南極中山站風的長期變化特征及其可能原因

武維剛 張文千 武麥鳳 馬靖凱 凌新鋒

(1華山氣象站, 陜西 華陰 714200;2中國氣象科學研究院, 北京 100081;3渭南市氣象局, 陜西 渭南 714000;4國家海洋環境預報中心, 北京 100081;5壽縣氣象局, 安徽 壽縣 232200)

0 引言

南極的氣候變化在全球氣候變化中起著重要作用。在全球變暖背景下, 很多研究都集中在分析和模擬南極地區溫度的變化趨勢。由于觀測資料缺乏, 對其他氣象要素的氣候變化研究較少。風是研究大氣動力學和氣候變化的一個重要參量,地面風也是氣候學中最重要的研究對象之一。南極中山站是中國在南極地區建立的第二個常年科考站, 1989年2月建成于東南極拉斯曼丘陵、普里茲灣東南沿岸。胡勝利[1]指出中山站天氣惡劣,具有大風多、風速大和大風時間長的特點, 并受到多種天氣形勢影響。大風天氣同時會造成吹雪和雪暴天氣[2]。大風及其引發的次生災害會對南極地區的科考站建筑造成破壞, 危及科研人員的人身安全, 影響航空飛行器的起降, 不利于船只航行。

前人研究[3-6]指出中山站常年盛行東風及偏東風; 平均風速約為7 m·s-1, 具有冬強夏弱的年變化特征, 且風速日變化在夏季明顯, 冬季不明顯; 年平均大風日數為159 d。在全球變暖背景下,盡管中山站1989—2008年氣溫無明顯變化, 但風速呈減小趨勢[4,6]。Turner等[7]對南極地區19個氣象站50年的溫度、氣壓和風速資料進行分析,指出大部分考察站風速變化與南半球環狀模(Southern Hemisphere Annular Mode, SAM)的變化一致, 當SAM指數為正位相時, 環南極西風增強,使各站觀測到的風速增加[8]。但受到地理位置與局地天氣系統影響, 相距不遠的考察站之間風速仍存在不同變化。例如, 1958—2000年, 戴維斯站風速呈增加趨勢, 但和平站風速呈減小趨勢[7]。1989—2008年, 戴維斯站風速呈增加趨勢, 但中山站風速呈減小趨勢[6,9]。

南極中山站所處的伊麗莎白公主地是非常典型的冰蓋下降風頻發地區。南極中山站下降風風速一般為5～6級, 最大可達7～8級, 風向為偏東風[6,9-12]。普里茲灣沿岸的下降風強度受到南極大陸冷高壓強弱以及位置的影響[10]。此外, 受下降風影響的強弱還與距冰蓋斜坡的遠近有關。與中山站相距不遠的戴維斯站, 由于距冰蓋斜坡較遠,受下降風的影響較中山站要小[13]。

本文利用1989—2020年中山站地面風等氣象觀測數據, 對中山站風速、大風日數以及下降風的氣候變化特征進行分析, 同時結合NCEP/NCAR再分析數據探討上述變化的成因,以期了解南極自由大氣底部的氣候變化并為深入理解區域氣候變化提供參考意義。

1 資料和方法

本文所用的資料均來自南極中山氣象臺, 其地面氣象觀測儀器的安裝、運行和觀測方法均按照中國氣象局頒布的《地面氣象觀測規范》執行[14], 其觀測數據經過嚴格的質量審核。資料時間跨度為1989年12月—2020年12月, 資料類型包括逐年、月、日和小時的風、氣溫和氣壓等地面氣象觀測資料。同時, 為了分析大氣環流對風速的影響, 本文還選取了1990—2020年NCEP/NCAR再分析資料, 包括逐月海平面氣壓場、表面氣溫場、高度場和風場等資料, 水平分辨率為2.5°× 2.5°[15]。文中季節按12月至次年2月為夏季、3—5月為秋季、6—8月為冬季、9—11月為春季劃分。

《地面氣象觀測規范》中規定, 瞬時風速達到或超過17 m·s-1(或目測估計風力達到或超過8級)的風, 記為大風; 若某日中有大風出現, 一般稱該日為大風日; 一日中出現多次大風記為一個大風日[14]。根據丁卓銘等[10]分析的普里茲灣沿岸下降風特征, 本文將晴朗少云天氣風速超過5級(≥8 m·s-1), 風向介于東北至東南(33.75°～146.25°)的風看作下降風。

