跨南大洋經(jīng)向斷面的大氣垂直剖面特征研究

高立寶郭桂軍史久新薛 亮曲大鵬宋新新祖永燦

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院,山東 青島266100;2.自然資源部第一海洋研究所 海洋與氣候研究中心,山東 青島266061;3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266237;4.自然資源部 海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266061;5.江蘇海洋大學(xué) 海洋技術(shù)與測(cè)繪學(xué)院,江蘇 連云港222005)

南大洋是全球海洋中十分重要的一個(gè)洋區(qū),其面積約占世界大洋總面積20%,它連接了大西洋、印度洋和太平洋的南部扇區(qū),擁有唯一環(huán)繞地球一周的海洋環(huán)流系統(tǒng)——南極繞極流,為各個(gè)大洋之間的水交換、熱量交換和鹽量交換做出了重要貢獻(xiàn),對(duì)全球變化的進(jìn)程有指示作用[1-3]。南大洋又通過大氣和海洋環(huán)流的經(jīng)向傳輸與低緯度地區(qū)緊密聯(lián)系起來,在地球系統(tǒng)的能量交換、碳收支及環(huán)境和氣候的演變中扮演著重要的角色[4-6]。

海洋鋒面是溫度、鹽度等性質(zhì)不同兩種水團(tuán)的交界面,鋒面處水團(tuán)性質(zhì)有很強(qiáng)的水平梯度,而南大洋正是海洋鋒面的富集區(qū)。海表面高度和海表面鹽度的梯度很好地揭示出南極繞極流是由很多急流或鋒面組成的[7]。南大洋主要包括3個(gè)鋒面和3個(gè)區(qū),從北到南分別是:亞南極區(qū)(Subantarctic Zone,SAZ)、亞南極鋒(Subantarctic Front,SAF)、極 地鋒區(qū)(Polar Front Zone,PFZ)、極 地鋒(Polar Front,PF)、南極區(qū)(Antarctic Zone,AZ)、南ACC鋒(Southern Antarctic Circumpolar Current Front,SACCF)[8-10]。類似的,大氣鋒面是冷暖氣團(tuán)交界面形成的狹窄過渡區(qū),鋒面處氣團(tuán)性質(zhì)也有很強(qiáng)的水平梯度,大氣鋒面又根據(jù)冷氣團(tuán)和暖氣團(tuán)的移動(dòng)方向分為冷鋒、暖鋒、準(zhǔn)靜止鋒和錮囚鋒。由于低溫和強(qiáng)勁西風(fēng)帶的存在,南大洋海洋鋒面附近存在獨(dú)特的海氣相互作用機(jī)制,大氣主要通過影響海-氣界面熱通量以及Ekman作用對(duì)海洋產(chǎn)生單向影響[11-12],最新研究表明,南大洋風(fēng)應(yīng)力旋度的增強(qiáng)可以將熱量從海氣界面存儲(chǔ)到海洋內(nèi)部,從而減緩全球表層溫度增暖的速度[13]。

南半球環(huán)狀模是南大洋的主要控制變率,指示著西風(fēng)帶以及中-高緯度之間的大氣環(huán)流變異[14-17]。關(guān)于南半球環(huán)狀模和南大洋大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)的研究主要是基于再分析數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)和數(shù)值模式開展的[14-21],而南大洋大氣垂直剖面的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)卻非常稀少,通過船載方式進(jìn)行探空系統(tǒng)觀測(cè)是獲得南大洋大氣垂向結(jié)構(gòu)的主要手段之一,但強(qiáng)勁西風(fēng)帶造成的惡劣海洋環(huán)境,使得現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)變得異常艱難,在一定程度上制約了對(duì)南大洋大氣垂向結(jié)構(gòu)的深入了解[22-23]。Pezzi等在東南印度洋獲得了6組探空觀測(cè)剖面數(shù)據(jù),由于只有風(fēng)速和氣溫參數(shù)而且觀測(cè)數(shù)量太少,只對(duì)該斷面低空大氣的垂向分布結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步分析[23]。本文利用中國(guó)第29次南極科學(xué)考察期間3次跨越南大洋經(jīng)向斷面獲取的多參數(shù)GPS探空數(shù)據(jù),對(duì)東南印度洋和西南太平洋斷面的大氣垂直剖面特征進(jìn)行了分析,為今后深入分析南大洋鋒面處的海-氣相互作用提供參考。

