孫虎林，秦聽，魏立新，汪雷，馬靜

( 1. 國家海洋環(huán)境預(yù)報中心 海洋災(zāi)害預(yù)報技術(shù)研究重點實驗室，北京 100081)

1 引言

南大洋氣旋，是指活躍在南半球中高緯度、圍繞南極大陸自西向東移動為主的溫帶氣旋，既包括中緯度西風(fēng)帶中活躍的氣旋，也包括較高緯度靠近南極大陸的繞極氣旋[1]。南大洋氣旋是南半球非常重要的天氣系統(tǒng)，在南半球大氣環(huán)流特別是極向熱輸送過程中扮演重要角色[2]。因此研究南大洋氣旋的活動特征對于認識南半球中高緯相互作用具有重要科學(xué)意義。另一方面自1984 年開始，我國已組織了35 次南極科學(xué)考察，取得了舉世矚目的科考成果，極地考察船在其中起到了關(guān)鍵性的支撐保障作用，在考察站建設(shè)運營、重要物資補給、南大洋現(xiàn)場科學(xué)考察等方面必不可少，同時也是駐站考察隊員輪換的最重要載體。但極地考察船在南大洋和極區(qū)的航行會頻繁受到南大洋氣旋的影響，氣旋帶來的大風(fēng)、低能見度等危險天氣和惡劣海況在相當(dāng)大程度上威脅著我國南極考察船的航行和科考安全，因此開展南大洋氣旋活動及其影響的研究對于提升我國極地考察保障能力具有重要的意義。

由于南大洋現(xiàn)場觀測資料十分匱乏，國內(nèi)外關(guān)于氣旋的研究多數(shù)都是對南半球氣旋的氣候態(tài)進行統(tǒng)計，從早期的基于天氣圖、衛(wèi)星云圖對氣旋進行識別跟蹤分析[3-4]發(fā)展到采用客觀的氣旋自動識別與追蹤算法對氣旋的時空特征進行統(tǒng)計[5-7]，對南大洋氣旋的頻數(shù)、路徑和強度的變化給出統(tǒng)計分析結(jié)果[1,8-9]，并對氣旋活動、強度與大氣環(huán)流變率如南極濤動（Antarctic Oscillation, AAO）、南方濤動（Southern Oscillation, SO）以及海溫、海冰等因子之間的相互關(guān)系進行了研究[2,10-13]。相對而言，國內(nèi)關(guān)于南大洋氣旋對中國南極考察航線和考察站影響的研究還相對較少。早期主要利用南半球天氣圖、衛(wèi)星云圖和考察船、考察站觀測資料對影響南極半島地區(qū)的極地氣旋移動路徑[14]、南大洋夏季的氣旋爆發(fā)性發(fā)展個例[15]、東南極普里茲灣大風(fēng)天氣與氣旋和鋒面活動的關(guān)系[16]、南大洋災(zāi)害性大風(fēng)個例及穿越西風(fēng)帶航線選擇[17]進行了探討。解思梅等[18]研究了南極中山站所處的普里茲灣地區(qū)氣旋的生消發(fā)展，指出夏季繞極氣旋進入普里茲灣內(nèi)也會發(fā)展加強，在灣內(nèi)東風(fēng)帶里也能生成氣旋。胡勝利[19]分析了極地氣旋和長城站暴風(fēng)雪天氣的關(guān)系，指出長城站95%以上的暴風(fēng)雪天氣都是由于極地氣旋引起的。耿淑琴和蔡琳[20]總結(jié)了中國第19 次南極考察期間的航線天氣及預(yù)報情況，指出南半球副熱帶高壓脊和極地高壓的南北活動對于繞極氣旋移動和發(fā)展具有重要影響。傅剛等[21]利用再分析數(shù)據(jù)和衛(wèi)星云圖資料對第21 次南極考察穿越西風(fēng)帶期間南大洋上一對氣旋的演變過程和垂直結(jié)構(gòu)進行了分析研究。國家海洋環(huán)境預(yù)報中心的極地預(yù)報和研究人員總結(jié)了多個南極考察航次的海洋氣象特點、站區(qū)天氣系統(tǒng)和氣象要素變化特征、氣旋活動情況等，匯編成《極地考察海洋氣象論文集》[22]。秦聽等[23]基于再分析數(shù)據(jù)和氣旋識別與追蹤算法對中國南極長城站、中山站和泰山站附近的氣旋活動特征如氣旋數(shù)量、空間分布、強度、加深率等進行了詳細的統(tǒng)計對比。

以往的研究對于認識南大洋氣旋及其對中國極地考察的影響發(fā)揮了重要的指導(dǎo)意義，也幫助提升了極地考察氣象預(yù)報保障能力。但以往關(guān)于南大洋氣旋對于中國極地考察航線的研究多是集中于單一航次或特定地區(qū)，而對多個航次整體情況的研究還尚未開展。針對這個問題，本文利用中國第19～34 次南極考察期間的走航氣象觀測數(shù)據(jù)、極軌衛(wèi)星云圖，結(jié)合大氣再分析數(shù)據(jù)研究了第19～34 次南極考察過程中遭遇的全部氣旋大風(fēng)過程。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計分析了氣旋大風(fēng)過程的數(shù)量、發(fā)生間隔、強度、空間分布等特征，以全面和直接了解南大洋氣旋對中國極地科考航線的影響，以期為今后南極科考計劃制定和航線選擇提供科學(xué)依據(jù)，并進一步提升南極科考航線預(yù)報保障能力。

