南極中山站夏季下降風(fēng)數(shù)值模擬個(gè)例研究

孫啟振,張林,張占海,楊清華

（1 .國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100081；2 .中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院,山東青島266100；3 .中國(guó)極地研究中心國(guó)家海洋局極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200136）

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南極中山站夏季下降風(fēng)數(shù)值模擬個(gè)例研究

孫啟振1,2,張林1,張占海3,楊清華1

（1 .國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100081；2 .中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院,山東青島266100；3 .中國(guó)極地研究中心國(guó)家海洋局極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200136）

摘要:南極內(nèi)陸地面輻射冷卻產(chǎn)生的近表層冷空氣,沿高原斜坡向下流動(dòng)而形成下降風(fēng),其分布形態(tài)決定了南極大陸近表層風(fēng)場(chǎng)的主要特征。我國(guó)南極中山站全年均受下降風(fēng)的強(qiáng)烈影響。夏季晴天時(shí),中山站的下降風(fēng)一般在傍晚開(kāi)始出現(xiàn),風(fēng)速在午夜達(dá)到極值,在次日中午之前逐漸減弱,風(fēng)速有顯著的日循環(huán)特征。本文選取南極中山站2010年1月的夏季下降風(fēng)個(gè)例,使用常規(guī)地面氣象觀測(cè)資料和Polar W RE極地大氣數(shù)值模式進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明:中山站夏季夜間晴天出現(xiàn)偏東向的下降風(fēng)時(shí),近地面風(fēng)速變化趨勢(shì)與地面氣溫呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為- 0.91。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),中山站下降風(fēng)在距地面高度約100～150 m之間時(shí)風(fēng)速最大,約為15～21 m/s。在下降風(fēng)發(fā)生時(shí),近地層大氣存在逆溫現(xiàn)象。下降風(fēng)較強(qiáng)時(shí),近地層逆溫也較強(qiáng),逆溫層厚度約為200～300 m,逆溫強(qiáng)度約為4～6℃。在地面摩擦的作用下,中山站近地面下降風(fēng)風(fēng)向?yàn)闁|南,隨著高度的增加,風(fēng)向逆時(shí)針偏轉(zhuǎn),最終趨于與地形等高線(xiàn)平行。沒(méi)有太陽(yáng)直接輻射時(shí),南極大陸地區(qū)存在持續(xù)的逆溫層,逆溫層的出現(xiàn)加強(qiáng)了下降風(fēng)氣流,隨著逆溫的增強(qiáng),大風(fēng)區(qū)逐漸西移,且面積不斷增加。在夏季太陽(yáng)輻射造成的逆溫消失的短暫時(shí)間內(nèi),逆溫時(shí)產(chǎn)生的下降風(fēng)尚不能完全消失,由此形成了較穩(wěn)定的風(fēng)向空間分布特征。關(guān)鍵詞:南極；下降風(fēng)；數(shù)值模擬；Polar W RE

1 引言

在坡度較大的南極冰蓋地形上,冰面輻射冷卻使陸-氣界面存在向下輸送的感熱通量,引起斜坡高處近表層空氣溫度下降、密度增加,冷空氣在重力作用下沿斜坡加速向下坡方向流動(dòng),從而形成下降風(fēng)。南極下降風(fēng)的風(fēng)向和風(fēng)速較為穩(wěn)定［1］,其分布形態(tài)決定了南極大陸近表層風(fēng)場(chǎng)的主要特征。下降風(fēng)在南極大陸廣泛分布,這種特性在南半球大氣環(huán)流中占有重要地位［2］。下降風(fēng)到達(dá)沿岸地區(qū)時(shí),與海冰、冰間湖及近海存在相互作用,可以影響海洋中的質(zhì)量輸送和熱鹽環(huán)流。因此,南極的下降風(fēng)是南半球高緯地區(qū)氣候系統(tǒng)中的關(guān)鍵因子之一［3］。

南半球下降風(fēng)在前進(jìn)過(guò)程中由于科氏力的作用而向左偏轉(zhuǎn),此外還受地表摩擦力的影響。然而,南極地區(qū)地面氣象觀測(cè)站點(diǎn)稀疏,有限的測(cè)風(fēng)資料難以表現(xiàn)大尺度的南極大陸地表風(fēng)場(chǎng)的分布形態(tài),因此數(shù)值模式成為了研究下降風(fēng)的有力工具。Parish和Da-vid［4］使用Ball［5］的數(shù)值診斷模式給出了南極高分辨率冰蓋地形上的冬季平均表層風(fēng)場(chǎng),這是關(guān)于南極下降風(fēng)最早的大尺度模擬結(jié)果。由于下降風(fēng)是冷空氣在重力作用下的下坡氣流,因此隨著氣流的前進(jìn),風(fēng)速越來(lái)越大,尤其在陡峭的南極大陸沿岸,風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)陸地區(qū)。由南極大陸近表層流場(chǎng)主要特征示意圖（圖1,根據(jù)Parish和David［6］繪制）可見(jiàn),近地面強(qiáng)風(fēng)主要集中在埃默里冰架（A mery Ice Shelf）附近和羅斯冰架（Ross Ice Shelf）等數(shù)個(gè)地區(qū)的南極大陸沿岸廣闊區(qū)域。強(qiáng)烈的下降風(fēng)在這些地區(qū)的匯集現(xiàn)象,是由當(dāng)?shù)鬲?dú)特的地形決定的。Grisogono和Axelsen［7］使用簡(jiǎn)化的數(shù)值模型研究了下降風(fēng)風(fēng)速與地形的關(guān)系,認(rèn)為溫度梯度在下降風(fēng)形成過(guò)程中的作用不可忽視。除數(shù)值模式之外,雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)近年來(lái)也被用于下降風(fēng)的研究。Kouznetsov等［8］根據(jù)多普勒雷達(dá)觀測(cè)資料顯示的下降風(fēng)風(fēng)速和溫度廓線(xiàn),發(fā)現(xiàn)下降風(fēng)的厚度變化范圍很大,且與表層熱通量正相關(guān)。