1 數(shù)據(jù)介紹

1.1 航次介紹

我國(guó)南極海洋科學(xué)在過去的30多年期間,經(jīng)歷了從無到有、逐步發(fā)展的過程,“南北極環(huán)境綜合考察與評(píng)估”專項(xiàng)實(shí)施之前,我國(guó)在南極周邊重點(diǎn)海域的海洋調(diào)查遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)海洋國(guó)家,擁有的海洋基礎(chǔ)資料時(shí)空密度小、準(zhǔn)確度低、覆蓋率低、重復(fù)性差,并且主要集中在普里茲灣內(nèi)的幾個(gè)不規(guī)則斷面上,不僅難以反映普里茲灣當(dāng)前的海洋狀況,在威德爾海、羅斯海仍然幾乎是空白的,遠(yuǎn)不能滿足“南北極環(huán)境綜合考察及資源潛力評(píng)估”戰(zhàn)略部署的需求。

2012年開始的極地考察專項(xiàng)是我國(guó)首次大規(guī)模的綜合極地科學(xué)考察研究專項(xiàng),科學(xué)考察的學(xué)科內(nèi)容、觀測(cè)區(qū)域、觀測(cè)手段及考察隊(duì)伍規(guī)模均達(dá)到了前所未有的高度,取得了歷史性的進(jìn)展,開展了以南大洋、普里茲灣為重點(diǎn)的第29次南極海洋科學(xué)考察,尤其重要的是我國(guó)南極海洋科學(xué)考察已經(jīng)成為一項(xiàng)業(yè)務(wù)化的考察工作,凸顯了我國(guó)對(duì)極地工作的重視程度已經(jīng)邁入新的里程碑。盡管我國(guó)的極地海洋科學(xué)在過去30多年間取得了一系列歷史性的進(jìn)展,但是與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍存在一定的差距,但隨著國(guó)家對(duì)極地事業(yè)的重視,我國(guó)的極地考察事業(yè)正在逐步改善。

中國(guó)第29次南極考察是“南北極環(huán)境綜合考察與評(píng)估”專項(xiàng)的第一個(gè)正式航次(2012-10-28—2013-04-10),重點(diǎn)觀測(cè)海域?yàn)槠绽锲潪臣捌溧徑Ｓ?。該航次在保留我?guó)原有南極科學(xué)考察工作的基礎(chǔ)上,拓展了南極科考范圍,新增了大量的作業(yè)內(nèi)容,通過多種手段對(duì)普里茲灣及其鄰近海域開展了物理海洋與海洋氣象綜合考察,系統(tǒng)掌握目標(biāo)區(qū)域的海洋水文、海洋氣象、海冰等環(huán)境基本信息,獲取海洋環(huán)境變化和海-冰-氣系統(tǒng)變化過程的關(guān)鍵要素信息,為我國(guó)和全球氣候變化、資源開發(fā)利用、航海與后勤保障提供基礎(chǔ)資料。本文采用該航次期間往返穿越南大洋西風(fēng)帶獲得的GPS探空觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2 GPS探空觀測(cè)系統(tǒng)

觀測(cè)使用的探空系統(tǒng)是專門的探測(cè)大氣垂直剖面的氣象儀器,測(cè)量要素包括氣溫、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向。測(cè)量系統(tǒng)主要包括兩部分:一個(gè)是GPS-1型接收機(jī),用于接收各要素的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù);另一個(gè)是GPS-TK探空儀,隨探空氣球一起上升的傳感器集成部分。

測(cè)量過程中,先連接GPS-1型接收機(jī)與電腦,并固定于室外開闊區(qū)域以便接收探空儀發(fā)回的各種氣象參數(shù)。室外釋放掛有探空儀的探空氣球,接收測(cè)量數(shù)據(jù)。隨著氣球逐漸升高,氣壓逐漸降低,最后氣球自爆,觀測(cè)結(jié)束,探空儀自然墜落不可回收。經(jīng)過多次南北極考察的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),該系統(tǒng)接收信號(hào)穩(wěn)定性良好。該探空系統(tǒng)的溫度精度為0.2℃,濕度精度為2%,風(fēng)速測(cè)量精度為0.2 m/s,風(fēng)向測(cè)量精度為2°,風(fēng)速、風(fēng)向和氣壓由GPS數(shù)據(jù)計(jì)算得出,風(fēng)向0°表示北風(fēng),風(fēng)向90°表示東風(fēng)。氣溫傳感器的測(cè)量范圍為-60～40℃,滿足高空低溫環(huán)境的觀測(cè)需求。GPS-TK探空儀的具體技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 GPS-TK探空儀技術(shù)指標(biāo)Table 1 Parameters of GPS-TK

