2014年初雪龍船在南極被海冰圍困期間海洋氣象環境分析

張林 李春花 柴先明 魏立新 李明 孫啟振 李志強 趙杰臣 趙彪劉富彬 田忠翔 孟上 孫虎林 馬靜 蘇博 于海鵬 劉洋

（1國家海洋環境預報中心，國家海洋局海洋災害預報技術研究重點實驗室，北京100081；2北京市遙感信息研究所，北京100192）

0 引言

南極惡劣的天氣和復雜的冰情是影響南極科考安全的重要因素，為了有效保障中國第30次南極科學考察的順利開展，國家海洋環境預報中心（簡稱預報中心）承擔了雪龍船海冰和氣象服務保障任務。

2013年12月25日，雪龍船接到俄羅斯“紹卡利斯基院士”號船救援請求后，改變原定赴羅斯海新建站址考察任務，趕往俄羅斯船被困海域進行救援（圖1），12月26日雪龍船進入俄羅斯船遇困浮冰區，2014年1月3日凌晨，雪龍船完成救援任務，準備撤離時，發現周圍海冰異常密實且厚度超出其破冰能力，被困冰區。預報中心及時利用實時高分辨衛星遙感圖像、現場觀測資料和數值預報產品綜合分析研判，提出6—8日是雪龍船脫困的最佳時機，建議雪龍船在該時間段擇機破冰突圍。7日，雪龍船根據準確預報信息，抓住有利時機，成功實現自我脫困。

雪龍船處在默茨冰川的西側，見圖2（a），該區域為多風區，默茨冰川于2010年2月發生斷裂，顯著縮短，斷裂前，由于突出的冰舌阻擋來自東側的海冰，雪龍船所處位置在歷史同期海冰較少，默茨冰川斷裂縮短后，由于南極沿岸存在西向的沿岸流，海冰的流動性增強，有更多的海冰進入該海域，原位于默茨冰川東側的巨型冰山B09B已移動到聯邦灣區域（142°43′E，66°37′S），大小為27海里 ×10海里（http：／／www.natice.noaa.gov／Main＿Products.htm），并已擱淺固定［1-2］，即位于雪龍船的西側附近?？梢?，雪龍船被困區域環境的復雜性。

圖1 雪龍船被困位置示意圖Fig.1.The R／V Xuelong trapped locationmap

圖2 雪龍船進入和離開被困區域的海冰.（a）2014年1月7日RadarSat-2衛星遙感圖像；（b）氣象狀況Fig.2.Sea ice image（a）from RadarSat-2 on 7 Jan 2014 and meteorological conditions（b）during the R／V Xuelong

本文主要介紹了雪龍船被海冰圍困應急期間的海冰氣象保障工作，并針對雪龍船被困期間的海冰、氣象和海洋環境狀況進行了綜合分析，著重分析了海冰運動、分布變化，對其與風速、風向，以及潮汐、潮流的關系進行了定性分析，得到一些初步結論。

1 數據資料與方法

目前能獲取的南極海冰衛星遙感資料主要有，德國不萊梅大學提供的AMSR2微波衛星遙感資料（http：／／www.iup.uni-bremen.de：8084／amsr2），空間分辨率為6.25 km［3］。微波遙感獲得的數據受云的影響小，能夠在大尺度獲得海冰分布的狀態信息，但其分辨率相對較低。第二種衛星遙感數據是由NASA提供的MODIS可見光衛星遙感圖像（http：／／lance-modis.eosdis.nasa.gov／imagery），分辨率為250 m。MODIS可見光圖像相對微波遙感技術來說，空間分辨率高，可以達到百米級，但是受云的影響大。第三種數據是SAR衛星遙感圖像，包括加拿大的RadarSat-2衛星遙感圖像和中國SAR衛星遙感圖像，分辨率能達到米級，且不受云的影響，對冰區導航無疑是最佳選擇。

對于此次雪龍船被海冰圍困應急事件，使用以Polar WRF模式為核心的極地大氣數值預報系統，在雪龍船受困海域建立模式嵌套區域，為雪龍船脫困提供精細化數值天氣預報。Polar WRF極地大氣數值模式是由美國俄亥俄州立大學伯德極地研究中心在 WRF模式（Weather Research and Forecasting model）基礎上進行改進的，以使其適用于極地［4-6］。極地大氣數值預報系統的參數配置為，垂直方向分為51層，并在邊界層進行加密，頂層氣壓設置為10 hPa；水平方向采用嵌套方式，對重點地區進行高水平分辨率預報，最高水平分辨率為3.33 km（圖3）。模式的初始場和邊界條件采用高分辨率的NCEPGFS資料，并包含對GTS準實時觀測數據的同化過程。GFS來源于全球譜模式，是較為可靠的模式輸入數據源。本文所采用的GFS數據的空間分辨率為1°×1°，包含了26個等壓面層（1 000—10 hPa）、地表邊界層、某些sigma層以及對流層的信息，數據的時間間隔為 6 h（00、06、12、18 UTC）。模式的參數化方案選取為：微物理過程方案選取WSM5方案；長波輻射選取RRMT方案；短波輻射方案選取Goddard方案；邊界層方案選取MYJ方案；積云方案選取kain-Fritsh方案。

