南极罗斯海恩克斯堡岛短期气候特征分析

赵杰臣 程净净 孟上 张林 张体军 孙启振 惠凤鸣 丁卓铭

（1国家海洋环境预报中心，国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室，北京100081；

2国家海洋标准计量中心，天津300112；3中国极地研究中心，上海200136；

4北京师范大学，全球变化与地球系统科学研究院，北京100875）

0 引言

2012年12月底，中国第29次南极科学考察队赴南极罗斯海开展新考察站选址工作，其中位于特拉诺瓦湾（Terra Nova Bay）的恩克斯堡岛是新站选址的重点预选区域。考察队对该岛的地形、地貌、湖泊、动植物等情况进行了实地调查，获得大量第一手资料，并架设自动气象站，对该岛的气象状况进行监测。

极端低温和大风等气候条件是南极考察站选址工作中需要考虑的重要因素。2012年以前中国从未在罗斯海区域开展过科学考察，缺少该区域的历史气象资料，也尚未对该地区的气候特征进行专门分析研究。国外的观测和研究表明特拉诺瓦湾是南极下降风最强烈的区域之一，强下降风沿冰川下泄，冬季能将沿岸海冰吹离，形成常年存在的冰间湖［1-3］。位于恩克斯堡岛东北25 km处的意大利祖凯利站曾观测到风速达56 m·s－1的大风过程［4］。美国威斯康辛大学于1984年在恩克斯堡岛上建立了曼努埃拉自动气象站，获得了较完整的气象观测序列，但未对该站资料进行过详细分析。而特拉诺瓦湾周边地形复杂，造成各观测站点的气象和气候特征有明显的局地性，因此前人对该地区其他站点气象资料分析结论不能准确反映恩克斯堡岛的气象和气候特征。而极端的气象条件对考察队员的生命安全和科考设备的正常运行造成巨大威胁。因此，分析研究曼努埃拉自动气象站的历史资料来获取恩克斯堡岛的气候特征，可帮助我们了解该地区的真实自然状况，为罗斯海新站选址决策和站区建设工作提供重要依据。

本文利用曼努埃拉自动气象站的历史观测资料，对该站点的气温、相对湿度、气压、风速、风向等气象要素进行了统计分析，并着重对以下降风为特征的强风事件进行了讨论，以期了解该岛屿的气象平均状况和不同时间尺度上的变化规律。

1 数据来源

曼努埃拉自动气象站位于恩克斯堡岛的南端（图1），位置为74.946°S，163.687°E，海拔为78 m，由美国威斯康辛大学于1984年2月6日建立。该自动气象站型号为AWS2B，采用全球卫星定位和数据采集系统（ARGOS）实时传输包括温度、湿度、气压、风速风向等气象数据，该自动站在国际气象组织（WMO）的编号为89864。该站最早以其所在的恩克斯堡岛命名，后为纪念威斯康辛大学的Manuela Sievers改为现名。

图1 曼努埃拉自动气象站的地理位置Fig.1.The location of AWSManuela

本文使用的曼努埃拉自动气象站数据来自威斯康辛大学空间科学与工程中心（AMRC），时间从1988—2012年，每3 h一次（00：00—24：00每3 h的瞬时值）的观测数据。由于传感器故障和数据质量控制等因素，部分月份或变量的数据缺失。其中2004年、2006年、2007年、2008年全年资料缺失；目前10月份只有2000年和2012年的资料，且无风速数据。此外缺失的数据还包括：2011年的11月、12月和2012年1月。在该数据集中风向风速资料缺失最为严重，只有约10年的数据可用，和其他要素相比，风的数据时间序列较短且不完整。

本文使用3 h一次的瞬时资料来计算各要素的日平均、月平均、季节平均及年平均值，使用线性回归的方法估计各要素不同时间尺度的变化趋势，因2004年以后的数据缺失较多，本文趋势的估计基于1988—2003年的连续时间序列；并通过相关系数的显著性检验来判断该变化趋势是否显著，如果某个趋势通过了90%及以上水平的显著性检验，则认为其变化趋势显著，反之认为其变化趋势不显著。

