夏季北極太平洋扇區(qū)和白令海對流層結(jié)構(gòu)分析

殷嘉晗，張林

（國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081）

1 引言

隨著北極海冰覆蓋面積和冰厚的逐漸減小，夏季北極航道開通，北極地區(qū)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和戰(zhàn)略價(jià)值日益凸顯。北極地區(qū)天氣過程和氣候變化的觀測、研究歷來是國際北極大氣科學(xué)研究的熱點(diǎn)問題，同樣也是我國北極考察的重點(diǎn)項(xiàng)目。北極大氣對流層底部邊界層與下墊面（海洋、海冰或陸地）的能量和物質(zhì)交換、對流層頂與平流層之間的相互作用，直接影響天氣系統(tǒng)和北半球中高緯度地區(qū)的氣候。對流層結(jié)構(gòu)也與北半球中高緯度地區(qū)的天氣尺度過程、行星尺度過程密切相關(guān)。

20世紀(jì)90年代起，國內(nèi)的氣象學(xué)者開始基于模式和現(xiàn)場觀測資料分析北極大氣層結(jié)構(gòu)。周立波等[1]使用我國首次北極科學(xué)考察期間所獲得的大氣邊界層資料，研究了北極地區(qū)楚克奇海域一次強(qiáng)逆溫過程，他們發(fā)現(xiàn)考察期間楚克奇海域上空的大氣逆溫強(qiáng)度（63℃/km）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了北極地區(qū)夏季的氣候平均值（0.5℃/km）。李響等[2]基于現(xiàn)場觀測資料驗(yàn)證一維K閉合俄勒岡州立大學(xué)一維行星邊界層模式（Oregon State University 1-D Planetary Boundary Layer Model，OSUPBL）和極地柱模式模擬單點(diǎn)北極大氣邊界層結(jié)構(gòu)的能力。卞林根等[3]利用2003年8月23日—9月3日我國第二次北極科學(xué)考察隊(duì)在北冰洋浮冰站探測的50次大氣廓線及相關(guān)資料，對北冰洋的大氣邊界層垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示來自高空較強(qiáng)的暖濕氣流與冰面近地層冷空氣強(qiáng)烈相互作用，會形成強(qiáng)風(fēng)切變和逆溫、逆濕過程，有時(shí)100 m高度內(nèi)的風(fēng)切變達(dá)10/s，逆溫達(dá)8℃/km。此種過程會導(dǎo)致北冰洋高緯度地區(qū)的大塊海冰破裂，形成新的無冰海域，加強(qiáng)了海冰氣的相互作用。陳志昆等[4-5]先后使用我國第六次、第八次北極科考“雪龍”船走航探空數(shù)據(jù)分析了夏季北極地區(qū)邊界層高度和接地逆溫強(qiáng)度、邊界層風(fēng)場與海霧生消的影響。

以往國內(nèi)對北極大氣對流層垂直結(jié)構(gòu)的研究，主要基于單次走航探空觀測，觀測頻次/樣本數(shù)量少，觀測區(qū)域有較大差異，無法對比、分析不同區(qū)域（不同緯度）的大氣對流層結(jié)構(gòu)特征。同時(shí)，也缺乏針對北極地區(qū)對流層內(nèi)水汽分布的研究，而夏季對流層，尤其是邊界層的水汽含量與降水、海霧等天氣現(xiàn)象密切相關(guān)，能引起近地面能見度降低，影響航行安全。本文綜合了我國第六次—第九次北極科考“雪龍”船走航探空觀測數(shù)據(jù)，分析夏季北極太平洋扇區(qū)和白令海對流層特征，包括對流層頂高度及其經(jīng)向分布規(guī)律，以及對流層溫度、水汽和風(fēng)速分布。