我國(guó)南極中山站（69°22′S,76°22′E）坐落在南極埃默里冰架附近的拉斯曼丘陵上,受環(huán)極地低壓帶和南極大陸地面冷高壓的影響,常年盛行偏東風(fēng)。高壓系統(tǒng)控制期間,往往會(huì)出現(xiàn)晴朗低溫天氣；低壓系統(tǒng)過(guò)境時(shí)則相反,氣旋在普里茲灣北部東移過(guò)程中,中山站溫度和濕度上升并常出現(xiàn)風(fēng)雪天氣。中山站附近以南的廣闊地形是斜率約為10～15 m/k m的冰蓋斜坡,因此幾乎全年均受下降風(fēng)的影響。在夏季（12月至翌年2月）晴天時(shí),中山站的下降風(fēng)一般在傍晚至夜間開(kāi)始出現(xiàn),此時(shí)地面觀測(cè)到的風(fēng)速隨時(shí)間逐漸加大,風(fēng)力短時(shí)間內(nèi)可由靜風(fēng)迅速增加至五六級(jí)。天氣越晴朗,下降風(fēng)越強(qiáng)烈。下降風(fēng)在夜間維持較高的速度,在次日中午之前逐漸減弱,具有顯著的日循環(huán)特征。受中山站東南方向大尺度地形的影響,該地區(qū)下降風(fēng)的風(fēng)向通常為偏東風(fēng)。

圖1 南極大陸近表層流場(chǎng)主要特征示意圖（根據(jù)Parish和David［6］繪制）Eig .1 Abridged general view of main characteristics of streamlines over the surface of the Antarctic continent（adapted from Parish and David［6］）

中山站地區(qū)的下降風(fēng)會(huì)給極地考察船舶、直升機(jī)作業(yè)以及科學(xué)考察隊(duì)員的野外活動(dòng)帶來(lái)威脅,同時(shí)還可能引起普里茲灣浮冰的隨機(jī)漂移,從而給船載物資的卸運(yùn)造成極大的障礙。由于我國(guó)的南極科學(xué)考察活動(dòng)基本集中在南極夏季,因此研究中山站夏季的下降風(fēng)顯得尤為迫切。迄今為止,對(duì)中山站的天氣氣候已有一定數(shù)量的研究［9—10］,但關(guān)于該地區(qū)下降風(fēng)的研究較為缺乏。

常規(guī)氣象觀測(cè)資料僅能反映中山站觀測(cè)點(diǎn)的地面氣象要素狀況,無(wú)法用于分析研究下降風(fēng)發(fā)生時(shí)的大氣廓線(xiàn)形態(tài),更無(wú)法給出周邊地區(qū)下降風(fēng)的空間分布特征。極地大氣數(shù)值模式可對(duì)選取的下降風(fēng)個(gè)例發(fā)生過(guò)程進(jìn)行模擬,以研究下降風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)特征、發(fā)生發(fā)展過(guò)程及其與相關(guān)要素場(chǎng)關(guān)系。本文選取2010 年1月18 - 19日發(fā)生在中山站的夏季下降風(fēng)個(gè)例,利用當(dāng)?shù)刈詣?dòng)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)分析其特征。并使用極地大氣數(shù)值模式對(duì)發(fā)生下降風(fēng)時(shí)中山站附近地區(qū)的氣象要素場(chǎng)進(jìn)行模擬研究,以探討中山站夏季下降風(fēng)的空間結(jié)構(gòu)和發(fā)生發(fā)展規(guī)律。

2 下降風(fēng)個(gè)例實(shí)況

南極大陸沿岸的地表風(fēng)可近似認(rèn)為由梯度風(fēng)分量和下降風(fēng)分量組成［11］,其中梯度風(fēng)的大小取決于氣壓梯度。在中山站所在的南極大陸沿岸地區(qū),天氣晴朗并且氣壓梯度很小的時(shí)候,可以認(rèn)為夜間地面風(fēng)的主要組成部分是下降風(fēng)；當(dāng)站區(qū)受大陸沿岸的低壓系統(tǒng)支配時(shí),天氣為多云或陰雪,不會(huì)出現(xiàn)明顯的下降風(fēng)。