2 统计分析结果

2.1 气温

曼努埃拉自动气象站1988—2012年的气温变化如图2所示。气温有显著的季节性变化，是由于太阳直射点在南北半球规律性运动引起的。该站点观测到的气温的多年平均值为－18.5℃，其中＜－40℃的情况占极少的比例，不超过0.1%；分布在－40—－35℃的情况占1.8%；分布在－30—－15℃之间占多数，约63%；在－15—0℃之间占33%，而＞0℃的情况也很少，为2.1%（表1）。年平均温度的最小值为－19.2℃（1998年），最大值为－17.4℃（2012年）。日平均温度极端情况的统计见表2，冬季温度除2003年外，日平均气温均达到－35℃以下，最低值为－40.6℃（1992年9月2日），而极端气温最低值为－42.3℃（1992年9月1日）；夏季除1988年、1992年、2000年、2011年外，其他17年的日平均最高温度均超过0℃，其中最高值为2.8℃（2002年1月11日），而极端气温最高值为6.9℃（2010年12月26日）。一年中日平均温度＞0℃的天数平均为2.4 d，其中2010年最多，达11 d，＜－35℃的天数平均为4.2 d，1997年最多，达9 d。

该站点1988—2003年平均气温变化趋势为－0.039℃／a（图2b），存在降温趋势，但不显著。春、夏、秋、冬的平均气温均呈现降低趋势，分别为－0.040℃／a、－0.003℃／a、－0.022℃／a、－0.092℃／a（图3），均未达到90%置信水平，其中冬季的降温趋势最大，夏季的降温趋势最小。

图2 曼努埃拉自动气象站1988—2012年的气温变化.（a）灰线为日平均值，黑线为月平均值；（b）黑点为年平均值，虚线为线性趋势线Fig.2.The time series of observed temperature from AWSManuela（1988—2012），daily mean［（a）grey line］，monthly mean［（a）black line］，annual mean［（b）dot］and linear trend［（b）dashed line］were shown

表1 不同温度区间所占的比例（1988—2012年）Table 1.The percent of different temperature intervals（1988—2012）

表2 1988—2012年日平均温度极端情况天数统计Table 2.The days of extreme temperature events from 1988 to 2012

图4（a）是曼努埃拉自动气象站1988—2012年平均气温的逐月变化。该站点气温具有明显的季节变化，12月份平均温度最高，为－3.6±1.26℃，8月份最低，为－26.66±2.87℃。温度较低的3—9月，标准偏差均较大，说明秋冬各月份的平均气温在不同年份间差别较大（1.4—2.8℃），而在温度较高的1月、2月、11月、12月（春夏月份），标准偏差较小，约为1℃。

中山站多年平均气温为－9.8℃，月平均气温最高在1月份，为0.2℃，最低出现在7月份，为－16.1℃［5-6］。和中山站比，恩克斯堡岛曼努埃拉自动气象站夏季月平均气温低近3℃，多年平均值和冬季月平均气温低约10℃，可见该站点夏季、冬季温度均较低，冬季更为明显。

图3 不同季节气温平均值随时间的变化Fig.3.Mean spring，summer，autumn，winter surface temperature as observed at AWSManuela

图4 曼努埃拉自动气象站气象要素多年平均（1988—2012）的逐月变化Fig.4.Monthlymean surface temperature，humidity，pressure and wind speed at AWSManuela（1988—2012）

2.2 相对湿度

图5是1988—2012年曼努埃拉自动气象站观测到的相对湿度变化，该站点相对湿度值偏低，多年平均值仅为45%，相对湿度于30%—60%区间的占72%，相对湿度＞60%的仅占16%，只有少数日平均湿度超过80%，年份（天数）分别为1991（1）、1993（1）、1994（1）、1998（2）、2001（1）、2003（6）、2005（7）、2009（2）、2010（2）、2011（6）、2012（16）。统计显示1988至2012年日平均湿度超过80%的天数呈逐年增多趋势。

