陸龍驊，卞林根

(中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081)

中國(guó)極地大氣科學(xué)觀測(cè)工程

陸龍驊，卞林根

(中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081)

極地位于地球南北兩端，是全球變化研究的關(guān)鍵地區(qū)，要了解全球變化，特別是全球氣候變化，必須對(duì)極地有所研究。我國(guó)的南極和北極實(shí)地科學(xué)考察研究，分別始于20世紀(jì)80年代和90年代。作為國(guó)家行為，到2011年年底，組織了28次南極考察、4次北冰洋考察和8次北極陸地考察;在南北極建立了4個(gè)科學(xué)考察站，6個(gè)自動(dòng)氣象站;形成了以有人考察站、無人自動(dòng)氣象站和“雪龍”號(hào)破冰科學(xué)考察船為主體的極地科學(xué)考察研究硬件支撐體系。在此過程中初步建成了包括常規(guī)氣象業(yè)務(wù)、準(zhǔn)業(yè)務(wù)和短期考察在內(nèi)的中國(guó)極地大氣科學(xué)觀測(cè)工程體系;該技術(shù)系統(tǒng)所獲科學(xué)數(shù)據(jù)已在我國(guó)極地科學(xué)研究中廣泛應(yīng)用，并在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生了重大影響。

南極;北極;大氣科學(xué);觀測(cè)工程

1 前言

極地位于地球南北兩端，是多個(gè)國(guó)際科學(xué)計(jì)劃研究全球氣候變化的關(guān)鍵地區(qū)，在全球變化，尤其是全球及區(qū)域氣候變化中有重要作用。極地是全球大氣研究計(jì)劃(GARP)、世界氣候研究計(jì)劃(WCRP)及國(guó)際巖石圈生物圈計(jì)劃(IGBP)等研究全球變化的關(guān)鍵地區(qū)［1～3］;政府間氣候變化委員會(huì)(IPCC)的歷次報(bào)告也都對(duì)極地給予了足夠的重視［4］。極地由南極和北極地區(qū)兩部分組成，其中南極地區(qū)位于60°S以南，包括南極大陸、亞南極島嶼和環(huán)繞南極大陸的南大洋，是一塊被海洋包圍的冰雪大陸;而北極地區(qū)，通常指北極圈(66°33'N)以北地區(qū)，包括北冰洋、邊緣陸地海岸帶及島嶼，是一片被大陸包圍的冰雪海洋。南北極所處的特殊地理位置及其特有的生態(tài)和環(huán)境，突出了極地在全球變化研究中的作用與地位［3］。在地球氣候系統(tǒng)中，大氣圈、海洋圈、冰凍圈、巖石圈和生物圈等各圈層是相互作用和影響的統(tǒng)一整體，極地包含了五大圈層相互作用的全部過程，要了解全球變化，必須對(duì)極地有所研究。

大氣是人類不可缺少的生存環(huán)境。大氣科學(xué)是一門研究整個(gè)大氣性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的學(xué)科，包括氣象學(xué)、氣候?qū)W、大氣物理學(xué)和大氣化學(xué)等分支。極地大氣科學(xué)考察研究，歷來是極地科學(xué)研究的重要組成部分，對(duì)極地大氣和環(huán)境變化的監(jiān)測(cè)和研究也是全球變化研究的重要內(nèi)容［5］。

我國(guó)的南極和北極實(shí)地科學(xué)考察研究，分別開始于20世紀(jì)80年代和90年代。作為國(guó)家行為，到2011年年底，組織了28次南極考察、4次北極北冰洋考察和8次北極陸地考察;在南北極建立了4個(gè)科學(xué)考察站，6個(gè)自動(dòng)氣象站;初步形成了以有人考察站、無人自動(dòng)氣象站和“雪龍”號(hào)破冰科學(xué)考察船為主體的極地科學(xué)考察研究硬件支撐體系［6～8］。中國(guó)氣象科學(xué)研究院、國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心和中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所等單位的300余人次的氣象人員參加了這些考察［9］。在此過程中也逐步形成和完善了包括常規(guī)業(yè)務(wù)、準(zhǔn)業(yè)務(wù)、短期大氣科學(xué)考察站和大氣科學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)在內(nèi)的中國(guó)極地大氣科學(xué)觀測(cè)工程體系;該技術(shù)系統(tǒng)所獲科學(xué)數(shù)據(jù)已在我國(guó)極地科學(xué)研究中廣泛應(yīng)用，并在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生了重大影響。