極地大氣數值預報系統輸出平均海平面氣壓場、降水量場、10m高度風場、2m高度氣溫場、等壓面位勢高度場以及雪龍船所在位置的各氣象要素量化預報等數值預報產品，預報時效為168 h。經過檢驗發現，極地大氣數值預報系統的產品準確度較高，完全滿足應急現場天氣預報需求。

圖3 極地大氣數值預報系統為雪龍船脫困訂制的模式計算嵌套區域Fig.3.Domains designed of the Polar Weather Numerical Forecasting System（hereinafter referred to as PWNFS）for the R／V Xuelong rescue

潮汐潮流預報系統的開邊界處采用全球潮汐模型TPXO7的潮位和潮流資料驅動，模式水深資料為gebco 0.5′分辨率數據，并收集了雪龍船附近澳大利亞聯邦灣站基于歷史觀測資料調和分析的潮汐時刻表用以模式驗證。

2 雪龍船周邊區域海冰分析

結合現場觀測和衛星遙感資料綜合分析，我們按海冰類型和厚度，將雪龍船所在區域分為三個分區，即當年海冰區，冰厚較薄，厚度在1 m以下；密實多年海冰區，此區域為當年冰和多年冰的海冰混合區，冰情復雜，海冰類型較多，海冰厚度可以達到3—4 m，雪龍船被困區域正好在此區域；固定冰區，冰山B09B即位于該區域西側，此區域海冰為常年多年冰，海冰厚度大且堅固，由于冰山以及固定冰的阻擋，導致東側海冰易于堆積。

2013年12月27日，雪龍船救援俄羅斯船受阻，雪龍船所在區域周圍冰情嚴重，海冰密集度達到十成。雪龍船距離最近的海冰外緣點（145°E，66°43′S附近）的距離約為25 km，見圖4。在持續的偏東風作用下，相對于前幾日的海冰情況，雪龍船周圍的海冰明顯增加，海冰變得更加密實，雪龍船右側144.5°E—146°E，66°S—67°S區域及其北側出口144°E—146°E，65.5°—66°S區域海冰增多，偏東風的天氣狀況加劇了雪龍船周圍海域的冰情。12月31日雪龍船往外移動已較困難，根據現場反饋回來信息雪龍船周圍海域近十成冰，海冰厚度達3—4 m，附近還有冰山，而且這個區域內冰脊較多，海冰堆積程度很高，遠超雪龍船破冰能力。結合2014年1月2日MODIS可見光圖像（圖5），我們可以清晰地看到雪龍船所在區域的海冰分布和海冰外緣線狀況。

血清白介素-18及社會心理因素與急性腦梗死后抑郁的關系 … …………… 費鵬鴿，張朝輝，宋景貴，等 64

利用多幅高分辨率SAR圖像，對雪龍船所在區域的海冰類型和冰山運動漂移進行了分析，見圖6。在計算冰山和大塊浮冰的運動速度時，必須考慮的一個因素是，雪龍船位于一個亂冰堆積帶里，該堆積帶右側的邊緣，距離雪龍船約3 km，當浮冰和冰山進入該堆積帶后，就會停止向前運動。圖中的冰山1正好位于浮冰堆積帶的邊緣區，由于其尺度較大，約900 m×500 m，對雪龍船威脅較大，因此重點對該冰山進行了監測。冰山1在1月2日至3日，往北漂移了8.5 km，其每小時約漂移350 m，3日至5日又朝西北方向漂移了約3.5 km。當冰山進入海冰堆積帶后，運動幾乎停止，見圖6中2014年1月5日的冰山位置，僅在潮流的作用下，發生微小的位移。此外，1月5日在雪龍船東南側8.0 km處新增一座較大冰山2，大小為200 m×600 m。由此可見該區域冰山的運動變化較快，對雪龍船突圍構成潛在威脅。

圖4 2013年12月27日AMSR2海冰密集度圖Fig.4.Sea ice concentration from AMSR2 on 27 Dec 2013（Data source：http：／／www.iup.uni-bremen.de：8084／amsr2／）

圖5 2014年1月2日MODIS可見光圖像Fig.5.Sea ice image from MODISon 2 Jan 2014（Data source：http：／／lance-modis.eosdis.nasa.gov／imagery）

