南极特拉诺瓦湾下降风特征

孙启振 张占海 丁卓铭 沈辉 张林 孟上

(1物理海洋教育部重点实验室, 中国海洋大学, 山东 青岛 266100;2国家海洋环境预报中心, 极地环境研究预报室, 北京 100081;3国家海洋局极地科学重点实验室, 中国极地研究中心, 上海 200136)

0 引言

南极大陆近表层风场的主要特征是: 由冰盖表层冷却作用产生的下降风风场在空间分布上极不均匀, 下降风在大陆边缘少数地区汇合, 形成风向稳定的强下降风区。下降风在这些地区的汇集现象是由当地独特的地形决定的[1-2]。南极下降风在水平方向上绵延数千千米, 而在垂直方向上仅到达数百米的高度[3]。下降风的风场特征具有空间上的稳定性和时间上的持续性, 早在20世纪60年代就引起了人们的研究兴趣[4]; 20世纪80年代以来, 对南极大尺度下降风发生机制的研究越来越多。南极地区现场观测资料少, 因此数值模式和卫星遥感已经成为研究下降风动力过程的重要手段[5-9],这些研究也涉及了下降风的质量输送及其与中纬度大尺度环流之间的相互作用[10]。

南极罗斯海西岸的特拉诺瓦湾(Terra Nova Bay,TNB)及其附近地区地形环境复杂, 气候特征鲜明,是下降风较强的地区之一[11]。来自南极大陆的下降风从横贯南极山脉泄流而下, 流经特拉诺瓦湾西岸的冰川, 其长期的冲刷作用在该地区形成了面积广阔的蓝冰。强烈的下降风将特拉诺瓦湾的海冰向东推动, 特拉诺瓦湾南侧的Drygalski冰舌阻挡了更高纬度地区的海冰向北漂移, 使得该海湾即使在冬季也经常处于无冰或少冰状态, 这是特拉诺瓦湾冰间湖在冬季形成和维持的重要原因[12-17]。这些地形特征从卫星可见光图像上清晰可辨(图1)。

图1 南极罗斯海特拉诺瓦湾及其附近地区地形和卫星可见光图像.白色区域为南极冰盖冰架, 曲线为间隔200 m的地形等高线, 黑色区域为冰间湖, 蓝色区域为罗斯海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世纪80年代起, 国际上就开始了对南极特拉诺瓦湾下降风的研究[18-20]。美国和意大利先后在特拉诺瓦湾西侧的Priestley冰川、Reeves冰川、难言岛(Inexpressible Island)和富兰克林岛(Franklin Island)等地安装了自动气象站, 用以监测这些特殊地形环境下降风的分布情况[21-24]。这些研究工作归纳了特拉诺瓦湾西岸冰川的下降风特点, 发现下降风在Reeves冰川东部汇合加速并流经难言岛地区, 在空间和时间上具有很强的稳定性[25]。从特拉诺瓦湾向东流向罗斯海的下降风可以向东延续达200 km, 还可能引发中尺度气旋[26]。

除了利用现场观测资料进行局地气候研究之外, 卫星遥感、飞机观测和数值模拟手段也被用于分析特拉诺瓦湾及其附近地区的大尺度下降风特征。由于下降风在垂直尺度上的混合作用不明显,加之其下垫面海冰的热力作用, 很难从卫星图像上对下降风进行辨识和分析[27]。飞机观测[28]发现, 在距离地面170 m高度的下降风风场仍然受到地形的强烈影响。对该地区下降风的数值模拟研究[29-30]发现, 特拉诺瓦湾地区的下降风起源于距离沿岸约180 km处的南极内陆, 下降风在南极内陆海拔大于1 500 m的地区风速较小, 在大陆边缘陡峭地区开始加强。数值模拟研究还证实了下降风在特拉诺瓦湾冰间湖的出现过程中发挥了重要作用[31]。

