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  • ISSN 1000-0240 
  • 创刊于1979年
  • 主管单位:中国科学院
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冰川冻土, 2021, 43(5): 1383-1399 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0091

冰冻圈与全球变化

1961—2017年南极冰盖近地面风时空变化研究

殷宝玲,, 刘琪, 王叶堂,

山东师范大学 地理与环境学院,山东 济南 250014

Spatial and temporal variations of the near-surface winds over the Antarctic Ice Sheet during 1961—2017

YIN Baoling,, LIU Qi, WANG Yetang,

College of Geography and Environment,Shandong Normal University,Jinan 250014,China

通讯作者: 王叶堂,教授,主要从事极地冰盖与气候变化研究. E-mail: yetangwang@sdnu.edu.cn

编委: 周成林

收稿日期: 2021-07-16   修回日期: 2021-10-03  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41971081
国家重点研发计划项目.  2020YFA0608202
中国科学院(A类)战略性先导科技专项.  XDA19070103
山东省高等学校优秀青年创新团队项目.  2019KJH011

Received: 2021-07-16   Revised: 2021-10-03  

作者简介 About authors

殷宝玲,硕士研究生,主要从事气候变化与区域响应研究.E-mail:1508269774@qq.com , E-mail:1508269774@qq.com

摘要

基于19个人工气象站1961—2017年风速风向实测数据对南极冰盖近地面风速时空变化和风向进行了分析。结果表明:近50年来,南极冰盖近地面各季节平均风速和年平均风速变化的空间模式基本一致。东南极0°~120° E沿海地区风速呈显著上升趋势;南极半岛气象站风速变化趋势各异,且变化速率相差甚大,但从区域平均结果来看,南极半岛年和季节平均风速均呈上升趋势。这与近几十来局地气温、气压变化及南半球环状模趋向于正位相发展有关。东南极受下降风和绕极东风影响,大部分地区盛行偏南风或偏东风,且频率较高风向稳定;而受天气活动影响,南极半岛风向复杂,主风向频率低,风向多变。

关键词: 南极冰盖 ; 近地面风速 ; 近地面风向 ; 变化趋势

Abstract

Based on the measured wind speed and wind direction data from 19 manned weather stations during 1961—2017, the temporal and spatial variations of near-surface wind speed and wind direction over the Antarctic ice sheet were analyzed. The results show similar spatial variability patterns between seasonal and annual mean near-surface wind speeds over the Antarctic Ice Sheet from 1961 to 2017. The wind speeds in the coastal area of 0°~120° E sector of East Antarctica showed a significant upward trend. The sign and magnitude of trends in the wind speeds from 6 meteorological stations on the Antarctic Peninsula are different. Both annual and seasonal wind speeds averaged over the 6 stations exhibited upward trends during 1961—2017. The upward trends were related to local warming, decline in the sea level pressure, and the positive polarity of the southern annular mode in recent decades. Southerly or easterly winds prevailed in most areas of East Antarctica, and the wind directions were stable. On the Antarctic Peninsula, influenced by frequently synoptic activities, the wind directions are variable, and it is not easy to determine the dominant wind direction.

Keywords: Antarctic Ice Sheet ; near-surface wind speed ; wind direction ; variation trends

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本文引用格式

殷宝玲, 刘琪, 王叶堂. 1961—2017年南极冰盖近地面风时空变化研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1383-1399 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0091

YIN Baoling, LIU Qi, WANG Yetang. Spatial and temporal variations of the near-surface winds over the Antarctic Ice Sheet during 1961—2017[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2021, 43(5): 1383-1399 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0091

0 引言

南极是世界上风力最大的地区,每年平均8级以上的大风达300多天,被称为地球的“风极”,储存了世界上最大尚未开发的风能资源。近地面风作为南极大陆上空重要的气象因子之一,深刻地影响着大气环流、海洋环流、水循环、冰盖物质能量平衡等一系列过程。南极大陆因辐射冷却产生的冷空气沿着冰面陡坡急剧下滑,形成下降风,将迎风坡雪表面吹蚀成波状纹,被吹起的雪部分升华,剩余的在背风坡回落形成沉积1。冰盖尺度上,风吹雪引起的侵蚀和沉积对整体表面物质平衡量的影响较小,但是局地尺度上不可忽视,可以去除局地所有的降雪形成蓝冰区。此外,风吹带来的表面雪损失约占冰盖年降雪的8%1-2。南极下降风是形成大规模环流的必要条件3,其分布形态决定了南极大陆近表层风场的主要特征。下降风到达冰盖边缘,与冰架、海冰及近海存在相互作用,可以影响海洋中的质量输送和热盐环流。此外,南极极端的风条件对于野外作业是巨大的挑战,甚至危及科研人员的人身安全4-6。因此,南极近地面风的时空变化研究十分必要,而且对于认识全球变暖背景下南极大气环流的变化也具有重要意义。