1.3 觀測(cè)站位分布

中國(guó)第29次南極考察執(zhí)行期間,在往返南大洋的過程中進(jìn)行了3次探空氣球斷面觀測(cè),共計(jì)獲得有效探空氣球觀測(cè)57個(gè),其中2條斷面位于東南印度洋,1條位于西南太平洋。斷面按時(shí)間順序編號(hào)為P1,P2和P3,圖1給出了3條斷面上探空觀測(cè)的具體站位分布。2012-11-20—2012-11-29進(jìn)行了澳大利亞弗里曼特爾至中山站的斷面觀測(cè),完成26個(gè)GPS探空觀測(cè),即P1斷面;2013-01-07—2013-01-15進(jìn)行了羅斯海至澳大利亞霍巴特之間的斷面觀測(cè),完成12個(gè)GPS探空觀測(cè),即P2斷面。2013-03-13—2013-03-19進(jìn)行了中山站至澳大利亞弗里曼特爾之間的斷面觀測(cè),完成19個(gè)GPS探空觀測(cè),即P3斷面。每隔6 h進(jìn)行一次探空觀測(cè),分別按照00:00,06:00,12:00和18:00依次開展,在海洋鋒面集中海域適當(dāng)加密觀測(cè)。其中的海表面溫度資料是自1997年以來高精度(0.25°×0.25°)的數(shù)據(jù),來源于熱帶降水測(cè)量任務(wù)(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)的微波遙感衛(wèi)星[24],在此主要用來表征南大洋主要海洋鋒面的具體位置。

圖1 南大洋探空觀測(cè)的站位分布Fig.1 Air sounding stations in the Southern Ocean

2 觀測(cè)結(jié)果

2.1 大氣剖面的垂直結(jié)構(gòu)

本文用到的探空數(shù)據(jù)較好的反映了南大洋大氣剖面的垂直結(jié)構(gòu)。探空觀測(cè)高度在4 000～15 000 m不等,但均觀測(cè)到了對(duì)流層的溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向剖面的垂直變化,超過10 000 m高度的還觀測(cè)到了對(duì)流層頂?shù)哪鏈貙哟怪苯Y(jié)構(gòu),對(duì)分析南大洋的大氣鋒面及環(huán)流結(jié)構(gòu)有一定的幫助。圖2展示了P1斷面上兩個(gè)典型的垂直剖面觀測(cè)數(shù)據(jù)(位置如圖1黑框所示),可以清楚地看出,隨著高度的增加,氣壓呈指數(shù)衰減,超過10 000 m時(shí)氣壓減小到300 hPa以內(nèi);氣溫隨著高度的增加線性降低,大約每升高100 m氣溫下降1℃,在9 000 m左右氣溫降到最低(低于-50℃),之后氣溫又逐漸升高,該轉(zhuǎn)折的高度近似可以看做是對(duì)流層和平流層的分界;整個(gè)垂直剖面以西風(fēng)為主導(dǎo),風(fēng)速為5～30 m/s,高空風(fēng)速比低空風(fēng)速要大很多。濕度剖面的波動(dòng)范圍較大,但到了9 000 m以上的高空,濕度迅速減小,主要與高空大氣稀薄和低溫密切相關(guān)。跨南大洋經(jīng)向斷面的觀測(cè)很好反映了大氣剖面垂直結(jié)構(gòu)的南北差異,將在接下來的斷面特征和季節(jié)變化分析中予以展示。

圖2 南大洋GPS探空測(cè)得的典型剖面Fig.2 Typical air sounding profiles in the Southern Ocean

2.2 大氣鋒面的分類和識(shí)別

大氣鋒面是冷暖氣團(tuán)交界面形成的狹窄過渡區(qū),也叫鋒區(qū),鋒面兩側(cè)的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)等要素都有明顯的差異,所以在鋒面附近常伴有云、雨、大風(fēng)等天氣。大氣鋒面根據(jù)冷氣團(tuán)和暖氣團(tuán)的移動(dòng)方向分為冷鋒、暖鋒、準(zhǔn)靜止鋒和錮囚鋒。本文以氣溫的空間梯度為主要識(shí)別要素確定鋒面的位置,并結(jié)合經(jīng)向風(fēng)的分布分辨鋒面的基本類型。

