2018年中國第9次北極科學考察走航期間北極低層大氣垂直結構特征分析

田忠翔 趙福 尹朝暉 于文灝

(1國家海洋環境預報中心, 北京 100081;2中國海洋大學, 山東 青島 266100)

提要 利用中國第9次北極科學考察期間獲取的大氣探空資料, 分析了走航期間北極低層大氣垂直結構特征。分析發現: (1)對流層中部大氣的平均溫度遞減率為5.67℃·km-1, 與北極中心區的結果比較一致, 高空急流特征比較顯著, 尤其是高緯地區; (2)本航次觀測到的邊界層逆溫層底高度、厚度和溫度差的中位數分別為306 m、299 m和3.2℃, 與SHEBA(Surface Heat Budget of the Arctic Ocean)的結果比較一致; (3)低空急流高度和風速的中位數分別為456 m和11.40 m·s-1, 大多數時次的風速分布在6～14 m·s-1之間; (4)本航次觀測到只有67.27%的低空急流高度位于最低逆溫層之下, 而考慮多層逆溫后, 92.73%的低空急流位于逆溫層之下。

0 引言

邊界層逆溫和低空急流是北極低層大氣垂直結構中兩個非常重要的現象。逆溫層不僅會阻礙大氣與下墊面之間的物質和能量交換[1], 還在海冰變化中起著重要作用[2]。北極高緯海域的逆溫強度不僅存在明顯的日變化[3], 還存在顯著的年際變化[4]。來自高空較強的暖濕氣流與冰面近地層冷空氣的強烈相互作用, 會形成強風切變、逆溫和逆濕過程, 導致高緯海域的海冰破碎, 加強氣-冰-海相互作用[5]。北極大氣逆溫層產生的原因非常復雜, 它不僅與輻射冷卻、暖空氣對流、沉降和云頂冷卻有關, 也與海冰/雪表面融化和地形有關[6-12]。

低空急流對天氣和局地氣候有著重要的影響,而且還會影響水汽輸送和海冰漂移等。Bian等[13]觀測到北極中心區大氣垂直結構存在低空急流。1996年夏季北極2/3的探空觀測存在低空急流,其強度是天氣尺度下地轉風的2倍[14]。SHEBA(Surface Heat Budget of the Arctic Ocean)的觀測結果顯示北極太平洋扇區全年出現低空急流的頻率為41%, 夏半年的頻率低于冬半年, 為34%[15]。依托Tara冰站觀測, 發現低空急流的高度與逆溫層頂之間的關系非常復雜[16]。Andreas等[17]認為慣性振蕩是南極西威德爾海低空急流的成因。

在北極環境快速變化的背景下, 為了了解北極氣-冰-海之間的物質和能量交換, 對北極地區邊界層逆溫和低空急流的研究至關重要。因此,在北極海域開展探空觀測, 獲取低層大氣垂直結構, 具有重要的現實意義。然而, 在北極特殊地理位置和惡劣環境的影響下, 北極海域開展的探空觀測非常稀少, 現場觀測資料非常匱乏。本文使用的數據為中國參與YOPP(Year of Polar Prediction, YOPP)計劃所獲取的GPS探空數據。依托我國第9次北極科學考察, 利用Vaisala探空觀測系統在短時間內獲取了大范圍的大量探空數據。本文利用這些數據分析2018年第9次北極科學考察走航期間低層大氣的垂直結構特征。

1 數據與方法

在中國第9次北極科學考察走航期間(2018年7月31日—9月4日), 在“雪龍”號科考船上,利用Vaisala RS41型GPS探空儀在北極太平洋扇區開展了84次探空觀測(圖1), 觀測的參數包括高度、溫度、相對濕度、風向和風速等(表1)。7月31日—8月25日(除8月15日和23日)每天00時和12時(UTC)進行2次探空觀測, 8月15日和8月25日—9月3日期間, 每天00時、06時和12時(UTC)進行3次探空觀測, 8月23日在03時(UTC)增加一次觀測, 9月4日在06時、09時和12時(UTC)進行3次探空觀測。所有觀測均參照業務化要求進行, 觀測區域為(73.5°N～85°N,150°W～170°W)。84次觀測的最大探測高度為35.61 km, 最小為3.65 km, 平均高度為31.15 km。其中81次探空高度超過8 km, 1次低于4 km, 其余2次大約7.5 km。圖2a給出了一次探空觀測中探空氣球的漂移軌跡。