2 資料和方法

2.1 資料

（1）“雪龍”號走航氣象觀測數(shù)據(jù)

“雪龍”號在2002 年第19 次南極出發(fā)前安裝了Vaisala MILOS500 自動氣象站，其主要傳感器均為Vaisala 公司生產(chǎn)的，包括HMP45D 溫濕度傳感器、PTB210 氣壓傳感器和WMS301 風(fēng)向風(fēng)速傳感器，各傳感器在2005 年第22 次南極出發(fā)前進行過更換。2013 年第30 次南極出發(fā)前，“雪龍”號船載自動氣象站更換為基于美國坎貝爾公司CR3000 數(shù)采器的天諾自動氣象站，其主要傳感器包括Vaisala 公司的HMP155溫濕度傳感器和PTB110 氣壓傳感器以及美國RM YOUNG 公司的05108 機械風(fēng)傳感器。Vaisala MILOS500 和天諾CR3000 船載自動氣象站各傳感器的性能指標(biāo)均符合WMO CIMO 指南VI[24]和國標(biāo)《海洋調(diào)查規(guī)范 第3 部分：海洋氣象調(diào)查》[25]中對自動氣象觀測儀器準(zhǔn)確度和性能的要求。

早期針對Vaisala MILOS500 自動氣象站，每年會攜帶足夠準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)儀器對主要傳感器進行現(xiàn)場比對，后來隨著對極地觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的進一步重視，更換為天諾CR3000 自動氣象站后每年都會對溫濕度、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速傳感器進行拆除并送到專門機構(gòu)進行標(biāo)定。航次期間還會對自動氣象站運行狀況及故障情況進行較詳細的記錄，航次結(jié)束后會對出現(xiàn)故障的傳感器進行檢修或更換，以保證觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

船載自動氣象站觀測要素包括氣壓、氣溫、露點溫度、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等，數(shù)據(jù)時間分辨率為逐10 min。除了自動氣象站走航觀測數(shù)據(jù)，隨船氣象人員會按照國標(biāo)《海洋調(diào)查規(guī)范 第3 部分：海洋氣象調(diào)查》[25]和有關(guān)規(guī)范、技術(shù)規(guī)程的要求，在每日世界時（UTC）00、06、12 和18 時中的3～4 個時次進行整點氣象觀測，記錄下整點時刻的自動氣象站溫壓風(fēng)濕數(shù)據(jù)，并進行能見度、天氣現(xiàn)象、云量云狀、涌浪等的人工觀測。本研究過程中，為保證所使用的走航氣象觀測數(shù)據(jù)的真實準(zhǔn)確，在數(shù)據(jù)處理階段也進行了較為嚴(yán)格的質(zhì)量控制，主要包括剔除超過氣候極值的異常數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)時間連續(xù)性檢查、數(shù)據(jù)時間變化性檢查及數(shù)據(jù)記錄格式錯誤更正等。

（2） “雪龍”號極軌衛(wèi)星云圖

“雪龍”號于2002 年安裝了美國SeaSpace 公司生產(chǎn)的極軌氣象衛(wèi)星遙感接收系統(tǒng)，在第19 次南極考察中開始使用，并在2011 年第28 次南極考察前進行了升級更換。利用該系統(tǒng)可以實時接收和處理美國NOAA、DMSP 極軌氣象衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)并顯示為云圖，進而識別出“雪龍”號周邊的氣旋云系，所以該極軌衛(wèi)星云圖可以用于幫助判定觀測到的大風(fēng)過程是否由于氣旋所致。但個別航次如第27 次和第33 次南極考察由于設(shè)備故障無法接收數(shù)據(jù)，使得這兩個航次缺少極軌衛(wèi)星云圖產(chǎn)品，此種情況下判定觀測到的大風(fēng)過程是否由于氣旋所致則主要依靠該航次的氣象總結(jié)報告及氣象再分析數(shù)據(jù)。

（3）ERA-Interim 再分析數(shù)據(jù)

在本研究中，還使用了歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF）的ERA-Interim 再分析數(shù)據(jù)[26]來分析氣旋系統(tǒng)的位置及其周圍的主要大風(fēng)區(qū)，以判定觀測到的大風(fēng)過程是否由于氣旋所致，其時間分辨率每日4 次，分別為世界時00、06、12 和18 時，水平分辨率為0.75°×0.75°，要素主要選取了海平面氣壓、10 m風(fēng)向、10 m 風(fēng)速和有效波高。

2.2 氣旋大風(fēng)過程判定方法

由于中國南極考察航線一般從上海（約30°N）出發(fā)，受北半球溫帶氣旋的影響較少，故本研究中主要針對南半球中高緯度（30°S 以南）氣旋對考察航線的影響來開展。氣旋大風(fēng)過程判定方法具體如下：首先利用“雪龍”號走航氣象觀測數(shù)據(jù)篩選出發(fā)生在30°S以南的南大洋和極區(qū)航線上2 min 平均風(fēng)速大于或等于14 m/s 的大風(fēng)過程，然后查找最近時刻的ERA-Interim 再分析數(shù)據(jù)和SeaSpace 極軌衛(wèi)星云圖來判斷氣旋系統(tǒng)位置及云系范圍，若考察船位于氣旋系統(tǒng)附近或云系內(nèi)，則定義該大風(fēng)過程是一次“氣旋大風(fēng)過程”，并將其中2 min 平均風(fēng)速大于或等于20 m/s 的大風(fēng)過程定義為一次“強過程”。

