普里茲灣沿岸下降風(fēng)特征分析

丁卓銘 張林 卞林根 孫啟振

(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)氣象科學(xué)院,北京100081)

0 引言

南極地區(qū)常年冰雪覆蓋,地形基本呈內(nèi)陸高、沿岸低的分布狀態(tài)(圖1)。在冰蓋坡度較大的地區(qū),由于冰蓋表面的劇烈輻射冷卻使得近地層空氣密度增大,海拔較高處近地層空氣密度比同一水平面上其他位置的空氣密度大,并在重力作用下沿斜坡加速向下運(yùn)動(dòng),形成下降風(fēng)[1]。

下降風(fēng)作為一種中尺度到大尺度的天氣現(xiàn)象,是南極地區(qū)大氣低層風(fēng)場(chǎng)的一個(gè)重要特征:下降風(fēng)可以改變邊界層內(nèi)氣象要素的垂直分布,改變局地水平溫度梯度和水平氣壓梯度;驅(qū)動(dòng)南半球經(jīng)向質(zhì)量輸送循環(huán)、向北輸送冷空氣,最遠(yuǎn)能到達(dá)亞熱帶地區(qū),使得南極大陸地面氣壓降低、中緯度地區(qū)地面氣壓上升[2];造成吹雪、白化天,降低氣象能見度;從沿岸吹向海面的下降風(fēng),引起涌浪,不利于船只航行,產(chǎn)生冰間湖;強(qiáng)風(fēng)會(huì)破壞南極地區(qū)的科考站建筑,危及科研人員的人身安全,影響航空飛行器的起降。

從20世紀(jì)六七十年代起,國(guó)外氣象學(xué)家開始利用自動(dòng)氣象站、無線電探空氣球和數(shù)值模式,研究南極大陸地面風(fēng)場(chǎng)、大尺度下降風(fēng),以及下降風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)。下降風(fēng)出現(xiàn)在晴朗少云的夜間,地表輻射冷卻導(dǎo)致近地面氣溫降低。其與地形有密切關(guān)系,風(fēng)沿著地形(山坡),從高海拔處指向低海拔處;風(fēng)速較大,強(qiáng)度依賴于冰面坡度,最強(qiáng)的下降風(fēng)都發(fā)生在南極大陸陡峭的沿海地區(qū)[3],沿著地形從內(nèi)陸吹向沿海[4],具有單向性和持續(xù)性[3,5]。下降風(fēng)在科氏力作用下向左偏轉(zhuǎn)(偏轉(zhuǎn)角度一般為30°—50°[3]),在地表摩擦力作用下減速。同時(shí)風(fēng)速也受季節(jié)、大氣大尺度環(huán)流、自由大氣氣壓梯度和水平溫度梯度的影響[5-8]。

如圖1所示,中國(guó)南極中山站所在的拉斯曼丘陵,位于普里茲灣東南沿岸,東南距伊麗莎白公主地?cái)?shù)百千米。在冬季,普里茲灣沿岸是下降風(fēng)氣壓梯度力大值區(qū)[5]。伊麗莎白公主地冰蓋坡度陡、風(fēng)向常年穩(wěn)定,為邊界層大尺度氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)風(fēng)和邊界層風(fēng)速大值區(qū)[9],是非常典型的冰蓋下降風(fēng)頻發(fā)地區(qū)之一[10]。

圖1 南極大陸地形圖[2]Fig.1.Reliefmap of Antarctic continent

自1985年中山站建成起,中國(guó)的極地氣象研究者就在常規(guī)地面氣象觀測(cè)工作中,發(fā)現(xiàn)下降風(fēng)現(xiàn)象并統(tǒng)計(jì)其特征,并開展南極普里茲灣沿岸下降風(fēng)數(shù)值模擬研究,以提高下降風(fēng)預(yù)報(bào)能力,更好地為中國(guó)南極科考隊(duì)提供氣象保障,使南極科考工作能夠順利、安全地進(jìn)行。胡勝利[11]分析了1991年在中山站越冬期間的下降風(fēng):其與南極大陸冷高壓的強(qiáng)弱變化和離冰蓋坡斜面的遠(yuǎn)近有關(guān),中山站的下降風(fēng)比距冰蓋稍遠(yuǎn)的戴維斯站強(qiáng);12月至翌年2月的晴天早晨和傍晚,下降風(fēng)比較明顯;風(fēng)速5—6級(jí),最大可達(dá)7—8級(jí),風(fēng)向穩(wěn)定在東南東。卞林根等[12]統(tǒng)計(jì)了拉斯曼丘陵地區(qū)短期氣候特征:中山站下降風(fēng)在夏季(1月)和春季(10月)最為明顯,冬季和秋季基本沒有下降風(fēng);夏季和秋季18:00—24:00常出現(xiàn)靜風(fēng),7:00—12:00常出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng),是典型的下降風(fēng)特征。對(duì)伊麗莎白公主地冰蓋近地層大氣參數(shù)的年變化特征的研究[13]顯示,夏季下降風(fēng)十分明顯,冬季風(fēng)速則沒有明顯的日變化。

