中国首次环南极科学考察海洋气象环境分析

于海鹏

(1.南京大学大气科学学院，江苏南京210093；2.国家海洋环境预报中心，北京100081)

1 引言

中国第30 次南极科学考察是首次环南极一周的科考活动。除了按计划完成两个南极常年考察站的货物运输，对南极普里兹湾和威德尔海重点海域开展海洋调查，还对遇到的突发事件开展应急救援和搜寻工作。航行过程中遇到的主要天气系统有西风带气旋、冰盖下降风、中尺度气旋及热带低压。本文选择了首次环南极科考航线中有代表性的强天气过程进行分析介绍，以期对今后南极考察航线预报有所帮助。

本文按照环南极航线图（见图1）所示从A-B-C-D-E-A-F 的6 个航段的天气过程分别进行分析介绍。

2 资料和分析方法

本文所用的主要资料包括：船载Seaspace 系统接收的NOAA 卫星云图，船载FAX-30 气象传真机接收到的传真图，船载自动气象站（天诺基业CMAPBELL）实时观测的空气温度、露点温度、相对湿度、能见度、气压和风向风速等气象要素，以及正点人工气象和海冰观测所获得的各种数据。

本文主要使用天气学方法对各航段和重点区域的典型天气过程进行分析。考虑到南极地区地面观测记录的稀少，更多地利用卫星云图结合天气实况图进行综合分析。卫星云图对天气系统有直观的反映，特别是对中小尺度天气系统有较好的监测效果。在本文分析中以船载Seaspace系统接收到的NOAA卫星云图为主，辅以地面气压场分析和走航观测数据分析。

3 环南极航行及马航搜寻期间的典型天气过程分析

3.1 中国南极中山站附近海域（A点）

本次科学考察“雪龙”船在中国南极中山站附近遇到两次较为典型的天气过程。

图1 中国首次环南极科学考察航线图

第一次过程是在“雪龙”船初次抵达中山站的卸货过程中。2013年12月2—3日，中心气压为956 hPa 的西风带气旋逐渐南压并影响到中山站附近区域。根据南半球500 hPa 分析图（图略），2013年11月30日12UTC（下文未标明UTC 的均为北京时间），30°E处有一弱槽发展。12月1日12UTC，此槽已移动至50°E，并发展加深形成闭合低涡中心，该低涡中心位于60°S附近。此时，中山站东侧80°E附近有一个高压脊正在发展并南伸至60°S。12月2日高空槽在不断加深的同时受东侧高压脊的阻挡，低涡中心东移受阻转向偏南移动，逐渐靠近普里兹湾。12月3日00UTC，低涡中心已向南移动至65°S。此时，中山站以东的高压脊也南伸至70°S。

从地面分析图（图略）上看，2013年11月30日00UTC，30°—40°E之间存在两个弱西风带气旋，中心气压分别为973 hPa 和983 hPa，呈东西向排列。12月1日00UTC，东侧气旋原地少动，西侧气旋向东北方向移动，并移至东侧气旋的北部；两气旋强度和30日相比没有大的变化。12月2日00UTC，两气旋合并，强度骤增至956 hPa，中心位于60°S，65°E附近；12UTC左右锋面开始影响到中山站附近。12月3日00UTC，在中山站东侧高压脊的阻挡下，气旋中心南压到67°S附近。

从云图上看，起风时间和气旋云带开始覆盖船舶所在位置时间基本一致（见图2）。此次过程雪龙号测得最低气压965 hPa，最大风速22 m/s，风向以东¯东北为主。

第二次过程是雪龙船再次来到中山站在普里兹湾进行大洋调查时。

2014年3月2日凌晨，“雪龙”号受到一个中尺度气旋影响。根据经验，中尺度低压和浅薄的小尺度低压经常在普里兹湾发展,与明显的大尺度系统的强迫无关。尽管这种低压尺度小(直径约100 km),但经常会造成地面15—20 m/s的风速和低云[1]。此次过程最大风力8级，由于此中尺度气旋在天气分析图上不明显，给预报带来了困难，但其在卫星云图上结构比较清晰（见图3）。

