南極Dome A 至普里茲灣沿岸下降風特征

孫啟振，張占海，付敏，李春花，秦聽，丁卓銘，趙杰臣

(1.中國海洋大學 海洋與大氣學院，山東 青島 266100；2.國家海洋環(huán)境預報中心 自然資源部海洋災害預報技術(shù)重點實驗室，北京 100081；3.中國極地研究中心，上海 200136)

1 引言

南極大陸冰蓋輻射冷卻使低層大氣溫度降低、密度增大，冰蓋上的冷空氣沿斜坡加速向下流動從而形成下降風。南極下降風在水平方向上綿延數(shù)千千米，而在垂直方向上僅到達地面以上數(shù)百米的高度[1]。由于南極大陸冰蓋高原中間高四周低，內(nèi)陸區(qū)域相對平坦廣闊，沿岸區(qū)域地形較為陡峭，因此南極下降風在空間分布上極不均勻，在部分沿岸地區(qū)形成持續(xù)的強風，Yamada 和Hirasawa[2]認為強下降風主要集中在艾默里冰架、羅斯冰架、阿德利地等地區(qū)。南極下降風的風向較為穩(wěn)定，其分布形態(tài)決定了南極大陸近表層風場的主要特征[3-4]。圖1為利用我國極地數(shù)值天氣預報系統(tǒng)數(shù)據(jù)繪制的南極冬季典型的表層大氣流場，可見南極大陸表層的風主要起源于冰蓋最高處Dome A 地區(qū)，在沿岸部分地區(qū)形成起強風匯集區(qū)，風場分布形態(tài)與地形密切相關(guān)。

圖1 南極大陸冬季表層流場分布Fig.1 Streamlines over Antarctica in winter

關(guān)于南極大陸下降風的理論研究始于20 世紀50 年代[5]。Carrasco 等[6]和Bromwich 等[7]發(fā)現(xiàn)南極下降風影響著南大洋的海氣相互作用及氣旋的生成和發(fā)展，在南半球大氣環(huán)流中也占有重要地位[8-9]。Parish和Bromwich[10]使用數(shù)值模式模擬了南極冬季平均表層風場，給出了南極表層風場的大尺度特征，并對艾默里冰架、羅斯冰架等地形較為陡峭的沿岸區(qū)域的強風進行了分析，這是關(guān)于南極下降風最早的大尺度數(shù)值模擬結(jié)果。此后，Parish 和Bromwich[11]利用再分析數(shù)據(jù)對南極下降風進行了更多深入的研究，重點關(guān)注了高空風場的情況。

南極下降風的形成機理是冷空氣沿斜坡下行，在前進過程中給下游帶來冷平流，同時也伴隨著絕熱壓縮增溫和湍流混合現(xiàn)象[12]。Parish 和Bromwich[13]、Bromwich[14]、Carrasco 和Bromwich[15]發(fā)現(xiàn)強下降風在南極羅斯海沿岸地區(qū)可能會導致中尺度氣旋的產(chǎn)生，并可能與大尺度環(huán)流有密切關(guān)聯(lián)。下降風在南極冰蓋表層大氣的質(zhì)量和熱量輸送過程中發(fā)揮著重要作用，長期持續(xù)穩(wěn)定的大氣質(zhì)量通量和熱量通量強烈影響著下游地區(qū)的氣候狀況，例如Zhou 等[16]通過衛(wèi)星資料發(fā)現(xiàn)艾默里冰架夏季東側(cè)冰面溫度比西側(cè)高，可能是下降風影響的結(jié)果。南極下降風產(chǎn)生的大氣質(zhì)量通量可能影響中緯度與高緯度大尺度環(huán)流的相互作用[17]。

我國南極昆侖站位于冰蓋最高處Dome A 區(qū)域，中山站位于普里茲灣沿岸，泰山站位于昆侖站和中山站之間。南大洋普里茲灣以南的艾默里冰架地區(qū)是南極的強下降風匯集區(qū)之一。Dome A 至普里茲灣沿岸區(qū)域的氣候狀況反映了南極表層風場的典型特征，Ding 等[18-19]發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的冰蓋質(zhì)量平衡和能量平衡密切相關(guān)。該地區(qū)的下降風起源于Dome A 區(qū)域，下降風途經(jīng)泰山站并逐漸增強；到達位于艾默里冰架附近沿岸地區(qū)的中山站時，風速更強。普里茲灣是中小尺度氣旋和天氣尺度氣旋的頻發(fā)地區(qū)，氣旋具有明顯的季節(jié)變化[20-21]，影響普里茲灣沿岸地區(qū)的氣旋系統(tǒng)和下降風給我國南極中山站的科考工作帶來諸多困難。