作为全球最缺乏现场观测资料的地区之一,南极冰盖风的观测数据同样十分稀少。从1957—1958国际地球物理年(IPY)至今,在整个南极大陆仅有19个人工气象站点具有时间序列长且连续的风速和风向数据,而且大部分站点分布于冰盖边缘地区,只有2个站位于南极大陆内部。基于这些观测记录,已开展了一定的南极近地面风研究工作。如:van Lipzig等1在2004年绘制了全球首个大规模的南极风向指示图,但缺少详细的风速信息;Nylen等72004年利用12个全年气象站观测数据研究发现麦克默多干谷下降风引起的“焚风效应”会使山谷气温增加30 ℃,而且其频率在很大程度上影响了冬季近地面气温,频率每增加1%,气温就上升1 ℃。2013年,陈善敏等8利用1985年1—3月的资料分析了长城站地面风和高空风的特征。但由于观测设备和气象条件的限制,只获取了10次高空风探测资料。迄今,基于观测资料的南极冰盖近地面风的长期变化研究仍然鲜有报道。

随着计算能力的迅速提高及数值技术的进步,数值模拟成为研究风场变化的有力手段。全球环流模式GCMs(global circulation models)是研究全球气候系统变化的重要工具9。然而,GCMs由于分辨率粗糙,不能很好地再现复杂的南极海岸地形,参数化方案常常过于简单,致使其模拟结果不确定较高,通常无法直接用于研究风场变化趋势研究。因此,有必要尝试使用区域气候模式RCMs(regional climate models)来模拟和预估一定条件下的气候变率。从1989年开始,Dickinson等10将区域模型MM4嵌套在全球大气环流模式中,取得较好的模拟结果。此后,RCMs被广泛用于区域尺度上气候以及未来变化预估研究11,例如:Giorgi等12、Sass等13、Podzun等14发展RCMs并用来模拟欧洲气候,McGregor等15将RCMs应用于澳大利亚气候变化研究。近年来,一些专门用于极区的高分辨率区域气候模式迅速发展,大大提高了南极气候的数值模拟能力,例如荷兰皇家气象研究所开发的RACMO模型、德国极地与海洋研究所开发的HTRHAM模型以及俄亥俄州立大学伯德极地研究中心开发的Polar WRF模型等,这些模式提高了其分辨率,更好地解决了地形效应,并且许多物理过程的参数化方案也有了很大改进,能够更好地描述南极复杂的天气形势和极端事件。尽管区域气候模式模拟技术已有了实质性的改进,但气候模式中有关雪冰物理过程的参数化方案仍然不够精细,结果对于南极地形陡峭区域风速模拟能力十分有限,也不能很好地刻画南极地区的风速变率16。因此,利用器测数据获取南极冰盖近地面风速风向变化特征,将会为未来区域模式发展提供依据。同样,器测数据也是区域气候模式模拟能力检验及校准的基础。

本研究基于南极冰盖19个气象站实测数据,分析风速季节变化特征,利用线性回归分析法对1961—2017年的年平均风速和季节平均风速进行拟合,诊断其年际变化趋势,并用标准t检验法检验其显著性,在此基础上分析南极冰盖风速时空变化规律,探讨其变化可能原因,并诊断区域尺度盛行风向。

1 数据和方法

1.1 数据

南极冰盖近地面风速和风向数据来自英国南极调查局(BAS, British Antarctic Survey)的南极环境研究基础数据数据库(READER, Reference Antarctic Data for Environmental Research)(http://www.tica.ac.uk/met/reader/)的气象站数据,大部分气象站数据是从1961年1月开始的,并且所有数据在公开之前都经过了质量控制17。本文选取了19个记录最长、数据最完整的气象站用于风速和风向时空变化分析,其中12个站位于东南极(30° W向东延伸到170° E),7个站位于西南极(50°~ 160° W),详细信息如表1所示,其位置见图1。为分析风速变化和气温及大气压的联系,19个气象站相应的气温和海平面大气压观测记录也被应用。