通常的鋒面識(shí)別主要是針對(duì)近地面的低空大氣而言,因此這里給出了2 000 m以下平均的大氣溫度(圖3a)和經(jīng)向風(fēng)(圖3b)在3個(gè)觀測(cè)斷面的分布。P1斷面氣溫經(jīng)向梯度最大的位置在47°～50°S,氣溫從-4℃快速上升至1℃,該位置的經(jīng)向風(fēng)為2～8 m/s的北風(fēng),因此符合暖鋒特征,在43°～45°S也存在氣溫快速變化,但主要是1 000 m以上的氣溫變化所致;P2斷面氣溫經(jīng)向梯度最大的位置在52°～58°S,氣溫從-1℃快速上升至5℃,該位置的經(jīng)向風(fēng)為4～6 m/s的北風(fēng),符合暖鋒特征;P3斷面氣溫經(jīng)向梯度最大的位置與P2相同,但溫度梯度更大,氣溫變化范圍在-9～8℃,經(jīng)向風(fēng)在55°S附近存在南風(fēng)和北風(fēng)的轉(zhuǎn)化,主要是因?yàn)?5°S以北的氣旋式環(huán)流所致,之后的斷面特征分析將進(jìn)一步介紹。通過以上分析,給出了觀測(cè)斷面低空大氣的鋒面位置和基本分類(表2)。

圖3 0～2 000 m平均的大氣溫度和經(jīng)向風(fēng)Fig.3 Mean air temperature and meridional wind below 2000 m

表2 觀測(cè)斷面的大氣鋒面位置Table 2 Locations of atmospheric fronts in the observational sections

2.3 跨南大洋經(jīng)向斷面的特征分析

下面基于中國(guó)第29次南極考察在南大洋獲得的3條斷面的探空觀測(cè),分析跨南大洋經(jīng)向大氣斷面的基本特征。第29航次第一次穿越西風(fēng)帶期間,從澳大利亞弗里曼特爾前往中山站途中進(jìn)行了南大洋P1斷面的探空觀測(cè)。P1斷面覆蓋區(qū)域海洋表層的溫度梯度顯示,該斷面的海洋鋒面主要位于45°～56°S(圖1),從P1斷面探空觀測(cè)要素垂直剖面(圖4)的經(jīng)向梯度可以看出,該斷面的低空大氣鋒面主要位于47°～50°S附近,44°S附近的1 000～3 000 m高度存在氣溫快速變化(圖4b和圖3a),主要是44°～50°S區(qū)域的強(qiáng)勁西風(fēng)從高空一直延伸到近地面,造成了該區(qū)域與外部區(qū)域的濕度和溫度的顯著差異。50°S以北的亞南極區(qū),風(fēng)向介于240°～280°,以西風(fēng)為主,高空與低空風(fēng)速差異明顯,4 000 m以下低空風(fēng)速在0～20 m/s,4 000 m以上高空風(fēng)速在40 m/s以上,風(fēng)速的垂直切變使得高低空氣溫分布也有類似的結(jié)構(gòu),4 000m以下氣溫在-5～15℃,4 000 m以上氣溫在-30℃以下,最低達(dá)到-60℃,該區(qū)域垂直剖面的相對(duì)濕度較大,整個(gè)剖面的相對(duì)濕度大于50%,明顯呈現(xiàn)較強(qiáng)的垂直對(duì)流結(jié)構(gòu)。50°～58°S區(qū)域的風(fēng)向介于180°～240°,以西南風(fēng)為主,是該斷面的西風(fēng)主軸區(qū),高空與低空風(fēng)速差異更加明顯,4 000 m以下低空風(fēng)速在0～20 m/s,4 000 m以上高空為強(qiáng)勁的西南風(fēng),平均風(fēng)速在40 m/s以上,最高超過75 m/s,高低空氣溫分布與亞南極區(qū)相近,但高空的低溫中心靠近北部,該區(qū)域垂直剖面的相對(duì)濕度很小,整個(gè)剖面的相對(duì)濕度小于40%,垂直對(duì)流很弱,是南部和北部經(jīng)向環(huán)流的過渡區(qū)。58°S以南的極區(qū),風(fēng)向與亞南極區(qū)類似,介于240°～280°,以西風(fēng)為主,但高空與低空風(fēng)速無明顯差異,整個(gè)垂直剖面的風(fēng)速在20 m/s以下,只有更加靠南的高空風(fēng)速較強(qiáng),該區(qū)域垂直剖面的氣溫和相對(duì)濕度都比較高,氣溫在-20℃以上,剖面的相對(duì)濕度大部分大于40%,4 000 m以下相對(duì)濕度更是超過了80%,明顯呈現(xiàn)較強(qiáng)的垂直對(duì)流結(jié)構(gòu),與亞南極區(qū)形成跨越極鋒區(qū)的經(jīng)向環(huán)流。在8 000 m以上的高空,各個(gè)觀測(cè)要素的垂直變化很小。