本文選取的下降風(fēng)個(gè)例發(fā)生時(shí)間為2010年1月18 - 19日。這一時(shí)段內(nèi),普里茲灣海域北部的印度洋一直受穩(wěn)定的高壓控制,普里茲灣海域無(wú)強(qiáng)氣旋活動(dòng)（圖2）,附近西風(fēng)帶的幾個(gè)氣旋中心基本固定在高壓控制區(qū)的兩側(cè),對(duì)中山站地區(qū)幾乎沒(méi)有影響。此時(shí),中山站及其東南方向的廣闊大陸地區(qū)無(wú)氣旋或低壓系統(tǒng),也無(wú)云系發(fā)生發(fā)展,天氣晴朗,此時(shí)的風(fēng)可認(rèn)為是來(lái)自于南極內(nèi)陸高原的下降風(fēng)。此下降風(fēng)個(gè)例發(fā)生期間,觀測(cè)到的地面以上10 m高度風(fēng)速有明顯的日周期變化,夜間低溫時(shí)風(fēng)速較大,白天溫度較高時(shí)風(fēng)速較小,具有典型的下降風(fēng)特征。

圖2 中山站當(dāng)?shù)貢r(shí)間2010年1月18日05時(shí)（a）和19日05時(shí)（b）印度洋平均海平面氣壓場(chǎng)實(shí)況圖（資料來(lái)源:澳大利亞氣象局http://w w w .bom .gov .au/australia/charts/indian_ocean .shtml）Eig .2 M SLP of the Indian Ocean at 05:00 18th January（a）and 05:00 19th January（b）,2010（local time,U T C + 5）（data from Australia Bureau of M eteorology:http://w w w .bom .gov .au/australia/charts/indian_ocean .shtml）

圖3為根據(jù)中山站氣象臺(tái)地面觀測(cè)資料繪制的2010年1月18日0時(shí)至19日24時(shí)（指中山站當(dāng)?shù)貢r(shí)間,時(shí)區(qū)為U T C + 5）的10 m風(fēng)速和2 m氣溫變化曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn),中山站夏季晴天的風(fēng)速和氣溫分布有明顯的日循環(huán)特征,在24 h內(nèi)都呈現(xiàn)一峰一谷的形勢(shì)。風(fēng)速在當(dāng)?shù)貢r(shí)間17時(shí)至18時(shí)前后開(kāi)始增大,至次日6時(shí)前后達(dá)到最大值,此后逐漸減小,再至18時(shí)左右又開(kāi)始增大。相應(yīng)地,風(fēng)速開(kāi)始增大時(shí)氣溫開(kāi)始下降,當(dāng)風(fēng)速最大時(shí)氣溫最低。隨著風(fēng)速的減小,氣溫逐漸回升。風(fēng)速與氣溫的變化趨勢(shì)幾乎完全相反,相關(guān)系數(shù)為- 0.91,且通過(guò)了1 %顯著水平下的顯著性檢驗(yàn)。這表明,在本下降風(fēng)個(gè)例中,中山站夏季晴天時(shí)的局地氣溫與下降風(fēng)有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

關(guān)于南極地區(qū)局地氣溫與下降風(fēng)的關(guān)系,多位學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),南極下降風(fēng)在不同地區(qū)會(huì)帶來(lái)增溫或降溫現(xiàn)象。Van den Broeke和Van Lipzig［12］的研究結(jié)果表明,在天氣尺度系統(tǒng)影響較弱的情況下,下降風(fēng)會(huì)導(dǎo)致海冰和冰架上有冷空氣聚集,從而使這些地區(qū)降溫。但在一定的地形條件下,較強(qiáng)的下降風(fēng)會(huì)加強(qiáng)對(duì)流層內(nèi)的垂直混合,從而在近地層產(chǎn)生增暖現(xiàn)象［13］。中山站處于南極大陸邊緣,當(dāng)?shù)氐南陆碉L(fēng)來(lái)自東南部的冰蓋斜坡高處。高處的近地層空氣受地面輻射冷卻影響而降溫,當(dāng)冷氣流到達(dá)中山站地區(qū)時(shí),就會(huì)使當(dāng)?shù)貧鉁叵陆怠?/p>

圖4為2010年1月18 - 19日觀測(cè)到的風(fēng)向分布情況。正午至下午的短暫時(shí)段內(nèi)風(fēng)速較小,無(wú)固定風(fēng)向；夜間風(fēng)速較大時(shí)的風(fēng)為下降風(fēng),由圖可知中山站下降風(fēng)主要為東風(fēng)。風(fēng)速較大時(shí),風(fēng)向在絕大部分情況下集中在80°～110°之間。這與圖1描繪的埃默里冰架東側(cè)沿岸的地面流場(chǎng)相一致。近地層冷空氣從高處流向中山站沿岸地區(qū)時(shí),一方面垂直于地形等高線(xiàn),另一方面又受科氏力的影響而向左偏轉(zhuǎn),同時(shí)還受地面摩擦力的影響,風(fēng)向最終表現(xiàn)為東風(fēng)或偏東風(fēng)。

圖3 中山站當(dāng)?shù)貢r(shí)間2010年1月18日0時(shí)至19日24時(shí)實(shí)測(cè)10 m風(fēng)速和2 m氣溫變化曲線(xiàn)Eig .3 The observed 10 m wind speed and 2 m air temperature at Zhongshan Station from 00:00 18th January to 24:00 19th January,2010（local time,U T C + 5）