特拉诺瓦湾由于其特殊的地理位置和丰富的科学研究资源, 吸引了国际上南极科学研究者的目光。继意大利和韩国分别于1985年和2014年在特拉诺瓦湾建立考察站以来, 我国也已经开始在该海湾沿岸的难言岛建设新的考察站。我国南极考察队于2012年年底和2016年年初在难言岛安装了两套自动气象站, 用于长期观测该地区的天气特征, 这些气象观测数据对于当地气象环境研究具有重要作用[32-33]。然而, 难言岛的自动气象站资料并不足以代表特拉诺瓦湾及其附近地区的下降风特征, 因此对特拉诺瓦湾及其附近地区气象要素场的分析显得尤其重要。在南极地区采用高分辨率数值天气预报模拟技术, 有助于我们对特拉诺瓦湾地区的下降风特征开展深入研究。目前, 美国国家大气研究中心和俄亥俄州立大学联合开发的南极中尺度预报系统(Antarctic Mesoscale Prediction System,AMPS)在南极天气数值预报方面处于国际领先地位[34-36]。AMPS自2000年开始为美国的南极科研计划和国际南极科考队提供天气预报支持, 经过十几年的发展, AMPS可提供的南极地区短期天气预报产品的水平分辨率不断提高, 其多年存档数据也曾被用于南极大尺度下降风研究[37]。自2013年5月以来, AMPS在特拉诺瓦湾地区的数值天气预报水平分辨率提升为1.1 km, 这为分析该地区下降风风场提供了可能。

我国即将在罗斯海西岸建设的常年考察站即位于特拉诺瓦湾沿岸的难言岛上, 因此很有必要对该地区的下降风时空分布特征做一些分析研究。本文采用南极中尺度预报系统高分辨率资料和特拉诺瓦湾难言岛自动气象站实测数据, 分析特拉诺瓦湾及其附近地区的下降风特征。

1 数据

1.1 模式预报数据

AMPS是一个针对南极地区的实时数值天气预报系统, 其核心是Polar WRF极地数值天气预报模式[38], 自2000年10月开始为美国的南极科研计划以及国际南极科考提供天气预报支持。美国国家大气研究中心负责每天两次运行AMPS系统, 为国际预报团体提供模式产品、存档预报产品并维护模式代码; 俄亥俄州立大学伯德极地研究中心负责继续发展Polar WRF模式的物理过程并评估模式性能。根据目前的数值预报模式配置方案, AMPS在南极地区设置5个嵌套预报区域, 其中最外层(Domain 1)分辨率为30 km, 包含南极大陆的预报区域(Domain 2)分辨率为10 km, 分辨率最高的区域(Domain 5)以罗斯岛为中心, 覆盖了罗斯冰架西北部分、维多利亚地东岸, 并向北延伸至特拉诺瓦湾地区(图2)。

本文选取的数据为AMPS自2014年1月—2015年12月Domain 3和Domain 5的3 h预报数据和月平均数据, 包含10 m高度风、2 m高度气温和地面气温、地面气压等要素场数据, 并选取2016年7月10日06 UTC Domain 5预报数据分析下降风空间结构。

图2 南极中尺度预报系统(AMPS)的部分区域设置示意图. 本文采用的资料来自Domain 3和Domain 5, 分辨率分别为3.3 km和1.1 km; 填色表示地形高度, 南极内陆海拔高度按照红色、白色、棕色、黄色和绿色的顺序逐渐减小;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 现场实测数据

自20世纪50年代至今, 美国威斯康星大学在南极地区陆续建立了多套自动气象站, 形成了南极地面气象自动观测网[39]。其中, 难言岛南端的Manuela自动气象站(74.946°S, 163.687°E)建立于1984年。该自动气象站海拔高度78 m, 观测要素有气压、气温、风速、风向和相对湿度等, 各传感器距离地面高度为1.5 m, 采样间隔为10 min。该站曾于1987年1月观测到极端强风风速46.9 m·s–1,于1992年9月观测到极端低温–42.4℃。本文采用该站自2014年1月—2017年1月实测的1 h平均数据。

2 结果分析

2.1 难言岛Manuela站气候特征

2.1.1 日循环特征

难言岛长宽仅分别为14 km和4 km, 面积不足40 km2, 但其地形复杂, 单点测站的数据并不足以代表整个难言岛的总体气候状况, 风速的空间分布尤其如此。本文以2016年7月和2017年1月分别代表冬季和夏季, 以Manuela站的风速、风向、气温、相对湿度日平均曲线(图3)来分析该站在这两个季节的气象要素日循环特征。该曲线图中短竖线代表该月份31 d统计值的标准误差。Manuela站在冬季7月份观测到的风向稳定为西西南, 风力较大, 约为7—8级, 风速平均为16.3 m·s-1,统计显示7月份不同日期的风速相差较大。夏季1月份的风速日变化较大, 当地时间傍晚至夜间(世界时08:00—12:00)风速较低, 仅有5 m·s–1左右, 中午前后风速稍大, 风力最高为4—5级。1月风力较小时, 不同日期的风向有显著不同,但基本集中在南至西南这个风向范围; 风力较大时, 风向与冬季一致, 稳定为西至西南。