目前國(guó)內(nèi)的研究主要基于地面觀測(cè)數(shù)據(jù)(包括梯度資料)。本文根據(jù)春季、秋季和冬季的下降風(fēng)個(gè)例,分析普里茲灣沿岸和伊麗莎白公主地至DOME-A沿線的天氣形勢(shì)、中山站邊界層探空廓線、中山站地面塔層觀測(cè)資料,得出中山站的下降風(fēng)特征,并對(duì)比塔層資料模擬的近地層風(fēng)廓線與探空風(fēng)廓線。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文所用數(shù)據(jù),來自2007—2008年中國(guó)第24次南極科學(xué)考察期間架設(shè)在中國(guó)南極中山站站區(qū)內(nèi)平坦高地上的自動(dòng)氣象站(AWS)3層梯度觀測(cè)、臭氧氣球探空(下方掛載GPS定位儀)和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECWMF)公開的再分析資料。

自動(dòng)氣象站所在的下墊面為風(fēng)化的沙石地貌(夏季),西北緊鄰普里茲灣,海拔高度20 m,經(jīng)度76°22′E,緯度 69°22′S。自動(dòng)氣象站為連續(xù)梯度觀測(cè),時(shí)間為2007年12月27日—2008年12月21日,3層傳感器高度分別為2 m、4 m、6 m,觀測(cè)要素包括溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向,取10 min平均值。

臭氧氣球探空均在當(dāng)?shù)貢r(shí)間10:00—11:00進(jìn)行,1—2周釋放1次,獲得的數(shù)據(jù)包括時(shí)間、氣壓、溫度、相對(duì)濕度,采集間隔15 s。GPS數(shù)據(jù)包括時(shí)間、經(jīng)緯度和海拔高度,采集間隔5 s。

由于臭氧氣球探空觀測(cè)不能直接得到不同高度處的水平風(fēng)速,故本文假定探空氣球上升過程中氣球的水平速度與水平風(fēng)速一致,采用GPS定位儀的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)計(jì)算臭氧氣球在不同高度處的水平位移。已知點(diǎn)A(緯度φ1,經(jīng)度λ1)和點(diǎn)B(緯度φ2,經(jīng)度λ2),求A、B之間距離D的公式[14]:

其中A1=cosφ1·sin λ1,B1=cosφ1·cosλ1,C1=sinφ1,A2=cosφ2·sinλ2,B2=cosφ2·cosλ2,C2=sinφ2,R為地球半徑6 371.004 km。將D除以時(shí)間間隔t,可得探空氣球上升過程中不同高度的水平風(fēng)速v。

南極大陸氣象觀測(cè)站點(diǎn)稀少,無法獲得足夠多的地面和高空氣象數(shù)據(jù)以繪制天氣圖、分析天氣形勢(shì),而ECMWF的再分析資料早已被驗(yàn)證,與實(shí)際觀測(cè)值很接近[15]。故本文利用ECWMF的ERA Interim再分析資料(UTC 06:00、當(dāng)?shù)貢r(shí)間11:00,水平分辨率0.125°,包括地面溫度、地面風(fēng)速、1 000 hPa位勢(shì)高度、低云覆蓋量、中云覆蓋量),分析中山站所在的南極普里茲灣沿岸、伊麗莎白公主地至DOME-A沿線(65°S—80°S,60°E—100°E)地方時(shí)11:00的地面溫度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)。

2 中山站下降風(fēng)特征

本文根據(jù)探空所得的邊界層特征,尤其是近地層特征,確定2008年3月14日、4月17日、5月30日、7月24日,中山站出現(xiàn)典型的下降風(fēng)。