國外已有學者開展了南極冰蓋下降風大氣質(zhì)量通量的研究[22-24]，但對南極Dome A 至普里茲灣區(qū)域表層大氣質(zhì)量通量仍然缺少相關(guān)研究。對此Dome A 至普里茲灣沿岸區(qū)域的表層風場進行深入研究，有利于增強我們對東南極氣候特征的理解，進而更好地了解普里茲灣沿岸地區(qū)的冰蓋-大氣-海洋相互作用機制。本文擬分析自南極Dome A 區(qū)域流經(jīng)艾默里冰架地區(qū)并進入普里茲灣海域的下降風特征，研究下降風對該地區(qū)氣候的作用，并討論其對普里茲灣海域氣旋活動的影響。

2 數(shù)據(jù)

2.1 我國極地數(shù)值天氣預報系統(tǒng)

國家海洋環(huán)境預報中心負責我國極地考察氣象預報保障工作。2011 年，國家海洋環(huán)境預報中心引進美國俄亥俄州立大學研發(fā)的極地中尺度大氣數(shù)值模式Polar WRF（關(guān)于該模式的更多信息可見文獻[25-26]），建立了我國極地數(shù)值天氣預報系統(tǒng)，每日定時提供南極和北極地區(qū)的業(yè)務化數(shù)值天氣預報產(chǎn)品[27]。2017 年12 月，極地數(shù)值天氣預報系統(tǒng)得到升級，采用最新版Polar WRF V3.9.1，并實現(xiàn)可準實時循環(huán)同化多種衛(wèi)星資料和極地地面觀測資料。預報模式和同化模塊的驅(qū)動場分別來自于NCEP GFS 和FNL 數(shù)據(jù)。2018 年極地數(shù)值天氣預報系統(tǒng)的同化模塊得以繼續(xù)完善，實現(xiàn)了用WRF-3DVAR 方案同化GDAS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)為預報模塊提供初始場的業(yè)務化運行。極地大氣數(shù)值預報系統(tǒng)每日00:00 UTC、12:00 UTC 定時運行，預報時效為120 h，預報時間間隔為1 h。預報系統(tǒng)的模式配置在垂直方向上分為61 層，并在低層進行垂直加密，以更好地捕捉極地大氣邊界層的垂直結(jié)構(gòu)。

根據(jù)極地地區(qū)天氣氣候特點和地形下墊面特點，極地數(shù)值天氣預報系統(tǒng)采用如下參數(shù)化方案：微物理過程選取WSM5 方案；長波輻射選取RRMT 方案；短波輻射方案選取Goddard 方案；邊界層方案選取MYJ方案；積云方案選取Kain-Fritsh 方案。針對我國南極考察需求，預報系統(tǒng)在南極地區(qū)使用6 重網(wǎng)格嵌套（圖2），粗網(wǎng)格區(qū)域覆蓋南極大陸及南大洋部分海域，細網(wǎng)格區(qū)域覆蓋東南極Dome A 至普里茲灣沿岸地區(qū)、南極半島、羅斯海西岸等我國南極考察的重點關(guān)注地區(qū)，最高水平分辨率為3 km，可對南極表層風場進行模擬和預報。本文采用極地數(shù)值天氣預報系統(tǒng)粗網(wǎng)格區(qū)域和覆蓋東南極Dome A 至普里茲灣沿岸區(qū)域的2019 年數(shù)據(jù)，水平分辨率分別為27 km和9 km。

圖2 我國極地數(shù)值天氣預報系統(tǒng)（a）與美國南極中尺度預報系統(tǒng)（b）的區(qū)域設(shè)置Fig.2 Domains of the Chinese Polar numerical weather prediction system (a) and the America Antarctic mesoscale prediction system (b)

2.2 美國南極中尺度預報系統(tǒng)

