1961—2017年南極冰蓋近地面風時空變化研究

殷寶玲， 劉 琪， 王葉堂

（山東師范大學地理與環境學院，山東濟南 250014）

0 引言

南極是世界上風力最大的地區，每年平均8 級以上的大風達300多天，被稱為地球的“風極”，儲存了世界上最大尚未開發的風能資源。近地面風作為南極大陸上空重要的氣象因子之一，深刻地影響著大氣環流、海洋環流、水循環、冰蓋物質能量平衡等一系列過程。南極大陸因輻射冷卻產生的冷空氣沿著冰面陡坡急劇下滑，形成下降風，將迎風坡雪表面吹蝕成波狀紋，被吹起的雪部分升華，剩余的在背風坡回落形成沉積［1］。冰蓋尺度上，風吹雪引起的侵蝕和沉積對整體表面物質平衡量的影響較小，但是局地尺度上不可忽視，可以去除局地所有的降雪形成藍冰區。此外，風吹帶來的表面雪損失約占冰蓋年降雪的8%［1-2］。南極下降風是形成大規模環流的必要條件［3］，其分布形態決定了南極大陸近表層風場的主要特征。下降風到達冰蓋邊緣，與冰架、海冰及近海存在相互作用，可以影響海洋中的質量輸送和熱鹽環流。此外，南極極端的風條件對于野外作業是巨大的挑戰，甚至危及科研人員的人身安全［4-6］。因此，南極近地面風的時空變化研究十分必要，而且對于認識全球變暖背景下南極大氣環流的變化也具有重要意義。

作為全球最缺乏現場觀測資料的地區之一，南極冰蓋風的觀測數據同樣十分稀少。從1957—1958 國際地球物理年（IPY）至今，在整個南極大陸僅有19 個人工氣象站點具有時間序列長且連續的風速和風向數據，而且大部分站點分布于冰蓋邊緣地區，只有2 個站位于南極大陸內部。基于這些觀測記錄，已開展了一定的南極近地面風研究工作。如：van Lipzig等［1］在2004年繪制了全球首個大規模的南極風向指示圖，但缺少詳細的風速信息；Nylen等［7］2004 年利用12 個全年氣象站觀測數據研究發現麥克默多干谷下降風引起的“焚風效應”會使山谷氣溫增加30 ℃，而且其頻率在很大程度上影響了冬季近地面氣溫，頻率每增加1%，氣溫就上升1 ℃。2013年，陳善敏等［8］利用1985年1—3月的資料分析了長城站地面風和高空風的特征。但由于觀測設備和氣象條件的限制，只獲取了10次高空風探測資料。迄今，基于觀測資料的南極冰蓋近地面風的長期變化研究仍然鮮有報道。

隨著計算能力的迅速提高及數值技術的進步，數值模擬成為研究風場變化的有力手段。全球環流模式GCMs（global circulation models）是研究全球氣候系統變化的重要工具［9］。然而，GCMs 由于分辨率粗糙，不能很好地再現復雜的南極海岸地形，參數化方案常常過于簡單，致使其模擬結果不確定較高，通常無法直接用于研究風場變化趨勢研究。因此，有必要嘗試使用區域氣候模式RCMs（regional climate models）來模擬和預估一定條件下的氣候變率。從1989 年開始，Dickinson 等［10］將區域模型MM4 嵌套在全球大氣環流模式中，取得較好的模擬結果。此后，RCMs 被廣泛用于區域尺度上氣候以及未來變化預估研究［11］，例如：Giorgi 等［12］、Sass 等［13］、Podzun 等［14］發展RCMs 并用來模擬歐洲氣候，McGregor 等［15］將RCMs 應用于澳大利亞氣候變化研究。近年來，一些專門用于極區的高分辨率區域氣候模式迅速發展，大大提高了南極氣候的數值模擬能力，例如荷蘭皇家氣象研究所開發的RACMO 模型、德國極地與海洋研究所開發的HTRHAM 模型以及俄亥俄州立大學伯德極地研究中心開發的Polar WRF 模型等，這些模式提高了其分辨率，更好地解決了地形效應，并且許多物理過程的參數化方案也有了很大改進，能夠更好地描述南極復雜的天氣形勢和極端事件。盡管區域氣候模式模擬技術已有了實質性的改進，但氣候模式中有關雪冰物理過程的參數化方案仍然不夠精細，結果對于南極地形陡峭區域風速模擬能力十分有限，也不能很好地刻畫南極地區的風速變率［16］。因此，利用器測數據獲取南極冰蓋近地面風速風向變化特征，將會為未來區域模式發展提供依據。同樣，器測數據也是區域氣候模式模擬能力檢驗及校準的基礎。