2.1 天氣形勢(shì)

從再分析資料所得中低云覆蓋率(圖2)可得,3月14日UTC 00:00和06:00的,伊麗莎白公主地為晴天。4月17日UTC 06:00時(shí)伊麗莎白公主地大部分區(qū)域?yàn)殛幪?阻擋太陽(yáng)輻射到達(dá)地面。5月30日、7月24日伊麗莎白公主地已經(jīng)處于極夜,UTC 06:00云量均少于1成。3月14日、7月24日,伊麗莎白公主地與DOME-A沿線為晴天。

圖3顯示,伊麗莎白公主地氣溫較低,冬季(7月24日)溫度在-65℃以下,秋季(3月14日)溫度也可達(dá)-52℃左右,其東南易形成冷中心。相比而言,普里茲灣由于來自低緯度地區(qū)的暖濕氣流的影響,氣溫較高,秋季和冬季氣溫在-10至-25℃之間。伊麗莎白公主地與普里茲灣沿岸(中山站)之間的溫度梯度較大,最大可達(dá)-5.8℃·100 km-1(4月17日)。

圖2 伊麗莎白公主地與DOME-A沿線、普里茲灣沿岸UTC 06:00時(shí)中低云量.(a)3月14日;(b)4月17日;(c)5月30日;(d)7月24日Fig.2.The low and medium cloud cover from Princess Elizabeth Land to DOME-A and in coast of Prydz Bay at UTC 06:00.(a)March 14;(b)April17;(c)May 30;(d)July 24

圖3 伊麗莎白公主地與DOME-A沿線、普里茲灣沿岸UTC 06:00時(shí)地面溫度場(chǎng).(a)3月14日;(b)4月17日;(c)5月30日;(d)7月24日Fig.3.The temperatures on the ground from Princess Elizabeth Land to DOME-A and in coastof Prydz Bay at UTC 06:00.(a)March 14;(b)April17;(c)May 30;(d)July 24

3月14日、4月17日、5月30日,伊麗莎白公主地受高壓控制,其東側(cè)有高壓中心維持,普里茲灣沿岸與南大洋之間、伊麗莎白公主地與南大洋之間的位勢(shì)高度差較大(圖4a、圖4b、圖4c)。其中3月14日,75°S與60°S之間的位勢(shì)高度梯度達(dá)1.4 gpm·100 km-1。冬季,高壓減弱甚至消失:5月30日,伊麗莎白公主地以東的高壓減弱,西南出現(xiàn)一個(gè)高壓;7月24日,76°S、79°E出現(xiàn)一個(gè)很強(qiáng)的高壓中心,而伊麗莎白公主地受低壓控制(圖4d)。普里茲灣與南大洋之間的氣壓梯度也隨之減弱。3月14日、7月24日,伊麗莎白公主地以南存在一個(gè)高壓中心。

圖4 伊麗莎白公主地與DOME-A沿線、普里茲灣沿岸UTC 06:00時(shí)1 000 hPa位勢(shì)高度場(chǎng).(a)3月14日;(b)4月17日;(c)5月30日;(d)7月24日Fig.4.The Geopontential Height(1 000 hPa)from Princess Elizabeth Land to DOME-A and in coast of Prydz Bay at UTC 06:00.(a)March 14;(b)April17;(c)May 30;(d)July 24

4月17日和5月30日伊麗莎白公主地存在較強(qiáng)的輻散,風(fēng)速隨緯度減小而增大,并向左偏轉(zhuǎn),到達(dá)普里茲灣和南大洋沿岸時(shí),風(fēng)速有減小的趨勢(shì)(圖5b、圖5c)。5月30日,伊麗莎白公主地和普里茲灣東側(cè)的地面風(fēng)速最大。3月14日、7月24日,伊麗莎白公主地西南處的地面風(fēng)速?gòu)?qiáng)于伊麗莎白公主地東側(cè),氣團(tuán)向北移動(dòng)、加速,并向左偏轉(zhuǎn)(圖5a、圖5d),到達(dá)普里茲灣西側(cè)(麥克羅伯遜地)后,風(fēng)速有減小的趨勢(shì)。此時(shí)普里茲灣西側(cè)風(fēng)速大于東側(cè)和南側(cè)。3月14日、4月17日、5月30日,伊麗莎白公主地以南的地區(qū)受東北風(fēng)控制,風(fēng)速小于伊麗莎白公主地以北的地區(qū),且隨緯度的增加,風(fēng)速逐漸減小。7月24日,伊麗莎白公主地以南受南風(fēng)控制。

