中國首次環南極科學考察海洋氣象環境分析

于海鵬

(1.南京大學大氣科學學院，江蘇南京210093；2.國家海洋環境預報中心，北京100081)

1 引言

中國第30 次南極科學考察是首次環南極一周的科考活動。除了按計劃完成兩個南極常年考察站的貨物運輸，對南極普里茲灣和威德爾海重點海域開展海洋調查，還對遇到的突發事件開展應急救援和搜尋工作。航行過程中遇到的主要天氣系統有西風帶氣旋、冰蓋下降風、中尺度氣旋及熱帶低壓。本文選擇了首次環南極科考航線中有代表性的強天氣過程進行分析介紹，以期對今后南極考察航線預報有所幫助。

本文按照環南極航線圖（見圖1）所示從A-B-C-D-E-A-F 的6 個航段的天氣過程分別進行分析介紹。

2 資料和分析方法

本文所用的主要資料包括：船載Seaspace 系統接收的NOAA 衛星云圖，船載FAX-30 氣象傳真機接收到的傳真圖，船載自動氣象站（天諾基業CMAPBELL）實時觀測的空氣溫度、露點溫度、相對濕度、能見度、氣壓和風向風速等氣象要素，以及正點人工氣象和海冰觀測所獲得的各種數據。

本文主要使用天氣學方法對各航段和重點區域的典型天氣過程進行分析。考慮到南極地區地面觀測記錄的稀少，更多地利用衛星云圖結合天氣實況圖進行綜合分析。衛星云圖對天氣系統有直觀的反映，特別是對中小尺度天氣系統有較好的監測效果。在本文分析中以船載Seaspace系統接收到的NOAA衛星云圖為主，輔以地面氣壓場分析和走航觀測數據分析。

3 環南極航行及馬航搜尋期間的典型天氣過程分析

3.1 中國南極中山站附近海域（A點）

本次科學考察“雪龍”船在中國南極中山站附近遇到兩次較為典型的天氣過程。

圖1 中國首次環南極科學考察航線圖

第一次過程是在“雪龍”船初次抵達中山站的卸貨過程中。2013年12月2—3日，中心氣壓為956 hPa 的西風帶氣旋逐漸南壓并影響到中山站附近區域。根據南半球500 hPa 分析圖（圖略），2013年11月30日12UTC（下文未標明UTC 的均為北京時間），30°E處有一弱槽發展。12月1日12UTC，此槽已移動至50°E，并發展加深形成閉合低渦中心，該低渦中心位于60°S附近。此時，中山站東側80°E附近有一個高壓脊正在發展并南伸至60°S。12月2日高空槽在不斷加深的同時受東側高壓脊的阻擋，低渦中心東移受阻轉向偏南移動，逐漸靠近普里茲灣。12月3日00UTC，低渦中心已向南移動至65°S。此時，中山站以東的高壓脊也南伸至70°S。

從地面分析圖（圖略）上看，2013年11月30日00UTC，30°—40°E之間存在兩個弱西風帶氣旋，中心氣壓分別為973 hPa 和983 hPa，呈東西向排列。12月1日00UTC，東側氣旋原地少動，西側氣旋向東北方向移動，并移至東側氣旋的北部；兩氣旋強度和30日相比沒有大的變化。12月2日00UTC，兩氣旋合并，強度驟增至956 hPa，中心位于60°S，65°E附近；12UTC左右鋒面開始影響到中山站附近。12月3日00UTC，在中山站東側高壓脊的阻擋下，氣旋中心南壓到67°S附近。

從云圖上看，起風時間和氣旋云帶開始覆蓋船舶所在位置時間基本一致（見圖2）。此次過程雪龍號測得最低氣壓965 hPa，最大風速22 m/s，風向以東ˉ東北為主。

第二次過程是雪龍船再次來到中山站在普里茲灣進行大洋調查時。

2014年3月2日凌晨，“雪龍”號受到一個中尺度氣旋影響。根據經驗，中尺度低壓和淺薄的小尺度低壓經常在普里茲灣發展,與明顯的大尺度系統的強迫無關。盡管這種低壓尺度小(直徑約100 km),但經常會造成地面15—20 m/s的風速和低云[1]。此次過程最大風力8級，由于此中尺度氣旋在天氣分析圖上不明顯，給預報帶來了困難，但其在衛星云圖上結構比較清晰（見圖3）。