表1   南极冰盖19个地面气象站信息

Table 1  Information of 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet

站名经度纬度位置时间(风速)完整度/%时间(风向)完整度/%
Amundsen-Scott90° S东南极1961—2017年1001961—2017年100
Belgrano34.6° W77.9° S东南极1964—2017年77.91964—2017年84.9
Casey110.6° E66.3° S东南极1961—2017年99.61961—2017年99.4
Davis78.0° E68.6° S东南极1961—2017年92.31961—2017年91.2
Dumont-Durville140.0° E66.7° S东南极1961—2017年94.91961—2017年94.9
Halley26.4° W76.0° S东南极1961—2017年99.91961—2017年99.6
Mawson62.9° E67.6° S东南极1961—2017年1001961—2017年99.7
McMurdo166.7° E77.9° S东南极1961—2017年76.61961—2017年69.4
Mirny93.0° E66.5° S东南极1961—2017年99.31988—2017年92.2
Novolazarevskaya11.8° E70.8° S东南极1961—2017年96.11989—2017年87.4
Syowa39.6° E69.0° S东南极1961—2017年93.01961—2017年92.8
Vostok106.9° E78.5° S东南极1961—2017年92.01963—2017年82.1
Byrd119.4° W80.0° S西南极1961—2017年54.71961—2017年51.9
Esperanza57.0° W63.4° S南极半岛1961—2017年88.61961—2017年89.3
Faraday/Vernadsky64.4° W65.4° S南极半岛1961—2017年99.61961—2017年99.4
Marambio56.7° W64.2° S南极半岛1971—2017年98.41971—2017年98.6
Marsh57.9° W63.3° S南极半岛1970—2017年93.91970—2017年93.6
Orcadas44.7° W60.7° S南极半岛1961—2017年88.51961—2017年88.0
Bellingshausen58.9° W62.2° S南极半岛1968—2017年1001968—2017年89.3

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图1

图1   南极冰盖19个地面气象站位置图

Fig.1   Location of 19 meteorological stations over the Antarctic Ice Sheet


1.2 方法

利用Bromwich等18的数据缺失插补方法对数据完整度较低的3个气象站(Byrd、Belgrano、McMurdo)的月风速缺失数据进行了插补。以Bryd站为例说明,首先利用用于南极重建气温的类似克里格插值方法18,以美国国家环境预报中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料为背景场,将记录可追溯到20世纪70年代的南极冰盖除伯德站之外的其他气象站的月平均风速数据插值到Byrd站的位置。其次,NCEP/NCAR再分析资料和ERA-Interim再分析资料中提取的Byrd站风速数据通过线性回归填充到相应年份实测数据缺失的月风速数据。最后这两种方法结果的平均值就是伯德站最终的月风速插补结果。该方法已很好地用于南极站点气温及气压等数据的插补,而且插补后的数据用于变化趋势诊断19-20

对19个气象站季节和年平均风速进行线性拟合,利用最小二乘法计算回归系数,诊断风速的年际变化趋势,并用t检验法检验其显著性。利用皮尔逊相关系数对相关性进行分析。四个季节划分采用南半球标准季节,即3—5月为秋季,6—8月为冬季,9—11月为春季,12月—次年2月为夏季。在计算季节平均风速和风向时,每个季节最多只能缺少1个月的数据,如果多于1个月,那这个季节数据就被认为是空值。计算年平均风速和风向时,至少需要6个月的数据且每个季节至少有1个月数据是可用的,否则也将被认为缺失。

2 结果与讨论

2.1 南极冰盖多年平均风速空间分布特征

南极冰盖19个气象站近地面风速多年平均值为7.3 m·s-1。从季节平均风速来看,冬季平均风速最大,为7.9 m·s-1,其次是秋季(7.7 m·s-1)和春季(7.5 m·s-1),三个季节均高于年平均风速,夏季风速最小,为6.2 m·s-1。从冰盖各气象站多年平均风速空间分布(图2)可以看出:位于东南极沿海平均风速高,其中Mawson、Mirny、Dumont-Durville和Novolazarevskaya站年平均风速超过了9.0 m·s-1以上。南极内陆高原Amundsen-Scott和Vostok年平均风速较小,分别为5.4 m·s-1和5.1 m·s-1。南极半岛除Faraday站风速较小外(4.3 m·s-1),其余站点年平均有风速均大于6.0 m·s-1。从站点季节平均风速空间分布来看,尽管各站风速值在不同的季节差异明显,但是与年平均风速的空间分布特征较一致,即冰盖沿海风速高,内陆风速低。

图2

图2   南极冰盖19个气象站多年和季节平均风速空间分布

Fig.2   Spatial distribution of annual and seasonal averaged wind speeds of 19 weather stations over the Antarctic Ice Sheet


