北冰洋中心區海冰漂流與大氣過程

卞林根，王繼志，孫玉龍，逯昌貴，林祥，李多

（1.中國氣象科學研究院，北京 100081；2.南京信息工程大學氣象災害預報和評估協同創新中心，江蘇南京 210044；3.國家氣候中心，北京 100081）

北冰洋中心區海冰漂流與大氣過程

卞林根1，2，王繼志1，孫玉龍2，逯昌貴1，林祥1，李多3

（1.中國氣象科學研究院，北京 100081；2.南京信息工程大學氣象災害預報和評估協同創新中心，江蘇南京 210044；3.國家氣候中心，北京 100081）

利用北冰洋中心區漂流自動氣象站（DAWS）2012年9月—2013年2月的觀測數據，分析了北極點周圍海冰漂流軌跡和速度及相關大氣過程。結果顯示，北冰洋中心區海冰具有不穩定漂流過程。2012年9月1日—2013年1月6日，DAWS所在海冰從西向西北方向漂流，2013年1月6日以后穩定地向東南方向漂流，平均移速為0.06 m／s，最大達到0.4 m／s。海冰漂流方向的突變和加速與穿極氣旋和急流的影響有關。凈輻射常出現短期突變過程，導致海冰從大氣吸收能量，減緩了海冰的輻射冷卻。爆發性增溫過程的最大幅度達到30℃，是由強穿極氣旋和伴隨的暖濕氣流向北極中心區輸送引起，這種現象在中低緯度十分罕見。增溫過程的作用是高空大氣向冰面輸送熱量，導致海冰破裂，海冰硬度的脆變，減緩海冰厚度的增長，這種過程可能是北極海冰面積和厚度減少重要過程。

北冰洋；漂流自動氣象站；海冰運動；爆發性增溫；穿極氣旋

1 引言

近年來北極海冰面積和厚度持續減少及其對全球氣候變化的反饋作用已成為國內外研究的關鍵問題。目前多數氣候模式對北極地區氣候變化和海冰變化趨勢模擬的誤差都較大［1—3］。由于北冰洋大氣和海洋缺少固定站觀測資料，分析研究多采用同化分析或遙感反演資料，需要實測資料加以驗證。北極浮標站資料與再分析資料對比研究表明，北極浮標站資料對極地地區資料缺失的填補有重要意義［4］。北冰洋海冰表面熱量平衡的觀測和研究近年來取得進展，北極海冰生消過程與大氣的動力和熱力作用過程關系密切［5—8］。美國、日本和歐洲建立了北極點環境觀測計劃（NPEO）和國際北極浮標合作研究計劃，獲取了局部海區的海洋、大氣和海冰實時數據。由于北冰洋海冰的漂流，難以獲得固定點的歐拉時間序列觀測信息，計劃中除采用飛機安裝自動氣象流站外，還開展了機載水文調查研究［9—10］。當前，通過北冰洋實時資料的獲取與分析，研究海冰漂流規律和融化過程在氣候變化中的作用也是目前的研究焦點［11—13］。我國在1999—2012年夏季，開展了5次北極科學考察，獲取大量的考察資料，并進行了相關研究［4，14—23］。2010年我國第4次北極考察隊在北冰洋安裝的首個冰浮標站（IMB），獲得了海冰漂流速度和方向的資料［17］。本文利用2012年我國安裝的首個北極漂流自動氣象站獲得的觀測資料和再分析資料，對北極點周圍海冰漂流軌跡和速度及其大氣過程進行分析，并討論大氣過程對海冰變化的影響。