2 數(shù)據(jù)資料與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

2014年、2016年、2017年和2018年，我國開展了第六次—第九次北極科學(xué)考察，“雪龍”船航行期間均進(jìn)行了每日2～3次（UTC00、06、12）的氣球探空觀測，分別獲得47組、47組、30組和89組探空數(shù)據(jù)。探空觀測主要位于北極太平洋扇區(qū)（見圖1）：第六次北極科考（以下簡稱“6北”）和第七次北極科考（以下簡稱“7北”）探空觀測區(qū)域?yàn)榘琢詈?、楚科齊海、波弗特海和北極中央航道；第八次北極科考（以下簡稱“8北”）探空觀測區(qū)域?yàn)槌讫R海、北極中央航道；第九次北極科考（以下簡稱“9北”）探空觀測區(qū)域?yàn)榘琢詈?、楚科齊海、波弗特海和北極中央航道。探空觀測的時(shí)間段為7—9月，8月頻次最多且均位于北極太平洋扇區(qū)（中央航道、西北航道），7月和9月的觀測位于白令海、楚科齊海和波弗特海。

圖1 4次北極科學(xué)考察探空氣球釋放位置

表1 國產(chǎn)CF-06-A型探空儀傳感器性能

表2 維薩拉RS41-GS型探空儀傳感器性能

第六次—第八次北極科考，使用國產(chǎn)CF-06-A型探空儀，工作頻率400.15～406 MHz，測量周期1 s[4]；第九次北極科考，使用維薩拉RS41-GS型探空儀，工作頻率400±3 MHz，測量周期1 s[6]。兩種探空儀的氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等傳感器的具體性能如表1、表2。本文計(jì)算、分析所用的溫度、風(fēng)速、氣壓和濕度的精度分別為0.1℃、0.1 m/s、0.1 hPa和0.1%。這兩種探空儀的測量范圍、精度/分辨率以及整體不確定性均較為接近，采集的數(shù)據(jù)可信度較高，能滿足研究需要；以往的研究結(jié)果也表明兩者均適用于北極大氣探空觀測[4-6]。

2.2 分析方法

由于探空氣球在釋放過程中垂直上升速度變化較大，為改進(jìn)分析效果，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，在垂直方向上插值，以獲得間隔50 m的氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、相對濕度、位勢高度、垂直上升速度等要素。

對流層高度的計(jì)算采用兩種方式：（1）遞減率對流層頂（Lapse Rate Tropopause，LRT），亦稱第一對流層頂（極地類）。根據(jù)中國氣象局《常規(guī)高空氣象觀測業(yè)務(wù)規(guī)范（2010版）》[7]，LRT應(yīng)滿足：條件一，氣壓≤500 hPa且＞150 hPa；溫度垂直遞減率≤2℃/km氣層的最低高度；條件二，此高度以上2 km（可跨越150 hPa）及以內(nèi)的任何高度與此高度間的平均溫度垂直遞減率也都≤2℃/km；（2）冷點(diǎn)對流層頂（Cold Point Tropopause，CPT）。由于對流層和平流層溫度垂直梯度發(fā)生轉(zhuǎn)折，可以用最低溫度確定對流層頂[8-9]。CPT為最低溫度所在高度，其之上為逆溫層（必然滿足溫度垂直遞減率＜2℃/km），因此通常情況下LRT≤CPT；當(dāng)CPT之下的氣層均不滿足LRT的條件二時(shí)，有可能出現(xiàn)LRT＞CPT的情況。

飽和水汽壓采用世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）推薦的 Goff-Gratch公式[7]：

（1）水面飽和水汽壓計(jì)算公式（適用溫度范圍為-50～100℃）

式中：Ew為水面飽和水汽壓（單位：hPa）；T0為水的三相點(diǎn)溫度，T0=273.16K；T為絕對溫度，T(K)=273.15+t；t為攝氏溫度（單位：℃）。

（2）冰面飽和水汽壓的計(jì)算公式（適用溫度范圍為-100～-0.0℃）

式中：Ei為冰面飽和水汽壓（單位：hPa）；T0為水的三相點(diǎn)溫度，T0=273.16K；T為絕對溫度，T(K)=273.15+t；t為攝氏溫度（單位：℃）。

根據(jù)飽和水汽壓、相對濕度可得水汽壓、比濕，并最終計(jì)算得到氣柱水汽含量/可降水量（Precipitable Water Vapor，PWV）[10]：

水汽壓E=Ew×RH，或E=Ei×RH

通過計(jì)算皮爾遜積矩相關(guān)系數(shù)（Pearson Product-Moment Correlation Coefficient）確定LRT和CPT之間的相關(guān)性：