將統計時段內風速按照下式進行分解:

其中,F為風速, π為圓周率,φ為風向。分解后u為東-西向風速,v為南-北向風速, 按照正、負值區分為4個分量, 然后各分量取絕對值后求和, 再除以總觀測次數, 即得到相應時段內經、緯向及東、西、南、北風分量的平均風速。計算年、季平均風速傾向率時采用一元線性趨勢擬合, 可得到風速線性變化率b和相關系數r[16]。文中對氣候變化趨勢的性質和幅度采用氣候傾向率(b×10)、趨勢系數(無量綱)來表示,趨勢檢驗采用t檢驗方法[17]。采用 Mann-Kendall檢驗法(以下簡稱M-K檢驗)對時間序列進行突變分析[18]。

2 中山站風的變化特征

2.1 風的年際變化

圖1a可以看出,1990—2020年中山站年平均風速最大值為7.8 m·s-1, 出現在1991年和2007年; 最小值為5.7 m·s-1, 出現在2019年; 年平均風速為6.9 m·s-1。圖2 中UF為按時間序列順序計算出的統計量序列, UB為按時間序列逆序計算出的統計量序列[18]。通過M-K檢驗發現, UF和UB兩條曲線相交, 交點位于臨界線內, 根據交點位置, 確定風速在2002年附近發生突變。1990—2001年平均風速為7.3 m·s-1, 2002—2020年平均風速為6.6 m·s-1, 這說明中山站年平均風速減小。通過計算線性趨勢也證實, 年平均風速有減少趨勢,傾向率為-0.4 m·s-1·(10 a)-1(通過0.001顯著性水平檢驗)。M-K檢驗也得到一致的結果, 1992年以后年平均風速呈下降趨勢(UF＜0), 2003—2020年風速下降趨勢顯著, UF值超過α=0.05臨界線甚至超過0.001顯著性水平(u0.001=2.56)臨界線。從圖1還可以看出, 中山站年平均氣溫和氣壓變化趨勢并不明顯, 氣候傾向率分別為0.015℃·(10 a)-1、-0.037 hPa·(10 a)-1, 均未通過0.05顯著性水平檢驗。

圖1 1990—2020年中山站風年際變化。a)年平均風速、氣溫；b)年平均氣壓Fig.1.Interannual variation of wind at Zhongshan Station from 1990 to 2020.a) annual mean wind speed and temperature;b) annual mean pressure

圖 2 1990—2020年中山站年平均風速時間序列Mann-Kendall突變檢驗(虛線為α = 0.05顯著性水平臨界值)Fig.2.Mann-Kendall test of the time series of annual mean wind speed at Zhongshan Station from 1990 to 2020(dotted line is α = 0.05 critical value of significance level)

中山站位于環極低壓帶的南部和南極大陸地面冷高壓北部之間, 常年盛行偏東氣流。年最多風向以東北至東東南為主, 東風出現頻率最高,1990—2020年間有22年最多風向為東風。

2.2 風的季節變化

1990—2020年中山站月平均風速隨時間呈倒“U”字型(圖3a), 中間高, 兩頭低。月平均風速為6.9 m·s-1, 1月平均風速最小為5.0 m·s-1,2月風速迅速增大, 6月和8月風速達到全年最大為7.9 m·s-1, 9月風速開始減小, 3—9月平均風速變化緩慢且高于平均值。中山站風速存在明顯的季節差異, 冬季風速最大, 秋季次之,春季較小, 夏季最小(圖3)。1990—2020年中山站春、夏、秋、冬季平均風速分別為6.7、5.7、7.4、7.7 m·s-1。春季平均風速最大值為8.3 m·s-1,出現在1994年; 最小值為5.7 m·s-1, 出現在2016年。秋季和冬季平均風速最大值分別為8.9、9.9 m·s-1, 均出現在2018年, 最小值分別為5.8、5.6 m·s-1, 均出現在2019年。夏季平均風速最大值為6.8 m·s-1, 出現在1992年; 最小值為4.4 m·s-1, 出現在2020年。中山站全年風向變化較小, 2—11月東風出現頻率最高, 東東北風次之。1月和12月東東北風出現頻率最高,東風次之。中山站地面風受南極大陸冷高壓和繞極低壓帶控制[19]。由于夏季南極大陸冷高壓和繞極低壓帶強度較弱, 且繞極低壓帶的平均位置明顯北移, 使得高、低壓之間氣壓梯度小,從而導致夏季中山站平均風速最小。當夏季轉向冬季時, 南極大陸冷高壓逐漸加強, 同時繞極低壓帶的平均位置南移, 使得高、低壓中心的氣壓梯度增大, 形成強烈且穩定的東風, 從而使冬季中山站平均風速最大。