圖1 探空初始位置分布Fig.1.Initial position of GPS radiosondes

表1 探空儀參數＊Table 1.Specifications of the radiosonde*

圖2 2018年8月5日00時(UTC)探空氣球的漂移軌跡(a)、溫度和風速廓線(b), 以及邊界層逆溫和低空急流示意(b)Fig.2.The drift trajectory of balloon (a), the temperature and wind speed vertical profile (b) at 00 UTC on August 5, 2018,with the schematic diagram of low-level temperature inversion and low-level jet(b)

按照通用做法, 以每次探空最大高度作為最大判別高度, 對原始數據進行50 m間隔的標準化處理, 最終獲得不同標準層的氣溫、風速和風向等數據。為了獲取更加精確的邊界層逆溫和低空急流參數, 本文直接使用原始數據進行邊界層逆溫和低空急流各參數的判別。

2 分析結果

2.1 平均廓線和經向分布特征

圖3給出了84次探空觀測的平均溫度、比濕、風速和風向垂直廓線。氣溫從近地面至200 m下降到-2.11℃, 然后出現逆溫層, 800 m處溫度升至最高-0.90℃, 之后隨高度的增加而下降, 9.8 km處降至最低-50.97℃, 9.8～12.1 km隨高度的增加而升高至-44.98℃, 12.1～25.0 km略有下降, 25.0～35.0 km又逐漸升高至-29.10℃。逆溫層的溫度變化率為0.22℃·(100 m)-1, 這不僅低于北極夏季平均值0.5℃·(100 m)-1[18-19], 更顯著低于2010年夏季在北極高緯海域觀測到的1.3℃·(100 m)-1[13]和2014年夏季在相同海域觀測到的結果[20]。1.0～9.8 km之間的平均溫度遞減率為5.67℃·km-1, 與北極中心區的結果比較一致[4], 但小于全球平均的對流層中層溫度遞減率6.5℃·km-1[21]。比濕在近地面的變化趨勢與溫度比較一致, 逆溫層出現的高度也出現了逆濕現象。比濕從近地面至250 m減小至3.28 g·kg-1, 然后出現逆濕結構, 至750 m處達到最大值, 為3.47 g·kg-1, 逆濕層的比濕變化率為0.038 g·kg-1·(100 m)-1。逆濕層以上, 比濕隨高度的增加而快速減小, 至對流層頂附近基本減小為0, 之后又緩慢增大至0.24 g·kg-1。可見, 北極大部分水汽集中在對流層中下層, 對流層上層的水汽含量急劇減少, 至對流層頂附近基本為0。風速從近地面至250 m快速增大, 從5.93 m·s-1增大到8.87 m·s-1, 增大速率為1.47m·s-1·(100m)-1。250～1050 m之間出現混合層, 風速一直維持在8.8 m·s-1左右。1.0～9.2 km, 風速呈增加趨勢, 最大風速達20.99 m·s-1。之后至21.0 km處, 風速呈減小趨勢。21.0 km以上, 風速趨于穩定。可見高空急流特征比較顯著, 而低空急流較弱。與北極中心區的觀測結果相比, 高度與2012年接近, 但比2010和2014年高, 風速顯著大于北極中心區域的結果[3,4,20]。

風向從近地面至2.5 km由200°轉為240°,2.5 ～ 12.0 km變化較小, 12.0～23.0 km逐漸由230°轉為180°左右, 23.0 km處轉為150°左右, 23.0 km以上維持在120°～180°之間。