1月7日，伴隨著影響雪龍船區域的氣旋離開，雪龍船附近風向轉為偏西風。在持續偏西風作用下，雪龍船左側約19 km處的海冰出現了大范圍的斷裂，同時右側約3 km處也出現了裂縫，見圖7。雪龍船成功利用這次海冰斷裂的機會，成功實現自我脫困。

圖6 基于SAR衛星遙感圖像分析的冰山漂移Fig.6.Icebergs drifting map from SAR satellite remote sensing images analysis

圖7 2014年1月7日MODIS海冰可見光圖像Fig.7.Sea ice image from MODISon 7 Jan 2014（Data source：http：／／lance-modis.eosdis.nasa.gov／imagery）

3 極地大氣數值預報

為檢驗模式對雪龍船所在海域風場預報的準確度，我們分別將附近法國南極考察站迪蒙迪維爾站（66.66°S，140.00°E）和雪龍船的實測風資料與數值模式預報結果進行驗證（圖8）。數值模式預報得到的風向與迪蒙迪維爾站實測風向幾乎一致，均有自東-東南風轉為東風的過程，并且風向轉換的時間也是一致的。

由圖8（a）可見，模式得到的風速比迪蒙迪維爾站實測風速稍大，但是趨勢完全一致；圖8（b）表明模式預報站點氣壓及風向與雪龍船實測值幾乎一致，當實際風速相對較大時，預報的風速比實測風速大，風速相對較小時，預報值與實測值基本一致?？梢姶藰O地大氣數值預報系統用于雪龍船脫困期間風場的預報是可靠的，具有重要的參考價值。

圖8 極地大氣數值預報系統與法國站（a）實測風速和雪龍船（b）實測氣壓風向風速的對比Fig.8.Comparison ofwind speed and pressure from observations and PWNFS at Dumont d’Urville Station，France（a）and the R／V Xuelong（b）

基于以上檢驗，我們使用極地大氣數值預報系統對雪龍船及其附近海域的平均海平面氣壓場、風場、降水量場、500 hPa位勢高度場進行了數值預報（圖9），根據預報結果，進行了天氣過程發展的分析和預測。

為了更加直觀地預報雪龍船受困位置風的變化趨勢，我們根據客觀量化的風向風速數值預報結果，繪制了風向轉變的時間窗口示意圖（圖10）。

圖9 極地大氣數值預報系統關于雪龍船附近海域海平面氣壓場、風場、降水量場以及500 hPa位勢高度場的預報圖Fig.9.MSLP（hPa），wind（m·s－1），precipitation（mm），500 hPa geopotential height（m）from PWNFS in different domains

由圖10（a）可知，自北京時間6日22：00左右開始，極地大氣數值預報系統所預報的風向將由偏東風轉為偏西風。風向轉變之后，在大約9 h內風向逐漸增大，但風力維持在3級之內，之后風速有平緩減弱的趨勢。從8日0：00開始至16：00，風向在西南風與西北方之間擺動，風速也有小幅波動。自8日夜間開始，風向轉為東南風，風速有較大波動，風力可達6—7級。

1月7日更新的數值預報產品（圖10b）表明，偏西風將在8日上午結束，即西風的時間窗口將提前結束。8日傍晚轉為偏東風，風速有波動，并從9日下午之后開始逐漸增強。

根據上述數值預報結果，我們對雪龍船所在海域風向轉變的時間窗口和風速變化趨勢做出了準確的預報，為雪龍船脫困時機的選取提供了重要的氣象保障。

4 南極高分辨率潮汐潮流預報

利用區域海洋環流模式ROMS［7］在雪龍船被困區域（138°E—148E°，65°S—68°S）建立潮汐潮流預報模型（圖11）。雖然南極潮汐觀測資料匱乏，但是數值模型作為工具已經取得一定進展［8-9］。本文所建立的模型水平分辨率為1／60°，垂向50層。模式從2014年12月1日00：00啟動，積分40天，取自雪龍船被困1月2日起至1月9日的預報結果進行分析，并與雪龍船位置較近的南極聯邦灣站基于歷史觀測資料調和分析的潮位預報結果比較，為雪龍船選擇合適的窗口期解困提供有利的海洋環境信息。

圖10 極地大氣數值預報系統對雪龍船所在位置風向風速的預報示意圖Fig.10.Wind tendency to the location of the R／V Xuelong from PWNFS

雪龍船被困位置位于南極大陸邊緣，因此潮流在冰山和浮冰飄移過程中發揮著不可忽視的作用，準確預報出潮流的流向和轉流時刻，對雪龍船脫困窗口期的選擇是十分有利的。從1月2—8日，雪龍船所在位置經歷了天文大潮到天文小潮的衰減，從預報水位曲線看，該海域主要受半日潮波控制，日潮不等現象顯著，呈不規則半日潮（圖11），極區潮汐模式預報的高潮和低潮時刻和南極聯邦灣站預報結果吻合。從2—8日，潮流流速逐漸變小，8日的平均潮流流速約為8 cm／s，該海區潮流以西北東南方向的往復流為主（圖略），對雪龍船脫困影響不大。