圖3 1990—2020年中山站不同季節的平均風速變化。a)月平均風速變化；b)春季；c)夏季；d)秋季；e)冬季Fig.3.Interannual variation of mean wind speed at Zhongshan Station from 1990 to 2020.a) monthly mean wind speed;b) spring; c) summer; d) autumn; e) winter

中山站各季節平均風速的變化趨勢(圖3)與年平均風速變化相同, 均呈減小趨勢。對比各季節平均風速變化趨勢系數發現, 夏季和冬季減小趨勢最為顯著, 氣候傾向率、趨勢系數分別為-0.53 m·s-1·(10 a)-1、-0.09和-0.48 m·s-1·(10 a)-1、-0.05。春季和秋季風速氣候傾向率、趨勢系數分別為-0.25 m·s-1·(10 a)-1、-0.04和-0.31 m·s-1·(10 a)-1、-0.04。顯著性檢驗表明, 除秋季外其他季節均通過0.05顯著性水平檢驗, 表明秋季風速變化趨勢不明顯。

2.3 風的日變化

圖4為1990—2020年中山站年和四季定時10分鐘風速的日變化。可以看出, 中山站風速日變化呈單峰單谷型, 風速在凌晨5時達到最大,峰值為8.0 m·s-1, 之后風速開始減小, 下午15時風速降至最小, 谷值為5.6 m·s-1, 隨后風速又開始增加。日平均風速為6.8 m·s-1, 11—21時風速均小于日平均風速。中山站定時平均風速和氣溫呈負相關,r為-0.97, 并通過0.001顯著性水平檢驗。從季節變化來看, 春季和夏季受下降風影響風速具有明顯的日變化特征, 秋季和冬季風速日變化不明顯。這是因為秋季和冬季白晝時間短,日照時間很少, 普利茲灣海面以及拉斯曼丘陵絕大部分被冰雪覆蓋, 整個地區下墊面單一, 受太陽輻射加熱比較平衡, 晝夜變化小, 因此風速的日變化不明顯。春季和夏季白天受太陽輻射加熱的時間長, 容易產生海水與冰面的受熱不平衡, 夜間不同下墊面輻射散熱的差異大, 使海陸溫差加大。中山站位于岸邊緊鄰冰蓋, 海平面與冰蓋存在很大的高度差, 導致海風和冰蓋下降風的增強[3]。春季風速在4時達到最大, 峰值為8.6 m·s-1; 15時風速最小, 谷值為4.6 m·s-1。與春季不同, 夏季風速在5時達到最大, 峰值為8.0 m·s-1; 16時風速最小, 谷值為3.5 m·s-1, 夏季風速峰值和谷值的出現時間均比春季晚1小時。總體來看, 中山站全年和四季晚上平均風速大于白天。

圖4 1990—2020年中山站年和四季定時風速的日變化Fig.4.Diurnal variation of annual and seasonal wind speed at Zhongshan Station from 1990 to 2020

2.4 經、緯向風分量的變化特征

圖5給出了1990—2020年中山站經、緯向平均風速的年際變化。由圖可見, 中山站緯向風速明顯大于經向風速。與年平均風速變化趨勢相同, 緯向年平均風速呈減小趨勢, 而經向風速變化趨勢不明顯。緯向平均風速在1991年達到最大值7.2 m·s-1, 與年平均風速最大值出現時間相同。2002—2020年緯向平均風速為5.7 m·s-1, 較1990—2001年緯向平均風速減小了1.0 m·s-1(表1), 2005年和2006年緯向年平均風速達到最小值4.0 m·s-1。與緯向風速變化相反, 經向平均風速在2002年以后明顯增大, 經向平均風速由1.8 m·s-1增加至2.6 m·s-1, 并在2007年達到最大值5.8 m·s-1。經向平均風速最小值為1.3 m·s-1, 出現在2019年, 與年平均風速最小值出現時間相同。