圖4 P1斷面的大氣垂向剖面結(jié)構(gòu)Fig.4 The atmospheric vertical structures of section P1

第29航次第二次穿越西風(fēng)帶期間,從羅斯海返回澳大利亞霍巴特途中進(jìn)行了南大洋P2斷面的探空觀測(cè)。P2斷面覆蓋區(qū)域海洋表層的溫度梯度顯示,該斷面的海洋鋒面主要位于55°～65°S,從P2斷面探空觀測(cè)要素垂直剖面(圖5)的經(jīng)向梯度可以看出,低空大氣溫度梯度在52°～58°S快速變化,該區(qū)域是低空大氣的主要鋒面所在位置。55°S以北的亞南極區(qū),風(fēng)向介于120°～280°,存在東風(fēng)和西風(fēng)的切變,在50°S以北4 000 m以上的高空,存在強(qiáng)勁的西南風(fēng),風(fēng)速最大值超過30 m/s,位于6 000～10 000 m的高度,55°S以北亞南極區(qū)的氣溫較高,海表氣溫在5～10℃,氣溫零線在2 200 m附近,氣溫等值線呈現(xiàn)上翹趨勢(shì),是典型的上升氣流結(jié)構(gòu),相對(duì)濕度在整個(gè)剖面都較高,低空相對(duì)濕度超過80%,高空的相對(duì)濕度也有60%以上。55°～68°S的極鋒區(qū),風(fēng)向介于100°～220°,以東南風(fēng)和西南風(fēng)為主,高空與低空風(fēng)速差異不大,風(fēng)速在15 m/s以下,該區(qū)域的氣溫等值線平直,-10℃等溫線位于2 200 m高度,4 000 m以下相對(duì)濕度很高,超過80%,4 000 m以上相對(duì)濕度在50%以下,最低值位于4 000～6 000 m高度。68°S以南的極區(qū),風(fēng)向與亞南極區(qū)類似,介于120°～280°,6 000 m以上的高空存在較強(qiáng)的西風(fēng),風(fēng)速在20 m/s左右,6 000 m以下低空風(fēng)速很小,在5 m/s以內(nèi),該區(qū)域的氣溫更低,-10℃等溫線位于1 500 m以下,11 000 m以上的高空氣溫低至-60℃,該區(qū)域的相對(duì)濕度剖面與55°S以北的亞南極區(qū)相近,低空相對(duì)濕度超過80%,高空的相對(duì)濕度也有60%以上,垂直對(duì)流較為明顯。與P1斷面類似,在8 000 m以上的高空,各個(gè)觀測(cè)要素的垂直變化很小。

圖5 P2斷面的大氣垂向剖面結(jié)構(gòu)Fig.5 The atmospheric vertical structures of section P2

圖6 P3斷面的大氣垂向剖面結(jié)構(gòu)Fig.6 The atmospheric vertical structures of section P3