圖5 伊麗莎白公主地與DOME-A沿線、普里茲灣沿岸UTC 06:00時(shí)地面風(fēng)場(chǎng).(a)3月14日;(b)4月17日;(c)5月30日;(d)7月24日Fig.5.The wind on the ground from Princess Elizabeth Land to DOME-A and in coast of Prydz Bay at UTC 06:00.(a)March 14;(b)April17;(c)May 30;(d)July 24

緯度、高原地形和海陸分布導(dǎo)致南極大陸內(nèi)部氣溫常年低于沿岸地區(qū)。伊麗莎白公主地受冷高壓控制,與普里茲灣沿岸、南大洋之間的溫度梯度、氣壓梯度很強(qiáng)。太陽(yáng)高度角不同和中、低云量的差異,會(huì)導(dǎo)致地表非絕熱加熱(吸收太陽(yáng)短波輻射)和冷卻(發(fā)射長(zhǎng)波輻射)不均勻,進(jìn)一步加強(qiáng)溫度梯度和氣壓梯度,有利于下降風(fēng)形成。

晴朗、少云的夜間或多云的白晝,海拔較高的伊麗莎白公主地形成的下降風(fēng),沿著陡坡向低緯度地區(qū)移動(dòng),風(fēng)速不斷增加并向左偏轉(zhuǎn)。中山站附近,風(fēng)向轉(zhuǎn)為東南、東甚至東北。下降風(fēng)到達(dá)海面上空,風(fēng)速減小的趨勢(shì)非常明顯。普里茲灣西側(cè)麥克羅伯遜地的地形陡峭(圖1),也是發(fā)生下降風(fēng)的典型區(qū)域。當(dāng)伊麗莎白公主地受高壓控制時(shí),普里茲灣東岸和南岸的下降風(fēng)很強(qiáng)。而當(dāng)位于伊麗莎白公主地西南、海拔更高的地區(qū)受高壓控制時(shí),伊麗莎白公主地東部的高壓相對(duì)較弱,導(dǎo)致普里茲灣東岸和南岸的下降風(fēng)減弱,西岸的下降風(fēng)增強(qiáng)。

2.2 廓線分析

3月14日,中山站上空100 m處出現(xiàn)風(fēng)速極大值,達(dá) 5級(jí)(圖 6a)。100—450 m處風(fēng)速減小。500 m以上,又出現(xiàn)多個(gè)風(fēng)速極大值。4月17日,地面附近風(fēng)速較大(圖6b),邊界層內(nèi)的最大風(fēng)速出現(xiàn)在110 m,達(dá)12 m·s-1。400 m以上風(fēng)速穩(wěn)定在4—5級(jí)。5月30日(圖6c),地面風(fēng)速6級(jí),120 m處風(fēng)速為邊界層內(nèi)最大值(15 m·s-1)。400 m以下風(fēng)速均大于5級(jí)。400—800 m,風(fēng)速隨高度增加迅速減小。800 m以上,風(fēng)速3—4級(jí)。7月24日,地面風(fēng)速5級(jí),邊界層內(nèi)最大風(fēng)速出現(xiàn)在80 m處,達(dá)14 m·s-1(圖6d)。400 m以下風(fēng)速均大于5級(jí)。400—870 m,隨高度增加,風(fēng)速減小的趨勢(shì)非常明顯。800 m以上,風(fēng)速僅2—3級(jí)。

圖6 風(fēng)速廓線.(a)3月14日;(b)4月17日;(c)5月30日;(d)7月24日Fig.6.The profiles ofwind speed.(a)March 14;(b)April17;(c)May 30;(d)July 24

風(fēng)向廓線(圖7)顯示,中山站700 m以下主要受東風(fēng)、東北風(fēng)控制,隨高度增加、風(fēng)速增大,風(fēng)向有向北偏轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。3月14日、4月17日,中山站邊界層內(nèi)風(fēng)向穩(wěn)定。5月30日、7月24日,700 m以上風(fēng)向變化較大,出現(xiàn)偏西風(fēng)、偏北風(fēng)。

