2018年中国第9次北极科学考察走航期间北极低层大气垂直结构特征分析

田忠翔 赵福 尹朝晖 于文灏

(1国家海洋环境预报中心, 北京 100081;2中国海洋大学, 山东 青岛 266100)

提要 利用中国第9次北极科学考察期间获取的大气探空资料, 分析了走航期间北极低层大气垂直结构特征。分析发现: (1)对流层中部大气的平均温度递减率为5.67℃·km-1, 与北极中心区的结果比较一致, 高空急流特征比较显著, 尤其是高纬地区; (2)本航次观测到的边界层逆温层底高度、厚度和温度差的中位数分别为306 m、299 m和3.2℃, 与SHEBA(Surface Heat Budget of the Arctic Ocean)的结果比较一致; (3)低空急流高度和风速的中位数分别为456 m和11.40 m·s-1, 大多数时次的风速分布在6～14 m·s-1之间; (4)本航次观测到只有67.27%的低空急流高度位于最低逆温层之下, 而考虑多层逆温后, 92.73%的低空急流位于逆温层之下。

0 引言

边界层逆温和低空急流是北极低层大气垂直结构中两个非常重要的现象。逆温层不仅会阻碍大气与下垫面之间的物质和能量交换[1], 还在海冰变化中起着重要作用[2]。北极高纬海域的逆温强度不仅存在明显的日变化[3], 还存在显著的年际变化[4]。来自高空较强的暖湿气流与冰面近地层冷空气的强烈相互作用, 会形成强风切变、逆温和逆湿过程, 导致高纬海域的海冰破碎, 加强气-冰-海相互作用[5]。北极大气逆温层产生的原因非常复杂, 它不仅与辐射冷却、暖空气对流、沉降和云顶冷却有关, 也与海冰/雪表面融化和地形有关[6-12]。

低空急流对天气和局地气候有着重要的影响,而且还会影响水汽输送和海冰漂移等。Bian等[13]观测到北极中心区大气垂直结构存在低空急流。1996年夏季北极2/3的探空观测存在低空急流,其强度是天气尺度下地转风的2倍[14]。SHEBA(Surface Heat Budget of the Arctic Ocean)的观测结果显示北极太平洋扇区全年出现低空急流的频率为41%, 夏半年的频率低于冬半年, 为34%[15]。依托Tara冰站观测, 发现低空急流的高度与逆温层顶之间的关系非常复杂[16]。Andreas等[17]认为惯性振荡是南极西威德尔海低空急流的成因。

在北极环境快速变化的背景下, 为了了解北极气-冰-海之间的物质和能量交换, 对北极地区边界层逆温和低空急流的研究至关重要。因此,在北极海域开展探空观测, 获取低层大气垂直结构, 具有重要的现实意义。然而, 在北极特殊地理位置和恶劣环境的影响下, 北极海域开展的探空观测非常稀少, 现场观测资料非常匮乏。本文使用的数据为中国参与YOPP(Year of Polar Prediction, YOPP)计划所获取的GPS探空数据。依托我国第9次北极科学考察, 利用Vaisala探空观测系统在短时间内获取了大范围的大量探空数据。本文利用这些数据分析2018年第9次北极科学考察走航期间低层大气的垂直结构特征。

1 数据与方法

在中国第9次北极科学考察走航期间(2018年7月31日—9月4日), 在“雪龙”号科考船上,利用Vaisala RS41型GPS探空仪在北极太平洋扇区开展了84次探空观测(图1), 观测的参数包括高度、温度、相对湿度、风向和风速等(表1)。7月31日—8月25日(除8月15日和23日)每天00时和12时(UTC)进行2次探空观测, 8月15日和8月25日—9月3日期间, 每天00时、06时和12时(UTC)进行3次探空观测, 8月23日在03时(UTC)增加一次观测, 9月4日在06时、09时和12时(UTC)进行3次探空观测。所有观测均参照业务化要求进行, 观测区域为(73.5°N～85°N,150°W～170°W)。84次观测的最大探测高度为35.61 km, 最小为3.65 km, 平均高度为31.15 km。其中81次探空高度超过8 km, 1次低于4 km, 其余2次大约7.5 km。图2a给出了一次探空观测中探空气球的漂移轨迹。

图1 探空初始位置分布Fig.1.Initial position of GPS radiosondes

表1 探空仪参数＊Table 1.Specifications of the radiosonde*

图2 2018年8月5日00时(UTC)探空气球的漂移轨迹(a)、温度和风速廓线(b), 以及边界层逆温和低空急流示意(b)Fig.2.The drift trajectory of balloon (a), the temperature and wind speed vertical profile (b) at 00 UTC on August 5, 2018,with the schematic diagram of low-level temperature inversion and low-level jet(b)