图5 曼努埃拉自动气象站1988—2012年的相对湿度变化.（a）灰线为日平均值，黑线为月平均值；（b）黑点为年平均值，虚线为线性趋势线Fig.5.The time series of observed humidity from AWSManuela（1988—2012）.（a）Daily mean（grey line），monthly mean（black line）；（b）Annual mean（dot），linear trend（dashed line）were shown

由图5（b）可知，相对湿度1988—2003年的变化（置信水平）为＋0.318%·a－1（99%），湿度有显著增加的趋势。图6是不同季节湿度平均值随时间的变化，春、夏、秋、冬四季相对湿度变化趋势分别为＋0.619%·a－1（99%），＋0.178%·a－1（90%），＋0.299%·a－1（90%），＋0.175%·a－1（－），说明各季节相对湿度都存在增加趋势，且除冬季外，其他季节的增加趋势均达到90%置信水平。

图4（b）是曼努埃拉自动气象站1988—2012年平均湿度的逐月变化。湿度存在季节变化，但不明显，12月份的平均湿度最高，为50.57%±4.51%，7月份平均值最低，为41.36%±6.52%，1—12月份的月平均湿度基本稳定在40%—50%之间，各月份湿度的标准偏差约4%—6%。

中山站多年平均相对湿度为59%［5-6］。和中山站比，该站点平均湿度低约15%，可见该岛空气更干燥。

图6 不同季节相对湿度平均值随时间的变化Fig.6.Mean spring，summer，autumn，winter humidity as observed at AWSManuela

2.3 气压

图7是1988—2012年曼努埃拉自动气象站记录到的气压变化，该站点气压多年平均值为979.7 hPa。由图7（b）可知，气压1988—2003年平均值变化趋势为－0.003 hPa／a，说明气压呈减弱的趋势，但不显著。其他季节的平均气压变化趋势见图8，其中春季和冬季呈弱增加趋势，夏季和秋季呈弱降低趋势，但均未达到90%置信水平。图4（c）是曼努埃拉自动气象站1988—2012年平均气压的逐月变化，气压没有明显的季节变化，6月份的气压最高，为984.40±6.55 hPa，11月份最低为977.36±4.48 hPa（因10月仅有2年气压数据，此处比较最低值未考虑），1—12月份平均气压基本稳定在970—985 hPa之间，各月气压的标准偏差约3—6 hPa。

图7 曼努埃拉自动气象站1988—2012年的气压变化.（a）灰色线为日平均值，黑色线为月平均值；（b）黑点为年平均值，虚线为线性趋势线Fig.7.The time series of observed pressure from AWSManuela.（a）Dailymean（grey line），monthly mean（black line）；（b）Annualmean（dot），linear trend（dashed line）were shown

图8 不同季节气压平均值随时间的变化Fig.8.Mean spring，summer，autumn，winter pressure as observed at AWSManuela

中山站多年平均气压为984.6 hPa［5-6］，和中山站相比，该站点平均气压低近5 hPa。

2.4 风向风速

图9是1988—2012年曼努埃拉自动气象站观测到的风速和风向情况，该站点风速风向资料缺失较多，利用现有约10年数据得到的风速平均值为12.0 m·s－1，风向以WNW为主（52.6%），另外W和NW各占14.2%和13.6%。记录到的瞬时最大风速为43.5 m·s－1（2003年7月），日平均最大风速为34.2 m·s－1（1989年7月）。

图9 曼努埃拉自动气象站1988—2012年的风速（a）和风向（b）的情况.（a）灰色线为日平均值，黑色线为月平均值Fig.9.The observed wind speed（a）and direction（b）from AWSManuela.Grey line is daily value and black line is monthly value

该站点不同月份的风速分布情况见表3。在11月、12月和1月份风速低于15 m·s－1的情况占90%，为主要风速分布区间；其中12月和1月有超过一半的情况风速低于5 m·s－1，不存在风速超过35 m·s－1的情况。2月份风速在5—15 m·s－1的情况占近60%，为主要风速分布区间，不存在超过35 m·s－1的情况。3—6月，风速在5—15 m·s－1和15—25 m·s－1的情况各占40%左右，均为当月主要风速分布区间，存在超过35 m·s－1的情况；7—9月，风速在15—25 m·s－1的情况占40%，为主要风速分布区间，在5—15 m·s－1的情况约占30%，为次要分布区间，在25—35 m·s－1的情况占10%以上，高于35%的情况约占1%。

