2015年南極中山站氣象和海冰特征分析

沈輝，孫啟振，董劍，田忠翔，趙杰臣，陳風云，韓曉鵬

（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；2.五臺山氣象站，山西忻州035515；3.湖州市氣象局，浙江湖州313000）

2015年南極中山站氣象和海冰特征分析

沈輝1，孫啟振1，董劍2，田忠翔1，趙杰臣1，陳風云3，韓曉鵬1

（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；2.五臺山氣象站，山西忻州035515；3.湖州市氣象局，浙江湖州313000）

基于中國第31次南極科學考察中山站越冬期間獲得的氣象和海冰觀測資料，結合1989—2014年氣候統計值，以及2010—2014年中山站海冰觀測數據，比對分析了中山站2015年的氣象及海冰特征。氣象分析表明：2015年中山站氣壓偏低，溫度偏高；降水天數偏多，相對濕度偏大；風速偏小，大風天數偏少，吹雪天數偏少；同時分析了常規氣象要素季節平均的變化趨勢。從大氣環流的角度初步分析解釋了2015年4月、5月、8月、9月和11月降水偏多以及6月、7月風速異常現象。海冰觀測表明，2015年中山站附近海冰凍結時間偏晚，海冰厚度較薄，冰表面積雪較厚，中山站附近的海冰厚度變化主要受熱力學影響。

南極中山站；氣象；大氣環流；海冰

1 引言

中國南極中山站位于東南極大陸拉斯曼丘陵（69°22′S，76°22′E）。南極中山站的氣象和海冰觀測對于我們了解東南極普里茲灣地區的氣象、氣候和海冰的變化具有重要意義。

近年來，已有諸多學者對中山站的天氣和氣候進行了多角度的分析研究。胡勝利[1]、翟兆鋒[2-3]和李凱[4]分別利用1991年、2000年、2006年以及2009年中山站常規氣象觀測資料并結合歷史資料分析了當年中山站的氣象要素特征。許淙等[5]對中山站2003年的吹雪和雪暴天氣進行了統計和天氣學分析，指出了雪暴一般發生在繞極氣旋影響中山站期間，吹雪天氣則發生在降雪天氣之后。許淙等[6]2004年的研究表明中山站地區下降風在夏季比較明顯。卞林根等[7]研究指出，中山站的氣候特點與東南極沿岸其它綠洲區相似，共同受大尺度氣候過程的影響，同時還具有許多局地氣候特征；并利用1989—2008年中山站氣象臺氣象觀測資料，發現中山站春季和冬季具有降溫趨勢，秋季和夏季具有升溫趨勢，降水日數、氣壓和風速呈下降趨勢，相對濕度沒有顯著的變化趨勢[8-9]。

張辛等[10]利用2000—2002年的MODIS海冰數據，研究發現中山站附近區域在每年10月—翌年2月中上旬為海冰消融期；2月中下旬—4月為海冰凍結非密封期；5—9月為海冰凍結密封期。李群等[11]利用數值模式分析了南極普里茲灣的海冰，得到了類似的結論，每年的3—8月海冰快速生長，9—10月達到最大值，隨后海冰開始融化，2月份達到最小。朱大勇等[12]從海氣相互作用的角度，利用1999—2003年海冰的分布對比分析了極地海冰與大氣動力和熱力場的關系，發現高溫為海冰融化加劇和凍結推遲提供了熱量，直接影響海冰分布的是海面風場。在海冰現場觀測方面，Lei等[13]利用2006年的觀測數據研究表明：中山附近的海冰一般在2月中旬形成，海冰最大厚度出現在11月份后期，冰表面積雪很薄，而吹雪天氣導致冰表面積雪頻繁的重新分布。

本文利用中國第31次南極考察隊在中山站越冬期間獲得的氣象數據，統計分析了2014年12月—2015年11月（以下簡稱2015年）中山站的氣壓、氣溫、相對濕度、風向風速等基本氣象要素與氣候值的差異，及其變化趨勢。嘗試通過大氣環流角度分析2015年的氣候異常現象，同時將2015年現場觀測的海冰數據與2010—2014年觀測的數據進行了對比分析。