本研究基于南極冰蓋19個氣象站實測數據，分析風速季節變化特征，利用線性回歸分析法對1961—2017 年的年平均風速和季節平均風速進行擬合，診斷其年際變化趨勢，并用標準t檢驗法檢驗其顯著性，在此基礎上分析南極冰蓋風速時空變化規律，探討其變化可能原因，并診斷區域尺度盛行風向。

1 數據和方法

1.1 數據

南極冰蓋近地面風速和風向數據來自英國南極調查局（BAS，British Antarctic Survey）的南極環境研究基礎數據數據庫（READER，Reference Antarctic Data for Environmental Research）（http：//www.tica.ac.uk/met/reader/）的氣象站數據，大部分氣象站數據是從1961 年1 月開始的，并且所有數據在公開之前都經過了質量控制［17］。本文選取了19個記錄最長、數據最完整的氣象站用于風速和風向時空變化分析，其中12 個站位于東南極（30° W 向東延伸到170° E），7 個站位于西南極（50°～160° W），詳細信息如表1 所示，其位置見圖1。為分析風速變化和氣溫及大氣壓的聯系，19 個氣象站相應的氣溫和海平面大氣壓觀測記錄也被應用。

圖1 南極冰蓋19個地面氣象站位置圖Fig.1 Location of 19 meteorological stations over the Antarctic Ice Sheet

表1 南極冰蓋19個地面氣象站信息Table 1 Information of 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet

1.2 方法

利用Bromwich 等［18］的數據缺失插補方法對數據完整度較低的3 個氣象站（Byrd、Belgrano、Mc-Murdo）的月風速缺失數據進行了插補。以Bryd 站為例說明，首先利用用于南極重建氣溫的類似克里格插值方法［18］，以美國國家環境預報中心/國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）再分析資料為背景場，將記錄可追溯到20 世紀70 年代的南極冰蓋除伯德站之外的其他氣象站的月平均風速數據插值到Byrd站的位置。其次，NCEP/NCAR 再分析資料和ERAInterim 再分析資料中提取的Byrd 站風速數據通過線性回歸填充到相應年份實測數據缺失的月風速數據。最后這兩種方法結果的平均值就是伯德站最終的月風速插補結果。該方法已很好地用于南極站點氣溫及氣壓等數據的插補，而且插補后的數據用于變化趨勢診斷［19-20］。

對19 個氣象站季節和年平均風速進行線性擬合，利用最小二乘法計算回歸系數，診斷風速的年際變化趨勢，并用t檢驗法檢驗其顯著性。利用皮爾遜相關系數對相關性進行分析。四個季節劃分采用南半球標準季節，即3—5 月為秋季，6—8 月為冬季，9—11 月為春季，12 月—次年2 月為夏季。在計算季節平均風速和風向時，每個季節最多只能缺少1 個月的數據，如果多于1 個月，那這個季節數據就被認為是空值。計算年平均風速和風向時，至少需要6 個月的數據且每個季節至少有1 個月數據是可用的，否則也將被認為缺失。

2 結果與討論

2.1 南極冰蓋多年平均風速空間分布特征

南極冰蓋19 個氣象站近地面風速多年平均值為7.3 m·s-1。從季節平均風速來看，冬季平均風速最大，為7.9 m·s-1，其次是秋季（7.7 m·s-1）和春季（7.5 m·s-1），三個季節均高于年平均風速，夏季風速最小，為6.2 m·s-1。從冰蓋各氣象站多年平均風速空間分布（圖2）可以看出：位于東南極沿海平均風速高，其中Mawson、Mirny、Dumont-Durville 和Novolazarevskaya 站年平均風速超過了9.0 m·s-1以上。南極內陸高原Amundsen-Scott 和Vostok 年平均風速較小，分別為5.4 m·s-1和5.1 m·s-1。南極半島除Faraday站風速較小外（4.3 m·s-1），其余站點年平均有風速均大于6.0 m·s-1。從站點季節平均風速空間分布來看，盡管各站風速值在不同的季節差異明顯，但是與年平均風速的空間分布特征較一致，即冰蓋沿海風速高，內陸風速低。