2 北極漂流自動氣象站

中國第5次北極考察隊于2012年8月29日到達北冰洋中心區，利用船載直升機將自動氣象站運抵87°39′N，123°37′E的浮冰上，在面積約3 km2、厚約1.5 m的海冰上布放了我國研發的首個北極漂流自動氣象站（DAWS）。DAWS由氣象塔、傳感器、衛星發射天線、采集器和電源系統組成。衛星發射天線安裝在塔頂部，在2 m和4 m高度分別安裝了溫度、濕度傳感器（HMP45D，Vaisala）、風速和風向傳感器（05106 monitor-Ma，Young），在2 m高度安裝了向上向下的長波和短波輻射傳感器（CNR1，Kipp-Zonen）、冰面紅外溫度傳感器（IRR-P，APOGEE）和大氣壓力傳感器（CS106，Campbell），在冰面以下0.1 m和0.4 m深處安置了冰溫探頭（PT100）。所有傳感器與數據采集器（CR-5000，Compbell）連接，由耐低溫電池組供電，每小時采集10 min平均數據，自動發射到ARGOS衛星通信平臺，實現觀測數據實時傳送。DAWS在－60℃低溫條件下可正常運行，在風和洋流的作用下，隨所布放的海冰一起漂流。DAWS從2012年8月30日開始傳送資料，到2013年2月23日停止，運行了178 d。由于北冰洋濕度很大，風傳感器產生凍結，影響了風資料的連續性和精度，因此，在分析中沒有利用風的資料。

3 海冰漂流軌跡和速度

采用2012年9月31日—2013年2月23日DAWS逐時經度和緯度資料，繪制了北冰洋中心區海冰漂流軌跡。由圖1可見，DAWS所在海冰運動方向多次出現擺動過程，其中有2次顯著迂回運動過程，分別出現在9月到10月中旬和11月中旬到下旬。海冰漂流方向為東南向西北，直線距離漂移了近2個緯度。2013年1月6日DAWS漂流到北極點附近（89.5°N）后，穿過北極點一直向東南方向漂流，經向擺動幅度很小。1月23日DAWS漂流到87.33°N，104.43°W位置后消失，在此期間DAWS漂移約2個緯度。與2008年10月我國在北極中心區海冰上安裝的冰浮標（IMB）所在海冰的漂流軌跡較為相似，秋季海冰漂流也存在迂回運動過程，漂流方向也是偏北［17］。該現象顯示北冰洋中心區大范圍的海冰破碎，存在未凍結水域，在海流和氣流的作用下，海冰漂流能夠產生迂回運動。冬季隨著溫度的下降，北極點附近海域全部凍結，形成面積巨大的浮冰，DAWS所在海冰的漂流方向相對穩定。

圖1 2012年9月1日－2013年2月23日DAWS北冰洋中心區海冰漂流軌跡Fig.1 DAWS drifting trajectory over centre of Arctic ocean from September 1，2013 to February 23，2013

利用DAWS每小時經度和緯度數據計算出海冰漂流速度。圖2給出海冰漂流速度的時間序列。北冰洋中心區海冰漂流速度秋季平均為0.05 m／s，冬季平均為0.06 m／s，最大移速達到0.4 m／s。由此可見，秋季海冰漂流速度小于冬季。與鄧娟等［4］的結果相比，2008年和2012年秋季北極海冰平均漂流速度相差不大，但2012年冬季海冰漂流速度要比2008年大30%左右。可能與海冰分布狀況和大尺度風場的年際變化有關［17］。

圖2 2012年9月1日—2013年2月23日DAWS漂流速度的時間序列Fig.2 The time series of DAWS drifting speed from September 1，2012 to February 23，2013

2013年1月2—6日，DWAS所在海冰漂流到北極點附近（圖1），漂流方向突然發生了從西北轉向東南的漂移過程。為了解該過程發生的原因，利用NOAA再分析資料分析了2013年1月2日高低空的天氣形勢。在1 000 hPa圖上，DWAS位于很強的反氣旋環流中心附近（圖3a），500 hPa上的反氣旋中心靠近極點（圖3b），冷暖氣流的交匯和氣壓梯度產生了持續的穿極高空急流，低層伴有大于20 m／s的強風氣流，該天氣形勢導致了DWAS所在浮冰沿高空急流方向運動。北極反氣旋環流影響的范圍較大，盡管冬季北冰洋新冰和多年生海冰已凍結成一起，在強風暴的影響下，也會產生漂流方向的改變。因此，在研究北極海-冰-氣相互作用過程中，需要考慮穿極氣旋和急流的影響。

圖3 2013年1月2日北極地區（60°N以北）1 000 hPa和500 hPa流場和溫度場Fig.3 The 1 000 hPa flow field and 500 hPa temperature field in January 2，2013 over Arctic area（north of 60°N）