3.2 “雪龙”号营救俄罗斯科考船区域（B点）

2013年12月25日，当“雪龙”号行进至63°S,128°E时收到俄罗斯科考船“绍卡利斯基院士”号的遇险求救信号，遇险位置66.68°S，144.43°E。接报后，“雪龙”号紧急赶赴俄船受困海域，开始了举世瞩目的救援行动。2014年1月2日雪龙号成功营救起了俄罗斯船被困人员，但被堆积的厚重浮冰包围，使自身陷入困境。

由于南极沿岸附近海域主要受绕极低压槽的控制，低压槽以南的南极大陆边缘多为偏东风，加之南极特有的下降风效应造成低层偏东的气流，合成风的方向常常恒定不变[2]。因此，气旋南部持续的东向风使海冰堆积得越来越紧，“雪龙”船被移动的浮冰挤压着漂向更密集的浮冰区，难以转向和破冰前行（见图4）。

在南极沿岸，一般当高压南部出现偏西风，易使海冰松动。偏西风成为“雪龙”船脱困的良好机会。此时预报的关键是偏西风出现的时间和强度。

图2 2013年12月2日09：57UTC中山站附近的可见光云图（红十字为“雪龙”船位）

图3 2014年3月02日01：32UTC可见光云图（此时“雪龙”船实测风力为8级，白十字为“雪龙”船位）

图4 2014年1月2日04：15UTC的可见光云图（白十字是“雪龙”船位；蓝三角为被困俄船位置；黄色区域为密集浮冰）

图5 2014年1月7日00UTC地面气压实况图（红十字为“雪龙”船位）

随船气象组和国家海洋环境预报中心后方保障团队综合各类预报方法和资料信息会商后认为，2014年1月6—7日有一次高压脊南伸的过程，这样的天气形势有利于风向的转变。1月6日，澳大利亚南部洋面的副高南伸，其南缘达到了“雪龙”被困海域（见图5）。当日，被困海域东南风逐渐减小，13UTC时风速降到几乎为零。静风后，风向开始转变。6日16:00UTC时，风向转为西-西北，风力逐渐增大到4级左右(见图6)。此时，浮冰在西风的影响下开始出现松动。到7日下午“雪龙”号在船载SEASPACE系统接收的卫星冰图的导航下，先向南破冰，后向北航行至开阔水域，成功突破了海冰围困，继续航行在原来计划的科考航线上（见图7）。

“雪龙”脱困的经历再次说明：南极大陆沿岸附近吹偏东风时，浮冰状况一般较为稳定；风向转变后，特别是转为西向风后，浮冰状况会发生较大变化。科考船在浮冰区作业时，要特别注意风向的变化对浮冰冰情的影响。

图6 被困海域2014年1月6日风向和风速随时间的变化

图7 2014年1月7日05：02UTC可见光云图（红十字为雪龙船位；红色箭头为根据卫星资料为“雪龙”船做的脱困导航）

3.3 罗斯海维多利亚地新建科考站附近（C点）

罗斯海拟建新站在75°S 附近，临近特拉诺瓦湾。这一海域主要的大风过程是下降风。夏季，绕极气旋一般影响不到这里。但是，此处云量少、日照强，加上特殊的地理环境特征造成这一地区的下降风风力比中山站强且持续时间长。J.C.King 和J.Turner 指出：罗斯海西岸的特拉诺瓦湾是南极下降风特别盛行的区域之一；同时，特拉诺瓦湾的地形坡度并不比南极其它沿岸地区大，而那里的下降风却很强烈。强下降风的有限延伸距离表明，强风系统被局地地形的某些特殊性所控制而不单纯是陡坡因素[2]。有研究表明，下降风一般在当地时间的后半夜增强，一直到第二天下午才减弱。特别在罗斯冰架上有螺旋状云系生成时，在下降风和梯度风的同时作用下，使得下降风进一步增强和持续时间延长[3]（图略）。此外，2005年该站点以北约25 km 的意大利祖凯利站曾观测到一次持续时间长达40 h 的下降风事件，其中25 m/s 以上风速持续近30 h[4]。由此可见，该区域存在少见的强烈的下降风现象。根据现场观测，此处的下降风还有一个特点是局地性特别强。离罗斯海新站址越近，下降风越强。当新站址附近有6—7级下降风时，3—4 n mile之外的风力可降到5级以下。