選用2 min 平均風(fēng)速作為判斷對象主要是考慮到相較瞬時風(fēng)速和10 min 平均風(fēng)速，2 min 平均的風(fēng)速既能反映出風(fēng)速的快速變化，也能一定程度上反映風(fēng)速的持續(xù)和平均狀況。選取風(fēng)速大于或等于14 m/s作為氣旋大風(fēng)過程的標(biāo)準(zhǔn)是由于當(dāng)風(fēng)力達到7 級或以上（≥13.9 m/s）時，會對極地考察船的航行和作業(yè)產(chǎn)生一定影響，一些對海況要求高的科考作業(yè)將無法開展；當(dāng)風(fēng)力長時間維持在9 級或以上（≥20.8 m/s）時，會對航行和作業(yè)產(chǎn)生很大影響，考察船將中止作業(yè)選擇進冰區(qū)避風(fēng)或原地低速抗風(fēng)[27]。

圖1 為給出了利用“雪龍”號走航氣象觀測數(shù)據(jù)、SeaSpace 極軌衛(wèi)星云圖、ERA-Interim 再分析數(shù)據(jù)綜合判定一次氣旋大風(fēng)過程的個例。走航氣象觀測數(shù)據(jù)（圖1a）顯示2011 年12 月24-25 日“雪龍”號經(jīng)歷了一次最大風(fēng)速達到22 m/s 左右的大風(fēng)過程，風(fēng)速自24 日18UTC 開始迅速增大，25 日12UTC 達到最大后迅速減小，氣壓呈漏斗型先迅速下降然后迅速上升，25 日06UTC 實測海平面氣壓最低接近955 hPa，25日00UTC 觀測到較強降雪，能見度低至1 km 左右。從25 日06:51UTC 的衛(wèi)星云圖（圖1b）和25 日06UTC的地面實況分析圖（圖1c）上可以看出在南大洋洋面上存在一個強氣旋，中心位于約62°S，0°，氣旋強度很強，中心最低氣壓約948 hPa，氣旋前部的鋒面云系范圍寬廣且清晰密實，表明該氣旋處于強盛階段，“雪龍”船此時正位于氣旋中心東北側(cè)的鋒面云系后部，距離氣旋中心約250 km，受西北向大風(fēng)的影響。衛(wèi)星云圖和再分析數(shù)據(jù)均可說明此次大風(fēng)過程是由于氣旋引發(fā)，且是一次強過程。

2.3 氣旋識別與追蹤算法

基于ERA-Interim 再分析數(shù)據(jù)，本文使用英國雷丁大學(xué)的Hodges 氣旋客觀自動識別算法[6]來識別與追蹤南大洋氣旋，以分析探討氣旋活動本身與考察航線氣旋大風(fēng)過程數(shù)量、發(fā)生間隔的關(guān)系。該氣旋識別與追蹤算法已被廣泛的應(yīng)用到溫帶氣旋或極地低壓的統(tǒng)計研究中[28-29]，并在南大洋氣旋氣候特征及其對中國考察站附近的影響研究方面也得到了較好的應(yīng)用[1,23]，關(guān)于該算法的主要思想和計算過程可參閱文獻[6]。

3 考察航線氣候特征

中國極地考察船在南大洋和極區(qū)考察作業(yè)主要集中于南半球夏季，第19～34 次考察的航跡如圖2所示。第19～28 次考察期間（圖2a），典型航線一般為從澳大利亞向南穿越西風(fēng)帶，赴中山站所在的普里茲灣海域進行卸貨和考察，然后繞極航行至長城站所在的南極半島海域進行考察作業(yè)，期間會穿越西風(fēng)帶在澳大利亞或南美洲南部進行補給，其后再次繞極航行回到普里茲灣，結(jié)束普里茲灣考察作業(yè)后向北穿越西風(fēng)帶離開南大洋，重點考察海域為普里茲灣海域和南極半島海域。最近幾年隨著羅斯海地區(qū)新考察站的選址建設(shè)以及對阿蒙森海綜合調(diào)查的開展，第29～34 次考察期間（圖2b），在新西蘭和羅斯海之間往返的航線次數(shù)有所增加，重點考察海域中也增加了羅斯海、阿蒙森海兩個區(qū)域。

圖 1 南極考察航線氣旋大風(fēng)過程個例Fig. 1 An example of cyclonic gale process along the Chinese National Antarctic Research Expedition route