美國南極中尺度預報系統(tǒng)（AMPS）由美國國家大氣研究中心和俄亥俄州立大學合作開發(fā)，自2000 年開始為美國及各國的南極科考提供天氣預報支持[28-29]。目前AMPS 采用最新版Polar WRF 模式，在垂直方向上分為60 層，最底層大約為地面以上10 m，最低的12 層位于地面以上1 km 高度內(nèi)。其最新配置為，在南極地區(qū)設(shè)置有6 個嵌套區(qū)域（圖2），其中最外層粗網(wǎng)格區(qū)域包含南大洋，其水平分辨率為24 km，內(nèi)層各區(qū)域分別覆蓋南極大陸、羅斯冰架西北部分和維多利亞地東岸等區(qū)域，分辨率為8 km、2.67 km、0.89 km等。AMPS 模式在南極天氣預報和氣候研究中有較多應用，如Wille 等[30]和Kirchgaessner 等[31]用于模擬低層風場、Bromwich 等[7]用于分析南極沿岸氣旋活動、Dittmann 等[32]用于研究南極地區(qū)的降水，以及Hines 等[33]用于研究南極低層大氣云物理等。本文選用2014-2016 年AMPS 南極大陸區(qū)域（水平分辨率為10 km）的存檔數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于美國俄亥俄州立大學伯德極地研究中心（http://polarmet.osu.edu）。

3 Dome A 至普里茲灣沿岸下降風特征

3.1 表層風場時空分布

圖3為2014-2016 年南極大陸冰蓋Dome A 至普里茲灣沿岸地區(qū)月平均10 m 風場。該區(qū)域的表層風場總體空間分布形勢隨時間的變化較小。風場起源于南極冰蓋海拔較高地區(qū)，在3 500 m 海拔以上冰蓋地區(qū)的表層風速全年均較小。表層風在氣壓梯度力、地面摩擦力和科里奧利力的共同作用下沿斜坡下滑，此過程中風向發(fā)生偏移，最終與地形等高線呈基本恒定的夾角。與南極大陸其他地區(qū)風場分布類似，該地區(qū)下降風的分布形態(tài)主要取決于地形作用和下降風形成機制，很少受較低緯度地區(qū)天氣尺度系統(tǒng)的影響。

圖3 南極Dome A 至普里茲灣沿岸地區(qū)2014 年1 月至2016 年12 月的月平均風場Fig.3 Monthly mean wind patterns of the Dome A to Prydz Bay area,Antarctica,from January 2014 to December 2016

地形與下降風的空間分布密切相關(guān)，隨著下降風的前進，在地形坡度較大的沿岸陡峭地區(qū)風速總體較大，極大風區(qū)位于強風匯集區(qū)的下游。冰蓋斜坡下降風在天氣尺度系統(tǒng)或者地形的影響下，在平坦的冰架上向前延伸，這種現(xiàn)場被稱為下降風涌動。艾默里冰架西側(cè)的斜坡是本文研究區(qū)域中的強下降風匯集區(qū)，強烈的偏西風到達地勢較低的平坦冰架后，與冰架東側(cè)的東風氣流相遇匯合，然后轉(zhuǎn)向北。這兩股強下降風氣流在艾默里冰架地區(qū)經(jīng)常形成較弱的中小尺度氣旋。

在不同季節(jié)，Dome A 至普里茲灣沿岸地區(qū)的下降風風速有較大區(qū)別。強風區(qū)的風速在每年11 月至翌年2 月較小，3 月至9 月風速較大。在風速較強的冬季（6-8 月），強風風速可達25 m/s 左右，氣流流經(jīng)大陸沿岸后，繼續(xù)向西北方向延伸至普里茲灣海域，其延伸范圍在冬季可達數(shù)百千米以上。夏季時風力較弱，最大風速僅約15 m/s，對普里茲灣海域的影響較小。夏季普里茲灣沿岸不受氣旋系統(tǒng)活動影響時，下降風具有典型的日循環(huán)特征[4]。

