中國首次環(huán)南極科學(xué)考察海洋氣象環(huán)境分析

于海鵬

(1.南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210093；2.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081)

1 引言

中國第30 次南極科學(xué)考察是首次環(huán)南極一周的科考活動。除了按計(jì)劃完成兩個(gè)南極常年考察站的貨物運(yùn)輸，對南極普里茲灣和威德爾海重點(diǎn)海域開展海洋調(diào)查，還對遇到的突發(fā)事件開展應(yīng)急救援和搜尋工作。航行過程中遇到的主要天氣系統(tǒng)有西風(fēng)帶氣旋、冰蓋下降風(fēng)、中尺度氣旋及熱帶低壓。本文選擇了首次環(huán)南極科考航線中有代表性的強(qiáng)天氣過程進(jìn)行分析介紹，以期對今后南極考察航線預(yù)報(bào)有所幫助。

本文按照環(huán)南極航線圖（見圖1）所示從A-B-C-D-E-A-F 的6 個(gè)航段的天氣過程分別進(jìn)行分析介紹。

2 資料和分析方法

本文所用的主要資料包括：船載Seaspace 系統(tǒng)接收的NOAA 衛(wèi)星云圖，船載FAX-30 氣象傳真機(jī)接收到的傳真圖，船載自動氣象站（天諾基業(yè)CMAPBELL）實(shí)時(shí)觀測的空氣溫度、露點(diǎn)溫度、相對濕度、能見度、氣壓和風(fēng)向風(fēng)速等氣象要素，以及正點(diǎn)人工氣象和海冰觀測所獲得的各種數(shù)據(jù)。

本文主要使用天氣學(xué)方法對各航段和重點(diǎn)區(qū)域的典型天氣過程進(jìn)行分析。考慮到南極地區(qū)地面觀測記錄的稀少，更多地利用衛(wèi)星云圖結(jié)合天氣實(shí)況圖進(jìn)行綜合分析。衛(wèi)星云圖對天氣系統(tǒng)有直觀的反映，特別是對中小尺度天氣系統(tǒng)有較好的監(jiān)測效果。在本文分析中以船載Seaspace系統(tǒng)接收到的NOAA衛(wèi)星云圖為主，輔以地面氣壓場分析和走航觀測數(shù)據(jù)分析。

3 環(huán)南極航行及馬航搜尋期間的典型天氣過程分析

3.1 中國南極中山站附近海域（A點(diǎn)）

本次科學(xué)考察“雪龍”船在中國南極中山站附近遇到兩次較為典型的天氣過程。

圖1 中國首次環(huán)南極科學(xué)考察航線圖

第一次過程是在“雪龍”船初次抵達(dá)中山站的卸貨過程中。2013年12月2—3日，中心氣壓為956 hPa 的西風(fēng)帶氣旋逐漸南壓并影響到中山站附近區(qū)域。根據(jù)南半球500 hPa 分析圖（圖略），2013年11月30日12UTC（下文未標(biāo)明UTC 的均為北京時(shí)間），30°E處有一弱槽發(fā)展。12月1日12UTC，此槽已移動至50°E，并發(fā)展加深形成閉合低渦中心，該低渦中心位于60°S附近。此時(shí)，中山站東側(cè)80°E附近有一個(gè)高壓脊正在發(fā)展并南伸至60°S。12月2日高空槽在不斷加深的同時(shí)受東側(cè)高壓脊的阻擋，低渦中心東移受阻轉(zhuǎn)向偏南移動，逐漸靠近普里茲灣。12月3日00UTC，低渦中心已向南移動至65°S。此時(shí)，中山站以東的高壓脊也南伸至70°S。

從地面分析圖（圖略）上看，2013年11月30日00UTC，30°—40°E之間存在兩個(gè)弱西風(fēng)帶氣旋，中心氣壓分別為973 hPa 和983 hPa，呈東西向排列。12月1日00UTC，東側(cè)氣旋原地少動，西側(cè)氣旋向東北方向移動，并移至東側(cè)氣旋的北部；兩氣旋強(qiáng)度和30日相比沒有大的變化。12月2日00UTC，兩氣旋合并，強(qiáng)度驟增至956 hPa，中心位于60°S，65°E附近；12UTC左右鋒面開始影響到中山站附近。12月3日00UTC，在中山站東側(cè)高壓脊的阻擋下，氣旋中心南壓到67°S附近。