3 下降風(fēng)個(gè)例數(shù)值模擬

3.1 模式及數(shù)據(jù)

本文選用Polar W RE極地大氣數(shù)值模式進(jìn)行下降風(fēng)個(gè)例的數(shù)值模擬研究。Polar W RE模式由美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)伯德極地研究中心在W RE模式（W eather Research and Eorecasting M odel）基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)以使其適用于極地［14 - 16］。關(guān)鍵的改進(jìn)內(nèi)容有:優(yōu)化了湍流參數(shù)化方案；啟用了Noah陸面模式中的一種微小海冰的描述方式；改善了對(duì)冰架上熱交換的處理方式并修正了Noah陸面模式能量平衡計(jì)算方案。Hines和Brom wich［14］通過(guò)分析格陵蘭島冰蓋上的表面狀況,評(píng)估了Polar W RE模式的性能,指出Polar W RE在地表能量平衡的模擬方面比Polar M M 5有所改進(jìn)。Brom wich等［15］等分析了Polar W RE模式模擬北冰洋上空大氣環(huán)流的能力,認(rèn)為此模式的模擬結(jié)果在實(shí)驗(yàn)期間能很好地與觀測(cè)資料相符合,是研究極地氣象的有力工具。Steinhoff等［17—18］利用Polar W RE出眾的極地大氣環(huán)流模擬能力,研究了南極麥克默多地區(qū)焚風(fēng)機(jī)制及其與大氣環(huán)流的聯(lián)系,得到了理想的結(jié)果。

圖4 2010年1月18 - 19日中山站風(fēng)向玫瑰圖（底圖為以中山站所在經(jīng)線(xiàn)為中軸線(xiàn)的南極地圖）Eig .4 The wind direction rose at Zhongshan Station from 18th January to 19th January,2010（base map is the Antarctica map with central axis on the longitude of Zhongshan Station）

本研究個(gè)例使用的模式模擬區(qū)域設(shè)置為三重嵌套（圖5）,最外層粗網(wǎng)格區(qū)域的格點(diǎn)數(shù)為130×100,分辨率為18 k m,第二層區(qū)域格點(diǎn)數(shù)為151×202,分辨率為6 k m,最內(nèi)層嵌套細(xì)網(wǎng)格格點(diǎn)數(shù)為145×163,分辨率為2 k m。粗網(wǎng)格區(qū)域用于分析較大尺度的流場(chǎng)及其他要素場(chǎng)形勢(shì),嵌套細(xì)網(wǎng)格區(qū)域用于刻畫(huà)分析小尺度空間分布特點(diǎn)并與觀測(cè)資料作對(duì)比。模式在垂直方向上設(shè)置為60層,為了更好地模擬下降風(fēng)這種發(fā)生在近地面數(shù)百米高度之內(nèi)的現(xiàn)象,模式在對(duì)流層底部進(jìn)行加密,在中山站所在位置附近上空約1 000 m內(nèi)有27層。模式頂層氣壓設(shè)置為10 hPa,此頂層氣壓高度可以更好地處理由地形引發(fā)的向上傳播的重力波［19］。本文模擬時(shí)采用的參數(shù)化方案為:微物理過(guò)程方案選取W S M 5方案,長(zhǎng)波輻射選取R R M T方案,短波輻射方案選取Goddard方案,邊界層方案選取M YJ方案,積云方案選取Kain-Eritsh方案,陸面方案選取N O A H方案。

圖5 下降風(fēng)個(gè)例數(shù)值模擬中Polar W RE模式嵌套區(qū)域Eig .5 Polar W RE nested domains designed in the numerical simulation of katabatic wind case

選用N CEP E N L全球客觀分析數(shù)據(jù)作為數(shù)值模式的初始場(chǎng)和邊界條件。本文所采用的E N L數(shù)據(jù)的空間分辨率為1°×1°,包含了26個(gè)等壓面層（1 000～10 hPa）、地表邊界層、某些sigma層以及對(duì)流層的信息,數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為6 h（00、06、12、18 U T C）。

3.2 模擬結(jié)果分析

本文選取2010年1月18日0時(shí)至19日24時(shí)（U T C）這一時(shí)段,對(duì)中山站所在的埃默里冰架附近區(qū)域各高度層大氣流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。模式運(yùn)行時(shí)間開(kāi)始于2010年1月17日12時(shí),開(kāi)始時(shí)間之所以比模擬時(shí)段早12 h,是因?yàn)槟Ｊ叫枰欢〞r(shí)間來(lái)調(diào)整初始場(chǎng)平衡。模式結(jié)果對(duì)于最外層粗網(wǎng)格每3 h輸出一次,對(duì)于嵌套的兩層細(xì)網(wǎng)格每1 h輸出一次。