按照通用做法, 以每次探空最大高度作为最大判别高度, 对原始数据进行50 m间隔的标准化处理, 最终获得不同标准层的气温、风速和风向等数据。为了获取更加精确的边界层逆温和低空急流参数, 本文直接使用原始数据进行边界层逆温和低空急流各参数的判别。

2 分析结果

2.1 平均廓线和经向分布特征

图3给出了84次探空观测的平均温度、比湿、风速和风向垂直廓线。气温从近地面至200 m下降到-2.11℃, 然后出现逆温层, 800 m处温度升至最高-0.90℃, 之后随高度的增加而下降, 9.8 km处降至最低-50.97℃, 9.8～12.1 km随高度的增加而升高至-44.98℃, 12.1～25.0 km略有下降, 25.0～35.0 km又逐渐升高至-29.10℃。逆温层的温度变化率为0.22℃·(100 m)-1, 这不仅低于北极夏季平均值0.5℃·(100 m)-1[18-19], 更显著低于2010年夏季在北极高纬海域观测到的1.3℃·(100 m)-1[13]和2014年夏季在相同海域观测到的结果[20]。1.0～9.8 km之间的平均温度递减率为5.67℃·km-1, 与北极中心区的结果比较一致[4], 但小于全球平均的对流层中层温度递减率6.5℃·km-1[21]。比湿在近地面的变化趋势与温度比较一致, 逆温层出现的高度也出现了逆湿现象。比湿从近地面至250 m减小至3.28 g·kg-1, 然后出现逆湿结构, 至750 m处达到最大值, 为3.47 g·kg-1, 逆湿层的比湿变化率为0.038 g·kg-1·(100 m)-1。逆湿层以上, 比湿随高度的增加而快速减小, 至对流层顶附近基本减小为0, 之后又缓慢增大至0.24 g·kg-1。可见, 北极大部分水汽集中在对流层中下层, 对流层上层的水汽含量急剧减少, 至对流层顶附近基本为0。风速从近地面至250 m快速增大, 从5.93 m·s-1增大到8.87 m·s-1, 增大速率为1.47m·s-1·(100m)-1。250～1050 m之间出现混合层, 风速一直维持在8.8 m·s-1左右。1.0～9.2 km, 风速呈增加趋势, 最大风速达20.99 m·s-1。之后至21.0 km处, 风速呈减小趋势。21.0 km以上, 风速趋于稳定。可见高空急流特征比较显著, 而低空急流较弱。与北极中心区的观测结果相比, 高度与2012年接近, 但比2010和2014年高, 风速显著大于北极中心区域的结果[3,4,20]。

风向从近地面至2.5 km由200°转为240°,2.5 ～ 12.0 km变化较小, 12.0～23.0 km逐渐由230°转为180°左右, 23.0 km处转为150°左右, 23.0 km以上维持在120°～180°之间。

从温度剖面的经向分布(图4a)中可以更加直观地看出近地面大气的逆温结构, 而且逆温区同时出现了逆湿现象(图4c)。在9.0～12.0 km的高空存在明显的低温区(图4a), 最低温度低于-50℃,对流层顶位于该低温区内。5.0～11.0 km存在高空急流(图4b), 并且该区域与对流层顶区域相一致。高纬地区的高空急流强度较弱, 垂向范围和中心风速较小。81°N以南区域, 高空急流中心最大风速为40 m·s-1左右, 垂向范围可达6 km, 而81°N以北区域, 高空急流中心最大风速为20～25 m·s-1, 垂向范围大约为2 km。高空急流的存在阻碍了平流层和对流层的物质和能量交换。近地面2 km以下, 部分区域存在低空急流, 风速可达12～18 m·s-1。

图4 温度(a)、风速(b)和比湿(c)剖面的经向分布.“+”为冷点对流层顶高度Fig.4.The zonal distributions of temperature (a), wind speed (b) and specific humidity (c) of Arctic.“+” represents the cold point tropopause

2.2 边界层逆温

我们采用Andreas等[17]对边界层逆温的定义,即在温度垂直廓线上, 温度开始呈上升趋势时的高度为zb, 相应高度的温度为Tb, 温度开始呈下降趋势时的高度为zt, 相应高度的温度为Tt, 如果逆温层中包含厚度100 m左右的温度呈下降趋势的层, 那么该层将被忽略(图2b)。Δz=zt-zb和ΔT=Tt-Tb分别被定义为逆温层厚度和逆温层温度变化。如果具有多层逆温结构, 我们只统计最低层的逆温。