第29航次第四次穿越西風(fēng)帶期間,從中山站返回澳大利亞弗里曼特爾途中進(jìn)行了南大洋P3斷面的探空觀測(cè)。P3斷面覆蓋區(qū)域海洋表層的溫度梯度顯示,該斷面的海洋鋒面主要位于44°～55°S,從P3斷面探空觀測(cè)要素垂直剖面(圖6)的經(jīng)向梯度可以看出,低空大氣溫度梯度在52°～58°S快速變化,該區(qū)域是低空大氣的主要鋒面所在位置,鋒面位置與P2斷面相同。整個(gè)斷面以西風(fēng)為主,54°S以北區(qū)域風(fēng)向介于260°～340°,以西北風(fēng)為主,54°S以南區(qū)域則以西南風(fēng)為主。42°S以北的區(qū)域高低空風(fēng)速切變明顯,4 000 m以下風(fēng)速相對(duì)較小,在8 m/s以內(nèi),4 000 m以上風(fēng)速在20 m/s以上,該區(qū)域的垂直剖面的氣溫均較高,6 000 m以上高空氣溫仍維持在-30℃,使得該區(qū)域高空的相對(duì)濕度超過50%。42°～54°S的極鋒區(qū),風(fēng)速相對(duì)較小,在10～22 m/s,6 000 m以上的高空氣溫也相對(duì)較低,在-35～50℃,4 000 m以下低空氣溫較高,在-5～20℃,使得低空相對(duì)濕度高達(dá)80%以上,高空相對(duì)濕度較低,在40%以下。54°～58°S的極區(qū),4 000 m以上的高空存在30 m/s以上的西南風(fēng),而氣溫低至-50℃,相對(duì)濕度較低。在58°S以南海域具有風(fēng)速小(4～10 m/s),相對(duì)濕度低(15%～55%),氣溫等值線下凹等特點(diǎn),屬于典型的下沉氣流特征。與P1和P2斷面類似,在8 000 m以上的高空,各個(gè)觀測(cè)要素的垂直變化較小。

雖然各個(gè)斷面的觀測(cè)時(shí)間和觀測(cè)位置不盡相同,但具有共同特征。4 000 m以下低空的氣溫和濕度明顯高于高空,而低空風(fēng)速明顯小于高空風(fēng)速;8 000 m以上高空各個(gè)觀測(cè)要素的垂直變化不明顯;整個(gè)斷面主要以西風(fēng)為主,整個(gè)垂直剖面濕度較高的區(qū)域通常是由于上升氣流將海表面的暖濕氣團(tuán)帶到高空引起的,相反,整個(gè)垂直剖面濕度異常偏低的區(qū)域通常對(duì)應(yīng)下沉氣流。大氣鋒面的位置具有明顯的季節(jié)變化,東南印度洋的大氣鋒面中心春季(P1)比秋季(P3)更加偏北,接下來將針對(duì)季節(jié)變化進(jìn)一步分析。

2.4 東南印度洋大氣剖面的季節(jié)變化

以上主要分析了跨南大洋經(jīng)向大氣斷面的基本特征,接下來介紹東南印度洋大氣剖面的季節(jié)變化。我國(guó)南極科學(xué)考察航線多數(shù)是從東南印度洋穿越南大洋,在大多數(shù)年份,“雪龍”船都會(huì)往返穿越澳大利亞至中山站斷面,雖然由于天氣和海洋狀況的原因,往返航線很難完全重合,但相近航線的斷面觀測(cè),有利于分析南大洋大氣剖面隨時(shí)間的變化。圖1所示的P1和P3斷面分布比較接近,在45°S附近交叉,該位置也恰是海洋鋒面密集的海域。P1和P3斷面的探空觀測(cè)分別于2012年11月和2013年3月完成,對(duì)南半球來說,11月和3月可以看作春季(春末)和秋季(初秋)的代表月份,因此P1和P3斷面的差異反映了東南印度洋經(jīng)向斷面在春秋兩季的變化。

圖7 P3和P1斷面大氣垂向剖面的差異(P3-P1)Fig.7 The differences in atmospheric vertical structures between sections P3 and P1(P3 minus P1)

圖7 給出了P3和P1斷面探空觀測(cè)要素的差異(P3減去P1),可以看出,在4 000 m以下的低空,秋季的相對(duì)濕度低于春季的相對(duì)濕度,40°S附近的3 000 m高度相差超過50%,只有南大洋中部的局部海域春季相對(duì)濕度較大,相差在20%～40%;秋季的氣溫整體高于春季0～20℃,只有在57°S以南,春季的氣溫高于秋季。在6 000 m以上的高空,春季風(fēng)速明顯比秋季風(fēng)速大,差值介于10～40 m/s。6 000 m以下低空風(fēng)速的差異,南北呈現(xiàn)不對(duì)稱分布,50°S以南秋季風(fēng)速大,而50°S以北春季風(fēng)速大。秋季的風(fēng)向以西北風(fēng)為主,春季的風(fēng)向以西風(fēng)為主,整個(gè)垂直斷面的風(fēng)向相差20°～100°。整體來說,秋季和春季相比,東南印度洋具有風(fēng)速小,氣溫高,低空相對(duì)濕度較小。