圖5 1990—2020年中山站經、緯向平均風速的年際變化Fig.5.Interannual variation of mean wind speed in meridional and zonal at Zhongshan Station from 1990 to 2020

表1 2002年前后中山站經、緯向及東、南、西、北風分量平均風速Table 1.Mean wind speed in meridional, zonal and components of east, south, west and north wind at Zhongshan Station around 2002單位: m·s-1

對經向和緯向風進行進一步分解, 圖6為1990—2020年中山站東、西、南、北風分量平均風速年際變化。從圖中可以看出, 東風分量平均風速明顯大于其他方向風分量, 東風分量年際變化與緯向風速年際變化基本一致。2002—2020年東風分量平均風速較1990—2001年減小了1.0 m·s-1。東風分量平均風速在1991年最大為7.7 m·s-1, 2006年最小為4.4 m·s-1。2002—2020年西風分量平均風速較1990—2001年減小了0.3 m·s-1, 年平均風速最大值為2.4 m·s-1, 最小值為1.1 m·s-1, 極值出現時間與東風分量極值出現時間相同。南風分量平均風速在1991年最大為3.6 m·s-1, 2010年最小為1.2 m·s-1。2002—2020年南風分量平均風速較1990—2001年減小了1.0 m·s-1。北風分量平均風速1994年最小為1.0 m·s-1, 之后風速開始增大, 與經向年平均風速變化基本一致。2002—2020年北風分量平均風速較1990—2001年增加了1.4 m·s-1, 并在2007年風速達到最大為6.2 m·s-1。

圖6 1990—2020年中山站東、西、南、北風分量平均風速的年際變化Fig.6.Interannual variation of the mean wind speed of east, west, south and north wind components at Zhongshan Station from 1990 to 2020

表2為中山站年與四季經、緯向及東、南、西、北風分量平均風速氣候傾向率及趨勢系數。從經、緯向風速的氣候傾向率和趨勢系數來看,緯向風明顯大于經向風, 緯向風的全年與四季風速氣候傾向率和趨勢系數均為負值, 說明緯向風速呈減小趨勢。緯向年平均風速氣候傾向率為-0.34 m·s-1·(10 a)-1(通過0.05顯著性水平檢驗),四季中只有夏季通過0.01顯著性水平檢驗, 氣候傾向率為-0.46 m·s-1·(10 a)-1。經向風的全年和四季風速變化趨勢不明顯, 均未通過顯著性檢驗。從風分量氣候傾向率和趨勢系數來看, 南風分量呈減小趨勢且變化速率遠大于其他風分量。南風分量在夏季減小速率最大, 氣候傾向率為-0.65 m·s-1·(10 a)-1; 在春季減小速率最小, 氣候傾向率為-0.46 m·s-1·(10 a)-1, 均通過0.01顯著性水平檢驗。東風分量夏季氣候傾向率和趨勢系數明顯大于其他季節且與其變化趨勢相反, 風速呈減小趨勢, 氣候傾向率為-0.48 m·s-1·(10 a)-1, 通過0.01顯著性水平檢驗。西風和北風分量變化趨勢不顯著, 其全年和四季氣候傾向率和趨勢系數均未通過顯著性水平檢驗。

表2 中山站年與四季經、緯向及東、南、西、北風分量平均風速氣候傾向率[m·s-1·(10 a)-1]/趨勢系數Table 2.The annual and seasonal climatic tendency rate [m·s-1·(10 a)-1]/trend coefficient of the mean wind speed in meridional, zonal and east, south, west and north components of Zhongshan Station

以上分析表明中山站緯向平均風速呈顯著減小趨勢, 經向平均風速變化趨勢不顯著; 南風分量年平均風速氣候傾向率和趨勢系數都顯著大于其他風分量, 風速呈顯著減小趨勢; 西風和北風分量變化趨勢不顯著; 東風分量在夏季呈減小趨勢, 其他季節變化趨勢不顯著。