從溫度剖面的經向分布(圖4a)中可以更加直觀地看出近地面大氣的逆溫結構, 而且逆溫區同時出現了逆濕現象(圖4c)。在9.0～12.0 km的高空存在明顯的低溫區(圖4a), 最低溫度低于-50℃,對流層頂位于該低溫區內。5.0～11.0 km存在高空急流(圖4b), 并且該區域與對流層頂區域相一致。高緯地區的高空急流強度較弱, 垂向范圍和中心風速較小。81°N以南區域, 高空急流中心最大風速為40 m·s-1左右, 垂向范圍可達6 km, 而81°N以北區域, 高空急流中心最大風速為20～25 m·s-1, 垂向范圍大約為2 km。高空急流的存在阻礙了平流層和對流層的物質和能量交換。近地面2 km以下, 部分區域存在低空急流, 風速可達12～18 m·s-1。

圖4 溫度(a)、風速(b)和比濕(c)剖面的經向分布.“+”為冷點對流層頂高度Fig.4.The zonal distributions of temperature (a), wind speed (b) and specific humidity (c) of Arctic.“+” represents the cold point tropopause

2.2 邊界層逆溫

我們采用Andreas等[17]對邊界層逆溫的定義,即在溫度垂直廓線上, 溫度開始呈上升趨勢時的高度為zb, 相應高度的溫度為Tb, 溫度開始呈下降趨勢時的高度為zt, 相應高度的溫度為Tt, 如果逆溫層中包含厚度100 m左右的溫度呈下降趨勢的層, 那么該層將被忽略(圖2b)。Δz=zt-zb和ΔT=Tt-Tb分別被定義為逆溫層厚度和逆溫層溫度變化。如果具有多層逆溫結構, 我們只統計最低層的逆溫。

由于本文使用的探空數據是走航觀測結果,因此, 無法討論接地逆溫的情況。圖5給出了邊界層逆溫層底高度、邊界層逆溫層厚度、邊界層逆溫層底氣溫和邊界層逆溫層溫度變化的統計分布情況。由于邊界層逆溫層各參數的分布不符合正態分布, 而符合γ分布, 因此中位數比平均值更有意義。zb分布在30～2700 m, 中位數為306.35 m,其中75.00%的zb小于500 m。與歷史同期北極探空觀測結果相比, SHEBA和NP漂流站的zb與本文接近, 而其余北極中心區的觀測結果顯著低于本文的結果(表2)。海冰/雪融化和云的存在都會使邊界層逆溫抬升, 即zb增大。Δz分布在30～2100 m, 中位數為299.10 m, 其中57.14%的Δz在50～400 m, 90.47%的Δz在800 m以內。SHEBA觀測到的Δz依然與本文的結果比較一致, 而北極中心區的觀測結果則顯著大于本文的結果。這說明北極中心區的邊界層逆溫更加深厚。Tb的最小值和最大值分別為-19.12℃和1.65℃, 中位數為-2.98℃, 其中80.95%的Tb分布在-6～0℃之間。ΔT的最小值和最大值分別為0.25℃和9.24℃, 中位數為3.18℃, 其中59.52%的ΔT分布在0～4℃之間。不管是太平洋扇區, 還是北極中心區, 觀測到的ΔT比較一致。北極中心區表現為Δz較大時,ΔT較小, 而太平洋扇區無此特征。整體上看,SHEBA的觀測結果與本文比較一致, 這可能是因為兩者的觀測區域比較接近, 但也不能排除其他因素的影響。太平洋扇區與北極中心區相比,太平洋扇區的邊界層逆溫不僅有所抬升, 而且逆溫厚度較小, 但逆溫強度(ΔT)相差不大。

表2 北極8月份歷史航次獲取的邊界層逆溫參數＊Table 2.Temperature inversion statistics of August from former studies*