2.2 南极冰盖风速时间变化特征

2.2.1 南极冰盖19个气象站风速季节变化特征

从19个气象站月平均风速变化(图3)来看,南极冰盖近地面风速季节变化明显,所有站点夏季12—1月的平均风速最小,但是不同区域站点平均风速最大值出现的月份差异显著。位于西南极7站点月平均风速出现在春季月份(9—10月),但与冬季月份平均风速相差较小。南极内陆两个气象站平均风速分别是3月(Vostok站)和8月(Amundsen-Scott站)最大。东南极沿海4个站月平均速度最大值出现在秋季月份,3个站出现在春季月份,3个台站出现在冬季月份。

图3

图3   南极冰盖19个气象站风速季节变化

Fig.3   Seasonal cycle of mean wind speeds from 19 weather stations over the Antarctic Ice Sheet


2.2.2 南极冰盖年和季节平均风速年际变化及趋势
1) 年平均风速变化趋势

南极冰盖19个气象站近地面年平均风速年际波动较大(图4),特别是Belgrano站,1967—1968年的年平均风速由4.3 m·s-1增加到9.8 m·s-1,且持续到1970年,1971年恢复到平均水平;同样Mirny站年平均风速在2016—2017年出现了异常增加(从 11.3 m·s-1增大到19.1 m·s-1),2018年和2019年仍然异常高,分别为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认为这可能是由于用于测量风速的设备更换或是当地风量的变化引起。近50年来,19个气象站中年平均风速年际增减变化的站点数基本相当。位于东南极 0°~90° E沿海的4个气象站年平均风速整体呈明显的波动式上升趋势,维多利亚地2个站和南极内陆2个站呈明显的下降趋势。南极半岛年平均风速没有显著变化、显著上升和下降趋势的气象站各2个。

图4

图4   近50年来南极冰盖19个气象站年平均风速年际变化

Fig.4   Interannual variation of annual mean wind speeds at 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet in recent 50 years


1961—2017年南极冰盖年平均风速变化趋势(图4)结果显示,19个气象站年平均风速年际变化趋势范围为-0.50~0.82 m·s-1·(10a)-1。从变化幅度来看,南极半岛的Marsh站风速变化幅度最明显,年平均风速上升速率达0.82 m·s-1·(10a)-1,而同样位于南极半岛的Belgrano站变化最缓慢,其趋势值接近0[0.02 m·s-1·(10a)-1]。从区域尺度上来看,东南极冰盖0°~120° E的沿海地区6个站中5个(Casey、Davis、Mawson、Novolozarevsk和Syowa)呈增加趋势,而且均通过了0.05显著性检验。东南极其余6个站(内陆高原2个,威德尔海东岸2个,维多利亚地海岸2个)均呈下降趋势,其中5个站趋势值通过了0.05显著性检验。西南极气象站风速长期变化趋势差异也较大,趋势方向不仅正负各异,趋势值也差距较大。近50年来,Byrd站年平均风速呈显著下降趋势,-0.19 m·s-1·(10a)-1。南极半岛Marsh、Bellingshausen、Faraday这3个气象站均呈增加趋势,其中Marsh站趋势为0.82 m·s-1·(10a)-1,且显著性P<0.01,明显高于后两个气象站结果,其趋势分别为0.02 m·s-1·(10a)-1、0.20 m·s-1·(10a)-1。南极半岛另外3个站Esperanza、Marambio和Orcadas站呈下降趋势,分别为-0.34 m·s-1·(10a)-1、 -0.50 m·s-1·(10a)-1和-0.06 m·s-1·(10a)-1。尽管南极半岛地区年平均风速变化复杂,趋势有升有降,且速率差异较大,但所有站点合成分析结果表明年平均风速呈显著上升趋势 (附图1)。总之,近50年来南极半岛和东南极0°~120° E的沿海地区年平均风速总体呈增加趋势,而南极内陆及其他沿海站点年平均风速呈下降趋势。

2) 季节平均风速变化趋势

对比各个季节平均风速变化趋势(附图2~5)发现,其趋势空间特征与年平均风速相似。冬季只有1个(Belgrano)、秋季2个(Mirny和Bellings),春季3个站和夏季4个气象站平均风速变化趋势方向与年平均风速变化方向相反,其余站点均一致。而且,呈上升和下降趋势的气象站数相当,在秋季分别为9个和10个,夏季分别是11和8个,春季和冬季分别为10个和9个。此外,1961—2017年大部分气象站(14个)四个季节风速变化趋势方向相同。东南极的Belgrano、Vostok和南极半岛的Bellingshausen、Orcada站四季平均风速变化趋势方向存在差异,且除Bellingshausen站风速趋势夏秋为负,冬春为正外,其余4个气象站都只存在1个季节与其他3个季节风速趋势方向不同。四季风速变化趋势方向一致的14个气象站中有11个季节趋势值通过0.05显著性水平检验,而四季风速变化趋势方向不一致的5气象站中有4个站点至多有1个季节趋势值通过0.05显著性水平检验。