圖8顯示,4月17日、7月24日,在300 m以下,氣溫隨高度增加而減小的趨勢(shì)不明顯,層結(jié)較穩(wěn)定。300 m以上,氣溫隨高度增加迅速減小。4月17日,850—1 050 m為逆溫層。7月24日700—850 m為逆溫層,1 200 m以上又出現(xiàn)逆溫。3月14日、5月30日,在800 m以下,氣溫隨高度增加而迅速減小。3月14日,1 000—1 050 m高度出現(xiàn)逆溫。5月30日,1 500 m以下未出現(xiàn)逆溫層。

4個(gè)個(gè)例中,大氣低層均出現(xiàn)不穩(wěn)定或中性層結(jié)(圖9)。4月17日,在300—900 m高度,位溫不隨高度增加而變化,900 m以上高度,位溫隨高度增加而減小。7月24日,在250—500 m高度和800—1 100 m高度,位溫幾乎沒有變化。3月14日和5月30日,1 050 m以下,位溫隨高度增加而增加的趨勢(shì)微弱,尤其在地表附近(100 m以下),位溫隨高度增加而減小,大氣處于絕對(duì)不穩(wěn)定狀態(tài),溫度遞減率γ大于干絕熱遞減率γd(9.8℃·km-1)。

圖7 風(fēng)向廓線.(a)3月14日;(b)4月17日;(c)5月30日;(d)7月24日Fig.7.The profiles of wind direction.(a)March 14;(b)April17;(c)May 30;(d)July 24

圖8 溫度廓線Fig.8.The profiles of temperature

圖9 位溫廓線Fig.9.The profiles of potential temperature

Timo等[16]研究下降風(fēng)和近地面氣溫相互作用,得出下降風(fēng)通常發(fā)生在地表及地表以上幾十米到幾百米的大氣層中;也有研究結(jié)果顯示,下降風(fēng)出現(xiàn)在100—200m[17];東南極阿德雷地沿岸下降風(fēng)的風(fēng)速最大值,甚至在地面以上僅幾米高度處[18]。中山站下降風(fēng)出現(xiàn)在地面至400 m,最大風(fēng)速高度低于200 m,符合已有的研究結(jié)論。下降風(fēng)越強(qiáng),影響的高度越高,但不超過800 m。在邊界層風(fēng)速最大值或極大值出現(xiàn)的高度附近,風(fēng)向偏東,出現(xiàn)東風(fēng)或東南風(fēng)。下降風(fēng)發(fā)生時(shí),近地層溫度垂直梯度較大,易出現(xiàn)強(qiáng)不穩(wěn)定層結(jié),地面附近會(huì)有明顯的上升運(yùn)動(dòng),空氣垂直混合增強(qiáng)。

2.3 地面氣象要素日變化規(guī)律

3月14日(圖10a),中山站地面風(fēng)速(6 m)在5級(jí)以上,00:00—13:00風(fēng)速6—7級(jí),隨后減弱。當(dāng)天最大風(fēng)速達(dá)15.63 m·s-1,出在09:10。4月17日(圖10b),地面風(fēng)速(6 m)均在5 m·s-1以上。00:50,風(fēng)速出現(xiàn)極大值(約10 m·s-1),隨后減小。10:00—13:00風(fēng)速較大,日最大風(fēng)速出現(xiàn)在12:00,為10.8 m·s-1。5月30日(圖10c)05:00—12:00,風(fēng)速超過10 m·s-1。12:00之后風(fēng)速維持在4級(jí)以上,日最大風(fēng)速15 m·s-1(24:00)。7月24日(圖10d),中山站風(fēng)速較弱,尤其是09:00—12:00。但02:00—04:00、18:00—24:00風(fēng)速增大,其中03:10、17:30出現(xiàn)5級(jí)風(fēng)。

4月17日、5月30日,中山站地面風(fēng)向穩(wěn)定,以東南東、東南為主(圖11b、11c)。3月14日,中山站受東風(fēng)、東南東風(fēng)控制,但下午至傍晚(16:00—19:00),風(fēng)向發(fā)生變化,出現(xiàn)東北東風(fēng)、東北風(fēng),隨后重新轉(zhuǎn)為東風(fēng)(圖11a)。7月24日,中山站風(fēng)向波動(dòng)很大:凌晨至上午09:00,以東南風(fēng)為主,偶爾出現(xiàn)東北東風(fēng)、東北風(fēng);09:00起,轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)(西南、南西南、西、西北);12:00之后,風(fēng)向再次轉(zhuǎn)為偏東,并逐漸穩(wěn)定為東東南。