3 下降風的氣候變化特征

圖7展示了1990—2020年中山站年和四季出現下降風頻數的年際變化。由圖可見, 中山站年下降風頻數年際變化明顯, 平均為1757.2次, 最大值為2211次(1994年), 最小值為1087次(2020年)。年下降風頻數呈減少趨勢,氣候傾向率為-119.8次·(10 a)-1(通過0.05顯著性水平檢驗)。與風速季節變化相同, 中山站冬季出現下降風次數最多, 秋季次之, 春季較少, 夏季最少。冬、秋、春、夏季年平均下降風頻數分別為534.6次、481.2次、318.5次和217.7次。冬季年平均下降風頻數最大值為837次(2006年), 最小值為222次(2010年)。秋季最大值為659次(2007年), 最小值為255次(1999年)。春季最大值為442次(1991年), 最小值為154次(2010年)。夏季最大值為373次(2004年), 最小值為96次(2020年)。

圖7 1990—2020年中山站年、夏季和冬季下降風頻數的年際變化Fig.7.Interannual variation of annual, summer and winter katabatic wind frequency at Zhongshan Station from 1990 to 2020

1990—2020年中山站年和四季下降風頻數均呈減少趨勢, 其中夏季和冬季下降風頻數減少趨勢最為顯著, 氣候傾向率、趨勢系數分別為-30.3次·(10 a)-1、-0.05和-66.0次·(10 a)-1、-0.04,均通過0.05顯著性水平檢驗。春季和秋季下降風頻數氣候傾向率、趨勢系數分別為-0.7次·(10 a)-1、0.0和-19.6次·(10 a)-1、-0.02, 未通過0.05顯著性水平檢驗, 表明春季和秋季下降風變化趨勢不顯著。

4 大風日數的變化特征

中山站大風主要受極地氣旋、極地大陸冷高壓和東移鋒面擾動的系統影響[1]。圖8可以看出,中山站年大風日數范圍為81～196 d, 1999年出現的大風日數最多, 2016年和2019年最少。年平均大風日數為140 d, 占全年總日數的38%。年大風日數在100 d以下的有3 a, 分別是2010年、2016年和2019年; 100～200 d有28 a, 占總年份的90%。1990—2002年期間只有1993年的大風日數小于平均值, 2003—2020年期間僅有4 a(2004年、2006年、2007年和2018年)大風日數大于平均值, 初步表明年大風日數有減少趨勢。對1990—2020年大風日數進行趨勢分析, 結果表明雖然中山站大風日數高(低)值年與平均風速高(低)值年并不一一對應, 但是大風日數的線性趨勢與平均風速的變化趨勢一致, 均呈減小趨勢, 年大風日數氣候傾向率為-25.8 d·(10 a)-1(通過0.001顯著性水平檢驗)。大風日數與年平均風速呈正相關,r為0.86, 并通過0.001顯著性水平檢驗。中山站大風風向主要為東風,頻率為42%, 東東南、東東北大風次之, 頻率分別為27%和16%。

圖8 1990—2020年中山站大風日數的年際變化Fig.8.Interannual variation of gale days at Zhongshan Station from 1990 to 2020

中山站月大風日數隨時間呈“凸”字型, 月平均大風日數為11.7 d。5—11月大風日數均大于平均值, 8月是大風出現最多的月份, 大風日數達15.4 d, 平均每兩天出現一次大風天氣。1月出現大風天氣的次數最少, 大風日數僅6.6 d。月大風日數與月平均風速呈正相關,r為0.83, 并通過0.001顯著性水平檢驗。中山站春、夏、秋、冬季大風日數分別為36.8、25.8、34.4、43.6 d。大風日數也具有明顯的季節變化特征, 冬季大風日數最多, 春季次之, 秋季較少, 夏季最少。春季和冬季大風日數最多分別為62 d和72 d, 均出現在1999年。夏季大風日數最多為39 d, 出現在1996年。秋季大風日數最多為48 d, 出現在1990年、1991和2000年。春、夏、秋、冬季大風日數和風速呈正相關,r分別為0.65、0.75、0.81和0.85,均通過0.001顯著性水平檢驗。