圖2 南極冰蓋19個氣象站多年和季節平均風速空間分布Fig.2 Spatial distribution of annual and seasonal averaged wind speeds of 19 weather stations over the Antarctic Ice Sheet

2.2 南極冰蓋風速時間變化特征

2.2.1 南極冰蓋19個氣象站風速季節變化特征

從19 個氣象站月平均風速變化（圖3）來看，南極冰蓋近地面風速季節變化明顯，所有站點夏季12—1 月的平均風速最小，但是不同區域站點平均風速最大值出現的月份差異顯著。位于西南極7站點月平均風速出現在春季月份（9—10 月），但與冬季月份平均風速相差較小。南極內陸兩個氣象站平均風速分別是3 月（Vostok 站）和8 月（Amundsen-Scott 站）最大。東南極沿海4 個站月平均速度最大值出現在秋季月份，3 個站出現在春季月份，3 個臺站出現在冬季月份。

圖3 南極冰蓋19個氣象站風速季節變化Fig.3 Seasonal cycle of mean wind speeds from 19 weather stations over the Antarctic Ice Sheet

2.2.2 南極冰蓋年和季節平均風速年際變化及趨勢

（1）年平均風速變化趨勢

南極冰蓋19 個氣象站近地面年平均風速年際波動較大（圖4），特別是Belgrano 站，1967—1968 年的年平均風速由4.3 m·s-1增加到9.8 m·s-1，且持續到1970 年，1971 年恢復到平均水平；同樣Mirny 站年平均風速在2016—2017 年出現了異常增加（從11.3 m·s-1增大到19.1 m·s-1），2018 年和2019 年仍然異常高，分別為21.8 m·s-1和15.7 m·s-1，2020 年下降到接近平均水平的10.8 m·s-1。Turner 等［21］認為這可能是由于用于測量風速的設備更換或是當地風量的變化引起。近50年來，19個氣象站中年平均風速年際增減變化的站點數基本相當。位于東南極0°～90° E 沿海的4 個氣象站年平均風速整體呈明顯的波動式上升趨勢，維多利亞地2 個站和南極內陸2個站呈明顯的下降趨勢。南極半島年平均風速沒有顯著變化、顯著上升和下降趨勢的氣象站各2個。

1961—2017 年南極冰蓋年平均風速變化趨勢（圖4）結果顯示，19 個氣象站年平均風速年際變化趨勢范圍為-0.50～0.82 m·s-1·（10a）-1。從變化幅度來看，南極半島的Marsh站風速變化幅度最明顯，年平均風速上升速率達0.82 m·s-1·（10a）-1，而同樣位于南極半島的Belgrano 站變化最緩慢，其趨勢值接近0［0.02 m·s-1·（10a）-1］。從區域尺度上來看，東南極冰蓋0°～120° E 的沿海地區6 個站中5 個（Casey、Davis、Mawson、Novolozarevsk 和Syowa）呈增加趨勢，而且均通過了0.05顯著性檢驗。東南極其余6個站（內陸高原2個，威德爾海東岸2個，維多利亞地海岸2 個）均呈下降趨勢，其中5 個站趨勢值通過了0.05 顯著性檢驗。西南極氣象站風速長期變化趨勢差異也較大，趨勢方向不僅正負各異，趨勢值也差距較大。近50年來，Byrd站年平均風速呈顯著下降趨勢，-0.19 m·s-1·（10a）-1。南極半島Marsh、Bellingshausen、Faraday 這3 個氣象站均呈增加趨勢，其中Marsh站趨勢為0.82 m·s-1·（10a）-1，且顯著性P＜0.01，明顯高于后兩個氣象站結果，其趨勢分別為0.02 m·s-1·（10a）-1、0.20 m·s-1·（10a）-1。南極半島另外3 個站Esperanza、Marambio 和Orcadas 站呈下降趨勢，分別為-0.34 m·s-1·（10a）-1、-0.50 m·s-1·（10a）-1和-0.06 m·s-1·（10a）-1。盡管南極半島地區年平均風速變化復雜，趨勢有升有降，且速率差異較大，但所有站點合成分析結果表明年平均風速呈顯著上升趨勢（附圖1）。總之，近50 年來南極半島和東南極0°～120°E 的沿海地區年平均風速總體呈增加趨勢，而南極內陸及其他沿海站點年平均風速呈下降趨勢。