图5

图5   近50年来南半球环状模指数年际变化(灰色柱体是SAM的年平均值,蓝色实线是5年滑动平均,蓝色虚线是SAM变化线性趋势线)

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)


针对各个季节而言,19个气象站秋季平均风速变化趋势范围为-0.72~0.74 m·s-1·(10a)-1,其中南极半岛的Marsh和Marambio站变化速率最快,均大于0.70 m·s-1·(10a)-1,同位于南极半岛的Bellingshausen站变化速率最小,为0 m·s-1·(10a)-1。东南极风速上升和下降趋势的气象站各6个,其中8个站变化速率大于0.20 m·s-1·(10a)-1。位于南极内陆Byrd站和Vostok站呈缓慢下降趋势,其变化速率相当,分别为-0.12 m·s-1·(10a)-1和-0.15 m·s-1·(10a)-1。冬季,平均风速变化趋势范围为-0.46~1.04 m·s-1·(10a)-1,其中变化速率最高的是南极半岛的Marsh站[1.04 m·s-1·(10a)-1],最低的是Bellingshausen站[0.01 m·s-1·(10a)-1]。与秋季平均风速一样,东南极12个气象站中上升和下降趋势的站点各占一半。与秋季不同的是两个站点趋势方向刚好相反,Davis站秋季风速呈上升趋势,而冬季呈下降趋势,Belgrano站秋季呈下降趋势而冬季呈上升趋势。西南极Byrd站下降速率较秋季更高,趋势值为-0.29 m·s-1·(10a)-1。南极半岛气象站中冬季风速变化趋势方向与年平均风速完全一致。春季平均风速变化趋势范围为-0.39~0.87 m·s-1·(10a)-1,有8个站风速趋势通过了P=0.05的显著性,其中风速变化速率最快的仍是南极半岛的Marsh站,趋势为0.87 m·s-1·(10a)-1,最慢的为Novolazarevsk站,趋势均为0.03 m·s-1·(10a)-1。夏季,19个气象站风速变化趋势范围为-0.52~0.29 m·s-1·(10a)-1,其中趋势变化速率最高的仍为东南极的Marsh站,最低的是Amundsen-Scott和Bellingshausen站,趋势均为0.001 m·s-1·(10a)-1,同为最慢。与年平均风速相比,有4个气象站风速趋势方向不同,其中Mirny、Vostok和Belgrano站是年平均风速呈先下降趋势,而夏季风速呈下降趋势,Bellingshausen站刚好相反,年平均风速呈上升趋势,而夏季风速为下降趋势。南极半岛地区季节风速变化同样复杂,趋势方向和差异较大,但将所有站点合成分析结果表明4个季节平均风速均呈上升趋势,除春季外的其他季节风速趋势通过了95%显著性检验(附图1)。

2.2.3 近50年南极冰盖风速变化可能原因

从19个气象站年及季节平均风速与相应的气温相关分析(表2)可以看出,东南极冰盖0°~120° E沿海地区6个站中5个(Casey、Davis、Mawson、Novolozarevsk和Syowa)年平均风速与年平均气温存在显著的正相关关系,而且往往在冬春季相关性更高。南极半岛Faraday/Vernadsky和Bellingshausen站年平均风速与气温也存在显著相关关系,其相关系数分别为0.39(P<0.05)和0.42(P<0.05),同样冬季风速相关性更高。这表明冬春季升温会带来风速增加,因为陆地对升温的响应比海洋更显著,海陆热力差异增加,导致经向气压梯度增强,进而增强风速。Nicolas等19报道了该南极半岛及东南极0°~120° E沿海过去50年来的冬春季变暖趋势。位于威德尔海东岸的Halley站年和季节平均风速均与相应的气温存在显著的正相关关系,其中秋季相关系数最高,为0.71,表明该站年和季节风速显著下将趋势与该过去50年来年和季节显著变冷有关。东南极内陆2个站及维多利亚地2个站年平均风速与气温并不存在显著的相关关系。

表2   南极冰盖19个气象站年及季节平均风速与气温的相关系数

Table 2  Correlations between annual and seasonal averaged wind speeds and air temperature at the 19 weather stations