接下來針對(duì)氣溫、濕度和風(fēng)速三個(gè)要素分別比較不同季節(jié)斷面的低空和高空差異。東南印度洋春季斷面低空的氣溫整體低于秋季,鋒面位置更加偏北,在春季,50°S以南氣溫均低于-11℃,50°S以北快速升溫至5℃,而在秋季,由58°S以北氣溫快速升溫至4℃,兩個(gè)季節(jié)低空氣溫最大差異在48°～53°S附近,溫差達(dá)到19℃(圖8a)。高空氣溫的差異以55°S為界南北反向,南部春季氣溫高,北部秋季氣溫高(圖8b)。春季的低空濕度整體高于秋季,45°S以北的區(qū)域差異更大(圖8c),而春季的高空濕度整體低于秋季,50°S以南更加明顯(圖8d)。春季(秋季)低空風(fēng)速的主軸在47°S(52°S)附近,除了風(fēng)速主軸附近之外,春季的低空風(fēng)速整體略小于秋季(圖8e),而春季的高空風(fēng)速遠(yuǎn)高于秋季,52°S附近風(fēng)速高出將近50 m/s(圖8f)。綜上所述,東南印度洋春季斷面低空的氣溫整體低于秋季,鋒面位置更加偏北,春季的低空(高空)濕度整體高于(低于)秋季,春季的低空(高空)風(fēng)速整體略小于(遠(yuǎn)高于)秋季。

圖8 低空(0～4 000 m平均)和高空(10 000～14 000 m平均)大氣要素的經(jīng)向變化Fig.8 Meridional variation in atmospheric parameters in low level(0～4 000 m mean)and high level(10 000～14 000 m mean)

2.5 東南印度洋和西南太平洋的大氣剖面差異

南大洋不同海域的大氣剖面具有明顯差異。我國(guó)南極考察穿越東南印度洋的南大洋斷面最多,主要是由于每年雪龍船都要前往中山站執(zhí)行科學(xué)考察任務(wù),而隨著我國(guó)計(jì)劃在羅斯海建立新的南極考察站,穿越西南太平洋斷面的航線也逐漸增多,2013年1月中旬從羅斯海返回澳大利亞霍巴特的途中也進(jìn)行了GPS探空觀測(cè),即圖1中的P2斷面。由于P3斷面是2013年3月中旬完成,因此P2和P3斷面近似的可以看作南半球夏秋季節(jié)的過渡期觀測(cè),因此這里選取P2和P3斷面進(jìn)行比較,分析東南印度洋和西南太平洋大氣剖面特征的差異。

圖9 給出了P3和P2斷面探空觀測(cè)要素的差異(P3減去P2),東南印度洋斷面的風(fēng)速明顯大于西南太平洋斷面,平均差異為4～20 m/s,最大差異在50°～57°S的南大洋中部,在48°S以北3 000 m以上的高空,西南太平洋斷面的風(fēng)速大于東南印度洋斷面,平均差異為4～18 m/s,最大差異在10 000 m附近,最大差異超過20 m/s。兩條斷面的風(fēng)向相差在-30°～180°,東南印度洋以西北風(fēng)為主,而西南太平洋以東南風(fēng)和西南風(fēng)為主,存在明顯的東—西風(fēng)切變。在55°S以北的海域,東南印度洋的氣溫高于西南太平洋4～18℃,7 000 m以上的高空更加顯著,只有在55°S以南的高緯度海域,東南印度洋的氣溫低于西南太平洋,但量值不超過10℃。相對(duì)濕度的差異與氣溫的差異分布大體反向,在55°S以北的海域,東南印度洋低于西南太平洋10%～30%,最大差值發(fā)生在50°S以北的2 000～4 000 m高度,超過40%,只有4 000～6 000 m高度層,東南印度洋的相對(duì)濕度略高于西南太平洋。整體來說,東南印度洋和西南太平洋相比,具有風(fēng)速大,氣溫高,相對(duì)濕度小的特征。