图4（d）是曼努埃拉自动气象站1988—2012年平均风速的逐月变化。风速有明显的季节变化，月平均风速8月份最高，为16.54±4.33 m·s－1，12月份最低为5.20±1.46 m·s－1，风速在秋冬季标准偏差较大，约3—4 m·s－1。各月份的风向均以WNW为主，除11月、12月、1月外，其他月份WNW所占比例均超过50%（图10）。

表3 不同月份在不同风速区间（m·s－1）的比例（%）Table 3.The percent of differentwind speed intervals in differentmonths（1988—2012）

中山站多年平均风速为7.1 m·s－1，月平均最小风速出现在1月份，为5.3m·s－1，最大风速出现在6月，为8.3 m·s－1［5-6］。该站点夏季月平均风速和中山站相当，但多年平均风速和冬季月平均风速约是中山站的2倍，可见该站点在冬季的风速较大。

2.5 强下降风

前人研究表明，特拉诺瓦湾地区主要受下降风影响，特别是在冬季［7-8］，并提出使用风速和风向来界定下降风事件的方法［4］，本文依据曼努埃拉自动气象站风速风向的具体特征，并参考前人研究引入一种判断强下降风的标准：

其中U代表风速，D代表风向，另外，限定单次强下降风事件的持续时间不低于3 h，允许单次事件中有不超过6 h的风速低于25 m·s－1的情况存在［9］。按照上述标准，1988—2012年有风速风向资料的约10年内，共发生强下降风事件298次（图11），其中49.8%发生在冬季（7月占21%），平均持续时间为10 h左右（表4）。夏季的12月和1月没有强下降风事件发生。夏季末（2月），强下降风事件比例为2.5%，平均持续时间为6.9 h，进入秋季（3月开始）后，强下降风发生的比例和持续时间明显增多，3月发生比例为10.1%，平均持续时间为9.7 h，至7月发生比例达到最大，为21%，平均持续时间为11.6 h，之后发生比例和持续时间均开始减小，至11月强下降风事件的发生比例降为1%左右，平均持续时间也减少至4.5 h。由此可见，强下降风发生比例和持续时间在冬季最大。

图10 曼努埃拉自动气象站逐月风向玫瑰图（1988—2012）Fig.10.Monthly wind rose plot from AWSManuela for 1988—2012

图11 1988—2012强下降风事件统计，其中灰色柱状图表示当月强下降风发生的频率，白色柱状图表示当月强下降风的平均速率，误差棒表示其最大速率和最小速率Fig.11.The statistics of the strong katabatic wind events（partly years of 1988 to 2012），gray bars represent the percentage of strong katabatic wind events and white bars represents the averaged wind speed，the error bars represents themaximum andminimum wind speed ofeach month

强下降风的逐月平均风速在25—30 m·s－1之间，最高风速可达40 m·s－1以上（图11）。从夏季末（2月）开始，平均风速和最大风速均增大，冬季（8月开始）过后，平均风速和最大风速开始减小，瞬时风速最大值发生在7月，而平均风速的最大值发生在8月。因此，强下降风事件的发生比例、风速值、持续时间在冬季较大，在夏季较小。

为进一步研究强下降风过程中各要素的变化，将1988—2012年间最强的下降风事件进行拟合分析。瞬时风速资料显示，风速大于40 m·s－1的下降风事件共有6次，分别发生在1989年3月、8月、9月、1994年8月、1997年8月、2003年7月。其中4次是发生在冬季，1次在春季，1次在秋季。图12是上述6次典型的强下降风事件各气象要素的拟合结果。设定风速最大的时刻为36时，取该时刻之前的36 h和之后的24 h组成总长60 h的时间序列，来分析该站点下降风事件中各气象要素的变化。在0—33时刻，风速缓慢增长阶段，大约每3 h增长1.07 m·s－1，在33—36时刻，风速快速增长阶段，3 h内风速从30.11 m·s－1增长到41.29 m·s－1，达到最大值，之后3 h，为风速快速减弱阶段，风速从最大值减弱至30 m·s－1以下，再后为风速缓慢减弱阶段，经过20 h，风速才降低至20 m·s－1。在整个60 h的大风过程中，风速大于25 m·s－1的时间约为24 h，风向以WNW为主。相对湿度和风速呈相反的变化趋势，随风速增加至最大值，相对湿度从0时刻的37.3%减小至最小值26.3%，随着风速减弱至20 m·s－1，相对湿度再缓慢增加至33.1%。此过程中温度稳定在－30—－26℃之间。WNW的风向和25 m·s－1以上的风速符合该区域下降风的特征，而低温低湿度说明下降风是来自南极高原沿冰川下泄的干燥寒冷的气流。