4 北冰洋中心區大氣過程

DAWS觀測的178天逐時氣象數據，經過質量控制后顯示資料具有較高的可靠性。資料覆蓋了秋季（9－11月）和冬季（12－2月）。北極中心區9月下旬進入極夜期，2個季節的資料能夠代表無太陽輻射加熱條件下的大氣環境。

4.1 秋冬季的輻射平衡

圖4給出太陽總輻射、反射輻射、反照率、長波輻射和凈輻射日平均值的時間序列。9月上中旬北極中心區太陽高度角較很低，太陽輻射強度很弱（見圖4a），加之海冰表面具有較高的反照率（見圖4b），海冰吸收的輻射能很少。輻射平衡主要是海冰和大氣之間的長波輻射相平衡。長波輻射的季節變化十分顯著，從秋季的300 W／m2左右下降到冬季的150 W／m2左右。由于氣旋活動的影響，長波輻射出現了幾次很大的振幅過程，最大升幅達到100 W／m2以上。海冰表面的紅外溫度和冰面放出長波輻射呈顯著相關關系（見圖4f），相關系數達到0.99，超過了0.001的顯著性水平，相關顯著說明資料具有很高的可信度。在此基礎上，計算的凈輻射（見圖4e）顯示，9月上中旬，由于有太陽輻射，凈輻射為正，冰面吸收輻射能，其后期進入極夜，凈輻射均為負值，平均為－5.3 W／m2，表明大氣向海冰輸送熱量。凈輻射多次出現短期突變過程，日平均最大值達到45 W／m2左右，導致海冰表面吸收能量強烈，減緩了海冰的輻射冷卻。

4.2 秋冬季溫度和濕度的變化特征

圖5給出氣溫、相對濕度、冰溫、氣壓和冰面紅外溫度的日平均序列。各個要素的變化過程在時間上具有顯著的一致性，說明DWAS的傳感器在運行期間沒有出現凍結現象。從圖5可看出，氣溫和濕度多次出現不穩定的變化過程，氣溫升高會直接引起冰溫的升高，但海冰溫變化幅度較小。9－10月冰溫維持在－5～0℃（見圖5e和圖5f），表明海冰處于不穩定的融化期，冬季的平均氣壓大于秋季，但季節變化不十分明顯，出現的低壓過程都會引起了溫度和濕度明顯升高，表明北極中心區低壓過程伴隨著暖濕氣流影響DWAS所在的海冰區。

表1給出DAWS觀測的逐時資料計算的逐月平均經緯度、平均溫度和相對濕度。北極中心區秋季的平均溫度和濕度也顯示，海冰處于不穩定融化期，相對濕度大于90%，冰溫接近0℃，氣溫為－4℃左右，這種氣象條件能夠造成海冰融化。從秋季到冬季，氣溫下降了30℃，而冰溫僅下降了約15℃，相對濕度下降了30%。秋季月平均溫度和濕度下降速率明顯大于冬季，說明北極未凍結海洋對大氣的作用十分顯著，而在凍結海域大氣向海冰輸送熱量，能夠延緩輻射冷卻的強度。觀測的冬季最低氣溫為－40℃，最低相對濕度為60%，說明北極中心區并不是北極地區最冷、最干的區域，具有典型的高緯度海洋性氣候特征。由于北冰洋中心區實測資料難以獲取，通過DAWS獲取北冰洋大氣和海洋資料是深入研究海洋-海冰-大氣相互作用的有效方法，資料也能為驗證再分析資料和模式的模擬結果提供參考。

圖4 2012年9月2－20日太陽總輻射和反射輻射日平均通量（a）、日平均反照率（b）、2012年9月1日—2013年2月23日向上和向下長波輻射的日平均通量（c、d）和凈輻射日平均通量的時間序列（e）以及向上長波與冰面紅外溫度的相關（f）Fig.4 The daily mean flux（a）of global radiation and reflection radiation and daily mean albedo（b）in September 2 to 20，2013.The time series of daily mean flux of up and down long wave radiation（c、d）and net radiation（e）from September 1，2012 to February 23，2013.The relationship between up long wave radiation and ice surface infrared temperature