為了了解考察航線的氣候特征，統(tǒng)計了2002/2003至2017/2018 南半球夏季（12-2 月）中高緯度的平均海平面氣壓和10 m 風(fēng)速場（圖3a），由圖可以看出，南半球中緯度30°～40°S 為副熱帶高壓控制區(qū)，氣壓場相對均勻，平均風(fēng)速很?。?0°～60°S 為等壓線密集氣壓梯度很大的盛行西風(fēng)帶，平均風(fēng)速很大，其中50°S附近的部分海域平均風(fēng)速接近12 m/s；60°～70°S 為氣壓場也相對較均勻的副極地低壓控制區(qū)，在普里茲灣兩側(cè)的南大洋上以及羅斯海至阿蒙森海地區(qū)分布著幾個低壓活動中心，平均風(fēng)速也相對較小；70°S 附近為南極大陸邊緣的極地東風(fēng)帶，氣壓梯度較大，平均風(fēng)速也較大。海平面氣壓場形勢與前人[8]研究結(jié)果分布一致。而從10 m 風(fēng)速達到6 級以上的概率分布（圖3b）來看，大風(fēng)出現(xiàn)概率的大值區(qū)主要呈帶狀分布在40°～60°S 范圍的盛行西風(fēng)帶內(nèi)，其中50°S 附近區(qū)域多數(shù)可以達到0.5，即有一半及以上的時刻風(fēng)速可以達到6 級以上，這種大風(fēng)一般是由于南大洋氣旋或其與北側(cè)副熱帶高壓配合產(chǎn)生的梯度風(fēng)引起的；南極大陸邊緣的極地東風(fēng)帶內(nèi)也存在一些容易出現(xiàn)大風(fēng)的區(qū)域，這種大風(fēng)可能是南大洋氣旋與南側(cè)極地高壓配合產(chǎn)生的偏東風(fēng)，也可能是南極冰蓋或冰架與周圍熱力差異產(chǎn)生的下降風(fēng)[22]；副極地低壓區(qū)內(nèi)大風(fēng)出現(xiàn)概率相對較小，而副熱帶高壓區(qū)內(nèi)大風(fēng)出現(xiàn)概率最少，只在澳洲、南美、非洲大陸的東側(cè)存在范圍較小的大風(fēng)多發(fā)區(qū)，這與副高與大陸熱低壓配合產(chǎn)生的梯度風(fēng)有關(guān)。

結(jié)合典型考察航線和風(fēng)壓場及大風(fēng)概率分布可知，在南半球中高緯度，中國南極考察航線的一般規(guī)律：從氣壓高、風(fēng)速小、大風(fēng)少的副熱帶高壓往南航行通過氣壓梯度大、風(fēng)速大、大風(fēng)頻發(fā)的西風(fēng)帶，進入氣壓低、風(fēng)速相對小、大風(fēng)相對少的副極地低壓區(qū)，在副極地低壓區(qū)、極地東風(fēng)帶內(nèi)進行考察作業(yè)和繞極航行。

圖 2 中國第19～28 次（a）和第29～34 次（b）南極考察航跡Fig. 2 The routes of 19th to 28th (a), 29th to 34th (b) of the Chinese National Antarctic Research Expedition

圖 3 南半球夏季中高緯度平均海平面氣壓（黑線，單位：hPa）和10 m 風(fēng)速場（填色）（a），10 m 風(fēng)速達到6 級以上概率（填色）分布（b）Fig. 3 The distribution of mean sea level pressure (black lines, unit: hPa), wind speed at 10 meter above the sea level (shaded) (a), and mean frequency above Beaufort wind scale 6 (shaded) (b) over the Southern Hemisphere extratropical regions in austral summer

圖 4 航次時長（紫線，單位：d）、氣旋大風(fēng)過程數(shù)量（藍色柱狀）、強過程數(shù)量（紅色柱狀）及強過程數(shù)量占總數(shù)百分比（黑線）Fig. 4 The time duration of voyages (purple line, units: d), the number of cyclonic gale process (blue bar), the number of strong cyclonic gale process (red bar), and percentage of strong cyclonic gale process (black line)

圖 5 氣旋大風(fēng)過程（藍色柱狀）、強過程（紅色柱狀）發(fā)生時間間隔序列Fig. 5 The occurrence interval series of cyclonic gale process(blue bar), strong cyclonic gale process (red bar)

4 氣旋大風(fēng)過程數(shù)量和強度

4.1 發(fā)生數(shù)量和時間間隔

根據(jù)前面給出的判定方法統(tǒng)計得到了中國第19～34 次南極考察期間出現(xiàn)的氣旋大風(fēng)過程及強過程數(shù)量（圖4），從結(jié)果可以看出南大洋氣旋頻繁影響中國南極考察航線，平均數(shù)量為每個航次出現(xiàn)約18.4 次，并且每個航次均有強過程出現(xiàn)，平均為4.1次，強過程所占比例平均約24%。還可以看出不同航次之間氣旋大風(fēng)過程數(shù)量及強過程比例均存在明顯的差異，第24 次和第34 次考察期間氣旋大風(fēng)過程發(fā)生最多，均高達26 次，第22 次考察期間氣旋大風(fēng)過程最少，僅有9 次，第25 次考察期間強過程最多（9 次），第31 次考察期間強過程最少（2 次）；從強過程所占百分比來看，第27 次考察期間強過程比例最高（約45%），其次為第25 次考察期間（約41%），第31 次考察期間強過程比例最低（約12%）。氣旋大風(fēng)過程數(shù)量的明顯航次差異首先與該航次在南大洋和極區(qū)（30°S 以南）的考察時長（簡稱“航次時長”）有密切關(guān)系，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)航次時長（圖4 紫色線）與氣旋大風(fēng)過程數(shù)量之間呈顯著的正相關(guān)（0.733），并通過了95%信度的顯著性檢驗，說明航次時間越長遇到的氣旋大風(fēng)過程數(shù)量越多，相比而言強過程數(shù)量與航次時長的正相關(guān)（0.426）則較弱，未通過95%信度的顯著性檢驗。此外以往的研究表明南大洋氣旋數(shù)量、強度、活動范圍均存在明顯的年際變化[1,8,11]，這種氣旋活動本身的年際變化也可以引起氣旋大風(fēng)過程數(shù)量的航次之間差異。