為分析下降風自Dome A 至普里茲灣沿岸沿途的風速和風向垂直分布特征，本文選取Dome A、泰山站、中山站以及艾默里冰架西側(cè)等4 個地點（位置見圖1）。由圖4可見，近地層下降風最小的地區(qū)為Dome A，風速最大地區(qū)為艾默里冰架西側(cè)。各個地點下降風在地面以上100～200 m 高度附近風速最大，其中艾默里冰架西側(cè)下降風的強風可達地面以上250 m 高度，高空最大風速可達地面風速的約1.5 倍。下降風在距離地面300 m 以上高度時風速迅速減小并穩(wěn)定在5～10 m/s 的量級，這表明300 m 以上的水平氣壓場不太可能受地面輻射冷卻影響，但氣壓場的調(diào)整可能仍然與南極大陸地形阻塞有關(guān)。風速廓線所表現(xiàn)出的另一個特點是，沿岸風速較大地區(qū)的下降風較為深厚，而內(nèi)陸地區(qū)下降風較為淺薄。

圖4 南極Dome A、泰山站、中山站以及艾默里冰架西側(cè)等地點的風速(a)和風向(b)垂直分布Fig.4 Profiles of wind speed (a) and wind direction (b) at Dome A,Taishan Station,Zhongshan Station and west of Amery Ice Shelf,Antarctica

從風向的垂直分布來看，4 個地點的風向隨著高度增加均不同程度地向左偏轉(zhuǎn)，并在約400 m 高度與南極大陸等高線近似平行。在約1 500 m 高度以上，Dome A 地區(qū)和艾默里冰架西側(cè)的高空風向均有明顯偏轉(zhuǎn)，前者是因為高空環(huán)流形勢與地面明顯不同，高空有氣流匯集下沉補充下降風流走的大氣質(zhì)量損失；后者是因為地面陡峭地形難以影響到高空風場。

3.2 風場垂向剖面特征

圖5a為自Dome A 至普里茲灣沿岸冬季風場剖面圖，圖5b為橫穿艾默里冰架的冬季風場剖面圖。需要注意的是圖中橫向和縱向的比例不代表南極地區(qū)真實地形比例。由于下降風位于低層大氣，因此圖中只給出了模式中地面以上15 層的數(shù)據(jù)，表現(xiàn)出距離地面大約1 600 m 高度內(nèi)的風速剖面特征。下降風在垂直方向上的顯著特點是，強風區(qū)有明顯的邊緣線。由圖5a可見，該地區(qū)表層風速大于10 m/s 的下降風基本集中在地面以上大約400 m 之內(nèi)高度，風速大于15 m/s 的強下降風集中在地面上約200 m 高度之內(nèi)。圖中最右側(cè)在海面以上2 km 具有較強風速，是由于南大洋上空氣旋活動的緣故。

圖5b表明，艾默里冰架西側(cè)的下降風氣流泄流到冰架平坦的冰面上時，在垂直方向上可以達到地面上約600～800 m 高度，而且此地區(qū)風速也比本文研究區(qū)域的其他地區(qū)風速更大。在冰架東側(cè)，由于兩股方向近乎相反的氣流在此匯合，導致風速較小。

圖5 南極冬季Dome A 附近A 點(80.0°S,80.0°E)至大陸沿岸B 點(67.5°S,80.0°E)（a）和艾默里冰架西側(cè)C 點(71.0°S,60.0°E)至東側(cè)D 點(71.0°S,75.0°E)（b）下降風垂向剖面圖Fig.5 The profile of Antarctic winter katabatic winds of Dome A (80.0°S,80.0°E) to coast (67.5°S,80.0°E) (a) and west (71.0°S,60.0°E)to east (71.0°S,75.0°E) of Amery Ice Shelf (b)

3.3 大氣質(zhì)量通量和冷平流時空分布

利用AMPS 數(shù)據(jù)的10 m 高度風場，計算了表層大氣質(zhì)量通量Φ，即單位時間內(nèi)通過單位面積的大氣質(zhì)量，其國際標準制單位為kg/（s·m2），計算方法為

式中 ρ為濕空氣密度，單位：kg/m3；P為氣壓，單位：Pa；V為風速，單位：m/s；Rd為比氣體常數(shù)，約等于287J/（kg·K）；T為氣溫，單位：K；q為比濕，單位：kg/kg。