圖4 近50年來南極冰蓋19個氣象站年平均風速年際變化Fig.4 Interannual variation of annual mean wind speeds at 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet in recent 50 years

（2）季節平均風速變化趨勢

對比各個季節平均風速變化趨勢（附圖2～5）發現，其趨勢空間特征與年平均風速相似。冬季只有1 個（Belgrano）、秋季2 個（Mirny 和Bellings），春季3個站和夏季4個氣象站平均風速變化趨勢方向與年平均風速變化方向相反，其余站點均一致。而且，呈上升和下降趨勢的氣象站數相當，在秋季分別為9個和10個，夏季分別是11和8個，春季和冬季分別為10 個和9 個。此外，1961—2017 年大部分氣象站（14 個）四個季節風速變化趨勢方向相同。東南極的Belgrano、Vostok 和南極半島的Bellingshausen、Orcada 站四季平均風速變化趨勢方向存在差異，且除Bellingshausen 站風速趨勢夏秋為負，冬春為正外，其余4個氣象站都只存在1個季節與其他3個季節風速趨勢方向不同。四季風速變化趨勢方向一致的14個氣象站中有11個季節趨勢值通過0.05顯著性水平檢驗，而四季風速變化趨勢方向不一致的5 氣象站中有4 個站點至多有1 個季節趨勢值通過0.05顯著性水平檢驗。

針對各個季節而言，19 個氣象站秋季平均風速變化趨勢范圍為-0.72～0.74 m·s-1·（10a）-1，其中南極半島的Marsh 和Marambio 站變化速率最快，均大于0.70 m·s-1·（10a）-1，同位于南極半島的Bellingshausen 站變化速率最小，為0 m·s-1·（10a）-1。東南極風速上升和下降趨勢的氣象站各6 個，其中8 個站變化速率大于0.20 m·s-1·（10a）-1。位于南極內陸Byrd站和Vostok站呈緩慢下降趨勢，其變化速率相當，分別為-0.12 m·s-1·（10a）-1和-0.15 m·s-1·（10a）-1。冬季，平均風速變化趨勢范圍為-0.46～1.04 m·s-1·（10a）-1，其中變化速率最高的是南極半島的Marsh 站［1.04 m·s-1·（10a）-1］，最低的是Bellingshausen 站［0.01 m·s-1·（10a）-1］。與秋季平均風速一樣，東南極12個氣象站中上升和下降趨勢的站點各占一半。與秋季不同的是兩個站點趨勢方向剛好相反，Davis 站秋季風速呈上升趨勢，而冬季呈下降趨勢，Belgrano 站秋季呈下降趨勢而冬季呈上升趨勢。西南極Byrd站下降速率較秋季更高，趨勢值為-0.29 m·s-1·（10a）-1。南極半島氣象站中冬季風速變化趨勢方向與年平均風速完全一致。春季平均風速變化趨勢范圍為-0.39～0.87 m·s-1·（10a）-1，有8個站風速趨勢通過了P=0.05的顯著性，其中風速變化速率最快的仍是南極半島的Marsh 站，趨勢為0.87 m·s-1·（10a）-1，最慢的為Novolazarevsk 站，趨勢均為0.03 m·s-1·（10a）-1。夏季，19 個氣象站風速變化趨勢范圍為-0.52～0.29 m·s-1·（10a）-1，其中趨勢變化速率最高的仍為東南極的Marsh 站，最低的是Amundsen-Scott 和Bellingshausen 站，趨勢均為0.001 m·s-1·（10a）-1，同為最慢。與年平均風速相比，有4 個氣象站風速趨勢方向不同，其中Mirny、Vostok 和Belgrano 站是年平均風速呈先下降趨勢，而夏季風速呈下降趨勢，Bellingshausen 站剛好相反，年平均風速呈上升趨勢，而夏季風速為下降趨勢。南極半島地區季節風速變化同樣復雜，趨勢方向和差異較大，但將所有站點合成分析結果表明4個季節平均風速均呈上升趨勢，除春季外的其他季節風速趨勢通過了95%顯著性檢驗（附圖1）。