圖10 地面6 m處風(fēng)速日變化.(a)3月14日;(b)4月17日;(c)5月30日;(d)7月24日Fig.10.The wind speeds on the ground(6m)in 24 hours.(a)March 14;(b)April 17;(c)May 30;(d)July 24

圖11 地面6 m處風(fēng)向日變化.(a)3月14日;(b)4月17日;(c)5月30日;(d)7月24日Fig.11.The wind directions on the ground(6 m)in 24 hours.(a)March 14;(b)April17;(c)May 30;(d)July 24

中山站發(fā)生下降風(fēng)時(shí),地面氣溫具有比較一致的日變化規(guī)律(圖12)。凌晨至正午,氣溫穩(wěn)定或降低:3月14日和4月17日,氣溫略有降低;而5月30日、7月24日,降溫幅度較大;7月24日09:00—12:00,氣溫出現(xiàn)波動(dòng)。午后至傍晚,氣溫均有明顯的回升:4月17日升溫達(dá)5℃;5月30日升溫最不顯著。在夜間氣溫則有所降低。

圖12 地面2 m處氣溫日變化.(a)3月14日;(b)4月17日;(c)5月30日;(d)7月24日Fig.12.The temperatures on the ground(2 m)in 24 hours.(a)March 14;(b)April 17;(c)May 30;(d)July 24

中山站2 m處位溫日變化規(guī)律(圖13)與2 m處氣溫變化規(guī)律基本一致。凌晨至正午,位溫減小,其中5月30日和7月24日,位溫有明顯降低。午后至傍晚,位溫有一定的增加,3月14日、4月17日的位溫增幅達(dá)5 K,7月24日的位溫增加也較明顯。在夜間,位溫再次減小。

圖13 地面2 m處位溫日變化.(a)3月14日;(b)4月17日;(c)5月30日;(d)7月24日Fig.13.The potential temperatures on the ground(2 m)in 24 hours.(a)March 14;(b)April 17;(c)May 30;(d)July 24

中山站受下降風(fēng)控制時(shí),凌晨至正午的風(fēng)速較大,午后風(fēng)速減弱。風(fēng)向較穩(wěn)定,以東風(fēng)、東東南風(fēng)、東南風(fēng)為主。風(fēng)速大值,對(duì)應(yīng)的風(fēng)向往往偏東。Périard和Pettré[19]研究了阿德雷地的下降風(fēng),發(fā)現(xiàn)春季和秋季下降風(fēng)帶來的冷平流使地面氣溫降低。中山站的地面氣溫和位溫日變化與風(fēng)速日變化有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián),在冬季也非常明顯:風(fēng)速大時(shí),下降風(fēng)帶來冷平流使氣溫、位溫降低;午后,風(fēng)速減弱,地表吸收的太陽(yáng)短波輻射,氣溫有一定的回升。

3 對(duì)數(shù)風(fēng)廓線模擬中山站下降風(fēng)

對(duì)數(shù)風(fēng)廓線定律是邊界層氣象中模擬近地層風(fēng)速的經(jīng)典方法。在非中性層結(jié)、均勻下墊面條件下,風(fēng)廓線的一般形式為[20]:

穩(wěn)定層結(jié)條件下(Ri＞0),

不穩(wěn)定條件下(Ri＜0),

其中弱不穩(wěn)定時(shí)(0≥Ri≥-2),

強(qiáng)不穩(wěn)定時(shí)(Ri≤-2),

將自動(dòng)氣象站三層風(fēng)速、溫度資料代入上述公式,求得近地層風(fēng)廓線,與同時(shí)期的探空資料對(duì)比,驗(yàn)證利用對(duì)數(shù)風(fēng)廓線定律模擬中山站近地層風(fēng)速的效果。