3.2 “雪龍”號營救俄羅斯科考船區域（B點）

2013年12月25日，當“雪龍”號行進至63°S,128°E時收到俄羅斯科考船“紹卡利斯基院士”號的遇險求救信號，遇險位置66.68°S，144.43°E。接報后，“雪龍”號緊急趕赴俄船受困海域，開始了舉世矚目的救援行動。2014年1月2日雪龍號成功營救起了俄羅斯船被困人員，但被堆積的厚重浮冰包圍，使自身陷入困境。

由于南極沿岸附近海域主要受繞極低壓槽的控制，低壓槽以南的南極大陸邊緣多為偏東風，加之南極特有的下降風效應造成低層偏東的氣流，合成風的方向常常恒定不變[2]。因此，氣旋南部持續的東向風使海冰堆積得越來越緊，“雪龍”船被移動的浮冰擠壓著漂向更密集的浮冰區，難以轉向和破冰前行（見圖4）。

在南極沿岸，一般當高壓南部出現偏西風，易使海冰松動。偏西風成為“雪龍”船脫困的良好機會。此時預報的關鍵是偏西風出現的時間和強度。

圖2 2013年12月2日09：57UTC中山站附近的可見光云圖（紅十字為“雪龍”船位）

圖3 2014年3月02日01：32UTC可見光云圖（此時“雪龍”船實測風力為8級，白十字為“雪龍”船位）

圖4 2014年1月2日04：15UTC的可見光云圖（白十字是“雪龍”船位；藍三角為被困俄船位置；黃色區域為密集浮冰）

圖5 2014年1月7日00UTC地面氣壓實況圖（紅十字為“雪龍”船位）

隨船氣象組和國家海洋環境預報中心后方保障團隊綜合各類預報方法和資料信息會商后認為，2014年1月6—7日有一次高壓脊南伸的過程，這樣的天氣形勢有利于風向的轉變。1月6日，澳大利亞南部洋面的副高南伸，其南緣達到了“雪龍”被困海域（見圖5）。當日，被困海域東南風逐漸減小，13UTC時風速降到幾乎為零。靜風后，風向開始轉變。6日16:00UTC時，風向轉為西-西北，風力逐漸增大到4級左右(見圖6)。此時，浮冰在西風的影響下開始出現松動。到7日下午“雪龍”號在船載SEASPACE系統接收的衛星冰圖的導航下，先向南破冰，后向北航行至開闊水域，成功突破了海冰圍困，繼續航行在原來計劃的科考航線上（見圖7）。

“雪龍”脫困的經歷再次說明：南極大陸沿岸附近吹偏東風時，浮冰狀況一般較為穩定；風向轉變后，特別是轉為西向風后，浮冰狀況會發生較大變化。科考船在浮冰區作業時，要特別注意風向的變化對浮冰冰情的影響。

圖6 被困海域2014年1月6日風向和風速隨時間的變化

圖7 2014年1月7日05：02UTC可見光云圖（紅十字為雪龍船位；紅色箭頭為根據衛星資料為“雪龍”船做的脫困導航）

3.3 羅斯海維多利亞地新建科考站附近（C點）

羅斯海擬建新站在75°S 附近，臨近特拉諾瓦灣。這一海域主要的大風過程是下降風。夏季，繞極氣旋一般影響不到這里。但是，此處云量少、日照強，加上特殊的地理環境特征造成這一地區的下降風風力比中山站強且持續時間長。J.C.King 和J.Turner 指出：羅斯海西岸的特拉諾瓦灣是南極下降風特別盛行的區域之一；同時，特拉諾瓦灣的地形坡度并不比南極其它沿岸地區大，而那里的下降風卻很強烈。強下降風的有限延伸距離表明，強風系統被局地地形的某些特殊性所控制而不單純是陡坡因素[2]。有研究表明，下降風一般在當地時間的后半夜增強，一直到第二天下午才減弱。特別在羅斯冰架上有螺旋狀云系生成時，在下降風和梯度風的同時作用下，使得下降風進一步增強和持續時間延長[3]（圖略）。此外，2005年該站點以北約25 km 的意大利祖凱利站曾觀測到一次持續時間長達40 h 的下降風事件，其中25 m/s 以上風速持續近30 h[4]。由此可見，該區域存在少見的強烈的下降風現象。根據現場觀測，此處的下降風還有一個特點是局地性特別強。離羅斯海新站址越近，下降風越強。當新站址附近有6—7級下降風時，3—4 n mile之外的風力可降到5級以下。