4.3 爆發性增溫過程

從圖5中可知，北極中心區出現了多次增溫過程。2012年11月7－10日和2012年12月30日－2013年1月1日出現的2次顯著的增溫過程，可稱為爆發性增溫過程。增溫幅度分別達到30℃（－32.9～－2.9℃）和28.6℃（－35.1～－6.5℃），相對濕度和長波輻射分別上升了30%和100 W／m2以上，增溫過程伴隨氣壓的下降。溫濕增幅如此之大，在中低緯度十分罕見。

圖5 2012年9月1日－2013年2月23日DAWS觀測的日平均2 m（a）和4 m（b）氣溫、2 m（c）和4 m（d）相對濕度、0.1 m（e）和0.4 m（f）冰溫、氣壓（g）和冰面紅外溫度（h）的時間序列Fig.5 The time series of daily mean 2 m（a）and 4 m（b）air temperature and 2 m（c）and 4 m（d）relative humidity，sea ice temperature in depth 0.1 m（e）and 0.4 m（f），air pressure（g）and ice surface infrared temperature（h）from September 1，2012 to February 23，2013.The data observed by DWAS over centre of Arctic ocean

表1 北冰洋中心區2012年9月－2013年2月逐月平均溫度（℃）和相對濕度（%）Tab.1 Monthly mean air temperature（℃）and relative humidity（%）over centre of Arctic ocean from September 2012 to February 2013

爆發性增溫過程與大尺度穿極低壓系統的形成與演變有關。圖6給出2012年11月8日和10日1 000 hPa和500 hPa溫度場與環流場形勢。8日在DWAS所在海冰的南側為很強的低壓槽，槽前氣旋性環流伴隨的強暖濕氣流控制了大范圍的海冰區，1 000 hPa上暖中心的溫度高達－3～－6℃。DWAS所在海冰處在氣旋伴隨的暖濕平流輸送的下風方，500 hPa溫度場暖中心的溫度達到－24～－22℃，DWAS所在海冰區在高空急流輻散區附近，受強暖濕氣流的影響，形成了爆發性增溫。8日1 000 hPa上的低壓槽，10日在極點附近加深并切斷，形成孤立的低壓系統，伴隨500 hPa上空的穿極急流，引導低壓系統穿過極點向偏東方向移動。由此可見，DWAS觀測的爆發性增溫過程與強氣旋穿過北極中心區伴隨的強暖濕氣流的影響過程非常吻合。表明北極中心區爆發性增溫現象常有發生。這種現象會導致北極中心區大尺度海冰破碎和融化，可能也是北極海冰面積減少和厚度變薄的重要過程。Long和Perrie［24］及Screen等［25］研究指出，在全球變暖背景下，北極中心區風暴影響的頻數增加和氣旋強度有所加強，使大范圍的海冰斷裂和破碎，是造成近年來海冰減少的主要原因。雖然其結果有爭論，但在研究北極海冰減少機制的過程中，需要研究北極爆發性過程對海洋-海冰-大氣相互作用的加強過程及其對海冰消漲的影響。

圖6 2012年11月8日和10日北極地區60°以北1 000 hPa和500 hPa流場和溫度場Fig.6 The 1 000 hPa flow field and 500 hPa temperature field in November 8 and 10，2012 over Arctic area（north of 60°N）

5 結果與討論

通過我國首套漂流自動氣象站（DWAS）觀測資料的分析，對北極中心區秋冬季海冰漂流軌跡和相關的大氣過程的分析有了新的認識，對進一步研究北極海冰減少的機制及其在氣候變化中的作用有參考意義。幾點結果討論如下：

（1）北冰洋中心區的海冰具有不穩定漂流過程。在2012年9月初—2013年1月6日，海冰主要從西向西北方向漂流。在此期間，海冰漂流出現了2次明顯的迂回運動過程，2013年1月6日后海冰穩定的向東南方向漂移，表明海冰已進入穩定凍結期。秋季和冬季平均漂移速度為0.06 m／s，最大移速出現在冬季達到0.4 m／s。其結果與2008年我國北極安裝的冰浮標（IMB）觀測結果接近。