3.4 中国南极长城站（D点）

南半球夏季,影响长城站地区的气旋主要是西北路径的气旋,其次是西路气旋。当气旋从长城站地区北侧经过时与南极大陆北伸的冷高压脊共同作用,使长城站产生东-东南向大风并伴有降雪[5]。2014年1月26—27日，雪龙抵达长城站卸货期间，就遇到一次西路气旋造成的大风过程（见图8）。

长城站附近和中山站遇到的西风带气旋类似，起风时间一般是云图上气旋云带开始覆盖船位的时刻；过程最大风力时段一般对应云图上云层发展最旺盛阶段。

3.5 俄罗斯青年站附近海域（E点）

“雪龙”船环南极航行再次驶往中山站途中的2014年2月21—23日，在俄罗斯青年站附近海域遇到本航次最强气旋过程。该气旋中心气压950 hPa，雪龙船测得最大风力11级（见图9）。

图8 2014年1月27日03：41UTC红外云图（此时“雪龙”船实测风力为9—10级，红十字为“雪龙”船位）

图9 2014年2月21日05：03UTC可见光云图（此时“雪龙”船实测风力为10级，白十字为“雪龙”船位）

图10 2014年3月27日00UTC地面气压分析图（红十字为“雪龙”船位）

图11 2014年3月28日00UTC地面气压分析图（红十字为“雪龙”船位）

此次气旋大风过程是在60°—80°E之间南伸的副高阻挡下，西风带气旋南压造成的。对于南极周边海域的大风预报，特别应当注意当副高南伸形成高压坝时，对气旋的路径的改变和因阻挡使之增强的作用。

3.6 搜寻马航MH370失联航班海域（F点）

2014年3月20日，返航途中正在澳大利亚佛里曼特尔港外等待靠港补给的“雪龙”号接到了返回南印度洋搜寻马航MH370失联客机的紧急任务。

搜寻期间，3月27日30°S，75°E 处有一个南伸的热带低压槽，其中心气压为1002 hPa，热带低压槽东南方55°S，85°E 处有一中心气压995 hPa 的西风带弱气旋（见图10）。28日热带低压槽并入西风带气旋，并使其中心气压增强至987 hPa（见图11）。在此过程中，雪龙号在搜寻海域遇到东北风转西南风7—8 级，并伴有降雨和低能见度天气，给空海一体搜寻带来很大困难。

4 小结

中国第30 次南极考察是首次实施“环南极航行”航线，虽然遇到了极地救援和失联客机搜寻等突发事件，还是圆满完成了预报保障任务。不仅锻炼了预报员的应急预报能力；也为今后南极科考保障积累了经验。

（1）影响环南极航线的主要天气系统为绕极气旋，特别是不能忽视中小尺度的气旋；

（2）绕极气旋的大风常开始于其云带区域的前缘，因此卫星云图在绕极气旋预报中的重要性应该得到重视；

（3）在极区航行时，应密切注意风向的转变对浮冰的影响。在前期浮冰较松散的情况下一次强气旋所产生的东向风可使浮冰挤压、密实；而气旋过后高压控制时产生的西向风又可使浮冰松动、开裂；

（4）罗斯海新建站由于特殊的地形造成下降风强度强且持续时间长，还经常和罗斯海的低压系统相配合使之增强；

（5）应注意卫星云图上中尺度气旋螺旋状云系的发展，因为其在地面气压分析图上经常得不到反映；

（6）在南纬40 度附近，热带的低压系统可与高纬的西风带气旋合并，并使西风带气旋强度增强。

[1]卞林根,张雅斌.南极天气预报业务的进展[J].极地研究,2000,12(3):219-232.

[2]King J C,Turner J.南极天气和气候[M].张占海,译.北京:海洋出版社,2007:237-243.

[3]李凯.第25次南极科考中山站越冬海洋气象考察总结[J].海洋预报,2011,28(5):82-88.

[4]赵杰臣,张林,田忠翔,等.南极罗斯海2012年夏季海冰特征分析[J].极地研究,2014,26(3):342-351.

[5]张文义.第四次南极考察长城站越冬队极地海洋气象考察报告[J].海洋预报,1993,10(2):24-32.