3.4 中國南極長城站（D點）

南半球夏季,影響長城站地區的氣旋主要是西北路徑的氣旋,其次是西路氣旋。當氣旋從長城站地區北側經過時與南極大陸北伸的冷高壓脊共同作用,使長城站產生東-東南向大風并伴有降雪[5]。2014年1月26—27日，雪龍抵達長城站卸貨期間，就遇到一次西路氣旋造成的大風過程（見圖8）。

長城站附近和中山站遇到的西風帶氣旋類似，起風時間一般是云圖上氣旋云帶開始覆蓋船位的時刻；過程最大風力時段一般對應云圖上云層發展最旺盛階段。

3.5 俄羅斯青年站附近海域（E點）

“雪龍”船環南極航行再次駛往中山站途中的2014年2月21—23日，在俄羅斯青年站附近海域遇到本航次最強氣旋過程。該氣旋中心氣壓950 hPa，雪龍船測得最大風力11級（見圖9）。

圖8 2014年1月27日03：41UTC紅外云圖（此時“雪龍”船實測風力為9—10級，紅十字為“雪龍”船位）

圖9 2014年2月21日05：03UTC可見光云圖（此時“雪龍”船實測風力為10級，白十字為“雪龍”船位）

圖10 2014年3月27日00UTC地面氣壓分析圖（紅十字為“雪龍”船位）

圖11 2014年3月28日00UTC地面氣壓分析圖（紅十字為“雪龍”船位）

此次氣旋大風過程是在60°—80°E之間南伸的副高阻擋下，西風帶氣旋南壓造成的。對于南極周邊海域的大風預報，特別應當注意當副高南伸形成高壓壩時，對氣旋的路徑的改變和因阻擋使之增強的作用。

3.6 搜尋馬航MH370失聯航班海域（F點）

2014年3月20日，返航途中正在澳大利亞佛里曼特爾港外等待靠港補給的“雪龍”號接到了返回南印度洋搜尋馬航MH370失聯客機的緊急任務。

搜尋期間，3月27日30°S，75°E 處有一個南伸的熱帶低壓槽，其中心氣壓為1002 hPa，熱帶低壓槽東南方55°S，85°E 處有一中心氣壓995 hPa 的西風帶弱氣旋（見圖10）。28日熱帶低壓槽并入西風帶氣旋，并使其中心氣壓增強至987 hPa（見圖11）。在此過程中，雪龍號在搜尋海域遇到東北風轉西南風7—8 級，并伴有降雨和低能見度天氣，給空海一體搜尋帶來很大困難。

4 小結

中國第30 次南極考察是首次實施“環南極航行”航線，雖然遇到了極地救援和失聯客機搜尋等突發事件，還是圓滿完成了預報保障任務。不僅鍛煉了預報員的應急預報能力；也為今后南極科考保障積累了經驗。

（1）影響環南極航線的主要天氣系統為繞極氣旋，特別是不能忽視中小尺度的氣旋；

（2）繞極氣旋的大風常開始于其云帶區域的前緣，因此衛星云圖在繞極氣旋預報中的重要性應該得到重視；

（3）在極區航行時，應密切注意風向的轉變對浮冰的影響。在前期浮冰較松散的情況下一次強氣旋所產生的東向風可使浮冰擠壓、密實；而氣旋過后高壓控制時產生的西向風又可使浮冰松動、開裂；

（4）羅斯海新建站由于特殊的地形造成下降風強度強且持續時間長，還經常和羅斯海的低壓系統相配合使之增強；

（5）應注意衛星云圖上中尺度氣旋螺旋狀云系的發展，因為其在地面氣壓分析圖上經常得不到反映；

（6）在南緯40 度附近，熱帶的低壓系統可與高緯的西風帶氣旋合并，并使西風帶氣旋強度增強。

[1]卞林根,張雅斌.南極天氣預報業務的進展[J].極地研究,2000,12(3):219-232.

[2]King J C,Turner J.南極天氣和氣候[M].張占海,譯.北京:海洋出版社,2007:237-243.

[3]李凱.第25次南極科考中山站越冬海洋氣象考察總結[J].海洋預報,2011,28(5):82-88.

[4]趙杰臣,張林,田忠翔,等.南極羅斯海2012年夏季海冰特征分析[J].極地研究,2014,26(3):342-351.

[5]張文義.第四次南極考察長城站越冬隊極地海洋氣象考察報告[J].海洋預報,1993,10(2):24-32.