站名气温数据时间年平均秋季冬季春季夏季
Amundsen-Scott1961—2017年0.250.030.48**0.44**0.22
Belgrano1980—2017年0.110.330.000.050.33
Casey1961—2017年0.43**0.56**0.60**0.60**0.06
Davis1961—2017年0.32*0.27*0.39**0.50**0.14
Dumont-Durville1994—2017年0.190.52**0.37**0.37**-0.17
Halley1961—2017年0.53**0.71**0.58**0.59**0.37**
Mawson1961—2017年0.41**0.55**0.56**0.36**-0.13
McMurdo1961—2017年-0.180.040.18-0.05-0.12
Mirny1961—2017年0.060.220.040.220.02
Novolazarevskaya1961—2017年0.41**0.59**0.72**0.36**0.14
Syowa1961—2017年0.46**0.59**0.60**0.42**-0.03
Vostok1961—2017年-0.080.07-0.150.070.26*
Byrd1961—2017年-0.30**-0.130.040.01-0.18
Esperanza1961—2017年-0.12-0.09-0.200.080.10
Faraday/Vernadsky1961—2017年0.42**0.42**0.60**0.120.19
Marambio1970—2017年-0.27-0.31*-0.11-0.09-0.21
Marsh1969—2017年0.100.220.31*-0.11-0.41**
Orcadas1961—2017年0.010.100.060.160.30*
Bellingshausen1968—2017年0.39**0.090.50**0.31*-0.00

注:*表示通过95%显著性水平检验;**表示通过99%显著性。

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分析南极冰盖19个气象站年及季节平均风速与海平面气压的相关性(表3)表明:只有6个气象站年平均风速与年平均海平面气压存在显著的相关关系,而且相关的方向为负,即东南极冰盖沿海地区Casey、Davis、Novolozarevsk和Syowa站和南极半岛的Marsh和Bellingshausen站年平均风速与年平均海平面气压存在显著的负相关关系,在夏秋两季也存在显著的负相关,但是冬春季不存在显著相关关系。这个6个站夏秋季海平面气压近50年来呈显著下降趋势,而中纬度气压加强,致使经向气压梯度力增大,导致风速增大。

表3   南极冰盖19个气象站年及季节平均风速与海平面气压的相关性

Table 3  Correlations between annual and seasonal averaged wind speeds and mean sea level pressure at the 19 weather stations

站名海平面气压数据时间年平均秋季冬季春季夏季
Amundsen-Scott1961—2017年0.140.000.270.160.02
Belgrano1980—2017年-0.16-0.09-0.20-0.27-0.20
Casey1961—2017年-0.41**-0.28*-0.07-0.21-0.41**
Davis1961—2017年-0.54**-0.36**-0.11-0.02-0.50**
Dumont-Durville1994—2017年-0.16-0.280.26-0.400.10
Halley
Mawson1961—2017年-0.06-0.070.03-0.02-0.36**
McMurdo1961—2017年0.40**0.34*0.28-0.100.21
Mirny1961—2017年0.130.040.230.07-0.07
Novolazarevskaya1961—2017年-0.32*-0.32*0.03-0.16-0.42**
Syowa1961—2017年-0.36**-0.37**-0.01-0.45**-0.45**
Vostok1961—2017年0.090.190.00-0.07-0.05
Byrd1961—2017年-0.29-0.20-0.14-0.260.02
Esperanza1961—2017年0.33**-0.020.020.11-0.22
Faraday/Vernadsky
Marambio1972—2017年-0.02-0.06-0.15-0.160.09
Marsh1970—2017年-0.84**-0.70**-0.66**-0.65**-0.63**
Orcadas1961—2017年0.06-0.210.100.14-0.29*
Bellingshausen1968—2017年-0.31*-0.50**-0.30*-0.48**-0.21

注:*表示通过95%显著性水平检验;**表示通过99%显著性。

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南半球环状模SAM(Southern Annular Mode)是南半球热带外大气环流大尺度变率的主导模态,这一模态又被称为南极涛动AAO(Antarctic Oscillation),具有较好的纬向对称性。SAM描述了南半球大气环流场的异常状态,直接表现为气压场在南半球中高纬度地区“跷跷板”式的反向异常变化,并伴随急流位置的南北移动,和与之有关的纬向风的强度,因此这种中高纬地区存在的气压梯度会直接影响到该区域风场的变化。因此,南极近地面风速变化很大程度上受SAM控制。为了更好地刻画南半球这种大气环流的南北摆动状态,一般用SAM指数对其进行描述。SAM指数为正时,中纬度地区会产生异常高的海平面大气压,高纬度地区则会产生异常低的海平面大气压,中纬度的异常高气压会推动西风带向极地方向移动,高纬地区出现西风异常,南极绕极流流速加快;SAM为负时,情况相反。SAM作为南半球最显著的大气变化模态,可以解释南半球大部分大气变化22。自20世纪70年代中期以来,SAM持续增强向正位相转变(图5),而且在夏季最显著23