為了剔除不同航次在南大洋和極區(qū)（30°S 以南）考察時間長短的影響，進一步分析氣旋大風(fēng)過程發(fā)生的頻率，根據(jù)航次時長得到每個航次氣旋大風(fēng)過程及強過程發(fā)生的平均間隔時間（圖5）。由圖可以看出中國南極考察航線上氣旋大風(fēng)過程非常頻繁，發(fā)生的平均時間間隔為約6.5 d，而強過程出現(xiàn)的平均時間間隔為約30 d，也就是大約每個月出現(xiàn)一次強過程。另外不同航次之間仍存在一定的差異，第24 次考察期間氣旋大風(fēng)過程發(fā)生最為頻繁，接近每4 天就出現(xiàn)一次氣旋大風(fēng)過程，而第22 次和第27 次考察期間氣旋大風(fēng)過程發(fā)生的間隔時間最長（9.4 d）；第25 次考察期間強過程發(fā)生最為頻繁，每14 天就出現(xiàn)一次強過程，而第31 次考察期間強過程發(fā)生的間隔時間最長（58 d），接近每兩個月才出現(xiàn)一次強過程。

4.2 與南極濤動的關(guān)系

南極濤動或南半球環(huán)狀模（Southern Annular Mode, SAM）是南半球中高緯度最重要的天氣氣候變率[30]，以往的研究表明其與南大洋氣旋活動有密切關(guān)系[12-13]。由于中國南極考察主要集中于南半球夏季，計算了第19～34 次考察期間南半球夏季（當(dāng)年12 月至翌年2 月）的AAO 指數(shù)，并統(tǒng)計了其與航線氣旋大風(fēng)過程發(fā)生時間間隔的相關(guān)關(guān)系（圖6），可以看出氣旋大風(fēng)過程時間間隔與AAO 指數(shù)呈負相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為-0.40），即當(dāng)AAO 處于正位相時，考察航線上氣旋大風(fēng)時間間隔越短，也就是氣旋大風(fēng)過程發(fā)生越頻繁（如第24、28 和34 次考察期間），反之當(dāng)AAO 處于負位相時氣旋大風(fēng)過程發(fā)生越稀少（如第22 次考察期間）。但這種相關(guān)關(guān)系不顯著，沒有通過95%信度的顯著性檢驗，其原因是夏季AAO 指數(shù)與南大洋氣旋活動密度正相關(guān)明顯的區(qū)域主要集中在55°S 以南的高緯度[1]。為此我們進一步計算了考察航線上發(fā)生在55°S 以南的氣旋大風(fēng)過程時間間隔（圖6 紅線）及其與AAO 指數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者相關(guān)關(guān)系達-0.58，并通過95%信度的顯著性檢驗，說明AAO 與航線上氣旋大風(fēng)過程發(fā)生間隔的負相關(guān)關(guān)系在55°S 以南更為突出。

圖 6 南半球夏季南極濤動指數(shù)（柱狀，正：紫色，負：綠色）與氣旋大風(fēng)過程發(fā)生時間間隔（實線，單位：d）序列Fig. 6 The series of Antarctic Oscillation index (positive:purple bar, negative: green bar) in austral summer and the occurrence interval of cyclonic gale process (solid lines, unit: d)

圖 7 南半球夏季海平面氣壓（黑線，單位：hPa）、10 m 風(fēng)速（填色）差值場（a）和氣旋活動密度（填色）差值場（b）（2005/2006 減2007/2008）Fig. 7 The difference fields (2005/2006 minus 2007/2008) of sea level pressure (black lines, unit: hPa), wind speed at 10 meter above the sea level (shaded) (a), and cyclone density (shaded) (b) of Southern Hemisphere in summer

為進一步揭示AAO 位相對航線氣旋大風(fēng)活動頻率的影響，選取2005/2006 年和2007/2008 年兩個典型夏季進行對比分析，前者處于典型的AAO 負位相（-0.613），后者處于典型的AAO 正位相（1.428），分析了兩個夏季近地面風(fēng)壓差值場和氣旋活動密度差值場（均為2005/2006 減2007/2008，圖7）?？梢钥闯鱿啾?007/2008 夏季，2005/2006 夏季南半球60°S 以南的高緯度地區(qū)海平面氣壓（簡稱“氣壓”）均為正值，即氣壓偏高，普里茲灣北部、羅斯海等地區(qū)偏高可達10 hPa，西半球60°S 以北的中緯度地區(qū)氣壓也普遍偏高，東半球中緯度地區(qū)為氣壓偏低區(qū)，印度洋至太平洋一帶偏低可達-6 hPa。說明在AAO 負位相，副熱帶高壓減弱、副極地低壓北部增強南部減弱、極地高壓增強；同時在近地面風(fēng)場上可以看出在AAO 負位相，中緯度盛行西風(fēng)帶北部增強南部減弱、極地東風(fēng)帶增強。而從氣旋活動密度差值場（圖7b）可以看出，在AAO 負位相，55°S 以南的高緯繞極地區(qū)氣旋活動均偏少，偏少最明顯區(qū)域位于東半球印度洋至太平洋一帶，55°S 以北中緯度地區(qū)的氣旋活動偏多，最明顯區(qū)域位于大西洋至太平洋一帶，說明在AAO 負位相南大洋氣旋活動整體偏少且主要活動區(qū)域向北偏移。氣旋活動的減少和向北偏移、副熱帶高壓減弱、副極地低壓北部增強南部減弱、極地高壓增強、中緯度盛行西風(fēng)帶北部增強南部減弱等綜合作用使得第22 次考察期間（2005/2006 夏季）氣旋大風(fēng)過程偏少且發(fā)生時間間隔較長（9.4 d），其中55°S 以南遇到的氣旋大風(fēng)過程變化尤為明顯，發(fā)生間隔長達16 d。綜上可見，AAO 通過調(diào)整中高緯度風(fēng)壓帶強弱，并影響氣旋活動數(shù)量和活動區(qū)域，進而影響考察航線上氣旋大風(fēng)過程發(fā)生數(shù)量和頻率。