由圖6可見，表層大氣質(zhì)量通量在由冰蓋內(nèi)陸至普里茲灣沿岸過程中在經(jīng)向分布上極不均勻，在部分沿岸地區(qū)較為集中，這與圖3中表層風場的分布形態(tài)基本一致，可見大氣質(zhì)量通量主要與風速有關(guān)，而受氣溫變化和空氣密度變化的影響較小。概括來看，大氣質(zhì)量通量強度的空間分布形態(tài)與地形具有較強的相似性，等高線密集地區(qū)的大氣質(zhì)量通量較強。邊界層內(nèi)大氣質(zhì)量通量具有半永久性特征，這主要是受地形和風向的定常性決定的。

圖6 南極Dome A 至普里茲灣沿岸地區(qū)2014-2016 年季節(jié)平均的表層大氣質(zhì)量通量Fig.6 Seasonally mean of surface air mass flux from the Dome A to the coast of Prydz Bay,Antarctica,during 2014 to 2016

由于下降風是來自南極內(nèi)陸冰蓋上的強冷空氣，其大氣質(zhì)量通量可以對下游地區(qū)的天氣和氣候環(huán)境產(chǎn)生強烈影響。由冰蓋內(nèi)陸流向普里茲灣沿岸的大氣質(zhì)量通量在冬季（6-8 月）最大，在夏季（12 月至翌年2 月）最小。在艾默里冰架西側(cè)的大氣質(zhì)量通量顯著影響著普里茲灣海域，此處的大量冷空氣通過海-冰-氣相互作用對普里茲灣海域的海冰生消、冰間湖形成、氣旋活動都有重要影響。在結(jié)冰季節(jié)，艾默里冰架前緣仍常常出現(xiàn)大片無冰或薄冰的區(qū)域，即冰間湖。這類冰間湖每年都會在艾默里冰架前緣西部出現(xiàn)，F(xiàn)rancis 等[34]認為這是由于強勁的南極下降風沿著冰架而下，不斷地將新生成的海冰吹向外海而形成。但需要說明的是，南極沿岸海域中冰間湖的形成并不是完全取決于下降風，水深、地形以及表層風場的綜合作用影響著大多數(shù)冰間湖的形成過程[35]。由于目前缺乏可靠的再分析資料產(chǎn)品，對這類冰間湖的長期生消過程特征缺乏研究[36]。

南極冰蓋高原各個季節(jié)表層氣溫空間分布形勢均與海拔高度分布形勢相似，冰蓋高原氣溫較低，沿岸地區(qū)氣溫相對較高。冰蓋的冬季氣溫比夏季氣溫總體約低30～40°C。從表層大氣冷平流的空間分布形勢來說，各個季節(jié)的表層風幾乎總是由低溫區(qū)吹向高溫區(qū)，給下游帶來冷平流。在南極內(nèi)陸冰蓋高原上，溫度梯度較小，同時由于此處風速較小，因此冷平流相對較弱；在沿岸地區(qū)溫度梯度大，冷平流較強。冬季由于氣溫低、風速大，冷平流的強度總體來看遠遠高于夏季。

4 Dome A 至普里茲灣沿岸下降風對下游地區(qū)的影響

4.1 下降風對艾默里冰架的影響

在Dome A 至普里茲灣沿岸地區(qū)，艾默里冰架地勢較低，是下降風氣流的匯聚區(qū)（圖3），因此艾默里冰架表層風和溫度的分布特征具有其特殊性。

位溫的空間分布可以反映出近地層大氣熱力過程。由圖7可見，除夏季之外的3 個季節(jié)，艾默里冰架西側(cè)的強下降風在到達海拔較低的冰架之前，氣溫在空間上變化幅度較大，但其位溫基本保持不變，這表明強下降風在從冰蓋斜坡較高處到達平坦冰架的過程近似可認為是干絕熱過程。在下降過程中，在冰架西部呈現(xiàn)較為顯著的近表層升溫現(xiàn)象，這種增溫現(xiàn)象有多方面的原因，一是氣流在高度下降時氣壓增加、體積被壓縮，有絕熱增溫過程；二是強下降風給冰架表面帶來強烈的湍流混合，破壞或減弱了冰面上的逆溫。冬季由于冰面逆溫較強，因此下降風引發(fā)的湍流混合帶來的表面升溫過程尤其明顯，可通過衛(wèi)星紅外遙感圖像識別出來[37]。艾默里冰架與其兩側(cè)冰蓋斜坡相比，其位溫相對較小，主要是因為冰架近表層溫度比周邊區(qū)域偏低，這種現(xiàn)象在南極羅斯冰架和龍尼冰架也同樣存在。