圖9 P3和P2斷面大氣垂向剖面的差異(P3-P2)Fig.9 The differences in atmospheric vertical structures between sections P3 and P2(P3 minus P2)

接下來針對(duì)氣溫、濕度和風(fēng)速三個(gè)要素分別比較不同區(qū)域斷面的低空和高空差異。東南印度洋和西南太平洋的低空大氣鋒面均位于52°～58°S,東南印度洋在該區(qū)域的氣溫梯度更強(qiáng),以55°S為界,以南區(qū)域西南太平洋的氣溫高于東南印度洋,55°S以北相反(圖8a)。東南印度洋的高空氣溫整體高于西南太平洋(圖8b)。西南太平洋的低空濕度整體高于東南印度洋,45°S以北的區(qū)域差異更大(圖8c),高空濕度整體持平(圖8d)。西南太平洋的低空和高空風(fēng)速相對(duì)較小,只有斷面北端的狹窄區(qū)域風(fēng)速較大,東南印度洋的低空和高空風(fēng)速整體高于西南太平洋,低空風(fēng)速表現(xiàn)得尤為明顯(圖8e和8f)。綜上所述,東南印度洋和西南太平洋的低空大氣鋒面均位于52°～58°S,東南印度洋低空風(fēng)速、高空風(fēng)速和氣溫整體高于西南太平洋,西南太平洋的低空濕度整體高于東南印度洋,高空濕度整體持平。

3 結(jié) 論

本文利用中國(guó)第29次南極科學(xué)考察多次穿越南大洋的GPS探空數(shù)據(jù),分析了南大洋經(jīng)向斷面的大氣垂直結(jié)構(gòu)的基本特征、季節(jié)變化和緯向差異,主要結(jié)論如下:

1)各個(gè)斷面的大氣垂向結(jié)構(gòu)差異顯著,但也具有共同特征:4 000 m以下低空的氣溫和濕度明顯高于高空,而低空風(fēng)速明顯小于高空風(fēng)速;8 000 m以上高空各個(gè)觀測(cè)要素的垂直變化較小;整個(gè)斷面主要以西風(fēng)為主,整個(gè)垂直剖面濕度較高的區(qū)域通常是由于上升氣流將海表面的暖濕氣團(tuán)帶到高空引起的,相反,整個(gè)垂直剖面濕度異常偏低的區(qū)域通常對(duì)應(yīng)下沉氣流。

2)基于經(jīng)向溫度梯度和經(jīng)向風(fēng)分布,給出了3個(gè)觀測(cè)斷面的大氣鋒面位置和類型。P1斷面的大氣鋒面在47°～50°S,P2和P3斷面的大氣鋒面在52°～58°S,P1和P2的鋒面屬于暖鋒,P3的鋒面由于氣旋的影響分類不明顯。

3)東南印度洋大氣剖面結(jié)構(gòu)具有明顯的季節(jié)變化。東南印度洋春季斷面低空的氣溫整體低于秋季,鋒面位置更加偏北,春季的低空(高空)濕度整體高于(低于)秋季,春季的低空(高空)風(fēng)速整體略小于(遠(yuǎn)高于)秋季。

4)東南印度洋和西南太平洋斷面的大氣剖面結(jié)構(gòu)具有明顯差異。東南印度洋和西南太平洋的低空大氣鋒面均位于52°～58°S,東南印度洋低空風(fēng)速、高空風(fēng)速和氣溫整體高于西南太平洋,西南太平洋的低空濕度整體高于東南印度洋,高空濕度整體持平。

本文的工作在以下方面仍有待加強(qiáng):一方面,GPS探空觀測(cè)的空間分辨率仍然不高,無法對(duì)大氣剖面的細(xì)微結(jié)構(gòu)細(xì)致刻畫;另一方面,數(shù)據(jù)只局限于一個(gè)航次的觀測(cè),沒有展現(xiàn)特定南大洋斷面大氣環(huán)流的年際變化。希望今后在這兩個(gè)方面加以重視,更加全面地分析南大洋大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)的特征和變化。

致謝:自然資源部資助,中國(guó)第29次南極科學(xué)考察隊(duì)采集了研究數(shù)據(jù),國(guó)家海洋局極地考察辦公室和中國(guó)極地研究中心對(duì)本工作給予了大力支持,在此表示衷心感謝。