圖 8 氣旋大風(fēng)過程強度序列（a）和百分比分布（b）Fig. 8 The series (a) and probability (b) distribution of cyclonic gale process intensity

4.3 強度

以每次氣旋大風(fēng)過程中的最大風(fēng)速（簡稱“過程風(fēng)速”）來代表氣旋大風(fēng)過程的強度，統(tǒng)計了第19～34 次南極考察期間每個航次的最大過程風(fēng)速和平均過程風(fēng)速（圖8a），這14 個航次最大過程風(fēng)速的平均值為24.8 m/s（風(fēng)力10 級），過程風(fēng)速的平均值為17.4 m/s（風(fēng)力8 級）。最大過程風(fēng)速的航次差異較為明顯，方差達到12.8 m2/s2，最大值出現(xiàn)在第25 次考察期間（33 m/s，風(fēng)力12 級），最小值出現(xiàn)在第22 次和31 次考察期間（20 m/s，風(fēng)力8 級）；平均過程風(fēng)速的航次差異相對較小，方差只有1.1 m2/s2，最大值也是出現(xiàn)在第25 次考察期間（20.1 m/s），最小值出現(xiàn)在第31 次考察期間（16.1 m/s），這主要是由于強過程所占比例在第25 次考察期間最高而在第31 次考察期間最低所致。此外還統(tǒng)計了所有的258 個過程風(fēng)速的概率分布（圖8b），可以看出有62.8%（162 次）的氣旋影響過程中最大風(fēng)力在7 級左右，約有20%（52 次）的過程最大風(fēng)力在8 級風(fēng)左右，約有6%（16 次）的過程中最大風(fēng)力在10 級及以上，其中有4 次過程中最大風(fēng)力達到11 級及以上，2 次過程最大風(fēng)力達到12 級。

5 氣旋大風(fēng)過程空間分布

5.1 空間分布

統(tǒng)計了第19～34 次南極考察期間每次氣旋大風(fēng)過程中最大風(fēng)速出現(xiàn)時的船位，得到氣旋大風(fēng)過程的空間分布（圖9），可以看出氣旋大風(fēng)過程可以發(fā)生在中國南極考察航線中高緯度航區(qū)的任意位置，從穿越西風(fēng)帶到繞極航行，再到站區(qū)卸貨和大洋科考，期間都會受到氣旋大風(fēng)過程的影響。氣旋大風(fēng)過程最北可以出現(xiàn)在西風(fēng)帶邊緣的30°S 附近，最南可以發(fā)生在羅斯海底部的78°S 附近，這也從側(cè)面說明南半球中高緯度氣旋影響的范圍非常廣，印證了中外學(xué)者對南大洋氣旋活動范圍的統(tǒng)計結(jié)果[1,8]。此外還可以直觀的看出中山站附近的普里茲灣科考海域和長城站附近的南極半島科考海域氣旋大風(fēng)過程分布都很密集，其中強過程發(fā)生也較多，從側(cè)面反映出兩個考察站頻繁受到氣旋的影響，與秦聽等[23]利用氣旋追蹤算法對中山站和長城站附近區(qū)域氣旋活動數(shù)量的研究結(jié)果相一致，頻繁活動的氣旋及其產(chǎn)生的大風(fēng)會對考察船站區(qū)卸貨、科考作業(yè)帶著安全威脅，給站區(qū)氣象預(yù)報及作業(yè)窗口保障增大了難度。

進一步按照氣旋大風(fēng)過程出現(xiàn)位置統(tǒng)計了發(fā)生數(shù)量及時間間隔的緯度分布（圖10），可以看出氣旋大風(fēng)過程發(fā)生在60°～70°S 范圍內(nèi)的數(shù)量要遠遠多于其他緯度范圍，這主要是由于中國的長城站（緯度62.22°S）和中山站（緯度69.37°S）均位于60°～70°S 范圍內(nèi)，“雪龍”號在站區(qū)附近卸貨和考察的時間要遠大于其他海域。為此我們剔除了在每個緯度帶內(nèi)的考察時長因素，得到在每個緯度帶內(nèi)氣旋大風(fēng)過程發(fā)生時間間隔的序列（黑色點線），可以看出它表現(xiàn)為從南半球中緯度向南至極區(qū)先減小后增大，發(fā)生在50°～55°S 范圍內(nèi)的時間間隔最小，平均每隔約2.5 d 就出現(xiàn)一次氣旋大風(fēng)過程，其次為45°～50°S 和55°～60°S兩個緯度帶，平均每隔約3 d 出現(xiàn)一次氣旋大風(fēng)過程。這說明氣旋大風(fēng)過程在45°～60°S 范圍內(nèi)出現(xiàn)頻率最為頻繁，該緯度帶恰好是南半球夏季氣壓梯度大、風(fēng)速大、大風(fēng)頻發(fā)的盛行西風(fēng)帶（圖3），說明氣旋大風(fēng)過程在西風(fēng)帶內(nèi)最易出現(xiàn)。另外一方面，南大洋氣旋活動密度高值區(qū)主要呈帶狀分布于55°～67°S范圍內(nèi)[1]，說明氣旋大風(fēng)過程在氣旋中心及其北側(cè)與副熱帶高壓配合產(chǎn)生的強梯度風(fēng)區(qū)內(nèi)出現(xiàn)最多。此外還可以看出在70°～75°S 范圍內(nèi)氣旋大風(fēng)發(fā)生時間間隔要比65°～70°S 小，即考察船在此緯度范圍內(nèi)比后者更易遇到氣旋大風(fēng)過程，這與從中緯度50°～55°S向南至極區(qū)發(fā)生時間間隔逐步增大的趨勢不一致，這主要是由于考察船在70°～75°S 范圍內(nèi)科考作業(yè)的海域主要位于羅斯海北部至阿蒙森海南部，而在65°～70°S 范圍內(nèi)科考作業(yè)的海域主要位于普里茲灣南部，繞極氣旋一般從普里茲灣口北面自西向東移走而不進入灣內(nèi)[18]，少數(shù)進入普里茲灣的氣旋也會迅速減弱消失[4]。