与风速的季节特征类似, 不同季节的气温日平均变化特征差异较大。冬季7月不同日期的气温相差较大, 但平均气温日变化较小, 日温差约为1℃, 这主要是因为极夜期间没有日照。夏季1月份极昼期间, 气温日变化显著, 凌晨气温最低,傍晚气温最高, 日温差可达4℃。从图3可见, 气温在冬季没有显著的日变化, 因为冬季气温与风速没有较强的相关性。夏季1月份Manuela站的气温与风速均有显著的日变化特点, 风速变化比气温变化滞后了约3 h, 例如日最高风速出现时间比日最低气温滞后约3 h。不同季节的相对湿度日变化特征相似, 均表现出了微弱的日循环特征,当地时间中午前后的湿度较低, 夜间至凌晨湿度较高。夏季的湿度日变化幅度比冬季高, 夏季当地时间凌晨湿度较高, 比下午高约9%, 而冬季日湿度差约为5%, 湿度最高值出现在夜间。

2.1.2 季节循环特征

AMPS在覆盖难言岛的Domain 5区域分辨率高达1.1 km, 可以较好地模拟当地天气和气候特征。此处取AMPS数据在Manuela站周围4个格点的双线性插值, 与自动气象站观测数据进行比较, 两组数据时间范围均为2014年1月—2015年12月。图4为该时间段的月平均值。

由图4和表1可见, AMPS对难言岛地区的风速和气温有较好的模拟能力。总体而言, AMPS在难言岛地区冬季的模拟风速稍高于实测值, 而夏季模拟值稍低于实测值, 但平均偏差仅为1.79 m·s–1。冬季气温模拟值稍低于实测值, 夏季气温模拟接近实测值。难言岛地区风速从1月开始迅速增大,至4月份达到全年最高值, 接着在长达5个月的时间里, 风速均处于较高的范围, 此时段内风力平均为8级以上, 9月份之后, 风速逐渐减弱。与之相对应, 气温从1月份开始迅速降低, 4—9月的气温处于–25—–30℃且变化幅度较小, 9月之后气温开始升高。

难言岛面积较小但地形复杂, 其东南部分是较为开阔的平坦地形, 西北部分有海拔约400 m的山峰。AMPS在此地区虽然水平分辨率较高, 但仍然无法精确描述当地复杂的地形,因而对风向模拟的偏差不可避免。由图4可见,AMPS模拟得到的风向比实测值偏西约30°,在夏季风速相对较小时, 风向的模拟值偏差更大。相对湿度是数值预报的难点之一, 尤其是极端气象环境下的沿海地区。虽然AMPS对湿度的模拟能力弱于风速和气温, 但仍然处于可信赖的水平。

图4 2014年1月—2015年12月难言岛Manuela自动气象站的各要素季节平均曲线图. 实线为AMPS的1.1 km数据在Manuela站的插值结果; 虚线为Manuela自动气象站的观测数据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 难言岛Manuela自动气象站所在位置的AMPS 1.1 km高分辨率模拟结果统计值(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 特拉诺瓦湾地区风场特征

上节以难言岛的自动气象站观测数据为主,分析了局地气候特征。本节讨论特拉诺瓦湾及其附近地区的大尺度下降风特征。

2.2.1 水平分布特征

图5为2014—2015年季节平均的罗斯海西岸近地层风场特征。总体来看, 该地区风向的空间分布在不同季节有相似的特征, 但风速有显著的季节变化。近地层风从横贯南极山脉和维多利亚地以西海拔较高的冰盖流向沿岸, 冬季在特拉诺瓦湾西岸等几处冰川地带形成强风汇集区。特拉诺瓦湾的北部和维多利亚地东岸的风速相对较小。罗斯岛地势较高, 在地形阻挡作用下, 其以北的罗斯冰架地区形成了微弱的中尺度系统, 但风速较小。在夏季, 无论是冰盖内陆还是沿岸的强风区, 风速都显著减小, 但风场的形态与冬季相比变化不大。强风汇集区从特拉诺瓦湾向东延伸至罗斯海内的范围,在夏季明显缩小。

图5 罗斯海西岸地区2014年1月—2015年12月季节性平均风场. 数据源于AMPS 3.3 km分辨率数据, 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