模式模擬得到的近地面風(fēng)場(chǎng)分布形態(tài)（圖6）與Parish和David［6］給出的流場(chǎng)相符合。以中山站當(dāng)?shù)匾归g的流場(chǎng)形態(tài)圖為例,當(dāng)?shù)貢r(shí)間18日23時(shí)（即18日18時(shí)U T C）在埃默里冰架東側(cè),下降風(fēng)風(fēng)向?yàn)闁|,冰架南側(cè)下降風(fēng)風(fēng)向?yàn)闁|南,冰架西側(cè)風(fēng)向?yàn)槟舷颉ＤM結(jié)果表明,南極大陸沿岸的下降風(fēng)風(fēng)速比內(nèi)陸風(fēng)速大。

圖6 中山站當(dāng)?shù)貢r(shí)間2010年1月18日23時(shí)中山站及其周邊地區(qū)表層風(fēng)場(chǎng)模擬圖Eig .6 Surface wind field of Zhongshan Station and its neighborhood at 23:00 18th January,2010（local time,U T C + 5）,from Polar W RE simulation

為量化模式模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,從最內(nèi)層細(xì)網(wǎng)格模式中選取距離中山站最近的格點(diǎn)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)相對(duì)比。此格點(diǎn)位于中山站附近的冰蓋上,與中山站的距離約為0.36 k m。中山站下降風(fēng)個(gè)例發(fā)生的時(shí)段內(nèi),模式模擬結(jié)果中風(fēng)速隨時(shí)間的分布、最值大小及其出現(xiàn)時(shí)間,與實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)相比較為一致（圖7）。

圖7 中山站當(dāng)?shù)貢r(shí)間2010年1月18日0時(shí)至19日24時(shí)中山站風(fēng)速的模擬值（實(shí)線(xiàn)）與實(shí)測(cè)值（虛線(xiàn)）Eig .7 The simulation（solid）and observed（dashed）wind speed at Zhongshan Station from 00:00 18th January to 24: 00 19th January,2010（local time,U T C + 5）

由模擬時(shí)段內(nèi)中山站風(fēng)在垂直方向上隨時(shí)間的分布圖（圖8）可見(jiàn),在晴天的夜間至次日上午,即下降風(fēng)發(fā)生時(shí)段內(nèi),近表層風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)。結(jié)合地面風(fēng)場(chǎng)圖（圖6）可見(jiàn),風(fēng)向隨高度的變化與地面摩擦有關(guān)。在近地層,摩擦作用處于主要地位,風(fēng)向在中山站表現(xiàn)為東南風(fēng),與地形等高線(xiàn)約呈60°夾角；地面摩擦效應(yīng)隨著高度的增加而減弱,因此科氏力變得越來(lái)越重要,在距地面300 m左右以上風(fēng)向趨于與地形等高線(xiàn)平行,即為東北風(fēng)。在晴天的正午至傍晚時(shí)段,當(dāng)下降風(fēng)減弱以后,500 m高度以下風(fēng)向在短時(shí)間內(nèi)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槠黠L(fēng),距地面1 000 m附近高度的風(fēng)向依然為偏東風(fēng),此時(shí)在中山站上空形成垂直環(huán)流形勢(shì),即較弱的海陸風(fēng)。

圖8 中山站當(dāng)?shù)貢r(shí)間2010年1月18日0時(shí)至19日23時(shí)（即1月17日19時(shí)至19日18時(shí)U T C）中山站風(fēng)和氣溫隨高度-時(shí)間分布的模擬圖Eig .8 The height-time profile of wind and air temperature at Zhongshan Station from 00:00 18th January to 23:00 19th January,2010（local time,U T C + 5）

由模擬得到的中山站上空溫度隨時(shí)間的分布圖（圖8）可知,在上述兩個(gè)時(shí)段內(nèi),中山站上空出現(xiàn)了逆溫現(xiàn)象,逆溫層厚度分別為200 m和300 m左右,逆溫強(qiáng)度分別約為4℃和6℃。在逆溫層之上,溫度隨高度增加而降低,且溫度梯度約為（0.5～1℃）/（100 m）,這與對(duì)流層的常見(jiàn)氣溫垂直遞減率相一致。在這兩個(gè)時(shí)段之間的白天,氣溫隨高度的變化較為平緩,溫度梯度變化約為0.2℃/（100 m）,遠(yuǎn)小于對(duì)流層氣溫平均垂直遞減率,這可能是因?yàn)槟蠘O大陸寒冷的屬性導(dǎo)致了其上空溫度廓線(xiàn)與其他大陸的不同之處。

已有研究指出,不同地區(qū)和季節(jié)的下降風(fēng)有著不同的高度范圍。Phillpot和Zillman［20］認(rèn)為下降風(fēng)氣流的高度范圍在地面上數(shù)百米之內(nèi),有時(shí)是100～200 m［21］。M onti等［22］研究發(fā)現(xiàn)下降風(fēng)的厚度范圍為10 ～100 m,Barry［23］的研究表明下降風(fēng)最大風(fēng)速出現(xiàn)的高度有時(shí)僅有數(shù)米。與溫度分布形勢(shì)相對(duì)應(yīng),圖8中風(fēng)在垂直方向上隨時(shí)間的分布呈現(xiàn)出了類(lèi)似的特點(diǎn)。在上述兩時(shí)段內(nèi),風(fēng)速隨高度先增加后減小,最大值分別約為15 m/s和21 m/s,最大風(fēng)速出現(xiàn)高度分別為100 m和150 m。在兩個(gè)時(shí)段之間的白天,風(fēng)速隨高度變化很小,且最大風(fēng)速僅為3 m/s左右。