2 資料說明

2.1 氣象觀測數據

南極中山氣象站是世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）南極基本天氣站網（Antarctic Basic Synoptic Network，ABSN）和南極基本氣候站網（Antarctic Basic Climatological Network，ABCN）基本臺站，還是全球氣候觀測系統地面站（Global Climate Observing System（GCOS）Surface Network，GSN），國際區站號89573，海拔高度14.9m。其氣象觀測工作始于1989年，地面氣象觀測項目的觀測儀器和方法及儀器精度均符合中國氣象局地面觀測規范。其中，氣溫、濕度、風向、風速和氣壓為自動觀測，云量、云狀、能見度、天氣現象等為人工觀測[14]。中山氣象站無降水量觀測項目，本文所用的2015年降水量資料由俄羅斯進步二站提供，進步二站距離中山站約500 m。

2.2 美國NCEP/NCAR再分析資料

本文使用美國NCEP/NCAR提供的1989年12月—2015年11月月平均再分析數據（http://www.esrl.noaa.gov/psd/），數據包含海平面氣壓、近地面經向風和緯向風，水平分辨率為2.5°×2.5°。

2.3 冰厚觀測數據

海冰厚度觀測一般從4月中上旬開始一直持續到11月末。4月中上旬中山站附近海冰厚度一般在30 cm以上，可以安全地在海冰上開展觀測作業。我們使用直徑為5 cm的鉆桿進行鉆孔測量冰厚，每隔7 d測量一次，并對冰表面積雪進行觀測。如遇惡劣天氣，測量日期順延。2010年和2011年的觀測數據從8月中旬到12月上旬，2012—2015年的觀測從4月中、上旬到11月末或12月初。

3 基本氣象要素分析

3.1 氣壓

統計了中山站自建站以來各氣象要素，即1989—2014年的各氣候要素平均值（見表1），統計結果與前人研究結果一致，中山站氣壓存在明顯的半年波變化特征，1—6月為高壓期，其他月份為低壓期[4]。2015年年平均氣壓982.8 hPa，比氣候值984.8 hPa偏低2 hPa。月平均氣壓除10月份較氣候值偏高，達到986.5 hPa，氣壓距平5.5 hPa，其他月份均偏低（見圖1a）。8月份月平均氣壓最低，為977.3 hPa，氣壓距平達到-4.7 hPa。10月份氣壓偏高主要由于受繞極氣旋的影響較少，反之8月份氣壓偏低由于受到較多繞極氣旋的影響，2015年8月和10月的降水量從側面驗證了以上觀點（見圖2）。

表1 南極中山站氣象要素氣候特征值統計（1989—2014年）

圖1 2015年（黑色）和1989—2014年（白色）中山站氣象要素逐月變化

表2給出了2015年各月極端最高、最低氣壓。2—4月、8月和11—12月的極端最高氣壓低于1000 hPa，其他各月極端最高氣壓超過1000 hPa；受一次很強的極地內陸高壓脊影響，7月19日出現極端最高氣壓1 013.5 hPa；4月11日，受一次繞極地氣旋過境影響，中山站出現年度極端最低氣壓942.3 hPa；各月極端最低氣壓均低于975 hPa。為了揭示中山站季節平均氣壓的變化特征，我們統計出每年夏季（12—2月）、秋季（3—5月）、冬季（6—8月）和春季（9—11月）的平均氣壓，并建立了時間序列。圖3給出中山站（1989—2015年）季節平均氣壓的年際變化和趨勢。不難看出，中山站各個季節的氣壓有明顯的年際變化，但變化趨勢不同。除春季呈上升趨勢外，其他季節都呈下降趨勢，其中冬季和秋季變化趨勢并不明顯。

圖2 2015年俄羅斯進步二站降水量逐月變化

表2 2015年南極中山站氣象要素極值統計

圖3 中山站（1989—2015年）季節平均氣壓的時間序列（曲線）及變化趨勢（直線）

3.2 氣溫和相對濕度

2015年中山站年平均氣溫-8.5℃，比氣候平均值偏高1.7℃；1月份月平均氣溫高于0℃，達到0.8℃，12月平均氣溫0℃，其他月份的月平均氣溫均低于0℃。7月月平均氣溫最低，為-21.9℃，月平均氣溫年較差22.7℃。與氣候值相比，月平均氣溫冬半年（4—9月）偏低，夏半年（10—3月）偏高（見圖1b）。5月負距平最大，達-6.3℃。10月正距平最大，達到3.5℃，表2給出了各月極端最高、最低氣溫。1—2月、11—12月的極端最高氣溫都在0℃之上，極端最低溫度都在0℃以下。2015年年極端最低氣溫-40℃，最高氣溫8.5℃，分別出現在7月9日和12月20日。作為對比，自中山站建站以來的最高氣溫9.3℃，最低氣溫-45.7℃，分別出現在2000年11月30日和2005年7月30日。由圖4中山站季節平均氣溫的時間序列可見，1989年以來秋季、春季和夏季平均氣溫有上升趨勢但不明顯；冬季平均氣溫有下降趨勢，其中冬季的溫度變化速率為0.78℃/10 a；26年中山站冬季平均氣溫下降了約2.03℃。