为讨论SAM对南极区域尺度风速变化的影响,将南极半岛和东南极沿海气象站风速进行了合成(附图1),计算了合成后的年平均和季节风速与SAM的相关系数(表4),西南极仅有Byrd站进行相关分析时也计算在内。从逐年数据计算的结果来,即使SAM与区域年平均风速存在显著相关性,但也是弱相关。5年滑动平均的年SAM指数与南极半岛站点合成及东南极沿海站点合成结果呈显著正相关关系,相关系数分别为0.59和0.55,与西南极风速呈负相关关系,相关系数为-0.55,而且夏季SAM指数与三个区域结果相关性更高。SAM正位相通常会引起向极移动的西风增强,进而增大风速24。Dong等25发现来自再分析资料的年平均风速和夏季平均风速异常与SAM指数高度相关。效存德26也指出最近几十年受SAM正相位影响,南极地区气压减弱,导致南大洋西风增强,这与本研究指出的东南极沿海和南极半岛平均风速上升一致。van den Broeke等27利用区域气候模式RACMO研究了南极近地表气候对SAM的响应,表明南极近地面风与SAM存在显著相关信号。Turner等28在研究南极过去50年气候变化时也发现南极大部分气象站风速增加与近几十年来SAM位相转变有关。郑菲等29也认为SAM为正时,南半球绕极西风向极地偏移,南极表面风速发生变化。

表4   年和季节SAM指数与平均风速相关系数

Table 4  Correlation coefficients between annual and seasonal SAM index and mean wind speed

时间南极半岛西南极东南极沿海
逐年数据5年滑动平均数据逐年数据5年滑动平均数据逐年数据5年滑动平均数据
秋季0.26*0.38*-0.04-0.41*-0.30*-0.11
冬季-0.060.27-0.01-0.22-0.40*-0.09
春季0.230.16-0.02-0.34-0.10*-0.30
夏季0.240.60*-0.11-0.59*0.260.71*
年平均0.31*0.59*-0.10-0.55*-0.070.55*

注:*表示通过95%显著性水平检验。

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在别林斯高晋海和阿蒙森海上空存在一个半永久性气候低压区,被称作阿蒙森低压ASL(Amundsen Sea Low),近几十年来ASL加强加深,在这两个海域上空形成了气旋式的环流异常,增强了局部经向风,给南极半岛带来了更强的偏北风。ASL的变率与SAM中表现的半球大气压波动以及来自热带太平洋和热带大西洋的远程强迫有关28。SAM已被证明可以显著调节ASL强度,当SAM处于正相位时,在南部高纬度地区观察到低于正常值的压力,风暴路径向南极大陆增强/向极地移动30-31。SAM正位相条件下,ASL往往比正常情况更强,进一步增强了局部经向风,进而导致南极半岛风速增大16。热带太平洋和热带大西洋的海表温度(SST)异常也影响ASL强度。热带太平洋西部与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)拉尼娜期相关的SST正异常已被证明会加深和扩大ASL,而厄尔尼诺条件往往会削弱ASL32。研究表明,热带北大西洋的SST正异常可以在冬季和春季加强ASL33-35。与来自SAM的强迫一样,热带强迫Rossby波作用下ASL增强时,低空的气旋性环流随之增强,其西缘北向风增强,致使南极半岛风速增强,其东缘南向风增强,无法深入西南极内陆,导致其风速下降。

2.3 主风向分析

南极冰盖19个气象站主导风向及其频率(表5)显示,大部分站点主风向较明显,其中Duhbmbmont-Durville、Mawson、Mirny、Novolazarevskaya和Byrd站主导风向频率最高,均在50%以上,其中位于东南极沿海的4个气象站主导风向均为东南风(SE),而且16方位风向中最多只有4个方位风向(包含主导风向)频率大于50%(图9),同位于东南极沿海的Halley、Syowa和McMurdo站主风向频率相对较高,分别为48.7%、48.0%和36.1%,表明该区域风向比较稳定,大部分时间盛行同一风向风。位于东南极内陆的Vostok站和Amunden-Scott站主导风向分别为西南风和东北风,频率在40%以上。南极半岛气象站主风向频率普遍偏低,除Bellingshausen和Marsh站主风向相同,为西北风之外,其他气象站主风向各异,而且绝大多数气象站主风向频率都在30%以下。总之,南极内陆高原和东南极沿海地区虽主风向不尽相同,但主风向频率基本都较高,表现出较高的方向恒常性,但是南极半岛风向恒常性较低,与Rodrigo等33的研究一致,即由于重力活动的影响,东南极大部分地区近地面风表现出非常高的方向恒常性,而南极半岛受天气活动影响较大,方向恒常性较低。