图6为特拉诺瓦湾及其附近地区的2014—2015年近地层月平均风场。来自南极大陆冰盖斜坡的强下降风主要汇集区位于Reeves冰川,Reeves冰川的下降风在到达难言岛附近地区时风速达到最大, 次要汇集区位于David冰川(各冰川位置见图1)。这些冰川地区之所以成为下降风汇集区, 一是从图1的地形等高线可见, Reeves冰川、David冰川及Larsen冰川等地区西部的高度落差较大, 下降风气流从冰盖内陆可以加速流下;二是冰川内部下垫面平坦, 且在冰川东部两侧的峡谷逐渐狭窄, 这种独特的地形使得下降风在前进过程中不断加速, 峡谷效应也增强了近地面风速。下降风气流长期流经这些冰川, 在雪粒的摩擦作用下, 形成了从卫星图像上可分辨的蓝冰。从图6还可以发现, 下降风气流流经上述冰川时,其两侧边缘界限非常明显, 表明边缘地区的风速梯度较大。

从季节变化特征来说, 强风区的风速在11月至次年1月较小, 2月和10月分别为风速增大和减小的过渡期, 3—9月风速较大。不同月份的风场空间分布形态相似, 风向稳定, 可见该地区下降风的形态特征主要来源于周边地形的作用和下降风自身的形成机制, 很少受南大洋天气尺度系统的影响。图6表明, 来自Reeves冰川和David冰川的强风向东延伸至特拉诺瓦湾以东海域, 其延伸范围随季节而变化, 冬季可达100 km以上,夏季风力较弱时仅能向东延伸30—50 km。Drygalski冰舌东南方向的罗斯海海域基本不受下降风影响, 风速常年较小。

图6 特拉诺瓦湾及其附近地区2014年1月—2015年12月的月平均风场. 数据源于AMPS 1.1 km分辨率数据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

为了分析特拉诺瓦湾及其附近地区风向随着时间变化的程度, 计算了无量纲的风向稳定度(wind directional constancy)DC, 即平均矢量风速与标量风速的比值。该风向稳定度值为1时表示风向完全稳定。风向稳定度由如下公式计算得到:

其中,

根据图3不同季节的风速日变化曲线, 选取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数据进行计算,分别代表夏季风速较大时和较小时、冬季风速较大时和较小时的风向稳定度。图7为4个时次的日平均风向稳定度。由该图可见, 夏季1月份风速较大时, 上述特拉诺瓦湾地区各冰川强风汇集区及其西部大陆冰盖上风向较为稳定, 1月份风速较小时, 风向分布不集中, 即夏季风速变化时,各地区风向有明显变化。而在冬季7月份, 无论风速相对较大还是较小, 图中大部分地区的风向稳定度都接近于1。值得注意的是, 图3和图6已经表明, 冬季风速的最低值仍然高于夏季风速的最高值。由此可见, 特拉诺瓦湾及其附近地区的风速较大时, 风向较为稳定。

为了更加精细地展现不同季节难言岛的风场特点, 利用1.1 km水平分辨率的2014年1月—2015年12月AMPS数据绘制了不同季节难言岛及其附近地区的平均风场形态。图8表明, 难言岛处于来自Reeves冰川的强下降风气流的核心区。由于难言岛最高海拔达400 m以上, 强下降风气流在到达难言岛之前风速有所减弱, 但越过难言岛之后, 气流再次加强。夏季(12—2月)该地区下降风较弱时, 这种地形阻挡作用不明显。

图7 特拉诺瓦湾地区2015年1月和7月风向稳定度分布图. 数据源于AMPS 1.1 km分辨率数据; a),c)当月风速较大时的风向稳定度; b),d)当月风速较小时的风向稳定度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

地面位势温度场的空间分布特征可以反映出近地层大气动力和热力过程。图9为各季节特拉诺瓦湾及其附近地区的地面位势温度场分布图。在下降风较强的冬季(6—8月), Reeves冰川、Larsen冰川和David冰川所在地区的地面位势温度在空间上有着近似均一的分布特征, 即下降风从冰川西侧开始汇集到流经冰川并加强的过程中, 地面位势温度变化幅度很小。这表明下降风在从冰川西部海拔较高处到沿岸地区海拔较低处的流动是干绝热过程。位势温度场的这种分布形态还表明下降风主要取决于其内部的动力过程。在特拉诺瓦湾存在位势温度较大区, 是因为此处有面积较大的冰间湖。