2.2.3 近50年南極冰蓋風速變化可能原因

從19 個氣象站年及季節平均風速與相應的氣溫相關分析（表2）可以看出，東南極冰蓋0°～120°E沿海地區6 個站中5 個（Casey、Davis、Mawson、Novolozarevsk 和Syowa）年平均風速與年平均氣溫存在顯著的正相關關系，而且往往在冬春季相關性更高。南極半島Faraday/Vernadsky 和Bellingshausen站年平均風速與氣溫也存在顯著相關關系，其相關系數分別為0.39（P＜0.05）和0.42（P＜0.05），同樣冬季風速相關性更高。這表明冬春季升溫會帶來風速增加，因為陸地對升溫的響應比海洋更顯著，海陸熱力差異增加，導致經向氣壓梯度增強，進而增強風速。Nicolas 等［19］報道了該南極半島及東南極0°～120° E 沿海過去50 年來的冬春季變暖趨勢。位于威德爾海東岸的Halley站年和季節平均風速均與相應的氣溫存在顯著的正相關關系，其中秋季相關系數最高，為0.71，表明該站年和季節風速顯著下將趨勢與該過去50年來年和季節顯著變冷有關。東南極內陸2 個站及維多利亞地2 個站年平均風速與氣溫并不存在顯著的相關關系。

表2 南極冰蓋19個氣象站年及季節平均風速與氣溫的相關系數Table 2 Correlations between annual and seasonal averaged wind speeds and air temperature at the 19 weather stations

分析南極冰蓋19 個氣象站年及季節平均風速與海平面氣壓的相關性（表3）表明：只有6個氣象站年平均風速與年平均海平面氣壓存在顯著的相關關系，而且相關的方向為負，即東南極冰蓋沿海地區Casey、Davis、Novolozarevsk 和Syowa 站和南極半島的Marsh 和Bellingshausen 站年平均風速與年平均海平面氣壓存在顯著的負相關關系，在夏秋兩季也存在顯著的負相關，但是冬春季不存在顯著相關關系。這個6 個站夏秋季海平面氣壓近50 年來呈顯著下降趨勢，而中緯度氣壓加強，致使經向氣壓梯度力增大，導致風速增大。

表3 南極冰蓋19個氣象站年及季節平均風速與海平面氣壓的相關性Table 3 Correlations between annual and seasonal averaged wind speeds and mean sea level pressure at the 19 weather stations

南半球環狀模SAM（Southern Annular Mode）是南半球熱帶外大氣環流大尺度變率的主導模態，這一模態又被稱為南極濤動AAO（Antarctic Oscillation），具有較好的緯向對稱性。SAM 描述了南半球大氣環流場的異常狀態，直接表現為氣壓場在南半球中高緯度地區“蹺蹺板”式的反向異常變化，并伴隨急流位置的南北移動，和與之有關的緯向風的強度，因此這種中高緯地區存在的氣壓梯度會直接影響到該區域風場的變化。因此，南極近地面風速變化很大程度上受SAM 控制。為了更好地刻畫南半球這種大氣環流的南北擺動狀態，一般用SAM指數對其進行描述。SAM 指數為正時，中緯度地區會產生異常高的海平面大氣壓，高緯度地區則會產生異常低的海平面大氣壓，中緯度的異常高氣壓會推動西風帶向極地方向移動，高緯地區出現西風異常，南極繞極流流速加快；SAM 為負時，情況相反。SAM 作為南半球最顯著的大氣變化模態，可以解釋南半球大部分大氣變化［22］。自20 世紀70 年代中期以來，SAM持續增強向正位相轉變（圖5），而且在夏季最顯著［23］。

圖5 近50年來南半球環狀模指數年際變化（灰色柱體是SAM的年平均值，藍色實線是5年滑動平均，藍色虛線是SAM變化線性趨勢線）Fig.5 Year-to-year variability in SAM index during the past 50 years（Grey stylidiums denotes the annually averaged SAM；Blue sold line is the 5-year running mean of SAM values；Blue dotted line is the linear regression of annual SAM）