表5   南极冰盖19个气象站主导风向及其频率

Table 5  Dominant wind direction and frequency of 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet

区域气象站主导风向频率/%区域气象站主导风向频率/%
东南极Amunden-ScottNE43.9东南极VostokWSW42.4
BelgranoSSE16.7McMurdoENE36.1
CaseyE37.1西南极ByrdN51.0
DavisE30.1BellingshausenNW23.1
Dumont-DurvilleSE50.0EsperanzaW30.3
HalleyE48.7FaradayNNE18.8
MawsonSE65.4MarambioWSW25.0
MirnySE54.5MarshNW23.0
NovolazarevskayaSE63.8OrcadaNNW38.2
SyowaENE48.0

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从南极冰盖19个气象站近地面16方位风频玫瑰图(图6)可以看出,东南极沿海Belgrano、Novolazarevskaya、Dumont-Durville、Mawson和Mirny站主导风向为偏南风,Halley、Davis、Casey站主导风向为东风,表明东南极沿海地区风向稳定。König-Langlo等34将Halley站盛行东风归因于沿南极海岸的东风强迫作用,Kottmeier等35认为Halley站最大风向位于80°~90°之间主要是受天气扰动再加上当地地形的影响。Ohata等36推测Syowa附近地区盛行偏东风是由绕极东风引起的。Sato等37认为由于Syowa站位于南极大陆边缘约4 km处的一个岛屿上,盛行偏东风不能排除下降风的影响,这是因为科里奥利力的作用,Syowa站的下降风有偏东倾向。Davis、Casey和McMudo站可能也因受绕极东风影响盛行偏东风。东南极内陆Amunden-Scott盛行东北风,结合此地地形发现该站位于大约向38° E方向倾斜的坡上,在重力和地转偏向力共同作用下形成此方向风。南极半岛地形狭长,海岸曲折,各气象站盛行风向较复杂。位于霍普湾沿岸的Esperanza站由于受到山脉的阻挡作用盛行西风,Marambio站盛行风向为偏南风,其余气象站盛行偏北风。

图6

图6   南极冰盖19个地面气象站风频玫瑰图

Fig.6   Wind frequency rose of 19 weather stations of Antarctic Ice Sheet


3 结论

风能作为可再生能源,在世界能源体系清洁化转型过程中发挥着关键作用。南极储存着世界上尚未开发的最大风能资源。作为影响风能资源变化中的重要因子,近地面风的时空变化尤其是长期变化趋势研究十分必要和重要。本文利用南极冰盖近地面19个气象观测站实测风速风向资料对近地面风时空变化特征进行了分析,主要结论如下:

(1)南极冰盖19个气象站近地面风速多年平均值为7.3 m·s-1,风速季节变化明显,所有站点最小平均风速出现在夏季月份,但是不同区域站点风速最大值出现的月份差异显著。从所有站点季节平均风速来看,冬季平均风速最大,其次秋季和春季,夏季最小。

(2)1961—2017年南极冰盖近地面各季节平均风速的年际变化模式与年平均风速基本一致,不论哪个季节风速呈上升或下降趋势的站点数相当,基本都是各一半。东南极0°~120° E沿海地区风速呈显著上升趋势。南极半岛风速变化复杂,趋势有升有降,且快慢差异较大,但是从整体平均结果来看,呈明显上升趋势。这与近50年来这两个区域变暖,海平面气压显著下降及近几十年来SAM向正位相加强均有关。

(3)东南极沿海地区受下降风和绕极东风的影响,大部分地区盛行偏南风或偏东风,且频率较高,风向稳定。南极半岛地区风向复杂,盛行风向各异且主风向频率低。

附图1

附图1   1961—2017年南极半岛年和季节平均风速年际变化(蓝色实线为线性趋势性,红色虚线为5年滑动平均结果)

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)


附图2

附图2   近50年来南极冰盖19个气象站秋季平均风速年际变化

Attached Fig   2 Interannual variation of autumn mean wind speeds at 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet in recent 50 years


附图3

附图3   近50年来南极冰盖19个气象站冬季平均风速年际变化

Attached Fig   3 Interannual variation of winter mean wind speeds at 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet in recent 50 years


附图4

附图4   近50年来南极冰盖19个气象站春季平均风速年际变化

Attached Fig   4 Interannual variation of spring mean wind speeds at 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet in recent 50 years


附图5

附图5   近50年来南极冰盖19个气象站夏季平均风速年际变化

Attached Fig   5 Interannual variation of summer mean wind speeds at 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet in recent 50 years


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