由图6可知, 特拉诺瓦湾附近冰川地区在冬季下降风的风速较大、范围较广。选取2016年7月10日06:00 UTC的AMPS 1.1 km分辨率预报数据为例, 分析Reeves冰川冬季强下降风汇集区的风速剖面特征。图10a为A点至B点连线的风速剖面图, 即沿着下降风流向的剖面; 图10b为C点和D点连线的风速剖面图, 即下降风风带的横截面, ABCD四点的位置见图6g。

图8 难言岛及其附近地区2014年1月—2015年12月近地面风场季节平均图. 数据源于AMPS 1.1 km分辨率数据;MAM: 3—5月, JJA: 6—8月, SON: 9—11月, DJF: 12—2月. 难言岛位于图的中心位置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

图9 特拉诺瓦湾地区2014年和2015年6—8月平均的地表位势温度场. 数据来自AMPS 1.1 km分辨率数据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

由图10可见, 在空间结构上, Reeves冰川下降风汇集区的上边界有清晰的分界线, 风速较强区的界线大约位于第11—12模式eta 层, 距离地面高度约为650—800 m, 其中, 图10a中位于163.7°E附近的风速减弱过程是由于难言岛山峰的阻挡作用,这与图8一致。沿着下降风的流向(图10a), 风速逐渐增大, 至冰川最窄处风速达到最大, 此后逐渐减弱。在风速的垂向分布上, 下降风在不同地区的风速最大值高度变化不大, 几乎都位于距离地面50—200 m高度上。从横截面图(图10b)看,Reeves冰川下降风的汇集区存在强风速核心区, 南北两侧均有明显的界线, 其中北侧有陡峭地形阻挡,南侧与Larsen冰川下降风汇集区连接。

图10 2016年7月10日06:00 UTC特拉诺瓦湾西岸Reeves冰川下降风汇集区空间剖面图. a)A点至B点风速剖面图;b)C点和D点风速剖面图(ABCD四点位置见图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 结论

下降风是南极特拉诺瓦湾及其附近地区的主要气候特征之一。对该地区下降风的研究将有助于为我国南极考察队提供可靠的气象保障。本文采用南极中尺度预报系统高分辨率资料和特拉诺瓦湾难言岛自动气象站实测数据, 分析了特拉诺瓦湾及其附近地区的下降风特征。

分析发现, 难言岛地区风速从1月开始迅速增大, 自4月份开始的长达6个月的时间里, 风速均处于较高的范围, 此时段内风力平均为8级以上。9月份之后, 风速逐渐减弱。与之相对应, 4—9月的气温介于–30—–25℃之间, 变化幅度较小; 气温从1月开始迅速降低, 9月开始升高。夏季1月份Manuela站的气温与风速均有显著的日变化, 风速的变化滞后于气温变化约3 h。Manuela站在冬季7月份观测到的风向稳定为西至西南, 风力较大, 约为7—8级, 风速平均为16.3 m·s-1。南极中尺度预报系统AMPS对难言岛地区的风速和气温有较好的模拟能力, 但模拟的风向比实测值偏西约30°。

罗斯海西岸地区风向稳定, 其空间分布特征基本不随季节而变化, 风向稳定度的统计显示,特拉诺瓦湾及其附近地区的风速较大时, 风向更为稳定。但风速有显著的季节性演变特征。近地层下降风从横贯南极山脉和维多利亚地以西海拔较高的冰盖流向沿岸, 冬季在特拉诺瓦湾西岸等几处冰川地带形成强风汇集区, 这些汇集区主要位于Reeves冰川、Larsen冰川和David冰川, 其中难言岛处于Reeves冰川下降风汇集区核心区。下降风强风区的风速在11月至次年1月较小, 2月和10月分别为风速增大和减小的过渡期, 3—9月风速较大。

从空间结构来说, 特拉诺瓦湾及其附近地区下降风汇集区的上边界和南北两侧均有清晰的分界线, 风速较强区从地面延伸至650—800 m高处。沿着下降风的前进方向, 下降风风速逐渐增大, 至冰川最窄处风速达到最大。在风速的垂向分布上, 下降风的汇集区存在强风速核心区, 风速最大值位于距离地面50—200 m高度上。由于难言岛最高海拔达400 m以上, 来自Reeves冰川的强下降风气流在到达难言岛之前风速有所减弱,但越过难言岛之后, 气流再次加强。下降风从冰川西侧开始汇集到流经冰川并加强的过程中, 地面位势温度变化幅度很小, 表明下降风在从内陆高原到沿岸地区的流动是干绝热过程。该地区下降风的形态特征主要来源于周边地形的作用和下降风自身的形成机制, 而很少受南大洋天气尺度系统的影响。

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