圖7 南極艾默里冰架2014-2016 年季節(jié)平均的位溫（a-d）和2 m 氣溫場和10 m 風場（e-h）Fig.7 Seasonally mean of potential temperature (a-d) and 2 m air temperature and 10 m wind (e-h) of Amery Ice Shelf,Antarctica,during 2014 to 2016

夏季（12 月至翌年2 月）艾默里冰架兩側(cè)下降風均較弱，此時絕熱增熱效應小于下降風冷空氣給下游帶來的降溫效應，因此冰架西部氣溫稍低于東部，這也導致了冰架西部的夏季冰表面融化日數(shù)比東部少[16]。在其他季節(jié)，冰架東部的表層氣溫低于西部，可能是因為冰架東側(cè)坡度較小，下降風較緩和，從而絕熱增溫和湍流混合過程相對較弱。

4.2 下降風對普里茲灣沿岸氣旋活動的影響

為了分析來自南極冰蓋區(qū)域的下降風氣流進入普里茲灣的大氣質(zhì)量通量，繪制了普里茲灣沿岸季節(jié)平均的大氣質(zhì)量通量隨經(jīng)度的變化曲線（圖8）。66°～74°E 之間、90°～96°E 之間海岸線上進入普里茲灣的大氣質(zhì)量通量處于較高的水平，該類區(qū)域冰蓋坡度較大，全年風速較強。這與Parish 和Bromwich[11]的結(jié)論一致。57°～58°E 之間和76°E 附近區(qū)域大氣質(zhì)量通量較小，來自不同方向的下降風氣流在此類區(qū)域匯合，從而風速較小。就季節(jié)分布而言，各區(qū)域在冬季的大氣質(zhì)量通量總體上最大，夏季最小。圖中的黑色曲線是各季節(jié)最大值與最小值之差，可見大氣質(zhì)量通量較大的區(qū)域的冬夏季之差也最大。

秦聽等[20]對普里茲灣海域氣旋活動進行了統(tǒng)計分析，研究了南極中山站附近海域的氣旋時空分布特征。該研究發(fā)現(xiàn)，中山站附近區(qū)域氣旋活動具有明顯的季節(jié)變化，冬季和春季氣旋活動最為頻繁，夏季的氣旋數(shù)量偏少偏弱。氣旋活動的緯度集中在70°S 以北，主要位于普里茲灣西北方向的南印度洋。

結(jié)合本文圖8與秦聽等[20]中山站附近區(qū)域氣旋活動分布情況（圖9）分析，從空間分布看，66°～74°E之間大氣質(zhì)量通量較強的區(qū)域，其氣旋活動比其他區(qū)域在全年均較強，57°～58°E 區(qū)域以及76°E 附近區(qū)域氣旋活動較弱，這與大氣質(zhì)量通量較弱的特征相對應。在季節(jié)分布特征方面，普里茲灣沿岸的氣旋活動總體上在冬季較強，夏季較弱。冬季的氣旋活動范圍向南延伸至艾默里冰架南部，夏季僅限于大陸沿岸附近地區(qū)。這一特點與從南極冰蓋輸入沿岸的下降風大氣質(zhì)量通量季節(jié)變化特征有較強的相關(guān)性。這是在季節(jié)尺度上關(guān)于普里茲灣沿岸氣旋與艾默里冰架下降風關(guān)系的初步判斷，更深入的研究需結(jié)合大尺度天氣形勢進行氣旋個例分析研究。

圖8 南極普里茲灣沿岸季節(jié)平均表層大氣質(zhì)量通量經(jīng)向分布Fig.8 Seasonally mean of longitudinal distribution of surface air mass flux along the coast of Prydz Bay,Antarctica

圖9 南極中山站附近區(qū)域1979-2013 年平均氣旋活動分布（引自文獻[20]）Fig.9 The distribution of cyclones number density near the Zhongshan Station,Antarctica (cited from reference [20])

5 討論與總結(jié)

