiàn), 特拉諾瓦灣及其附近地區(qū)的風(fēng)速較大時(shí), 風(fēng)向較為穩(wěn)定。

為了更加精細(xì)地展現(xiàn)不同季節(jié)難言島的風(fēng)場(chǎng)特點(diǎn), 利用1.1 km水平分辨率的2014年1月—2015年12月AMPS數(shù)據(jù)繪制了不同季節(jié)難言島及其附近地區(qū)的平均風(fēng)場(chǎng)形態(tài)。圖8表明, 難言島處于來(lái)自Reeves冰川的強(qiáng)下降風(fēng)氣流的核心區(qū)。由于難言島最高海拔達(dá)400 m以上, 強(qiáng)下降風(fēng)氣流在到達(dá)難言島之前風(fēng)速有所減弱, 但越過(guò)難言島之后, 氣流再次加強(qiáng)。夏季(12—2月)該地區(qū)下降風(fēng)較弱時(shí), 這種地形阻擋作用不明顯。

圖7 特拉諾瓦灣地區(qū)2015年1月和7月風(fēng)向穩(wěn)定度分布圖. 數(shù)據(jù)源于AMPS 1.1 km分辨率數(shù)據(jù); a),c)當(dāng)月風(fēng)速較大時(shí)的風(fēng)向穩(wěn)定度; b),d)當(dāng)月風(fēng)速較小時(shí)的風(fēng)向穩(wěn)定度Fig .7. The mean wind directional constancy (DC) of TNB and its surrounding areas of Jan. and July 2015. Data from AMPS 1.1 km; a) and c), DC of high wind apeed; b) and d), DC of low wind speed

地面位勢(shì)溫度場(chǎng)的空間分布特征可以反映出近地層大氣動(dòng)力和熱力過(guò)程。圖9為各季節(jié)特拉諾瓦灣及其附近地區(qū)的地面位勢(shì)溫度場(chǎng)分布圖。在下降風(fēng)較強(qiáng)的冬季(6—8月), Reeves冰川、Larsen冰川和David冰川所在地區(qū)的地面位勢(shì)溫度在空間上有著近似均一的分布特征, 即下降風(fēng)從冰川西側(cè)開(kāi)始匯集到流經(jīng)冰川并加強(qiáng)的過(guò)程中, 地面位勢(shì)溫度變化幅度很小。這表明下降風(fēng)在從冰川西部海拔較高處到沿岸地區(qū)海拔較低處的流動(dòng)是干絕熱過(guò)程。位勢(shì)溫度場(chǎng)的這種分布形態(tài)還表明下降風(fēng)主要取決于其內(nèi)部的動(dòng)力過(guò)程。在特拉諾瓦灣存在位勢(shì)溫度較大區(qū), 是因?yàn)榇颂幱忻娣e較大的冰間湖。

由圖6可知, 特拉諾瓦灣附近冰川地區(qū)在冬季下降風(fēng)的風(fēng)速較大、范圍較廣。選取2016年7月10日06:00 UTC的AMPS 1.1 km分辨率預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)為例, 分析Reeves冰川冬季強(qiáng)下降風(fēng)匯集區(qū)的風(fēng)速剖面特征。圖10a為A點(diǎn)至B點(diǎn)連線(xiàn)的風(fēng)速剖面圖, 即沿著下降風(fēng)流向的剖面; 圖10b為C點(diǎn)和D點(diǎn)連線(xiàn)的風(fēng)速剖面圖, 即下降風(fēng)風(fēng)帶的橫截面, ABCD四點(diǎn)的位置見(jiàn)圖6g。

圖8 難言島及其附近地區(qū)2014年1月—2015年12月近地面風(fēng)場(chǎng)季節(jié)平均圖. 數(shù)據(jù)源于AMPS 1.1 km分辨率數(shù)據(jù);MAM: 3—5月, JJA: 6—8月, SON: 9—11月, DJF: 12—2月. 難言島位于圖的中心位置Fig.8. Monthly mean wind pattern of the Inexpressible Island and its surrounding areas from January 2014 to December 2015.Data is extracted from AMPS 1.1 km dataset; MAM: from March to May, JJA: from June to August, SON: from September to November, DJF: from December to February. The Inexpressible Island locates in the center of the plots

圖9 特拉諾瓦灣地區(qū)2014年和2015年6—8月平均的地表位勢(shì)溫度場(chǎng). 數(shù)據(jù)來(lái)自AMPS 1.1 km分辨率數(shù)據(jù)Fig.9. Mean potential temperature of TNB and its surrounding areas from June to August in 2014 and 2015.Data from AMPS 1.1 km

2.2.2 垂直剖面特征

由圖10可見(jiàn), 在空間結(jié)構(gòu)上, Reeves冰川下降風(fēng)匯集區(qū)的上邊界有清晰的分界線(xiàn), 風(fēng)速較強(qiáng)區(qū)的界線(xiàn)大約位于第11—12模式eta 層, 距離地面高度約為650—800 m, 其中, 圖10a中位于163.7°E附近的風(fēng)速減弱過(guò)程是由于難言島山峰的阻擋作用,這與圖8一致。沿著下降風(fēng)的流向(圖10a), 風(fēng)速逐漸增大, 至冰川最窄處風(fēng)速達(dá)到最大, 此后逐漸減弱。在風(fēng)速的垂向分布上, 下降風(fēng)在不同地區(qū)的風(fēng)速最大值高度變化不大, 幾乎都位于距離地面50—200 m高度上。從橫截面圖(圖10b)看,Reeves冰川下降風(fēng)的匯集區(qū)存在強(qiáng)風(fēng)速核心區(qū), 南北兩側(cè)均有明顯的界線(xiàn), 其中北側(cè)有陡峭地形阻擋,南側(cè)與Larsen冰川下降風(fēng)匯集區(qū)連接。