3 對流層頂高度分析

利用4次北極科考共計(jì)獲得的201組有效探空數(shù)據(jù)，根據(jù)2.2節(jié)的方法，計(jì)算得到LRT和CPT（見圖2）。LRT在6 650～12 850 m之間，平均值為10 003 m；CPT在7 100～14 000 m之間，平均值為10 116 m；LRT和CPT之間相關(guān)系數(shù)達(dá)0.94，平均誤差112.9 m；LRT和CPT主要集中在7 000～13 000 m。探空觀測的緯度從57.64°N向北延伸至84.78°N，主要集中在70°～84°N之間。計(jì)算60°N以南、60 °～70°N、70°～80°N和80°N以北的LRT和CPT平均值（見表3），可以發(fā)現(xiàn)兩者隨著緯度增大均減小；LRT與緯度、CPT與緯度之間的相關(guān)系數(shù)分別為-0.49和-0.51，表明隨著緯度增大，對流層頂?shù)母叨冉档?。通過LRT和CPT兩種方法確定的北極太平洋扇區(qū)和白令海對流層頂溫度、風(fēng)速、相對濕度、氣壓等各要素的最大值、最小值、平均值也較為接近（見表4）。LRT的均值低于CPT，因此LRT的平均氣溫、平均氣壓、平均相對濕度均高于CPT。

表3 不同緯度的LRT和CPT平均值

綜上所述，LRT和CPT均能很好地表現(xiàn)北極太平洋扇區(qū)和白令海對流層頂高度/對流層厚度，夏季對流層頂高度與緯度之間呈中等強(qiáng)度負(fù)相關(guān)，隨著緯度增加，對流層頂高度逐漸降低。相比于中低緯度地區(qū)，北極地區(qū)氣溫偏低，對流強(qiáng)度偏弱，對流層頂偏低。探空觀測在夏季進(jìn)行，氣溫高于年平均值，對流偏強(qiáng)，故夏季對流層頂高于年平均值（7～9 km）[11]。

4 對流層垂直結(jié)構(gòu)

根據(jù)這4次北極科考探空觀測，計(jì)算得到平均溫度廓線和標(biāo)準(zhǔn)差如圖3。對流層的溫度范圍為-60°～10℃。對流層低層出現(xiàn)逆溫，逆溫層高度小于850 m。對流層中高層的溫度梯度小于0，直至對流層頂附近（9 000～12 000 m處）出現(xiàn)逆溫。對流層頂附近的溫度變化較大。

從溫度的高度-緯度剖面圖（見圖4）上看，北極太平洋扇區(qū)和白令海，氣溫隨緯度增加而降低，對流層中高層氣溫隨高度增大而降低。結(jié)合2.2節(jié)LRT的定義，對流層頂附近出現(xiàn)逆溫，逆溫層厚度50～1 700 m、平均厚度 306 m、逆溫強(qiáng)度 0.86～38.87℃/km、平均強(qiáng)度7.92℃/km；隨著緯度增加，對流層頂?shù)哪鏈貙痈叨冉档汀α鲗禹斈鏈貙樱═ropopause Inversion Layer，TIL）的形成與維持主要因?yàn)閷α鲗禹敻浇乃统粞醯妮椛湫?yīng)[12]，以及大尺度的動力過程增強(qiáng)對流層頂之上的靜力穩(wěn)定度[13]。對流層中層（3 000～7 000 m）的平均溫度遞減率為6.4℃/km，與全球平均值6.5℃/km相吻合。對流層低層的逆溫位于2 200 m以下，逆溫層厚度50～2 100 m；逆溫層氣溫極大值超過13℃，平均逆溫強(qiáng)度12.5℃/km，遠(yuǎn)超北極地區(qū)平均逆溫強(qiáng)度（夏季5℃/km，冬季10℃/km[14]），近地面氣溫-5.0～11.6℃，與緯度的相關(guān)系數(shù)為-0.76，隨緯度增加而減小。