從云圖上看，起風(fēng)時(shí)間和氣旋云帶開始覆蓋船舶所在位置時(shí)間基本一致（見圖2）。此次過程雪龍?zhí)枩y得最低氣壓965 hPa，最大風(fēng)速22 m/s，風(fēng)向以東ˉ東北為主。

第二次過程是雪龍船再次來到中山站在普里茲灣進(jìn)行大洋調(diào)查時(shí)。

2014年3月2日凌晨，“雪龍”號受到一個(gè)中尺度氣旋影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，中尺度低壓和淺薄的小尺度低壓經(jīng)常在普里茲灣發(fā)展,與明顯的大尺度系統(tǒng)的強(qiáng)迫無關(guān)。盡管這種低壓尺度小(直徑約100 km),但經(jīng)常會造成地面15—20 m/s的風(fēng)速和低云[1]。此次過程最大風(fēng)力8級，由于此中尺度氣旋在天氣分析圖上不明顯，給預(yù)報(bào)帶來了困難，但其在衛(wèi)星云圖上結(jié)構(gòu)比較清晰（見圖3）。

3.2 “雪龍”號營救俄羅斯科考船區(qū)域（B點(diǎn)）

2013年12月25日，當(dāng)“雪龍”號行進(jìn)至63°S,128°E時(shí)收到俄羅斯科考船“紹卡利斯基院士”號的遇險(xiǎn)求救信號，遇險(xiǎn)位置66.68°S，144.43°E。接報(bào)后，“雪龍”號緊急趕赴俄船受困海域，開始了舉世矚目的救援行動。2014年1月2日雪龍?zhí)柍晒I救起了俄羅斯船被困人員，但被堆積的厚重浮冰包圍，使自身陷入困境。

由于南極沿岸附近海域主要受繞極低壓槽的控制，低壓槽以南的南極大陸邊緣多為偏東風(fēng)，加之南極特有的下降風(fēng)效應(yīng)造成低層偏東的氣流，合成風(fēng)的方向常常恒定不變[2]。因此，氣旋南部持續(xù)的東向風(fēng)使海冰堆積得越來越緊，“雪龍”船被移動的浮冰擠壓著漂向更密集的浮冰區(qū)，難以轉(zhuǎn)向和破冰前行（見圖4）。

在南極沿岸，一般當(dāng)高壓南部出現(xiàn)偏西風(fēng)，易使海冰松動。偏西風(fēng)成為“雪龍”船脫困的良好機(jī)會。此時(shí)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵是偏西風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)間和強(qiáng)度。

圖2 2013年12月2日09：57UTC中山站附近的可見光云圖（紅十字為“雪龍”船位）

圖3 2014年3月02日01：32UTC可見光云圖（此時(shí)“雪龍”船實(shí)測風(fēng)力為8級，白十字為“雪龍”船位）

圖4 2014年1月2日04：15UTC的可見光云圖（白十字是“雪龍”船位；藍(lán)三角為被困俄船位置；黃色區(qū)域?yàn)槊芗”?/p>

圖5 2014年1月7日00UTC地面氣壓實(shí)況圖（紅十字為“雪龍”船位）

隨船氣象組和國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心后方保障團(tuán)隊(duì)綜合各類預(yù)報(bào)方法和資料信息會商后認(rèn)為，2014年1月6—7日有一次高壓脊南伸的過程，這樣的天氣形勢有利于風(fēng)向的轉(zhuǎn)變。1月6日，澳大利亞南部洋面的副高南伸，其南緣達(dá)到了“雪龍”被困海域（見圖5）。當(dāng)日，被困海域東南風(fēng)逐漸減小，13UTC時(shí)風(fēng)速降到幾乎為零。靜風(fēng)后，風(fēng)向開始轉(zhuǎn)變。6日16:00UTC時(shí)，風(fēng)向轉(zhuǎn)為西-西北，風(fēng)力逐漸增大到4級左右(見圖6)。此時(shí)，浮冰在西風(fēng)的影響下開始出現(xiàn)松動。到7日下午“雪龍”號在船載SEASPACE系統(tǒng)接收的衛(wèi)星冰圖的導(dǎo)航下，先向南破冰，后向北航行至開闊水域，成功突破了海冰圍困，繼續(xù)航行在原來計(jì)劃的科考航線上（見圖7）。