由于本文使用的探空数据是走航观测结果,因此, 无法讨论接地逆温的情况。图5给出了边界层逆温层底高度、边界层逆温层厚度、边界层逆温层底气温和边界层逆温层温度变化的统计分布情况。由于边界层逆温层各参数的分布不符合正态分布, 而符合γ分布, 因此中位数比平均值更有意义。zb分布在30～2700 m, 中位数为306.35 m,其中75.00%的zb小于500 m。与历史同期北极探空观测结果相比, SHEBA和NP漂流站的zb与本文接近, 而其余北极中心区的观测结果显著低于本文的结果(表2)。海冰/雪融化和云的存在都会使边界层逆温抬升, 即zb增大。Δz分布在30～2100 m, 中位数为299.10 m, 其中57.14%的Δz在50～400 m, 90.47%的Δz在800 m以内。SHEBA观测到的Δz依然与本文的结果比较一致, 而北极中心区的观测结果则显著大于本文的结果。这说明北极中心区的边界层逆温更加深厚。Tb的最小值和最大值分别为-19.12℃和1.65℃, 中位数为-2.98℃, 其中80.95%的Tb分布在-6～0℃之间。ΔT的最小值和最大值分别为0.25℃和9.24℃, 中位数为3.18℃, 其中59.52%的ΔT分布在0～4℃之间。不管是太平洋扇区, 还是北极中心区, 观测到的ΔT比较一致。北极中心区表现为Δz较大时,ΔT较小, 而太平洋扇区无此特征。整体上看,SHEBA的观测结果与本文比较一致, 这可能是因为两者的观测区域比较接近, 但也不能排除其他因素的影响。太平洋扇区与北极中心区相比,太平洋扇区的边界层逆温不仅有所抬升, 而且逆温厚度较小, 但逆温强度(ΔT)相差不大。

表2 北极8月份历史航次获取的边界层逆温参数＊Table 2.Temperature inversion statistics of August from former studies*

图5 边界层逆温层底高度Zb (a)、厚度(Zt-Zb)(b)、边界层逆温层底气温Tb (c)和逆温层温差(Tt-Tb)(d)的频数分布图Fig.5.Histograms of inversion statistics: the height of the inversion base (a), the depth of the inversion (b), the temperature at the inversion base (c), and the temperature change through the inversion (d)

2.3 低空急流

我们采用Stull[25]对低空急流的定义, 即在风速垂直廓线上, 如果1500 m以下低空最大风速超过其下层和上层风速2 m·s-1, 这种结构就称为低空急流, 该最大风速就是低空急流核风速, 对应的高度为低空急流核高度(图2b)。84次GPS探空观测中, 55次观测(65.48%)出现了低空急流。基于同样的低空急流定义, Jakobson等[16]利用Tara观测数据, 发现只有46±8%的观测时次出现低空急流。AOE 2001观测到的低空急流更少, 只有25%[23], 显著低于本文的分析结果。程刚等[15]发现SHEBA夏半年的低空急流出现频率为34%,也比本文的结果偏低。Revelle和Nilsson[14]认为极地的低空急流发生频率为60%～80%, 与本文的结果比较一致。Vihma等[26]在丹麦海峡冰边缘区观测到91%的观测时次出现低空急流。冬季,低空急流的发生频率显著大于夏季, SHEBA观测到冬半年比夏半年增大14%, 其中3月份最为活跃, 发生频率超过60%[15]。1992年2—6月Andreas等[17]在南极西威德尔海观测到低空急流的出现频率为80%。可见, 低空急流的发生频率具有较强的局地性, 受观测时间、下垫面及天气系统影响较大。

低空急流各参数同样比较符合γ分布, 因此仍对中位数进行讨论。低空急流高度的中位数为455.95 m, 其中27次观测(约占49.09%)的高度在100～400 m之间(图6a)。Tara观测到低空急流位于70～1150 m, 而多数低空急流核高度为100～500 m[16]。Tjernström等[23]发现AOE 2001的低空急流主要在200～400 m内。SHEBA夏半年有70%的急流位于600 m以下, 最大频率出现在100～150 m之间。Tara和AOE 2001的结果与本文结果比较一致, 而SHEBA的最大出现频率高度比本文更加集中。南极西威德尔海秋季和初冬的观测发现低空急流出现在425 m内[17]。这种显著差异可能是因为观测设备及天气的影响, Andreas等[17]的最大观测高度不超过1000 m, 甚至只达到600 m。

本次观测的低空急流风速在4.90～18.80 m·s-1之间, 大多数时次分布在6～14 m·s-1之间, 中位数为11.40 m·s-1, 平均风速为11.33 m·s-1(图6b)。SHEBA观测到夏半年低空急流风速多位于4～12 m·s-1, 平均风速约为10 m·s-1[15], 略小于本文的结果。由于Tara的探空观测只在风速小于15 m·s-1时进行, 因此Tara观测到的平均低空急流风速为7.1 m·s-1[16],明显低于本文的结果。受观测设备的限制, AOE 2001观测到的低空急流风速为5～7 m·s-1[23], 与Tara的结果比较一致。