圖14顯示,對(duì)數(shù)風(fēng)廓線定律能在一定程度上模擬中山站發(fā)生下降風(fēng)時(shí)的近地層風(fēng)廓線,體現(xiàn)風(fēng)速的垂直變化趨勢(shì)和個(gè)別風(fēng)速極大值點(diǎn)等特征。4月17日、5月30日,模擬的近地層風(fēng)廓線接近實(shí)測(cè)值。3月14日、7月24日,風(fēng)速模擬的效果很不理想。對(duì)數(shù)風(fēng)廓線定律所用的數(shù)據(jù)為地面塔層自動(dòng)氣象站測(cè)得的風(fēng)速和溫度,將氣柱內(nèi)的大氣層結(jié)狀態(tài)等同于地表附近的大氣層結(jié)狀態(tài),沒有考慮不同高度處空氣的非絕熱變化。其只適用于模擬100 m以下的風(fēng)廓線,而下降風(fēng)風(fēng)速極大值出現(xiàn)的高度往往大于100 m。

圖14 對(duì)數(shù)風(fēng)廓線與探空風(fēng)廓線對(duì)比.(a)3月14日;(b)4月17日;(c)5月30日;(d)7月24日Fig.14.The comparison of logarithmic profile and radio sounding profile.(a)March 14;(b)April17;(c)May 30,(d)July 24

4 總結(jié)

普里茲灣沿岸地形陡峭,其南側(cè)海拔高,容易形成下降風(fēng)。從天氣形勢(shì)上分析,普里茲灣以南、海拔較高的內(nèi)陸地區(qū)(伊麗莎白公主地及其與DOME-A沿線),在晴朗的夜間冰面輻射冷卻,或在多云的晝間地面吸收太陽(yáng)短波輻射量不足、冰面輻射冷卻,近地面空氣密度增大,沿著陡坡向低緯度地區(qū)移動(dòng),在重力、科氏力和摩擦力作用下,風(fēng)速不斷增加并向左偏轉(zhuǎn)。到達(dá)中山站時(shí),風(fēng)向?yàn)闁|南、東甚至東北。下降風(fēng)離岸后,氣團(tuán)的垂直運(yùn)動(dòng)分量幾乎為0,重力不再對(duì)氣團(tuán)做功。此外,冷氣團(tuán)與來自低緯度地區(qū)的暖濕空氣混合、變性。風(fēng)速在海面上迅速減小。個(gè)例研究表明,伊麗莎白公主地以東-普里茲灣東岸和南岸的下降風(fēng),與伊麗莎白公主地西南處-普里茲灣西岸的下降風(fēng),具有一定的反向變化規(guī)律,未來會(huì)研究該區(qū)域的下降風(fēng)統(tǒng)計(jì)特征以進(jìn)一步論證。

中山站的下降風(fēng)出現(xiàn)400 m以下高度,最大風(fēng)速高度低于200 m。風(fēng)向偏南,出現(xiàn)東風(fēng)或東南風(fēng)。下降風(fēng)帶來高緯度、高海拔地區(qū)的冷空氣,使中山站的邊界層低層空氣迅速降溫,近地層溫度垂直梯度增大,出現(xiàn)強(qiáng)不穩(wěn)定層結(jié),增加邊界層內(nèi)的垂直混合。

中山站受下降風(fēng)控制時(shí),地面風(fēng)向較穩(wěn)定。風(fēng)速越大,來自高海拔、高緯度地區(qū)的氣團(tuán)所受的科氏力也越大,下降風(fēng)向右偏轉(zhuǎn)越明顯,對(duì)應(yīng)的風(fēng)速偏東。氣溫、位溫與風(fēng)速、風(fēng)向、太陽(yáng)輻射等有明顯的關(guān)聯(lián):下降風(fēng)的高度較低,東風(fēng)、東南風(fēng)帶來的冷氣團(tuán),會(huì)使地面附近的空氣非絕熱冷卻,氣溫、位溫降低;下降風(fēng)風(fēng)速變化頻率高,表明上游地區(qū)邊界層層結(jié)不穩(wěn)定強(qiáng)、垂直溫度梯度和水平溫度梯度大,導(dǎo)致下游地區(qū)的氣溫、位溫下降明顯;太陽(yáng)高度角越高,日照時(shí)間越長(zhǎng),地面吸收的太陽(yáng)短波輻射越多,地面非絕熱加熱作用強(qiáng),氣溫、位溫增加,尤其是在午后。

對(duì)數(shù)風(fēng)廓線定律模擬近地層風(fēng)廓線模擬下降風(fēng)效果一般。今后將利用數(shù)值模式(如 Polar WRF等)模擬下降風(fēng),加入側(cè)邊界條件,使大氣非絕熱過程參數(shù)化,以提高風(fēng)廓線模擬精度和上界高度。

1 張林,孫啟振,許淙,等.南極兩站X/L雙頻段遙感接收系統(tǒng)及研究應(yīng)用.極地研究,2012,24(2):197—203.