表4 不同月份强下降风的持续时间（h）Table 4.The period of strong katabatic wind events in differentmonths（1988—2012）

图12 强下降风过程各气象要素的拟合结果.其中星号表示风向的变化，实心圆点实线表示风速的变化，空心三角实线表示湿度的变化，空心方形虚线表示温度的变化Fig.12.The change of the elements during the strong katabatic wind event，stars representwind direction，solid circle and black lines representwind speed，triangle and black lines represent humidity，square and dashed lines represent temperature

3 结论

本文利用曼努埃拉自动气象站的多年气象资料对该站点的气温、相对湿度、气压、风向风速等要素进行了统计分析，得到如下结论。（1）该站点多年气温平均值为－18.5℃，温度主要分布在－30—－15℃之间；冬季温度可低至－40℃以下，但较少出现；夏季温度可达0℃以上。1988—2003年年平均温度呈现降低趋势。该站点气温有明显的季节变化，12月份平均温度最高，8月份最低。（2）相对湿度多年平均值为45%，相对湿度主要位于30%—60%区间，极少超过80%，空气干燥。相对湿度的年平均值自1988年以来呈显著增加趋势。相对湿度存在季节变化，但不明显，12月份的平均湿度最高，7月份平均值最低。（3）气压多年平均值为979.7 hPa。气压没有明显的季节变化，6月份的气压最高，11月份最低。（4）风向风速资料缺失较多，现有约10年数据的风速平均值为12.0 m·s－1，风向以WNW为主，最大风速可达40 m·s－1以上。夏季风速主要分布在0—15 m·s－1，冬季主要为15—25 m·s－1。风速有明显的季节变化，8月份的风速最高，12月份最低。

恩斯克堡岛所在的特拉诺瓦湾主要受下降风影响。依据本文引入的标准，49.8%的强下降风事件发生在冬季（7月最多，占21%），平均持续时间为10 h左右。夏季的12月和1月没有强下降风事件发生。典型的强下降风事件爆发极快，强风（25 m·s－1以上）可维持长达24 h，风向以WNW为主，强风主要是低温低湿度的干燥寒冷气流。

和中山站多年气象资料统计相比，恩斯克堡岛多年平均气温和冬季月平均气温低约10℃，多年平均相对湿度低15%左右，多年平均气压低5 hPa，多年平均风速和冬季月平均风速高约1倍，由此可见，该站点比中山站温度更低、空气更干燥、风速更大。以中国南极中山站越冬考察的情况和经验判断，罗斯海恩斯克堡岛冬季的极端低温和强下降风会对该岛越冬考察活动造成巨大挑战。

由于本文使用的曼努埃拉自动气象站资料时间序列只有25年，且在2004年之后数据缺失严重，因此本文的分析结果可以帮助了解中国在南极罗斯海的新站预选地—恩克斯堡岛的短期气候特征，为新考察站的前期环境评价和站区设计工作提供重要的参考数据。但要厘清恩克斯堡岛近期的气象特征还需要进一步收集相关站点的气象资料，包括中国南极考察队在恩克斯堡岛设置的自动气象站数据。因此本文的结论存在一定的局限性，还需要未来使用更全面的资料进一步地分析验证。

致谢感谢美国威斯康辛大学（麦迪逊）自动气象站计划提供的数据资料（美国自然科学基金，ANT-0944018和ANT-1245663）

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