低空急流风向大多分布在240°～280°和300°～360°两个区间, 中位数为243.00°(图6c)。结合风玫瑰图(图7), 不难发现, 西-西南和西北方向的急流明显高于其他方向, 16 m·s-1以上的强风急流主要集中的西-西南, 12～14 m·s-1的低空急流主要集中在西北方向, 而弱风急流没有集中风向。

图6 低空急流高度(a)、风速(b)和风向(c)的频数分布图Fig.6.Histograms of low-level jet statistics: the height of the jet core (a), the wind speed in the core (b), and the wind direction at the core (c)

图7 低空急流核风玫瑰图Fig.7.Wind rose plot of low-level jet at CHINARE 2018

2.4 低空急流与边界层逆温的关系

Tjernström等[23]发现多数低空急流都位于逆温层之下。本航次观测到只有67.27%的低空急流高度位于最低逆温层之下(图8)。低空急流高于最低逆温层顶的情况多发生在500～1500 m之间的高度上, 风速多集中在8～15 m·s-1之间。程刚等[15]对北极1997年10月—1998年10月SHEBA的探空观测结果进行分析, 全年有75%的急流高度位于逆温层之下。Andreas等[17]利用1992年2—6月南极西威德尔海1000 m以下的探空数据发现约90%的低空急流位于逆温层顶以下。8月, 北极海域的大气出现的多层逆温结构和多层层积云[27], 会阻碍上层动量向下传播, 从而在逆温层上面形成较强的低空急流。卞林根等[5]利用2003年8月23日—9月3日北极海域系留气艇的观测数据, 发现只有20%的观测时次出现了典型的稳定边界层结构。本航次观测期间, 存在低空急流的观测时次中, 共有26次出现多层逆温。如果将图8的逆温层顶拓展至最高逆温层顶, 将有92.73%的低空急流位于逆温层下方, 与历史研究结果比较一致[17,23]。

图8 边界层逆温层顶高度和低空急流高度对比图Fig.8.Scatter plot of the height of the jet core with the height of the top of the low-level temperature inversion

3 结论

夏季北极海冰和积雪的不均匀分布, 以及海冰漂移的不确定性, 导致同一海域的气-冰/气-海之间的动量、感热和潜热通量不断发生变化, 即大气下垫面处于不断变化的状态, 最终影响大气边界层的结构特征。北极大气垂直结构, 尤其是边界层结构, 在特殊下垫面、天气过程和云量等因素的综合影响下,是非常复杂的。虽然走航探空观测具有一定的时空局限性, 这是无法避免且难以消除的, 但是对短期大量探空数据的统计分析仍然具有一定的现实意义。通过分析中国第9次北极科学考察获得的GPS探空资料, 我们统计分析了北极夏季低层大气垂直结构, 文中获取的大气垂直结构特征参数对改进气候模式具有重要参考作用。主要结果讨论如下。

1.近地层存在逆温结构。对流层中部大气的平均温度递减率为5.67℃·km-1, 与北极中心区的结果比较一致, 但小于全球平均值。高空急流特征比较显著, 而低空急流较弱。其中, 高纬地区的高空急流较弱。

2.本航次观测到的边界层逆温层底高度、厚度和温度差的中位数分别为306 m、299 m和3.2℃。与前人同期的研究结果相比, 同样在太平洋扇区观测的SHEBA的结果与本文比较一致。太平洋扇区的逆温层底高度大于北极中心区的结果, 而逆温厚度比北极中心区偏小, 逆温层温差比较一致。

3.84次GPS探空观测中, 55次观测出现了低空急流。低空急流高度和风速的中位数分别为456 m和11.40 m·s-1, 其中约1/2的低空急流位于400 m以下, 大多数时次的风速分布在6～14 m·s-1之间。本航次观测到的低空急流高度与前人的研究结果比较一致。但是, 由于历史观测受观测条件的限制, 本航次观测到的急流风速比历史研究结果偏大。弱风急流无集中风向, 强风急流主要集中在西-西南和西北方向。

4.本航次观测到只有67.27%的低空急流高度位于最低逆温层之下。如果将多层逆温结构考虑进来, 将有92.73%的低空急流位于逆温层下方,与前人的结果比较一致。低空急流高于最低逆温层顶的情况多发生在500～1500 m之间的高度上,风速多集中在8～15 m·s-1之间。

致谢:感谢中国第9次北极科学考察队队员的帮助。