1990—2020年中山站四季大風日數與年大風日數變化一致均呈減少趨勢, 其中夏季大風日數減少趨勢最為顯著, 氣候傾向率和趨勢系數分別為-8.2 d·(10 a)-1、-0.09, 夏季是年平均風速減小最顯著的季節。秋季和春季大風日數氣候傾向率和趨勢系數分別為-6.3 d·(10 a)-1、-0.07和-5.0 d·(10 a)-1、-0.06。冬季大風日數減小趨勢最弱, 氣候傾向率和趨勢系數為-6.1 d·(10 a)-1、-0.05。顯著性檢驗表明, 四季大風日數減小趨勢均通過0.01顯著性水平檢驗, 其中夏季和秋季變化趨勢通過0.001顯著性水平檢驗。

5 風速的變化趨勢

表3為中山站日平均風速、日最大風速在各風速范圍內的平均日數、氣候傾向率和趨勢系數。中山站日平均風速主要出現在3.4～10.7 m·s-1之間, 即以3～5級風為主, 年平均日數為245 d, 占全年總日數的67%, 其中3級、4級和5級風分別占年總日數的21.3%、25.6%和20.1%。1990—2020年中山站日平均風速≤7.9 m·s-1(≤4級)日數呈增加趨勢, 其中日平均風速1.6～3.3 m·s-1(2級)日數增加趨勢最顯著, 氣候傾向率為6.6 d·(10 a)-1,通過0.01顯著性水平檢驗。日平均風速≥8.0 m·s-1(≥5級)日數呈減小趨勢, 其中 5級風(8.0～10.7 m·s-1)日數減少趨勢最為顯著, 氣候傾向率為-7.6 d·(10 a)-1, 通過0.01顯著性水平檢驗。四季日平均風速不同風力等級日數的分布特征與年的分布特征基本一致, 但變化趨勢沒有年日平均風速變化趨勢顯著。

表3 中山站日平均風速和日最大風速在各風速范圍內的平均日數(d)及氣候傾向率[d·(10 a)-1]/趨勢系數Table 3.Average days (d) of daily wind speed and maximum wind speed in different speed range and climatic tendency rate[d·(10 a)-1]/trend coefficient of Zhongshan Station

對于日最大風速而言, 風速≤5級日數呈增加趨勢, 其中日最大風速4級日數增加趨勢最顯著,氣候傾向率為5.6 d·(10 a)-1。日最大風速≥6級日數呈減小趨勢,6級風是日最大風速一年中出現日數最多的風速段(年平均日數為97.4 d), 但變化趨勢未能通過0.05顯著性水平檢驗。日最大風速7級日數減小趨勢最顯著, 氣候傾向率為-6.7 d·(10 a)-1,通過0.01顯著性水平檢驗。四季日最大風速不同風力等級日數的分布特征與年分布特征基本一致, 但變化趨勢沒有年日最大風速變化趨勢顯著。

通過對中山站日平均風速和日最大風速風力等級日數變化趨勢分析, 初步認為, 中山站中小風日數(日平均風速＜8.0 m·s-1)增加, 中大風或大風日數(日平均風速≥8.0 m·s-1)減少。年平均風速減小主要是由中大風和大風日數減少造成的。

6 風速變化與大氣環流異常的關系

圖1表明中山站年平均風速在2002年發生突變性減小, 對影響風速變化的大氣環流背景場進行分析。選取海平面氣壓場、表面氣溫場以及高空高度場做相關分析(圖9), 并對2002年前后中山站附近的大氣環流場做合成分析(圖10)。圖9a為中山站年平均風速與地面海平面氣壓的相關分布, 由圖可見, 在南極內陸和普里茲灣海域北部的南印度洋海平面氣壓場存在顯著的相關區, 中山站風速與極地高壓呈顯著的正相關,r超過0.5;與南印度洋海平面氣壓呈負相關,r低于-0.35, 均通過0.05水平顯著性檢驗。圖9b可以看出, 中山站年平均風速與南極內陸和普里茲灣海域北部的南印度洋表面氣溫存在顯著的負相關, 與南極戴維斯海附近表面氣溫呈顯著的正相關。從海平面氣壓和風差值場(圖10a)來看, 中山站南部極地高壓負距平, 北部南印度洋低壓為正距平, 極地冷高壓和繞極低壓帶強度減弱, 高、低壓之間氣壓梯度減小, 空氣流動性減弱, 造成中山站平均風速減小。影響中山站的氣旋活動主要為西北路徑,中山站北部南印度洋的海平面氣壓正異常,使中山站不易受氣旋影響[20]。彼得森淺灘附近海平面氣壓呈負距平, 形成順時針環流風場, 南極瑪麗皇后地附近偏南風增強,在戴維斯海附近形成負變溫中心。表面氣溫差值場上南極內陸和普里茲灣海域北部的南印度洋表面氣溫為正變溫, 而且南極內陸表面增溫幅度大于南印度洋表面。南半球環狀模或南極濤動(Antarctic Oscillation, AAO)與中山站風速呈顯著負相關, 南極濤動的正位相會引起中山站西風和北風異常[21]。2002—2020年AAO指數正位相較1990—2001年數值增大, 中山站附近北風增強, 與觀測數據一致。