“雪龍”脫困的經(jīng)歷再次說明：南極大陸沿岸附近吹偏東風(fēng)時(shí)，浮冰狀況一般較為穩(wěn)定；風(fēng)向轉(zhuǎn)變后，特別是轉(zhuǎn)為西向風(fēng)后，浮冰狀況會發(fā)生較大變化。科考船在浮冰區(qū)作業(yè)時(shí)，要特別注意風(fēng)向的變化對浮冰冰情的影響。

圖6 被困海域2014年1月6日風(fēng)向和風(fēng)速隨時(shí)間的變化

圖7 2014年1月7日05：02UTC可見光云圖（紅十字為雪龍船位；紅色箭頭為根據(jù)衛(wèi)星資料為“雪龍”船做的脫困導(dǎo)航）

3.3 羅斯海維多利亞地新建科考站附近（C點(diǎn)）

羅斯海擬建新站在75°S 附近，臨近特拉諾瓦灣。這一海域主要的大風(fēng)過程是下降風(fēng)。夏季，繞極氣旋一般影響不到這里。但是，此處云量少、日照強(qiáng)，加上特殊的地理環(huán)境特征造成這一地區(qū)的下降風(fēng)風(fēng)力比中山站強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間長。J.C.King 和J.Turner 指出：羅斯海西岸的特拉諾瓦灣是南極下降風(fēng)特別盛行的區(qū)域之一；同時(shí)，特拉諾瓦灣的地形坡度并不比南極其它沿岸地區(qū)大，而那里的下降風(fēng)卻很強(qiáng)烈。強(qiáng)下降風(fēng)的有限延伸距離表明，強(qiáng)風(fēng)系統(tǒng)被局地地形的某些特殊性所控制而不單純是陡坡因素[2]。有研究表明，下降風(fēng)一般在當(dāng)?shù)貢r(shí)間的后半夜增強(qiáng)，一直到第二天下午才減弱。特別在羅斯冰架上有螺旋狀云系生成時(shí)，在下降風(fēng)和梯度風(fēng)的同時(shí)作用下，使得下降風(fēng)進(jìn)一步增強(qiáng)和持續(xù)時(shí)間延長[3]（圖略）。此外，2005年該站點(diǎn)以北約25 km 的意大利祖凱利站曾觀測到一次持續(xù)時(shí)間長達(dá)40 h 的下降風(fēng)事件，其中25 m/s 以上風(fēng)速持續(xù)近30 h[4]。由此可見，該區(qū)域存在少見的強(qiáng)烈的下降風(fēng)現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場觀測，此處的下降風(fēng)還有一個(gè)特點(diǎn)是局地性特別強(qiáng)。離羅斯海新站址越近，下降風(fēng)越強(qiáng)。當(dāng)新站址附近有6—7級下降風(fēng)時(shí)，3—4 n mile之外的風(fēng)力可降到5級以下。

3.4 中國南極長城站（D點(diǎn)）

南半球夏季,影響長城站地區(qū)的氣旋主要是西北路徑的氣旋,其次是西路氣旋。當(dāng)氣旋從長城站地區(qū)北側(cè)經(jīng)過時(shí)與南極大陸北伸的冷高壓脊共同作用,使長城站產(chǎn)生東-東南向大風(fēng)并伴有降雪[5]。2014年1月26—27日，雪龍抵達(dá)長城站卸貨期間，就遇到一次西路氣旋造成的大風(fēng)過程（見圖8）。

長城站附近和中山站遇到的西風(fēng)帶氣旋類似，起風(fēng)時(shí)間一般是云圖上氣旋云帶開始覆蓋船位的時(shí)刻；過程最大風(fēng)力時(shí)段一般對應(yīng)云圖上云層發(fā)展最旺盛階段。

3.5 俄羅斯青年站附近海域（E點(diǎn)）

“雪龍”船環(huán)南極航行再次駛往中山站途中的2014年2月21—23日，在俄羅斯青年站附近海域遇到本航次最強(qiáng)氣旋過程。該氣旋中心氣壓950 hPa，雪龍船測得最大風(fēng)力11級（見圖9）。