為討論SAM對南極區域尺度風速變化的影響，將南極半島和東南極沿海氣象站風速進行了合成（附圖1），計算了合成后的年平均和季節風速與SAM 的相關系數（表4），西南極僅有Byrd 站進行相關分析時也計算在內。從逐年數據計算的結果來，即使SAM 與區域年平均風速存在顯著相關性，但也是弱相關。5 年滑動平均的年SAM 指數與南極半島站點合成及東南極沿海站點合成結果呈顯著正相關關系，相關系數分別為0.59 和0.55，與西南極風速呈負相關關系，相關系數為-0.55，而且夏季SAM 指數與三個區域結果相關性更高。SAM正位相通常會引起向極移動的西風增強，進而增大風速［24］。Dong 等［25］發現來自再分析資料的年平均風速和夏季平均風速異常與SAM 指數高度相關。效存德［26］也指出最近幾十年受SAM 正相位影響，南極地區氣壓減弱，導致南大洋西風增強，這與本研究指出的東南極沿海和南極半島平均風速上升一致。van den Broeke 等［27］利用區域氣候模式RACMO 研究了南極近地表氣候對SAM 的響應，表明南極近地面風與SAM 存在顯著相關信號。Turner 等［28］在研究南極過去50 年氣候變化時也發現南極大部分氣象站風速增加與近幾十年來SAM位相轉變有關。鄭菲等［29］也認為SAM 為正時，南半球繞極西風向極地偏移，南極表面風速發生變化。

表4 年和季節SAM指數與平均風速相關系數Table 4 Correlation coefficients between annual and seasonal SAM index and mean wind speed

在別林斯高晉海和阿蒙森海上空存在一個半永久性氣候低壓區，被稱作阿蒙森低壓ASL（Amundsen Sea Low），近幾十年來ASL 加強加深，在這兩個海域上空形成了氣旋式的環流異常，增強了局部經向風，給南極半島帶來了更強的偏北風。ASL 的變率與SAM 中表現的半球大氣壓波動以及來自熱帶太平洋和熱帶大西洋的遠程強迫有關［28］。SAM 已被證明可以顯著調節ASL 強度，當SAM 處于正相位時，在南部高緯度地區觀察到低于正常值的壓力，風暴路徑向南極大陸增強/向極地移動［30-31］。SAM 正位相條件下，ASL 往往比正常情況更強，進一步增強了局部經向風，進而導致南極半島風速增大［16］。熱帶太平洋和熱帶大西洋的海表溫度（SST）異常也影響ASL強度。熱帶太平洋西部與厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）拉尼娜期相關的SST 正異常已被證明會加深和擴大ASL，而厄爾尼諾條件往往會削弱ASL［32］。研究表明，熱帶北大西洋的SST 正異常可以在冬季和春季加強ASL［33-35］。與來自SAM 的強迫一樣，熱帶強迫Rossby 波作用下ASL 增強時，低空的氣旋性環流隨之增強，其西緣北向風增強，致使南極半島風速增強，其東緣南向風增強，無法深入西南極內陸，導致其風速下降。

2.3 主風向分析

南極冰蓋19個氣象站主導風向及其頻率（表5）顯示，大部分站點主風向較明顯，其中Duhbmbmont-Durville、Mawson、Mirny、Novolazarevskaya 和Byrd 站主導風向頻率最高，均在50%以上，其中位于東南極沿海的4 個氣象站主導風向均為東南風（SE），而且16 方位風向中最多只有4 個方位風向（包含主導風向）頻率大于50%（圖9），同位于東南極沿海的Halley、Syowa 和McMurdo 站主風向頻率相對較高，分別為48.7%、48.0%和36.1%，表明該區域風向比較穩定，大部分時間盛行同一風向風。位于東南極內陸的Vostok 站和Amunden-Scott 站主導風向分別為西南風和東北風，頻率在40%以上。南極半島氣象站主風向頻率普遍偏低，除Bellingshausen 和Marsh 站主風向相同，為西北風之外，其他氣象站主風向各異，而且絕大多數氣象站主風向頻率都在30%以下?？傊?，南極內陸高原和東南極沿海地區雖主風向不盡相同，但主風向頻率基本都較高，表現出較高的方向恒常性，但是南極半島風向恒常性較低，與Rodrigo 等［33］的研究一致，即由于重力活動的影響，東南極大部分地區近地面風表現出非常高的方向恒常性，而南極半島受天氣活動影響較大，方向恒常性較低。