將溫度廓線(xiàn)和風(fēng)速廓線(xiàn)隨時(shí)間分布圖進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),在下降風(fēng)發(fā)生時(shí),近地層大氣存在逆溫現(xiàn)象,二者在時(shí)間分布上幾乎一致。下降風(fēng)風(fēng)速越大,近地層逆溫越強(qiáng)。在垂直方向上,風(fēng)速的最大值與其出現(xiàn)高度相關(guān)；逆溫越強(qiáng),逆溫層厚度也越大。在同一下降風(fēng)個(gè)例中,風(fēng)速最大值出現(xiàn)高度比逆溫層厚度要小,前者約為后者的二分之一。

從模式各垂直分層氣溫值中選取最高值,可以近似認(rèn)為是對(duì)流層中的最高值,其與模式表層氣溫之差可近似為逆溫強(qiáng)度。圖9為模擬時(shí)段內(nèi)距離中山站最近的模式格點(diǎn)地面10 m風(fēng)速與逆溫強(qiáng)度的散點(diǎn)分布圖,可見(jiàn)逆溫強(qiáng)度和風(fēng)速基本呈正相關(guān)關(guān)系。

圖9 中山站當(dāng)?shù)貢r(shí)間2010年1月18日0時(shí)至19日23時(shí)模式模擬的中山站地面10 m風(fēng)速與逆溫強(qiáng)度的散點(diǎn)圖Eig .9 Scatter diagram of 10 m wind speed and inversion strength（approximately）from Polar W RE at Zhongshan Station from 00:00 18th January to 23:00 19th January,2010（local time,U T C + 5）

4 下降風(fēng)與逆溫層關(guān)系

南極大陸的下降風(fēng)總是伴隨逆溫存在。南極大陸高原絕大部分時(shí)間有持續(xù)存在的逆溫層,其中內(nèi)陸地區(qū)的逆溫強(qiáng)度大于沿岸地區(qū)的逆溫強(qiáng)度。逆溫層的厚度隨季節(jié)和地點(diǎn)的不同而有所變化。在南極逆溫現(xiàn)象存在時(shí),當(dāng)?shù)孛鏆鉁亟档?逆溫強(qiáng)度通常會(huì)增強(qiáng)［20］。

圖10為使用E N L資料繪制的2010年1月1日至2月28日平均的00、06、12、18 U T C四個(gè)時(shí)刻南極大陸的平均表層氣溫與2 m高度氣溫之差。雖然此溫差不等同于逆溫強(qiáng)度,但可在一定程度上反映出南極地表輻射冷卻降溫的程度。

由圖10可知,夏季南極大陸表層的輻射降溫場(chǎng)分布形態(tài)呈現(xiàn)出顯著的日循環(huán)特征,且與太陽(yáng)方位相對(duì)應(yīng)。在00時(shí)刻,太陽(yáng)處于180°E經(jīng)線(xiàn)附近,以90° W～90°E經(jīng)線(xiàn)為分割線(xiàn),圖10a中分割線(xiàn)上部的地區(qū)為夜間,由于缺少太陽(yáng)直接輻射,該地區(qū)地面輻射冷卻導(dǎo)致近表層大氣降溫,形成逆溫層。與此相反,分割線(xiàn)以下地區(qū)為白天,大部分地區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象。其他3個(gè)時(shí)刻南極大陸的逆溫分布形態(tài)與太陽(yáng)方位也有同樣的關(guān)系。由于南極大陸地形特征為南極所屬東半球區(qū)域平均海拔較高,平均氣溫較低,因此其在18 U T C時(shí)刻有較強(qiáng)的逆溫現(xiàn)象,逆溫區(qū)分布面積較大（圖10d）。

在南極的冬季,例如2010年6月1日至7月31日期間,南極大陸絕大部分地區(qū)在上述4個(gè)時(shí)刻的平均表層氣溫與2 m高度氣溫之差均為負(fù)值（圖略）,表明南極大陸在冬季尤其是極夜期間,始終存在逆溫現(xiàn)象。這說(shuō)明缺少太陽(yáng)直接輻射的南極大陸地區(qū)存在持續(xù)的逆溫層。

逆溫形成的原因是冰面輻射系數(shù)大于大氣輻射系數(shù),當(dāng)?shù)孛嫖盏奶?yáng)輻射較小時(shí),冰面與大氣的輻射系數(shù)差異將導(dǎo)致逆溫的產(chǎn)生［24］。逆溫不僅作為南極地區(qū)的一種氣候特征而存在,而且是近表層風(fēng)場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)力。即使在夏季,半數(shù)以上時(shí)間仍會(huì)出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象。Dalrymple［25］及Lettau和Schwerdtfeger［26］曾指出南極大陸存在氣候態(tài)的逆溫現(xiàn)象,Phillpot和Ziu man［20］發(fā)現(xiàn)冬季南極點(diǎn)的平均逆溫強(qiáng)度為20℃左右,在大陸海拔最高地區(qū),逆溫強(qiáng)度可達(dá)25℃。