圖8 2014年1月27日03：41UTC紅外云圖（此時(shí)“雪龍”船實(shí)測風(fēng)力為9—10級，紅十字為“雪龍”船位）

圖9 2014年2月21日05：03UTC可見光云圖（此時(shí)“雪龍”船實(shí)測風(fēng)力為10級，白十字為“雪龍”船位）

圖10 2014年3月27日00UTC地面氣壓分析圖（紅十字為“雪龍”船位）

圖11 2014年3月28日00UTC地面氣壓分析圖（紅十字為“雪龍”船位）

此次氣旋大風(fēng)過程是在60°—80°E之間南伸的副高阻擋下，西風(fēng)帶氣旋南壓造成的。對于南極周邊海域的大風(fēng)預(yù)報(bào)，特別應(yīng)當(dāng)注意當(dāng)副高南伸形成高壓壩時(shí)，對氣旋的路徑的改變和因阻擋使之增強(qiáng)的作用。

3.6 搜尋馬航MH370失聯(lián)航班海域（F點(diǎn)）

2014年3月20日，返航途中正在澳大利亞佛里曼特爾港外等待靠港補(bǔ)給的“雪龍”號接到了返回南印度洋搜尋馬航MH370失聯(lián)客機(jī)的緊急任務(wù)。

搜尋期間，3月27日30°S，75°E 處有一個(gè)南伸的熱帶低壓槽，其中心氣壓為1002 hPa，熱帶低壓槽東南方55°S，85°E 處有一中心氣壓995 hPa 的西風(fēng)帶弱氣旋（見圖10）。28日熱帶低壓槽并入西風(fēng)帶氣旋，并使其中心氣壓增強(qiáng)至987 hPa（見圖11）。在此過程中，雪龍?zhí)栐谒褜ずＳ蛴龅綎|北風(fēng)轉(zhuǎn)西南風(fēng)7—8 級，并伴有降雨和低能見度天氣，給空海一體搜尋帶來很大困難。

4 小結(jié)

中國第30 次南極考察是首次實(shí)施“環(huán)南極航行”航線，雖然遇到了極地救援和失聯(lián)客機(jī)搜尋等突發(fā)事件，還是圓滿完成了預(yù)報(bào)保障任務(wù)。不僅鍛煉了預(yù)報(bào)員的應(yīng)急預(yù)報(bào)能力；也為今后南極科考保障積累了經(jīng)驗(yàn)。

（1）影響環(huán)南極航線的主要天氣系統(tǒng)為繞極氣旋，特別是不能忽視中小尺度的氣旋；

（2）繞極氣旋的大風(fēng)常開始于其云帶區(qū)域的前緣，因此衛(wèi)星云圖在繞極氣旋預(yù)報(bào)中的重要性應(yīng)該得到重視；

（3）在極區(qū)航行時(shí)，應(yīng)密切注意風(fēng)向的轉(zhuǎn)變對浮冰的影響。在前期浮冰較松散的情況下一次強(qiáng)氣旋所產(chǎn)生的東向風(fēng)可使浮冰擠壓、密實(shí)；而氣旋過后高壓控制時(shí)產(chǎn)生的西向風(fēng)又可使浮冰松動、開裂；

（4）羅斯海新建站由于特殊的地形造成下降風(fēng)強(qiáng)度強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間長，還經(jīng)常和羅斯海的低壓系統(tǒng)相配合使之增強(qiáng)；

（5）應(yīng)注意衛(wèi)星云圖上中尺度氣旋螺旋狀云系的發(fā)展，因?yàn)槠湓诘孛鏆鈮悍治鰣D上經(jīng)常得不到反映；

（6）在南緯40 度附近，熱帶的低壓系統(tǒng)可與高緯的西風(fēng)帶氣旋合并，并使西風(fēng)帶氣旋強(qiáng)度增強(qiáng)。

[1]卞林根,張雅斌.南極天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的進(jìn)展[J].極地研究,2000,12(3):219-232.

[2]King J C,Turner J.南極天氣和氣候[M].張占海,譯.北京:海洋出版社,2007:237-243.

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[4]趙杰臣,張林,田忠翔,等.南極羅斯海2012年夏季海冰特征分析[J].極地研究,2014,26(3):342-351.

[5]張文義.第四次南極考察長城站越冬隊(duì)極地海洋氣象考察報(bào)告[J].海洋預(yù)報(bào),1993,10(2):24-32.