表5 南極冰蓋19個氣象站主導風向及其頻率Table 5 Dominant wind direction and frequency of 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet

從南極冰蓋19 個氣象站近地面16 方位風頻玫瑰圖（圖6）可以看出，東南極沿海Belgrano、Novolazarevskaya、Dumont-Durville、Mawson 和Mirny站主導風向為偏南風，Halley、Davis、Casey 站主導風向為東風，表明東南極沿海地區風向穩定。K?nig-Langlo 等［34］將Halley 站盛行東風歸因于沿南極海岸的東風強迫作用，Kottmeier 等［35］認為Halley站最大風向位于80°～90°之間主要是受天氣擾動再加上當地地形的影響。Ohata 等［36］推測Syowa 附近地區盛行偏東風是由繞極東風引起的。Sato等［37］認為由于Syowa 站位于南極大陸邊緣約4 km 處的一個島嶼上，盛行偏東風不能排除下降風的影響，這是因為科里奧利力的作用，Syowa 站的下降風有偏東傾向。Davis、Casey 和McMudo 站可能也因受繞極東風影響盛行偏東風。東南極內陸Amunden-Scott 盛行東北風，結合此地地形發現該站位于大約向38° E 方向傾斜的坡上，在重力和地轉偏向力共同作用下形成此方向風。南極半島地形狹長，海岸曲折，各氣象站盛行風向較復雜。位于霍普灣沿岸的Esperanza站由于受到山脈的阻擋作用盛行西風，Marambio 站盛行風向為偏南風，其余氣象站盛行偏北風。

圖6 南極冰蓋19個地面氣象站風頻玫瑰圖Fig.6 Wind frequency rose of 19 weather stations of Antarctic Ice Sheet

3 結論

風能作為可再生能源，在世界能源體系清潔化轉型過程中發揮著關鍵作用。南極儲存著世界上尚未開發的最大風能資源。作為影響風能資源變化中的重要因子，近地面風的時空變化尤其是長期變化趨勢研究十分必要和重要。本文利用南極冰蓋近地面19 個氣象觀測站實測風速風向資料對近地面風時空變化特征進行了分析，主要結論如下：

（1）南極冰蓋19個氣象站近地面風速多年平均值為7.3 m·s-1，風速季節變化明顯，所有站點最小平均風速出現在夏季月份，但是不同區域站點風速最大值出現的月份差異顯著。從所有站點季節平均風速來看，冬季平均風速最大，其次秋季和春季，夏季最小。

（2）1961—2017 年南極冰蓋近地面各季節平均風速的年際變化模式與年平均風速基本一致，不論哪個季節風速呈上升或下降趨勢的站點數相當，基本都是各一半。東南極0°～120°E 沿海地區風速呈顯著上升趨勢。南極半島風速變化復雜，趨勢有升有降，且快慢差異較大，但是從整體平均結果來看，呈明顯上升趨勢。這與近50年來這兩個區域變暖，海平面氣壓顯著下降及近幾十年來SAM 向正位相加強均有關。

（3）東南極沿海地區受下降風和繞極東風的影響，大部分地區盛行偏南風或偏東風，且頻率較高，風向穩定。南極半島地區風向復雜，盛行風向各異且主風向頻率低。

附圖1 1961—2017年南極半島年和季節平均風速年際變化（藍色實線為線性趨勢性，紅色虛線為5年滑動平均結果）Attached Fig.1 Annual and seasonal mean wind speeds over the Antarctic Peninsula from 1961 to 2017（Blue lines are the linear trends of mean wind speeds；Red dotted lines are the 5 year running averaged wind speeds）

附圖2 近50年來南極冰蓋19個氣象站秋季平均風速年際變化Attached Fig.2 Interannual variation of autumn mean wind speeds at 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet in recent 50 years

附圖3 近50年來南極冰蓋19個氣象站冬季平均風速年際變化Attached Fig.3 Interannual variation of winter mean wind speeds at 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet in recent 50 years

附圖4 近50年來南極冰蓋19個氣象站春季平均風速年際變化Attached Fig.4 Interannual variation of spring mean wind speeds at 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet in recent 50 years

附圖5 近50年來南極冰蓋19個氣象站夏季平均風速年際變化Attached Fig.5 Interannual variation of summer mean wind speeds at 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet in recent 50 years