5.1 關(guān)于下降風與中尺度氣旋關(guān)系的討論

南極大陸沿岸風速較強的地區(qū)，中尺度氣旋活動較為頻繁。南大洋中尺度氣旋旋生位置大致在60°～70°S 之間南極繞極低壓槽的南部，其中南極普里茲灣、羅斯海、阿蒙森海以及別林斯高晉海是中尺度氣旋數(shù)量最多的海域[38-39,14]。這些中尺度氣旋能夠?qū)⑴瘽駳饬鬏斔椭聊蠘O沿岸地區(qū)，帶來強風和雪暴等惡劣天氣，給海上作業(yè)和南極沿岸站點帶來威脅[6,20]。

對于南極羅斯海沿岸下降風引發(fā)中尺度氣旋個例已經(jīng)有較多研究，目前較為公認的理論是，來自南極冰蓋下降風的爆發(fā)性冷空氣為暖濕洋面帶來冷氣流，如果伴隨有較弱的地面低壓槽，就可能在南極大陸沿岸地區(qū)邊界層內(nèi)形成水平溫度梯度，并可能增強邊界層中的氣旋性渦度，從而為中尺度氣旋的形成創(chuàng)造條件（Bromwich 等[7,14]；Carrasco 和Bromwich[40-41]）。除了南極大陸之外，Klein 和Heinemann[42]研究發(fā)現(xiàn)格陵蘭島東岸的下降風氣流同樣可能增強或者引發(fā)中尺度氣旋，這同樣是因為下降風帶來的大量冷空氣能夠顯著增強海洋大氣低層的斜壓不穩(wěn)定性。

需要指出的是，由于下降風在垂直方向上通常僅有數(shù)百米，因此在更多的情況下南極沿岸中尺度氣旋的生成仍然依賴于天氣尺度環(huán)流背景、南極大陸沿岸地形阻擋效應、近岸冰間湖等多種因素。天氣尺度低壓系統(tǒng)可使淺薄的下降風到達南極冰蓋沿岸地區(qū)時在垂直尺度上有所擴展，或者協(xié)助增強水平方向上的沿岸下降風涌動，進而增強大氣邊界層的氣旋性渦度并引起中尺度氣旋的爆發(fā)。在此過程中，冰間湖上空的熱通量交換傳輸會進一步增強中尺度氣旋的發(fā)展[43]。生命期較長且水平尺度較大的中尺度氣旋的爆發(fā)和發(fā)展過程除了受上述因素影響之外，還可能伴隨著高層大氣位勢渦度異常[44]。

鑒于極地天氣氣候研究領(lǐng)域?qū)χ谐叨葰庑陌l(fā)生發(fā)展機制仍不甚清楚，近年來國際上召開了多次關(guān)于極地中尺度氣旋和極地低壓（極地低壓屬于中尺度氣旋的一種，其地面強風大于15 m/s）的專題研討會，此領(lǐng)域?qū)W者普遍認為需用衛(wèi)星資料、現(xiàn)場觀測、數(shù)值模擬等途徑對中尺度氣旋和極地低壓的爆發(fā)過程進行更加全面系統(tǒng)的研究[45-47]。

我國南極中山站位于普里茲灣沿岸，科考活動經(jīng)常受到下降風和中尺度氣旋的影響。解思梅等[48]研究發(fā)現(xiàn)，普里茲灣氣旋能否發(fā)展的關(guān)鍵問題是海冰的多少和分布情況。海冰直接影響海表面溫度，在高溫暖濕的海面上容易使氣旋發(fā)展或形成新生氣旋。氣旋越過冰壩進入長時間維持的冰間湖會爆發(fā)性發(fā)展，其強度能夠達到12 級以上強風。截至目前，國內(nèi)外仍然缺乏對南極普里茲灣海域中尺度氣旋艾默里冰架強下降風關(guān)系的研究。

我國南極考察隊每年夏季在普里茲灣海域進行海上考察作業(yè)時，經(jīng)常受到偏東下降風堆積的冰山和浮冰的阻礙。有時出現(xiàn)的微弱偏西風則有助于海冰的疏散，從而利于考察隊的現(xiàn)場作業(yè)。這類偏西風可能來自艾默里冰架西側(cè)的下降風，也可能來自普里茲灣海域的中尺度氣旋。因此，在艾默里冰架地區(qū)開展地面氣象觀測和邊界層探空觀測，對該地區(qū)下降風和中尺度氣旋特征進行深入研究，探索下降風引發(fā)中尺度氣旋旋生的機制，將有助于更加全面地把握該地區(qū)的氣候特點，這對于改善該地區(qū)下降風和中尺度氣旋預報能力具有重要的科學意義和現(xiàn)實意義。