圖10 2016年7月10日06:00 UTC特拉諾瓦灣西岸Reeves冰川下降風(fēng)匯集區(qū)空間剖面圖. a)A點(diǎn)至B點(diǎn)風(fēng)速剖面圖;b)C點(diǎn)和D點(diǎn)風(fēng)速剖面圖(ABCD四點(diǎn)位置見(jiàn)圖6)Fig.10. The profile of katabatic winds over Reeves glacier to the west of TNB at 06:00 UTC on 10 July 2016. a) Profile from A to B; b) Profile from C to D. The positions of A, B, C, and D are shown in Fig.6

3 結(jié)論

下降風(fēng)是南極特拉諾瓦灣及其附近地區(qū)的主要?dú)夂蛱卣髦?。?duì)該地區(qū)下降風(fēng)的研究將有助于為我國(guó)南極考察隊(duì)提供可靠的氣象保障。本文采用南極中尺度預(yù)報(bào)系統(tǒng)高分辨率資料和特拉諾瓦灣難言島自動(dòng)氣象站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 分析了特拉諾瓦灣及其附近地區(qū)的下降風(fēng)特征。

分析發(fā)現(xiàn), 難言島地區(qū)風(fēng)速?gòu)?月開(kāi)始迅速增大, 自4月份開(kāi)始的長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的時(shí)間里, 風(fēng)速均處于較高的范圍, 此時(shí)段內(nèi)風(fēng)力平均為8級(jí)以上。9月份之后, 風(fēng)速逐漸減弱。與之相對(duì)應(yīng), 4—9月的氣溫介于–30—–25℃之間, 變化幅度較小; 氣溫從1月開(kāi)始迅速降低, 9月開(kāi)始升高。夏季1月份Manuela站的氣溫與風(fēng)速均有顯著的日變化, 風(fēng)速的變化滯后于氣溫變化約3 h。Manuela站在冬季7月份觀(guān)測(cè)到的風(fēng)向穩(wěn)定為西至西南, 風(fēng)力較大, 約為7—8級(jí), 風(fēng)速平均為16.3 m·s-1。南極中尺度預(yù)報(bào)系統(tǒng)AMPS對(duì)難言島地區(qū)的風(fēng)速和氣溫有較好的模擬能力, 但模擬的風(fēng)向比實(shí)測(cè)值偏西約30°。

羅斯海西岸地區(qū)風(fēng)向穩(wěn)定, 其空間分布特征基本不隨季節(jié)而變化, 風(fēng)向穩(wěn)定度的統(tǒng)計(jì)顯示,特拉諾瓦灣及其附近地區(qū)的風(fēng)速較大時(shí), 風(fēng)向更為穩(wěn)定。但風(fēng)速有顯著的季節(jié)性演變特征。近地層下降風(fēng)從橫貫?zāi)蠘O山脈和維多利亞地以西海拔較高的冰蓋流向沿岸, 冬季在特拉諾瓦灣西岸等幾處冰川地帶形成強(qiáng)風(fēng)匯集區(qū), 這些匯集區(qū)主要位于Reeves冰川、Larsen冰川和David冰川, 其中難言島處于Reeves冰川下降風(fēng)匯集區(qū)核心區(qū)。下降風(fēng)強(qiáng)風(fēng)區(qū)的風(fēng)速在11月至次年1月較小, 2月和10月分別為風(fēng)速增大和減小的過(guò)渡期, 3—9月風(fēng)速較大。

從空間結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō), 特拉諾瓦灣及其附近地區(qū)下降風(fēng)匯集區(qū)的上邊界和南北兩側(cè)均有清晰的分界線(xiàn), 風(fēng)速較強(qiáng)區(qū)從地面延伸至650—800 m高處。沿著下降風(fēng)的前進(jìn)方向, 下降風(fēng)風(fēng)速逐漸增大, 至冰川最窄處風(fēng)速達(dá)到最大。在風(fēng)速的垂向分布上, 下降風(fēng)的匯集區(qū)存在強(qiáng)風(fēng)速核心區(qū), 風(fēng)速最大值位于距離地面50—200 m高度上。由于難言島最高海拔達(dá)400 m以上, 來(lái)自Reeves冰川的強(qiáng)下降風(fēng)氣流在到達(dá)難言島之前風(fēng)速有所減弱,但越過(guò)難言島之后, 氣流再次加強(qiáng)。下降風(fēng)從冰川西側(cè)開(kāi)始匯集到流經(jīng)冰川并加強(qiáng)的過(guò)程中, 地面位勢(shì)溫度變化幅度很小, 表明下降風(fēng)在從內(nèi)陸高原到沿岸地區(qū)的流動(dòng)是干絕熱過(guò)程。該地區(qū)下降風(fēng)的形態(tài)特征主要來(lái)源于周邊地形的作用和下降風(fēng)自身的形成機(jī)制, 而很少受南大洋天氣尺度系統(tǒng)的影響。

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