圖 9 氣旋大風(fēng)過程空間分布Fig. 9 The spatial distribution of cyclonic gale process

圖 10 氣旋大風(fēng)過程緯度分布Fig. 10 The latitudinal distribution of cyclonic gale process

5.2 重點科考海域氣旋大風(fēng)過程對比

中山站所在的普里茲灣海域和長城站所在的南極半島海域一直是中國南極考察的重點科考海域，近幾年隨著羅斯海地區(qū)新考察站的選址建設(shè)以及對阿蒙森海綜合調(diào)查的開展，羅斯海和阿蒙森海也已成為南極考察重點科考海域。為了研究南大洋氣旋對各個重點考察海域的影響，對這4 個海域的范圍進行了劃分（圖9，表1），并統(tǒng)計了第19～34 次南極考察期間在每個海域總的科考和航行時間?？梢娖绽锲潪晨疾熳鳂I(yè)時間（693 d）遠遠長于其他3 個海域，阿蒙森?？疾熳鳂I(yè)剛剛起步（31 d），下面將探討這4 個重點海域考察期間受氣旋大風(fēng)過程影響情況。

表 1 南極周邊重點科考海域的劃分Table 1 The division of key expedition areas around Antarctica

圖 11 重點科考海域氣旋大風(fēng)過程數(shù)量（a）和發(fā)生時間間隔（b）Fig. 11 The number (a) and occurrence interval (b) of cyclonic gale process occurred over the key expedition areas

由于考察船在普里茲灣、羅斯海、阿蒙森海的南極近岸考察作業(yè)時，還會受到來自南極大陸的下降風(fēng)的影響而出現(xiàn)大風(fēng)過程?；谄绽锲潪持猩秸竞土_斯海特拉諾瓦灣地區(qū)下降風(fēng)一般出現(xiàn)在晴朗少云的夜間且具有天氣越晴朗下降風(fēng)越強的特點[31-32]，本研究利用大風(fēng)對應(yīng)正點時刻人工觀測到的能見度、云量和天氣現(xiàn)象，剔除了能見度很好、云量很少的單純由下降風(fēng)引發(fā)的大風(fēng)過程。

從各重點科考海域氣旋大風(fēng)過程和強過程數(shù)量來看（圖11a），普里茲灣海域科考期間氣旋大風(fēng)過程次數(shù)（79 次）和強過程次數(shù)（19 次）均最多且遠多于另外3 個海域，其次為南極半島海域、羅斯海，最少的為阿蒙森海，這與在各海域考察作業(yè)的時間長短順序是一致的。從強過程所占百分比來看，南極半島海域強過程所占比例最高（32%），大約每3 次氣旋大風(fēng)過程中就有一次強過程，其次為阿蒙森海、普里茲灣，強過程所占比例在1/4 左右，最少為羅斯海（18%），約每6 次氣旋大風(fēng)過程中才有一次強過程。而從各海域氣旋大風(fēng)過程和強過程發(fā)生時間間隔來看（圖11b），阿蒙森?？疾炱陂g每隔4.4 d 就有一次氣旋大風(fēng)過程，每隔15 d 左右就有一次強過程，均為各科考海域間隔最短，說明阿蒙森海受氣旋影響較另外3 個海域更為頻繁，其原因是阿蒙森海至別林斯高晉海一帶存在一個強大的南半球永久性大氣活動中心—阿蒙森低壓[8,33]，其中心在整個夏季的平均強度約983 hPa（圖3a），它的存在在天氣尺度上給阿蒙森海地區(qū)帶來了頻繁的氣旋活動[34]。其次為南極半島海域，氣旋大風(fēng)過程和強過程的發(fā)生間隔分別為5.5 d 和17 d，均比普里茲灣海域間隔時間短，這與秦聽等[23]利用氣旋識別追蹤方法統(tǒng)計得到的“長城站附近受氣旋影響較中山站附近更頻繁，氣旋強度也偏強”的結(jié)論相一致，原因如前所述—繞極氣旋一般從普里茲灣口北面自西向東移走而不進入灣內(nèi)，而南極半島海域由于緯度相對較低而位于風(fēng)暴路徑上，從而氣旋活動頻繁。羅斯海位置最為偏南，主要受極地東風(fēng)帶控制，只有部分移動路徑較為偏南的氣旋能影響到此海域的科考作業(yè)，所以氣旋大風(fēng)過程發(fā)生間隔、特別是強過程發(fā)生間隔（53 d）均為最長。而從南半球夏季的大風(fēng)出現(xiàn)概率上（圖3b）也可以看出，普里茲灣和羅斯?？瓶紖^(qū)域，尤其是考察作業(yè)比較集中的普里茲灣海域南部（65°～70°S）及羅斯海區(qū)域南部（75°～80°S），6 級大風(fēng)出現(xiàn)概率（＜0.1）較阿蒙森海和南極半島海域（0.15～0.2）明顯偏小，說明從氣候態(tài)上前兩個海域的大風(fēng)發(fā)生時間間隔就要比后兩個偏大，大風(fēng)過程出現(xiàn)頻率更低，考察船實際遇到的氣旋大風(fēng)情況（圖11b）印證了這個氣候統(tǒng)計結(jié)果。