圖5 邊界層逆溫層底高度Zb (a)、厚度(Zt-Zb)(b)、邊界層逆溫層底氣溫Tb (c)和逆溫層溫差(Tt-Tb)(d)的頻數分布圖Fig.5.Histograms of inversion statistics: the height of the inversion base (a), the depth of the inversion (b), the temperature at the inversion base (c), and the temperature change through the inversion (d)

2.3 低空急流

我們采用Stull[25]對低空急流的定義, 即在風速垂直廓線上, 如果1500 m以下低空最大風速超過其下層和上層風速2 m·s-1, 這種結構就稱為低空急流, 該最大風速就是低空急流核風速, 對應的高度為低空急流核高度(圖2b)。84次GPS探空觀測中, 55次觀測(65.48%)出現了低空急流。基于同樣的低空急流定義, Jakobson等[16]利用Tara觀測數據, 發現只有46±8%的觀測時次出現低空急流。AOE 2001觀測到的低空急流更少, 只有25%[23], 顯著低于本文的分析結果。程剛等[15]發現SHEBA夏半年的低空急流出現頻率為34%,也比本文的結果偏低。Revelle和Nilsson[14]認為極地的低空急流發生頻率為60%～80%, 與本文的結果比較一致。Vihma等[26]在丹麥海峽冰邊緣區觀測到91%的觀測時次出現低空急流。冬季,低空急流的發生頻率顯著大于夏季, SHEBA觀測到冬半年比夏半年增大14%, 其中3月份最為活躍, 發生頻率超過60%[15]。1992年2—6月Andreas等[17]在南極西威德爾海觀測到低空急流的出現頻率為80%。可見, 低空急流的發生頻率具有較強的局地性, 受觀測時間、下墊面及天氣系統影響較大。

低空急流各參數同樣比較符合γ分布, 因此仍對中位數進行討論。低空急流高度的中位數為455.95 m, 其中27次觀測(約占49.09%)的高度在100～400 m之間(圖6a)。Tara觀測到低空急流位于70～1150 m, 而多數低空急流核高度為100～500 m[16]。Tjernstr?m等[23]發現AOE 2001的低空急流主要在200～400 m內。SHEBA夏半年有70%的急流位于600 m以下, 最大頻率出現在100～150 m之間。Tara和AOE 2001的結果與本文結果比較一致, 而SHEBA的最大出現頻率高度比本文更加集中。南極西威德爾海秋季和初冬的觀測發現低空急流出現在425 m內[17]。這種顯著差異可能是因為觀測設備及天氣的影響, Andreas等[17]的最大觀測高度不超過1000 m, 甚至只達到600 m。

本次觀測的低空急流風速在4.90～18.80 m·s-1之間, 大多數時次分布在6～14 m·s-1之間, 中位數為11.40 m·s-1, 平均風速為11.33 m·s-1(圖6b)。SHEBA觀測到夏半年低空急流風速多位于4～12 m·s-1, 平均風速約為10 m·s-1[15], 略小于本文的結果。由于Tara的探空觀測只在風速小于15 m·s-1時進行, 因此Tara觀測到的平均低空急流風速為7.1 m·s-1[16],明顯低于本文的結果。受觀測設備的限制, AOE 2001觀測到的低空急流風速為5～7 m·s-1[23], 與Tara的結果比較一致。

低空急流風向大多分布在240°～280°和300°～360°兩個區間, 中位數為243.00°(圖6c)。結合風玫瑰圖(圖7), 不難發現, 西-西南和西北方向的急流明顯高于其他方向, 16 m·s-1以上的強風急流主要集中的西-西南, 12～14 m·s-1的低空急流主要集中在西北方向, 而弱風急流沒有集中風向。

圖6 低空急流高度(a)、風速(b)和風向(c)的頻數分布圖Fig.6.Histograms of low-level jet statistics: the height of the jet core (a), the wind speed in the core (b), and the wind direction at the core (c)