圖11 模式預報水位（圖a）與模式預報流速、流向（圖b）Fig.11.Tidal elevation（a）and tidal current speed and direction（b）from forecastmodel

5 討論

由于雪龍船被困區域靠近大陸架，海冰類型較為復雜，冰山較多，多年冰和當年冰夾雜在一起，西側為固定冰區，南極大陸沿岸多數地區常年盛行偏東風，南半球夏季融化的海冰隨風自東向西漂流，受固定冰阻擋，海冰易產生堆積。根據海冰、氣象和潮汐潮流綜合分析，風是影響該區域海冰和冰山運動變化的主要因子，潮流作用次之。

迪蒙迪威爾海即紹卡利斯基號和雪龍船受困海域，受連續多個氣旋影響，偏東大風持續時間長，風力大，導致海冰自東向西堆積，是造成雪龍船被圍困的主要因素。2013年12月22日至12月26日受不斷發展的極地氣旋影響，偏東大風持續，氣旋中心最低氣壓為969 hPa。12月28日，低壓減弱東移后逐漸填塞，受困海域受均壓場控制，12月30日，再次受氣旋影響，東南風也再次增強，周邊海冰在強勁的東南風作用下，不斷堆積，2014年1月3日后又受氣旋影響，偏東大風使海冰進一步擠壓堆積。從圖3雪龍船進入密集浮冰區路線可以看到，12月28日之后雪龍船航速基本為0，而是在持續東南風的作用下隨著海冰向西北方向漂移至被困點，至1月2日向西北方向漂移了8—9 km，由于海冰進一步堆積，海冰越來越密實，將雪龍船深陷其中，1月3—6日雪龍船基本隨潮流做小幅的西北-東南向往復運動。

通過多頻次的實時高分辨衛星遙感數據和現場實時數據，及時掌握雪龍船周邊的冰情變化，綜合大氣和潮汐潮流預報，進行準確的天氣形勢判斷和預報，給出1月6—8日為最佳的脫困時間窗口，保障雪龍船順利脫困。1月6日澳大利亞南部高壓強盛，中心氣壓達到1 027 hPa，高壓脊有加強南伸趨勢，根據實時海冰衛星遙感數據，雪龍船東側海冰出現了明顯松散現象。6日夜間，受高壓脊的影響，出現偏西風，與預報結果一致，7日偏西風加大至4級左右，距雪龍船西側約19 km處海冰斷裂，現場冰情變化非?？?，浮冰出現多處破裂，雪龍船附近海冰出現松動，雪龍船成功轉向，并在短時間內駛出密集浮冰區。

6 結論

此次雪龍船脫困應急預報保障工作是對中國極地預報保障能力的一次檢驗，通過此次突發事件，讓我們意識到擁有自主實時數據資源和自主預報能力的重要性。及時掌握雪龍船周邊的冰情變化，以及準確的天氣形勢判斷和預報，是此次雪龍船順利脫困的關鍵。

通過對雪龍船被海冰圍困期間的海冰、氣象和海洋環境狀況綜合分析發現，造成雪龍船被圍困的主要因素，一是由于雪龍船被困區域靠近大陸架，冰山較多，多年冰和當年冰夾雜在一起，海冰類型較為復雜；二是由于受連續多個氣旋影響，在雪龍船受困海域，偏東大風持續時間長，風力大，加之受西側固定冰區阻擋，海冰自東向西堆積，致使雪龍船被困。

通過此次應急預報保障實踐，讓我們認識到南極環境的復雜性和不同區域的獨特性，比如中國在羅斯海擬新建站區域同樣是個環境極為復雜特殊的地區，要做好未來的預報保障，必須對當地的大氣和海洋狀況以及地理狀況有充分的了解，需要我們更深入全面地去研究；此外，中國目前雖然已具備一定的極地預報保障能力，但由于極區海冰與海洋、大氣間相互作用的復雜性，以及極地區域現場觀測資料的匱乏，目前對極區大氣、海洋和海冰的預報還存在很多的不確定性，目前模式分辨率還不能滿足局地較小區域及航行的預報需求，預報能力還較為有限，亟需加強區域精細化預報系統的研發，加強極區觀測能力建設，以建立完善的極地監測預報系統。

致謝 衷心感謝北京市遙感信息研究所相關人員不辭辛勞在雪龍船應急預報保障的第一時間提供了實時衛星遙感資料，雪龍號王建忠船長及現場觀測人員提供了現場信息。感謝澳大利亞南極局的Petra Heil博士及時提供冰情信息，感謝國家海洋衛星應用中心提供的衛星遙感資料，北京師范大學惠鳳鳴博士在遙感資料分析上提供的幫助。

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