圖9 中山站年平均風速與同期海平面氣壓(a)、表面氣溫場(b)以及700 hPa高度場(c)的相關系數。圓點表示通過了0.05水平顯著性檢驗Fig.9.Correlation coefficient of the annual mean wind speed at Zhongshan Station with sea level pressure (a), surface termperature filed (b) and 700 hPa height filed of the same period (c).Dot means that it passed the 0.05 reliability significance test

圖9c為年平均風速與700 hPa高度場的相關分布, 可以看出, 中山站風速與普里茲灣海域北部的南印度洋700 hPa高度場呈顯著負相關,r超過0.5, 與極地內陸高度場雖呈正相關, 但相關性不顯著。年平均風速與500 hPa高度場的相關分布與700 hPa分布基本一致。從高空位勢高度和風差值場來看, 700 hPa(圖10b)普里茲灣海域北部的南印度洋附近為正變高, 南極內陸為負變高, 這樣的變高場配置, 使南印度洋附近低壓和極地高壓均減弱。中山站東部的瑪麗皇后地高度場為正變高, 形成弱高壓中心, 有利于中山站偏北氣流的加強和維持。500 hPa(圖10c)南極內陸高原和南印度洋高度場均呈正變高, 在兩高之間, 形成順時針的風場, 中山站附近經向環流加強。

圖10 2002—2020年與1990—2001年合成場之差。a)海平面氣壓(hPa)和風場(m·s-1); b)700 hPa高度場(gpm)和風場(m·s-1); c) 500 hPa高度場(gpm)和風場(m·s-1)Fig.10.Difference of composite fields between 2002—2020 and 1990—2001.a) sea level pressure (hPa) and wind field(m·s-1); b) 700 hPa height field (gpm) and wind field (m·s-1); c) 500 hPa height field (gpm) and wind field (m·s-1)

7 結論

1.中山站月平均風速隨時間呈倒“U”字型,1月平均風速最小, 6月和8月風速達到全年最大。風速存在明顯的季節變化, 冬季風速最大,秋季次之, 夏季最小。中山站風速日變化呈單峰單谷型, 峰值出現在凌晨5時, 谷值出現在15時。從季節變化來看, 春季和夏季風速具有明顯日變化特征, 秋季和冬季風速日變化不明顯。中山站全年風向變化較小, 2—11月東風出現頻率最高,1月和12月東東北風出現頻率最大。

2.中山站年最多風向以東北至東東南為主,東風出現頻率最高。近31年風速呈減小趨勢, 四個季節中夏季風速減小趨勢最大。中山站年下降風頻數也呈減少趨勢, 其中夏季和冬季下降風頻數減少趨勢最為顯著。中山站緯向風速明顯大于經向風速, 緯向風速呈減小趨勢, 而經向風速變化趨勢不明顯。南風分量年平均風速減小速率都顯著大于其他風分量, 西風和北風變化趨勢不顯著, 東風分量在夏季減小趨勢最顯著。

3.近31年中山站大風日數和各季節總大風日數均呈明顯的減少趨勢。夏季大風日數減少趨勢最大, 冬季是大風日數最多的季節, 但大風日數減少趨勢最弱。中山站中小風日數增加了, 中大風或大風日數減少了, 年平均風速減小主要由中大風和大風日數減少造成的。

4.中山站年平均風速在2002年發生突變,突變后風速減小。從大氣環流的變化來看, 2002年以后中山站南部極地冷高壓和北部南印度洋繞極低壓帶強度減弱, 導致高、低壓之間氣壓梯度減小, 造成中山站平均風速減小。高空經向環流加強, 造成中山站附近緯向風減弱, 經向風增強。