6 結(jié)論

綜合使用“雪龍”號走航氣象觀測數(shù)據(jù)、SeaSpace極軌衛(wèi)星云圖、ERA-Interim 再分析數(shù)據(jù)，研究了中國第19～34 次南極考察航線上受南大洋氣旋導(dǎo)致的氣旋大風(fēng)過程和強過程，分析了氣旋大風(fēng)過程的數(shù)量、發(fā)生時間間隔、強度和空間分布等特征，探討了發(fā)生間隔與南極濤動的關(guān)系，主要結(jié)論如下：

（1）南大洋氣旋頻繁影響中國南極考察航線，氣旋大風(fēng)過程數(shù)量與航次時長呈顯著正相關(guān)，平均每個航次出現(xiàn)約18 次氣旋大風(fēng)過程和4 次強過程，平均每隔約6.5 d（30 d）就會出現(xiàn)一次氣旋大風(fēng)過程（強過程）。氣旋大風(fēng)過程的數(shù)量、發(fā)生時間間隔都存在較為明顯航次差異，氣旋最頻繁航次每隔4 d（14 d）左右就會出現(xiàn)一次氣旋大風(fēng)過程（強過程），這種頻繁的氣旋大風(fēng)過程將會給科考作業(yè)安排增加難度和不確定性，也對考察航線氣象預(yù)報保障工作提出了更高要求。

（2）氣旋大風(fēng)過程時間間隔與南半球夏季AAO指數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系，且這種負相關(guān)在55°S 以南的氣旋大風(fēng)過程上更為顯著。AAO 通過調(diào)整中高緯度風(fēng)壓帶強弱，并影響氣旋活動數(shù)量和活動區(qū)域，進而影響考察航線上氣旋大風(fēng)過程發(fā)生數(shù)量和頻率。AAO負位相時，南半球副熱帶高壓減弱、副極地低壓北部增強南部減弱、極地高壓增強、中緯度盛行西風(fēng)帶北部增強南部減弱，同時南大洋氣旋活動偏少且活動區(qū)域向北偏移，造成考察航線上氣旋大風(fēng)過程偏少且發(fā)生時間間隔較長，反之AAO 正位相時氣旋大風(fēng)過程偏多、發(fā)生時間間隔較短。

（3）南大洋氣旋對南極考察航線的影響強度猛烈，氣旋大風(fēng)過程最大風(fēng)力的平均值為8 級且航次差異很小，航次最大值的平均可達10 級但航次差異較大，個別氣旋大風(fēng)過程最大風(fēng)力可以達到12 級；20%左右的過程最大風(fēng)力在8 級左右，并有約6%的過程可達10 級或以上。猛烈的氣旋大風(fēng)過程會給科考作業(yè)人員、設(shè)備的安全帶來較大威脅，也給預(yù)報保障工作帶來了很大挑戰(zhàn)。

（4）南大洋氣旋影響范圍非常廣，氣旋大風(fēng)過程可以發(fā)生在中國南極航線上南大洋和極區(qū)內(nèi)的任意航段，由于考察時長的因素在中山站和長城站附近海域出現(xiàn)最多。從發(fā)生時間間隔來看，氣旋大風(fēng)過程在45°～60°S 范圍內(nèi)的盛行西風(fēng)帶內(nèi)出現(xiàn)頻率最高，最容易發(fā)生在氣旋中心及其北側(cè)與副熱帶高壓配合產(chǎn)生的強梯度風(fēng)區(qū)。

（5）由于阿蒙森低壓的存在使得阿蒙森?？疾旌Ｓ蜉^其他重點考察海域氣旋大風(fēng)過程頻繁，大風(fēng)過程和強過程發(fā)生時間間隔在4 個重點考察海域中均為最短；南極半島海域由于緯度相對較低位于盛行西風(fēng)和副極地低壓帶內(nèi)，氣旋大風(fēng)過程頻繁程度僅次于阿蒙森海。普里茲灣和羅斯海兩個考察海域由于緯度較高主要受極地東風(fēng)帶控制，氣旋大風(fēng)過程頻率明顯低于另外兩個海域，大風(fēng)過程和強過程時間間隔均較另外兩個明顯偏長，位置偏南的羅斯海受到氣旋大風(fēng)過程的影響較少。

通過本文的分析可以對中國南極考察航線上的氣旋大風(fēng)過程有了基本了解，這為今后南極考察制定科考作業(yè)計劃和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供一定的科學(xué)參考，同時為今后的南極考察氣象預(yù)報保障提供一定的指導(dǎo)。隨著南極科學(xué)考察的繼續(xù)開展，我們也將進一步開展氣旋大風(fēng)過程方面的研究工作，提升極地考察氣象精細化預(yù)報水平。