圖2 LRT和CPT對比（左）、LRT（右上）和CPT（右下）與緯度的關(guān)系

表4 LRT和CPT所在高度各要素對比

圖3 對流層平均溫度廓線（灰色為標(biāo)準(zhǔn)差）

圖4 對流層溫度的高度-緯度剖面及對流層頂?shù)呐c緯度的關(guān)系

北極太平洋扇區(qū)和白令海的對流層風(fēng)速隨高度增加而增大，對流層之上的風(fēng)速隨高度增加而減小（見圖5）。由于地表湍流摩擦的作用，近地面平均風(fēng)速6.5 m/s，近地層風(fēng)速隨著高度增加迅速增大?！?北”、“7北”和“9北”的觀測顯示，對流層低層風(fēng)速小于10 m/s，對流層中高層風(fēng)速超過10 m/s，在對流層高層出現(xiàn)大風(fēng)區(qū)，厚度2 000～3 000 m，最大風(fēng)速超過20 m/s；對流層中高層的風(fēng)速變化比對流層低層更強(qiáng)?！?北”的對流層低層平均風(fēng)速超過10 m/s，但高空的大風(fēng)區(qū)不明顯。

周淑貞等[15]對高空急流做了如下定義：風(fēng)速30 m/s以上的狹窄強(qiáng)風(fēng)帶；垂直風(fēng)速切變5～10 m/（s·km）；急流核（急流中心）風(fēng)速可達(dá)50～80 m/s。其中溫帶急流又稱極鋒急流，位于南北半球中高緯度地區(qū)的上空，是與極鋒相聯(lián)系的西風(fēng)急流，平均高度冬季約8～10 km、夏季約9～11 km，平均厚度約3～10 km，冬季平均位于40°～60°N、夏季北移到70°N附近。而低空急流是指600～900 hPa之間水平動量集中的氣流帶，風(fēng)速≥12 m/s[16]。根據(jù)上述定義，可以確定北極太平洋扇區(qū)和白令海夏季高空急流和低空急流的急流核高度及強(qiáng)度（風(fēng)速）、急流頂高度和急流厚度。高空急流核風(fēng)速、急流核高度和急流頂所在高度與緯度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.40、-0.57和-0.58，表明隨緯度增加，高空急流的強(qiáng)度減弱，急流核高度、急流頂高度降低。從對流層風(fēng)速的高度-緯度剖面圖（見圖6）可得，“6北”觀測到典型的西風(fēng)急流，急流核風(fēng)速可超過60 m/s，位于60°～70°N，垂直風(fēng)切變5～10 m/（s·km），高度6 000～12 000 m。其中“8北”低空急流核平均高度僅629 m。高空急流核平均高度9 484 m，平均風(fēng)速38 m/s，最大風(fēng)速62 m/s。低空急流最大風(fēng)速超過30 m/s，急流核高度1 000～4 000 m、平均高度1 368 m。

“8北”的走航觀測獲得28組有效數(shù)據(jù)，觀測集中在8月1—12日，位于楚科齊海和中央航道。在此期間，“雪龍”船經(jīng)歷了3次氣旋過程：8月1—2日，在楚科齊海受減弱的入海氣旋（淺薄系統(tǒng)）影響，近地面風(fēng)速增大但未出現(xiàn)高空急流，整個對流層內(nèi)的風(fēng)速分布較均勻；4—6日、6—9日連續(xù)經(jīng)歷了兩個氣旋過程，近地面風(fēng)速較大并伴有高空急流。因此，“8北”的對流層平均風(fēng)速廓線、低空急流特征和高空急流特征，與“6北”、“7北”、“9北”有明顯差異；“8北”對流層頂?shù)哪鏈貙痈叨绕?、厚度偏小?/p>

圖5 對流層平均風(fēng)速廓線（灰色為標(biāo)準(zhǔn)差）

圖6 對流層風(fēng)速的高度-緯度剖面及對流層頂與緯度的關(guān)系

近地面大氣受海表面蒸發(fā)的影響，相對濕度在80%以上（見圖7）。由于存在強(qiáng)逆溫，嚴(yán)重阻礙大氣與海洋、海冰之間的水汽交換和垂直方向上的水汽擴(kuò)散，相對濕度極大值位于300 m以下；300 m以上，相對濕度呈減小的趨勢。在對流層頂附近，逆溫和高空急流亦能阻礙對流層與平流層之間的垂直水汽交換[17-18]，因此對流層之上的相對濕度驟減至20%以下。北極太平洋扇區(qū)和白令海的可降水量在4.9～29.1 mm之間，其中60°N以南、60°～70°N、70°～80°N、80°N 以北的平均可降水量分別為23.6 mm、16.9 mm、11.0 mm、10.9 mm，可降水量與緯度的相關(guān)系數(shù)為-0.52（見圖8）。可降水量的90%位于對流層中低層，地面至3 000 m高度的水汽含量占整個氣柱水汽含量的50%，30%的水汽集中在邊界層內(nèi)。