以往統計表明，中山站年均相對濕度較低，年變化不大，但有一定的季節差異，冬季相對濕度較低，夏季較高[15]。2015年年平均相對濕度59.8%，比氣候平均值偏高2.1%。冬半年（4—9月）相對濕度高，超過60%，夏半年（10—3月）相對較低；9月最高，2月最低，分別是72%和55%。與氣候值相比，正、負距平各6個月，冬半年（4—9月）相對濕度偏高，夏半年（10—3月）偏低（見圖1c）。圖5給出了中山站季節平均相對濕度的時間序列及其變化趨勢。中山站4個季節的平均相對濕度都呈下降趨勢，但不顯著。

3.3 風速風向

圖4 中山站（1989—2015年）季節平均溫度的時間序列（曲線）及變化趨勢（直線）

圖5 中山站（1989—2015年）季節平均相對濕度的時間序列（曲線）及變化趨勢（直線）

中山站位于東南極拉斯曼丘陵，與南極大陸冰蓋的直線距離為4 km，因此中山站受來自冰蓋的下降風影響，同時還受內陸高壓北部偏東氣流和繞極氣旋的共同影響;中山站秋季和冬季的風速大于春季和夏季風速[3-4]。1989—2014年年平均大風天數148 d，出現頻率40.8%。2015年平均風速6.3 m/s比氣候平均值偏低0.8 m/s；6月平均風速最大，為9.1 m/s，比氣候值偏高1 m/s；7月平均風速最小，為4.4 m/s，比氣候值偏低3.3 m/s（見圖1d）。全年大風日107 d，比氣候值偏少41 d，但4月、9月和11月都偏多（見圖3b）。年最大風速26.6 m/s出現在9月2日，而極大風速35.3 m/s出現在9月3日。為說明中山站季節平均風速的季節變化特征，我們統計了每年各個季節的平均風速，并建立了時間序列。圖6給出了中山站季節平均的年際變化和趨勢。可以看出中山站的季節平均風速的年際變化較大，均呈下降趨勢，秋季的變化速率為-0.30（m/s）/10 a，冬季的變化速率為-0.54（m/s）/10 a，春季的變化速率為-0.24（m/s）/10 a，夏季的變化速率為-0.56（m/s）/10 a，可見中山站冬季和夏季的風速減小的速率相對較大。關于風向，中山站位于南極大陸冷高壓邊緣的東風帶中，全年盛行偏東風。2015年風向也主要集中在NE—ESE之間，出現在這個區間的頻率80.5%（見圖7）。出現大風天氣時，風向也基本上都位于這個區間。

3.4 降雪與吹雪

圖6 中山站（1989—2015年）季節平均風速的時間序列（曲線）及變化趨勢（直線）

圖7 中山站2015年風向頻率分布

中山站降水天氣較多，由于氣溫較低，降水基本都是降雪的形式，只有夏天偶爾會出現雨夾雪天氣。中山氣象站沒有降水量的觀測，只有降水天數的統計。根據1989—2014年的資料分析，中山站平均每個月有11.9 d出現降水（見表1）。2015年中山站降水天數為172 d，比氣候值142.8 d明顯偏多，但是3月和10—12月降水天數偏少（見圖8a）。根據1989—2014年的資料，中山站的吹雪天氣冬季多，夏季少（見圖8b）。2015年中山站總吹雪天數30 d，比氣候值44.8 d偏少，但4月和6月吹雪天數偏多，其他月份均偏少。圖2給出了俄羅斯進步二站的逐月降水量，由于中山站與進步二站距離很近，可以認為該站的降水量等同于中山站的降水量。從圖中我們可以看出中山站和進步二站所在地區4月、5月、8月、9月和11月的降水偏多，其他月份偏少。