數(shù)值模擬區(qū)域中最外層的2 m高度氣溫與地表氣溫之差以及10 m高度風(fēng)場(chǎng)的模擬結(jié)果見(jiàn)圖11,分別是1月18日06 U T C、12 U T C、18 U T C以及19日的06 U T C、12 U T C、00 U T C（即中山站當(dāng)?shù)貢r(shí)間1月18 日11時(shí)、17時(shí)、23時(shí)以及19日05時(shí)、11時(shí)、17時(shí)）6個(gè)時(shí)刻的分布形態(tài)。當(dāng)?shù)貢r(shí)間1月18日11時(shí),整個(gè)模擬區(qū)域的溫差幾乎均為負(fù)值,即2 m高度的氣溫小于地表氣溫,近地層沒(méi)有逆溫。在當(dāng)?shù)貢r(shí)間17時(shí)和23時(shí),即該地區(qū)的傍晚至夜間,絕大部分面積都出現(xiàn)了逆溫現(xiàn)象,中山站附近區(qū)域的逆溫在當(dāng)?shù)貢r(shí)間夜間至凌晨較強(qiáng)（注意圖中區(qū)域跨越了多個(gè)時(shí)區(qū)）；在當(dāng)?shù)貢r(shí)間次日05時(shí),隨著日出的到來(lái),逆溫面積逐漸開(kāi)始減少,因此具有日循環(huán)特征。圖中75°～105°E、海岸線(xiàn)至70°S這一地區(qū),逆溫層的出現(xiàn)加強(qiáng)了下降風(fēng)氣流,隨著逆溫的增強(qiáng),大風(fēng)區(qū)（在圖中用紅圈所示）逐漸西移,且其面積不斷增加,風(fēng)速在下降風(fēng)前進(jìn)過(guò)程中逐漸增大,這是逆溫效應(yīng)在一個(gè)日循環(huán)內(nèi)不斷積累的結(jié)果。

圖10 2010年1月1日至2月28日期間南極大陸平均表層氣溫與2 m高度氣溫差Eig .10 The averaged difference between temperatures at surface and 2 m height on the Antarctica continent from 1st January to 28th Eebruary 2010

值得注意的是,圖11中6個(gè)時(shí)刻的風(fēng)場(chǎng)有著相似的風(fēng)向分布形勢(shì),這說(shuō)明,即使在夏季白天逆溫消失時(shí),南極大陸的內(nèi)陸地區(qū)也存在沿斜坡向下的持續(xù)氣流。這是由于夏季一個(gè)日循環(huán)內(nèi)絕大部分時(shí)間存在逆溫現(xiàn)象,逆溫時(shí)產(chǎn)生的下降風(fēng)在逆溫消失后的較短時(shí)間內(nèi)尚不能完全消失,又在下一個(gè)日循環(huán)內(nèi)得到了再次加強(qiáng),由此形成了較穩(wěn)定的風(fēng)向空間分布特征。

5 結(jié)論與討論

我國(guó)南極中山站夏季晴天時(shí)會(huì)出現(xiàn)下降風(fēng)現(xiàn)象,中山站的下降風(fēng)通常為偏東風(fēng)。本文選取南極中山站2010年1月的夏季下降風(fēng)個(gè)例,使用常規(guī)地面氣象觀測(cè)資料和Polar W RE極地大氣數(shù)值模式,分析了中山站夏季一次典型下降風(fēng)個(gè)例的空間結(jié)構(gòu)和發(fā)生發(fā)展特點(diǎn)。

地面觀測(cè)資料分析結(jié)果表明:在夏季夜間天氣晴朗時(shí),中山站沿岸地區(qū)有來(lái)自南極大陸高處近地面的下降風(fēng),風(fēng)速較大時(shí),風(fēng)向在絕大部分情況下集中在80°～110°之間。下降風(fēng)風(fēng)速的變化趨勢(shì)與氣溫呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為- 0.91。

圖11 中山站當(dāng)?shù)貢r(shí)間2010年1月18 - 19日期間中山站及其附近區(qū)域風(fēng)場(chǎng)和近似逆溫場(chǎng)的模式模擬圖Eig .11 The simulation of wind field and approximate inversion strength from Polar W RE at Zhongshan Station and its neighborhood from 18th January to 19th January,2010（local time,U T C + 5）

數(shù)值模擬結(jié)果表明,由于地面摩擦作用,中山站下降風(fēng)在近地面風(fēng)向?yàn)闁|南。隨著高度的增加,風(fēng)向逆時(shí)針偏轉(zhuǎn),并最終趨于與地形等高線(xiàn)平行。在垂直方向上,風(fēng)速的最大值與其出現(xiàn)高度相關(guān)。模擬個(gè)例中,風(fēng)速隨高度先增加后減小,最大值分別約為15～21 m/s,最大風(fēng)速出現(xiàn)高度分別為100～150 m。在下降風(fēng)發(fā)生時(shí),近地層大氣存在逆溫現(xiàn)象。下降風(fēng)風(fēng)速越大的時(shí)段,近地層逆溫越強(qiáng),二者基本呈正相關(guān)關(guān)系。中山站上空的逆溫層厚度約為200～300 m,逆溫強(qiáng)度約為4～6℃。在同一下降風(fēng)個(gè)例中,風(fēng)速最大值出現(xiàn)高度比逆溫層厚度要小,前者約為后者的1/2。下降風(fēng)風(fēng)速與近表層氣溫變化趨勢(shì)相反,風(fēng)速較大時(shí)地表氣溫較低。