圖7 對流層平均相對濕度廓線

圖8 可降水量與緯度的關(guān)系（*為氣柱可降水量；淺藍(lán)線、深藍(lán)線、紅線至海面的可降水量分別為氣柱可降水量的30%、50%和90%）

5 結(jié)論與展望

根據(jù)4次北極考察大氣探空數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在北極太平洋扇區(qū)和白令海，LRT和CPT及兩者所在高度的風(fēng)速、溫度、相對濕度等要素具有較高的一致性，均能用于確定夏季對流層高度。夏季對流層高度7 000～14 000 m，平均高度約為10 000 m，高于北極地區(qū)年平均值，但低于中低緯度地區(qū)。對流層頂高度隨緯度增加而降低。根據(jù)溫度廓線、相對濕度廓線和可降水量分布，確定：（1）對流層中層的溫度遞減率6.4℃/km，與理論值吻合，對流層低層和對流層頂存在逆溫，對流層頂?shù)哪鏈馗叨群秃穸入S緯度增加而降低；（2）逆溫（尤其是對流層低層的強(qiáng)逆溫）不利于水汽的垂直輸送，造成逆溫層之上的相對濕度驟減、可降水量集中于對流層中低層；（3）對流層內(nèi)可降水量與緯度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；（4）近地面的風(fēng)速受地表摩擦力的影響較明顯，對流層內(nèi)的風(fēng)速隨高度增加而增大；（5）高空急流的極大風(fēng)速、急流核高度、急流底高度和急流頂高度隨緯度增加而減小，“6北”在60°～65°N處觀測到典型的溫帶高空急流；（6）風(fēng)廓線、高空急流、低空急流受天氣尺度過程的影響較明顯。

本文通過對4次北極科考探空數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)一步揭示夏季北極太平洋扇區(qū)和白令海的對流層結(jié)構(gòu)，尤其是對流層頂和對流層內(nèi)溫度、風(fēng)速和水汽的經(jīng)向分布特征。研究結(jié)果可用于檢驗(yàn)和提高極地?cái)?shù)值預(yù)報(bào)模式對北極大氣對流層結(jié)構(gòu)，如水汽分布、低空急流和高空急流等的預(yù)報(bào)能力，也可用于評估再分析資料用于描述夏季北極地區(qū)大氣垂直結(jié)構(gòu)的可行性，以及現(xiàn)場觀測資料-再分析資料的協(xié)同分析研究。

迄今，我國在北極地區(qū)的探空觀測主要基于科考船，僅能獲得有限的夏季探空數(shù)據(jù)。俄羅斯、加拿大、挪威等沿岸國家的探空觀測站雖然開展常年觀測并納入WMO的全球通信系統(tǒng)（Global Telecommunication System，GTS），但不包含北冰洋尤其是80°N以北的探空數(shù)據(jù)。而冬季北極大氣垂直結(jié)構(gòu)、極渦位置和強(qiáng)度，與北極地表爆發(fā)性增暖、北半球中緯度地區(qū)寒潮過程等有密切關(guān)系[19-20]。2019年9月，我國與德國、美國、法國、英國、加拿大、俄羅斯等19個國家聯(lián)合開展“北極氣候研究多學(xué)科漂流觀測計(jì)劃”（Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate，MOSAiC）。未來，我國的極地氣象研究者可以基于類似的國際合作計(jì)劃和平臺，在北極高緯度海區(qū)開展連續(xù)的探空觀測，并基于探空數(shù)據(jù)，研究北極大氣垂直結(jié)構(gòu)的季節(jié)性特征，更深入地分析北極大氣垂直結(jié)構(gòu)對天氣尺度過程和行星尺度過程的響應(yīng)，能進(jìn)一步理解北極氣候變化對北半球中緯度地區(qū)乃至全球氣候的影響。