4 大氣環流和氣候異常分析

圖2中降水較多的月份，我們利用美國NCEP再分析數據計算了2014年12月—2015年11月份東南極普里茲灣海域周邊逐月海平面氣壓和表面風距平場，并與1989—2014年的氣候值做比較。從圖9可以看出，4月、5月、8月和11月具有類似的氣壓異常場配置，在中山站東北方東南印度洋基本上有氣壓正異常，中山站及其以南的南極大陸有氣壓負異常。東南印度洋的氣壓正異常有利于使繞極氣旋的路徑向南偏，并且減緩其移動速度，導致中山站更易受氣旋的影響。從圖2還可以看出9月份的降水量也比較多，對應圖9中9月份在中山站西北方東南印度洋有氣壓正異常，中山站及其以南的地區同樣還是負氣壓異常，這樣的氣壓異常配置有利于北方暖濕氣流向中山站輸送。3月、7月和12月也有類似的氣壓異常場配置，氣壓場正異常中心在中山站正北方或正北方偏東，這樣的氣壓場配置不利于氣旋影響中山站，故這3個月的降水較少。由圖9可見，只有10月份中山站氣壓是正異常，對應中山站溫度偏高，風速偏小，相對濕度偏小，降水量較少。

風速的異常，這里我們分別以6月份和7月份為例進行分析，6月份風速偏大，7月份風速偏小。6月份在中山站以及中山站周邊都是氣壓負異常，表明在2015年6月份中山站及周邊地區受氣旋影響較多，導致6月份的風速偏大。7月的風速明顯比氣候平均值偏小（見圖1d），2015年7月在中山站北側副極地低壓帶有氣壓正異常，而在中山站南側極地高壓帶有氣壓負異常，導致南北方向的氣壓梯度減小，造成在極地東風帶上的中山站的風速明顯比氣候平均值偏低

圖9 2014年12月—2015年11月南極普里茲灣及中山站附近地區周邊逐月海平面氣壓和表面風距平場

表3 中山站各氣象要輸與南極濤動指數的相關系數

為了解釋中山站各個氣象要素季節變化趨勢的原因，計算了中山站各氣象要素與南極濤動指數在季節尺度和月尺度上的相關系數（見表3），結果跟林翔等[16]計算的結果類似。中山站氣壓在季節尺度和月尺度上都和南極濤動指數有顯著的負相關，且都通過了0.01的顯著性標準。中山的氣溫季節尺度上與南極濤動指數有顯著的負相關，而在月尺度上中山站溫度與南極濤動指數相關系數只有-0.14。在季節尺度上中山站的相對濕度與南極濤動指數的相關系數都沒有通過顯著性檢驗，在月尺度上，兩者的相關系數為0.12達到0.05顯著標準。中山的風速與南極濤動指數在季節尺度上，只有在秋季兩者相關系數達到0.05顯著水平，且相關系數達到-0.45，在月尺度上，兩者的相關系數為-0.26，且達到0.01顯著標準，表明中山站的風速在月尺度上與南極濤動存在一定的負相關。以上結果說明了中山站的氣候變化與南極濤動及其對應的大氣環流區域特征有著密切的聯系。

5 海冰特征分析

圖10 2010—2015年海冰厚度的時間序列

2015年3月下旬中山站附近固定冰完全覆蓋沿岸海面，與前5年相比偏晚。這是因為中山附近的固定冰生長主要受熱力學的影響[10]，2014年12月—2015年2月份氣溫都偏高（見圖1），偏高的氣溫推遲了海冰凍結時間。圖10給出了2010—2015年海冰厚度變化的時間序列，對比發現，近6 a中山站沿岸固定冰最大厚度出現在2011年，達到186 cm，2015年最大值為近幾年來最小，只有144 cm，兩者相差42 cm。2015年海冰厚度跟以往同期相比明顯偏小，造成的原因首先是海冰凍結的時間偏晚，其次是2015年的表面的積雪厚度明顯偏高（見圖11）對海冰有隔熱的作用。同時可以發現中山站沿岸固定冰最大厚度隨著時間有減小的趨勢。從2012—2015年的數據看，4月中上旬（年積日100）—9月（年積日273）海冰生長迅速，10月份生長緩慢，11月份基本停止生長，11月下旬海冰已經開始消融。圖11是2010—2015年冰表面積雪厚度變化的時間序列，2015年與前4 a相比積雪明顯偏多，觀測到的最大積雪厚度達到49 cm。這一結果與2006年的結果不同[10]，2006年大風和吹雪過程是保持積雪深度較低的重要原因，即冰表面積雪一般在降雪過程中風速較小，降雪過程結束后，風速迅速變大，積雪深度立刻減少，致使中山站附近的海冰表面積雪深度始終保持較低水平。而2015年以8月份為例（見圖12），8月15日（年積日227）—8月22日（年積日234）連續降雪，而8月15日（年積日227）—8月19日（年積日231）這幾天風速都比較小，導致積雪在8月19日（年積日231）這一天達到最大深度，隨后8月21日（年積日233）和22日（年積日234）這兩天風速加大，雖然這兩天也有降雪，但是積雪深度開始減小。大風和吹雪天氣是積雪深度重新分布的重要因素，但是如果降雪過程結束后，風速在一段時間內沒有明顯增大，積雪表面被凍結變硬，形成硬雪殼，就不容易被風吹走。