5.2 總結(jié)

南極Dome A 至普里茲灣沿岸這一廣闊區(qū)域，覆蓋著南極冰蓋最高處、坡度緩和的南極內(nèi)陸、地形陡峭的普里茲灣沿岸以及平坦的艾默里冰架，是研究南極下降風的理想?yún)^(qū)域。結(jié)合我國南極考察需求，南極下降風對普里茲灣沿岸氣旋活動的影響也值得關(guān)注。

本文利用我國極地數(shù)值天氣預報系統(tǒng)和美國南極中尺度預報系統(tǒng)的近年存檔數(shù)據(jù)，對南極Dome A至普里茲灣沿岸地區(qū)的下降風開展了特征分析。通過分析下降風風場的時空分布、垂向分布、水平大氣質(zhì)量通量，給出了該地區(qū)下降風的基本特點，分析了下降風對艾默里冰架的局地影響，并結(jié)合前人研究討論了艾默里冰架沿岸下降風與普里茲灣氣旋活動的關(guān)聯(lián)。

本文分析發(fā)現(xiàn)，在時空分布上而言，該區(qū)域下降風在3 500 m 海拔以上冰蓋地區(qū)的表層風速全年均較小，在地形坡度較大的沿岸陡峭地區(qū)風速總體較大。艾默里冰架西側(cè)的斜坡是本文研究區(qū)域中的強下降風匯集區(qū)，強氣流相遇匯合繼而轉(zhuǎn)向以北的普里茲灣。不同季節(jié)的下降風風速有較大區(qū)別，冬季風速較大，強氣流延伸至普里茲灣海域可達數(shù)百千米以上；夏季下降風對普里茲灣海域的影響較小。下降風的氣溫在空間上變化幅度較大，但其位溫基本保持不變，表明強下降風近似可認為是干絕熱過程，并給冰架西部帶來近表層增溫現(xiàn)象。下降風較弱時，絕熱增熱過程不明顯，下游反而可能會降溫。

在垂直結(jié)構(gòu)上，Dome A 至普里茲灣沿岸冬季下降風強風區(qū)在垂直方向上有明顯的邊緣線，地面以上約100～200 m 高度風速最大，高空最大風速可達地面風速的1.5 倍。沿岸風速較大地區(qū)的下降風較為深厚，其中下降風氣流泄流到艾默里冰架西側(cè)冰面上時可以達到約600～800 m 高度；內(nèi)陸地區(qū)下降風較為淺薄。各地風向廓線隨著高度增加均不同程度地向左偏轉(zhuǎn)，并在約400 m 高度與南極大陸等高線近似平行。

南極大陸表層大氣質(zhì)量通量時空分布特征主要與風速有關(guān)，受氣溫和空氣密度的影響較小。普里茲灣沿岸表層大氣質(zhì)量通量在經(jīng)向分布上極不均勻，大氣質(zhì)量通量較強的沿岸地區(qū)，其冬夏季之差也較大。艾默里冰架西側(cè)的大氣質(zhì)量通量顯著影響著普里茲灣海域冰間湖形成和氣旋活動。結(jié)合前人對普里茲灣海域氣旋活動的研究結(jié)論，本文發(fā)現(xiàn)氣旋活動與大氣質(zhì)量通量特征具有較好的相關(guān)性，較強的大氣質(zhì)量通量伴隨著較多的氣旋活動。

普里茲灣下降風引發(fā)中尺度氣旋旋生的機理問題值得關(guān)注。在普里茲灣海域天氣尺度低壓環(huán)流形勢中，下降風冷空氣如何影響局地大氣邊界層結(jié)構(gòu)從而引發(fā)中尺度氣旋旋生，這需要結(jié)合天氣環(huán)流形勢、海洋下墊面屬性、下降風氣流的熱力學屬性等多個因素進行綜合研究。

致謝：美國俄亥俄州立大學伯德極地研究中心極地氣象組提供Polar WRF 模式和AMPS 存檔數(shù)據(jù)，謹表謝意。