2 Parish T R,Cassano JJ.Forcing of thewintertime Antarctic boundary layerwinds from the NCEP-NCAR global reanalysis.Journal of Applied Meteorology,2001,40(4):810—821.

3 Parish T R,Bromwich D H.A case study of Antarctic katabatic wind interaction with large-scale forcing.MonthlyWeather Review,1998,126(1):199—209.

4 Parish T R,Bromwich D H.The surface windfield over the Antarctic ice sheets.Nature,1987,328(6125):51—54.

5 Bromwich D H,Parish TR,Pellegrini A,etal.Spatial and temporal characteristics of the intense katabatic winds at Terra Nova Bay,Antarctica//Bromwich D H,Stearns C R.Antarctic Meteorology and Climatology:Studies Based on Automatic Weather Stations.Antarctic Research Series.Washington DC:American Geophysical Union,1993,61:47—68.

6 King JC,Turner J.Antarctic Meteorology and Climatology.Cambridge:Cambridge University Press,2007.

7 Parish T R,PettréP,Wendler G.The influence of large-scale forcing on the katabatic wind regime at Adélie Land,Antarctica.Meteorology and Atmospheric Physics,1993,51(3-4):165—176.

8 Wendler G,AndréJC,PettréP,et al.Katabatic winds in Adélie coast//Bromwich D H,Stearns C R.Antarctic Meteorology and Climatology:Studies Based on Automatic Weather Stations.Antarctic Research Series.Washington DC:American Geophysical Union,1993,61:23—46.

9 van den Broeke M R,van Lipzig N PM.Factors controlling the near-surface wind field in Antarctica.Monthly Weather Review,2003,131(4):733—743.

10 薛峰,張占海,周明煜,等.東南極大陸邊緣地區(qū)夏季近地面層風(fēng)場(chǎng)特征分析.極地研究,2009,21(4):288—298.

11 胡勝利.第七次南極考察中山站越冬氣象考察報(bào)告.海洋預(yù)報(bào),1993,10(2):51—58.

12 卞林根,薛正夫,逯昌貴,等.拉斯曼丘陵的短期氣候特征.極地研究,1998,10(1):38—46.

13 諶志剛,卞林根,效存德,等.東南極Princess Elizabeth冰蓋近地層大氣參數(shù)的年變化特征.海洋學(xué)報(bào),2006,28(1):35—41.

14 韓忠民.知經(jīng)緯度計(jì)算兩點(diǎn)精確距離.科技傳播,2011,(11):196,174.

15 Cullather R I,Bromwich DH,Grumbine RW.Validation ofoperationalnumericalanalyses in Antarctic latitudes.Journal of Geophysical Research:Atmospheres(1984—2012),1997,102(D12):13761—13784.

16 Vihma T,Tuovinen E,Savij?rvi H.Interaction of katabatic winds and near-surface temperatures in the Antarctic.Journal of Geophysical Research:Atmospheres(1984—2012),2011,116(D21):D21119.

17 Barry R G.Mountain Weather and Climate.3rd ed.Cambridge:Cambridge University Press,2008.

18 Argentini S,Mastrantonio G,Viola A,et al.Sodar performance and preliminary results after one year ofmeasurements at Adelie Land coast,east Antarctica.Boundary-Layer Meteorology,1996,81(1):75—103.

19 Périard C,PettréP.Some aspects of the climatology of dumont D′Irville,Adélie Land,Antarctica.International Journal of Climatology,1993,13(3):313—328.

20 趙鳴,苗曼倩,王彥昌.邊界層氣象學(xué)教程.北京:氣象出版社,1991.

21 Businger JA,Wyngaard JC,Izumi Y,etal.Flux-profile relationships in the atmospheric surface layer.Journal of the Atmospheric Sciences,1971,28(2):181—189.

22 Carl D M,Tarbell T C,Panofsky H A.Profiles of wind and temperature from towers over homogeneous terrain.Journal of Atmospheric Sciences,1973,30(5):788—794.