圖11 2010—2015年中山站附近地區冰表面積雪厚度的時間序列

圖12 2015年8月1日（年積日213）—8月31日（年積日243）不同參數的時間序列

6 結語

本文對2015年中山站氣象和海冰觀測數據進行了分析，并與1989—2014年氣候值進行了比對分析。氣象分析表明，總體上2015年平均氣壓偏低，平均溫度偏高。降水天數偏多，相對濕度偏大。平均風速偏小，大風天數偏少，吹雪天數偏少。具體來講，月平均氣壓只有10月偏高，其他月份均偏低；月平均氣溫冬半年（4—9月）偏低，夏半年（10—3月）偏高，春季呈上升趨勢外，其他季節都呈下降趨勢；相對濕度冬半年（4—9月）偏高，夏半年（10—3月）偏低，中山站各個季節的平均相對濕度都呈下降趨勢，但不顯著；秋季和春季平均氣溫有上升趨勢但不明顯；冬季和夏季平均氣溫有下降趨勢；2015年平均風速6.3 m/s，比氣候平均偏低0.8 m/s，季節平均風速的年際變化較大，都呈下降趨勢；2015年中山站降水天數172 d比氣候值142.8 d明顯偏多。

本文計算了2014年12月—2015年11月東南極中山站周邊逐月海平面氣壓和表面風距平場。由于東南印度洋的氣壓正異常有利于繞極氣旋的路徑向南偏，并且減緩其移動速度，導致中山站更易受氣旋的影響，導致中山站2015年4月、5月、8月和11月的降水較多；從氣壓場異常的角度解釋了6月和7月風速的異常。

2015年中山站附近海冰凍結時間比較晚，跟2010—2014年觀測結果相比，海冰厚度偏小，冰表面積雪偏厚，這一結果進一步表明中山附近的海冰厚度變化主要受熱力學影響。

致謝中國第31次南極科學考察中山站全體越冬隊友提供了現場支持，中國氣象科學研究院提供了氣象觀測歷史資料，中山站附近冰厚數據來自2010—2014年中山站越冬的同事，俄羅斯進步二站提供2015年降水量資料，在此一并感謝。

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Characteristics of weather and sea ice at the Antarctic Zhongshan station in 2015

SHEN Hui1，SUN Qi-zhen1，DONG Jian2，TIAN Zhong-xiang1，ZHAO Jie-chen1，CHEN Feng-yun3，HAN Xiao-peng1
（1.National Marine Environmental Forecasting Center,Key Laboratory of Research on Marine Hazards Forecasting,Beijing 100081 China;2.Wutaishan Weather Station,Xinzhou 035515 China;3.Huzhou Meteorological Service,Huzhou 313000 China）

The statistical features of the in-situ meteorological and sea ice observations at Zhongshan Station in 2015 are analyzed with a comparison of the climate history from 1989 to 2014 and sea ice observation data from 2010 to 2014.The results show that,at Zhongshan Station in 2015,the air pressure and temperature appeared a lower and higher bias,respectively.More cloud cover and rainfall events occurred along with larger relative humidity.Lower wind speeds and less days of gale and snow drifts were observed.These weather anomalies could be partly explained by an examination of the monthly atmosphere circulations at Zhongshan Station in 2015.The sea ice growth nearby Zhongshan Station was largely controlled by its thermodynamics.In general,the freezing point,thickness and snow depth on sea ice in 2015 were a bit later,thinner and thicker than in 2010—2014.

Antarctic Zhongshan Station;weather；atmospheric circulation;sea ice

P941.21;P731.15

A

1003-0239（2017）06-0027-12

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.06.004

2016-11-23；

2017-03-07。

國家自然科學基金（41406218，41376005，41206185）；南北極環境綜合考察與評估專項（CHINARE2017-04-01-01，CHINARE 2017-01-01）。

沈輝（1987-），男，工程師，碩士，主要從事極地氣象預報工作。E-mail:shenh@nmefc.gov.cn