在中山站東南方向的廣闊大陸區(qū)域,逆溫層的出現(xiàn)加強(qiáng)了下降風(fēng)氣流,隨著逆溫的增強(qiáng),沿岸地區(qū)的大風(fēng)區(qū)逐漸西移,且面積不斷增加。下降風(fēng)的流場(chǎng)形勢(shì)基本不隨著時(shí)間變化,這說(shuō)明夏季即使在白天逆溫消失時(shí),南極大陸的內(nèi)陸地區(qū)也存在沿斜坡向下的持續(xù)氣流。這可能因?yàn)橄募窘^大部分時(shí)間存在逆溫現(xiàn)象,逆溫時(shí)產(chǎn)生的下降風(fēng)在逆溫消失后尚不能完全消失,又在下一個(gè)日循環(huán)內(nèi)得到了加強(qiáng),由此形成了較穩(wěn)定的風(fēng)向空間分布形態(tài)。

致謝:國(guó)家海洋局極地考察辦公室提供南極現(xiàn)場(chǎng)考察機(jī)會(huì)；美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)伯德極地研究中心極地氣象組（Ohio State U niversity,Byrd Polar Research Center,Polar M eteorology Group）提供Polar W RE極地大氣數(shù)值模式；桂林電子科技大學(xué)梁海協(xié)助繪制圖1示意圖。謹(jǐn)致謝忱！

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中圖分類(lèi)號(hào):P732.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253-4193（2016）03-0071-11

收稿日期:2015-02-09；

修訂日期:2015-06-10。

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金（41206185,41076128）；南北極環(huán)境資源調(diào)查專(zhuān)項(xiàng)（C HIN A R E-2015）；國(guó)家海洋局極地考察辦公室對(duì)外合作項(xiàng)目（IC201312）。

作者簡(jiǎn)介:孫啟振（1984—）,男,山東省日照市人,助理研究員,主要從事極地氣象研究及預(yù)報(bào)。E-mail:sunqizhen @ n mefc .gov .cn

孫啟振,張林,張占海,等.南極中山站夏季下降風(fēng)數(shù)值模擬個(gè)例研究［J］.海洋學(xué)報(bào),2016,38（3）:71 - 81,doi:10.3969/j.issn . 0253-4193.2016.03.007

Sun Qizhen,Zhang Lin,Zhang Zhanhai,et al. Numerical simulation of sum mer katabatic wind at Zhongshan Station,Antarctica:A case study［J］. Haiyang Xuebao,2016,38（3）:71 - 81,doi:10.3969/j.issn .0253-4193.2016.03.007

Numerical simulation of sum mer katabatic wind at Zhongshan Station,Antarctica:A case study

Sun Qizhen1,Zhang Lin1,Zhang Zhanhai3,Yang Qinghua1
（1 . Key Laboratory of Research on Marine Hazards Eorecasting,National Marine Environmental Eorecasting Center,Beijing 100081,China；2 .Collegeof Oceanic and Atmospheric Sciences,Ocean University of China,Qingdao 266100,China；3 .State O-ceanic Administration Key Laboratory for Polar Science,Polar Research Institute of China,Shanghai 200136,China）

Abstract:Katabatic winds are airflows that occur above a cold sloped surface . They are driven by gravity that causes colder and denser air masses to move downhill. Katabatic winds play a crucial role in the surface wind regime of Antarctica . Chinese Zhongshan Station,Antarctica,is strongly influenced by the katabatic wind allthe year round . In sunny su m mer days,the katabatic wind at Zhongshan Station usually beginsin the evening . The wind reachesits maximal speed at mid-night and then decreases before the next noon,with a significant diurnalcycle characteristics . The katabatic wind case in austral su m mer,January 2010,at Antarctic Zhongshan Station is analyzed with employing of conventional meteorological observations and the Polar W RE model. The results indicate that when katabatic wind emerges at nights of clear sky,the wind speed near the ground and surface air temperature trends are negatively correlated to - 0.91 .Simulations from Polar W RE show that the height of the maximu m speed of the katabatic wind,15 - 21 m/s,is between 100 and 150 m from the ground . Near surface air temperatureinversion always accompany with the katabatic wind . With the thickness of 200 to 300 m,the inversion has its strength of about 4 - 6℃. The near-ground katabatic wind at Zhongshan Station always blows from the southeast due to the ground friction . The wind direction deflects counterclockwise and eventually becomes parallel with the terrain contours while the heightincreasing . W hen thereis no direct solar radiation,continuousinversion presents at Antarctica continent and enhances the katabatic air flow . With the enhancement of the inversion,windy area gradually shifts westward and the acreage increases .In the short time when inversion disappears due to solar radiation in su m mer times,the katabatic wind would not completely disappear,thus forming a relatively stable spatial distribution of wind direction .

Key words:Antarctica；katabatic wind；nu merical simulation；Polar W RE