（2）秋冬季海冰吸收的太陽輻射能很少，輻射平衡主要是海冰和大氣之間的長波輻射相平衡。凈輻射僅在有太陽輻射的9月上中旬為正，9月下旬進入極夜，均為負值，平均為－5.3 W／m2，顯示了海冰表面以輻射冷卻為主。凈輻射多次出現短期突變過程。最大值達45 W／m2左右，導致海冰表面強烈的吸收能量，減緩了海冰的輻射冷卻。突變過程與溫度升高過程同時出現，表明大氣向海冰輸送熱量。

（3）月平均資料顯示，北極中心區秋季海冰處于不穩定融化期，相對濕度大于90%，冰溫接近0℃，氣溫為－4℃左右，這種氣象條件有利于海冰的融化。從秋季到冬季，氣溫下降了30℃，冰溫僅下降了約15℃，冬季的最低氣溫為－40℃。這些數據顯示，北極中心區并不是北極地區最冷區域，具有典型的高緯度海洋性氣候特征。

（4）北極中心區頻繁出現爆發性增溫過程，最大增溫幅度達到30℃。爆發性增溫過程是由穿極高空急流的發展和暖濕氣流向北極中心區輸送所引起，這種現象在中低緯度十分罕見。增溫過程中高空大氣向冰面輸送熱量，導致海冰破裂，海冰硬度的脆變，減緩海冰厚度增長。這種過程可能是北極海冰面積和厚度減少的重要過程，需要獲取更多資料研究增溫過程的作用及其變化趨勢。

致謝：中國第5次北極考察隊在漂流自動氣象站的安裝過程中做出了很大的貢獻，在此表示衷心感謝。

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Sea ice drifting and atmospheric processes over the central Arctic Ocean

Bian Lingen1，2，Wang Jizhi1，Sun Yulong2，Lu Changgui1，Lin Xiang1，Li Duo3

（1.Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing 100081，China；2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China；3.National Climate Center，Beijing 100081，China）

Based on the data observed by drifting automatic weather station（DAWS）from August 2012 to February 2013 and NOAA re-analyzing data over the Arctic Centre，the track，movement velocity of drifting seaice and the evolution of temperature，humidity，radiation of drifting sea ice，atmospheric processes，including the evolvement of flow pattern and temperature field and its relative dynamic and thermodynamic processes over the Arctic troposphere in 500 and 1 000 hPa during period of autumn and winter around north polar are analyzed.The results show that，before 6 January 2013，sea ice moves mainly from the east to the northwest，and appearing the unstable trajectory of roundabout and turning process，then drifting towards to the south east.Its average drift velocity is 0.06 m／s，the maximum speed up to 0.4 m／s.The mutation and accelerated in the direction of polar sea ice drifting is associated with the activities of across the polar cyclone and jet stream in polar troposphere.Sea ice surface net radiation repeated short-term mutation process，resulting in the ice surface to absorb energy from the air，reduced the radiation cooling of sea ice in the Arctic area.In the autumn and winter it emerges sudden warming process in many time with the maximum increased of temperature reaches 30℃，caused conveying the warm and wet air flow.This kind of phenomenon is very rare in area of low and middle latitude.In the warming process it transports heat to the ice surface from the middle or up layer atmosphere may lead to ice floe rupture，fragile sea ice hardness，thickness of the slow growth of sea ice to accelerate the movement of the channel.This process may be one of the important mechanisms of the Arctic sea ice area and thickness reduction.

Arctic；DAWS；sea ice movement；sudden warming；cross polar cyclone

P731.15

A

0253-4193（2014）10-0048-08

2014-03-13；

2014-06-02。

南北極環境綜合考察與評估極地專項（CHINARE 2011－2015）。

卞林根（1951—），男，江蘇省東臺市人，研究員，主要從事極地氣象研究。E-mail：blg＠cams.cma.gov.cn

卞林根，王繼志，孫玉龍，等.北冰洋中心區海冰漂流與大氣過程［J］.海洋學報，2014，36（10）：48—55，doi.10.3969／j.issn.0253-4193.2014.10.005

Bian Lingen，Wang Jizhi，Sun Yulong，et al.Sea ice drifting and atmospheric processes over the central Arctic Ocean［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（10）：48—55，doi.10.3969／j.issn.0235-4193.2014.10.005