圖7 低空急流核風玫瑰圖Fig.7.Wind rose plot of low-level jet at CHINARE 2018

2.4 低空急流與邊界層逆溫的關系

Tjernstr?m等[23]發現多數低空急流都位于逆溫層之下。本航次觀測到只有67.27%的低空急流高度位于最低逆溫層之下(圖8)。低空急流高于最低逆溫層頂的情況多發生在500～1500 m之間的高度上, 風速多集中在8～15 m·s-1之間。程剛等[15]對北極1997年10月—1998年10月SHEBA的探空觀測結果進行分析, 全年有75%的急流高度位于逆溫層之下。Andreas等[17]利用1992年2—6月南極西威德爾海1000 m以下的探空數據發現約90%的低空急流位于逆溫層頂以下。8月, 北極海域的大氣出現的多層逆溫結構和多層層積云[27], 會阻礙上層動量向下傳播, 從而在逆溫層上面形成較強的低空急流。卞林根等[5]利用2003年8月23日—9月3日北極海域系留氣艇的觀測數據, 發現只有20%的觀測時次出現了典型的穩定邊界層結構。本航次觀測期間, 存在低空急流的觀測時次中, 共有26次出現多層逆溫。如果將圖8的逆溫層頂拓展至最高逆溫層頂, 將有92.73%的低空急流位于逆溫層下方, 與歷史研究結果比較一致[17,23]。

圖8 邊界層逆溫層頂高度和低空急流高度對比圖Fig.8.Scatter plot of the height of the jet core with the height of the top of the low-level temperature inversion

3 結論

夏季北極海冰和積雪的不均勻分布, 以及海冰漂移的不確定性, 導致同一海域的氣-冰/氣-海之間的動量、感熱和潛熱通量不斷發生變化, 即大氣下墊面處于不斷變化的狀態, 最終影響大氣邊界層的結構特征。北極大氣垂直結構, 尤其是邊界層結構, 在特殊下墊面、天氣過程和云量等因素的綜合影響下,是非常復雜的。雖然走航探空觀測具有一定的時空局限性, 這是無法避免且難以消除的, 但是對短期大量探空數據的統計分析仍然具有一定的現實意義。通過分析中國第9次北極科學考察獲得的GPS探空資料, 我們統計分析了北極夏季低層大氣垂直結構, 文中獲取的大氣垂直結構特征參數對改進氣候模式具有重要參考作用。主要結果討論如下。

1.近地層存在逆溫結構。對流層中部大氣的平均溫度遞減率為5.67℃·km-1, 與北極中心區的結果比較一致, 但小于全球平均值。高空急流特征比較顯著, 而低空急流較弱。其中, 高緯地區的高空急流較弱。

2.本航次觀測到的邊界層逆溫層底高度、厚度和溫度差的中位數分別為306 m、299 m和3.2℃。與前人同期的研究結果相比, 同樣在太平洋扇區觀測的SHEBA的結果與本文比較一致。太平洋扇區的逆溫層底高度大于北極中心區的結果, 而逆溫厚度比北極中心區偏小, 逆溫層溫差比較一致。

3.84次GPS探空觀測中, 55次觀測出現了低空急流。低空急流高度和風速的中位數分別為456 m和11.40 m·s-1, 其中約1/2的低空急流位于400 m以下, 大多數時次的風速分布在6～14 m·s-1之間。本航次觀測到的低空急流高度與前人的研究結果比較一致。但是, 由于歷史觀測受觀測條件的限制, 本航次觀測到的急流風速比歷史研究結果偏大。弱風急流無集中風向, 強風急流主要集中在西-西南和西北方向。

4.本航次觀測到只有67.27%的低空急流高度位于最低逆溫層之下。如果將多層逆溫結構考慮進來, 將有92.73%的低空急流位于逆溫層下方,與前人的結果比較一致。低空急流高于最低逆溫層頂的情況多發生在500～1500 m之間的高度上,風速多集中在8～15 m·s-1之間。

致謝:感謝中國第9次北極科學考察隊隊員的幫助。