2 極地大氣科學(xué)觀測(cè)的重要性

極地是地球大氣的主要冷源，是全球氣候系統(tǒng)的重要驅(qū)動(dòng)源，在全球大氣環(huán)流和天氣氣候形成，南北兩半球熱量、動(dòng)量和水分的交換中起重要作用，對(duì)全球氣候變化也有強(qiáng)烈的響應(yīng)與反饋?zhàn)饔?。要了解地球的氣候變化，就必須?duì)極地太陽輻射和熱量平衡特征、極地各圈層之間的相互作用過程、以及極地對(duì)全球氣候環(huán)境的相互作用和影響等進(jìn)行深入的研究。

海洋是驅(qū)動(dòng)大氣能量的主要供應(yīng)者和調(diào)節(jié)器，極地大洋環(huán)流和海冰變化與極地大氣環(huán)境有密切關(guān)系，在全球能量平衡中起重要作用。北大西洋和南大洋是世界大洋中層水和底層水的主要源地，也是全球海洋大輸送帶的驅(qū)動(dòng)器之一。極地冷水通過沉降從海底向較低緯度地區(qū)輸送，因海水溫度、鹽度不同而形成的全球“溫－鹽環(huán)流”，對(duì)全球各大洋的熱量和氣體交換起重要作用。極地海冰是極區(qū)季節(jié)變化最大的下墊面特征，極地海冰覆蓋狀態(tài)的變化嚴(yán)重地影響著海冰區(qū)的能量收支和海洋—大氣之間的熱交換，影響全球大洋的溫－鹽環(huán)流，并對(duì)全球的天氣和氣候發(fā)生重大影響。

隨著“京都協(xié)議”的簽訂，自然界溫室氣體CO2的源匯分布，不僅是國(guó)際學(xué)術(shù)界的一個(gè)前沿領(lǐng)域，也成了各國(guó)政治家們爭(zhēng)論的熱門話題。兩極海區(qū)是全球碳循環(huán)的主要匯區(qū)，也是全球變化中的重要反饋窗口。南大洋是地球上大洋中層水和底層水的主要源地，也是全球三大高營(yíng)養(yǎng)鹽低葉綠素(HNLC)區(qū)域之一，如果其“生物泵”得以充分運(yùn)轉(zhuǎn)，將對(duì)全球碳循環(huán)產(chǎn)生極大的影響。由于極區(qū)海域各不相同的生物地球化學(xué)亞系統(tǒng)對(duì)碳循環(huán)的作用各不相同，構(gòu)成了極區(qū)碳循環(huán)的復(fù)雜性和敏感性，地球系統(tǒng)的微小擾動(dòng)，均可能使極區(qū)海洋對(duì)大氣CO2正常源/匯的狀況產(chǎn)生干擾。在全球變化背景下，研究海冰和海洋變化對(duì)極區(qū)碳循環(huán)的影響具有重要意義。

冰雪圈的大部分地區(qū)在極地，是氣候系統(tǒng)的重要組成部分，它與大氣和海洋的相互作用，尤其是反饋機(jī)制，對(duì)氣候變化、大氣和海洋環(huán)流有重要影響。南極大陸98%以上地區(qū)被冰蓋、冰架和終年不化的積雪所覆蓋，平均厚度2000 m，加上周圍海域的海冰，形成了一個(gè)名副其實(shí)的冰雪大陸，儲(chǔ)存了全球冰雪總量90%以上，具有能使全球海平面升高60 m的水量;在北極地區(qū)，北冰洋及其周圍陸地，被冰雪覆蓋的時(shí)間也很長(zhǎng)，其中格陵蘭冰蓋也具有能使全球海平面升高6 m的水量［6］。就氣候變化而言，南極大陸是地球上“慣性”最大的地區(qū)，南極冰蓋，特別是東南極冰蓋，物質(zhì)平衡和變化趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)和研究，對(duì)研究全球溫室效應(yīng)的增溫作用及海平面變化有重要意義。冰蓋變化對(duì)全球海平面高度有明顯的影響，會(huì)直接影響到海岸線附近和地勢(shì)低洼地帶的居民生活。在全球變暖的大背景下，近年來，南北極地區(qū)的海冰也發(fā)生了一系列變化，特別是在北極海冰范圍減少、厚度變薄的同時(shí)，南極海冰卻有相反的變化，其指示意義，不可忽視。

極地冰蓋及海相和湖相的沉積物中，保留著地球大氣地質(zhì)時(shí)期和歷史時(shí)期氣候變化的詳細(xì)記錄，是獲取極地氣候代用資料的載體。極地冰芯中的氣候環(huán)境記錄，具有信息量大、保真度好、分辨率高和時(shí)間尺度范圍大等特點(diǎn)，更是研究過去全球變化的主要依據(jù)。根據(jù)對(duì)南極東方站和DOME-C冰芯同位素、氣泡成分及微量物質(zhì)的研究，科學(xué)家就獲得了近42萬年和近74萬年以來南極地區(qū)溫度和CO2等痕量氣體濃度變化的資料;用生物地球化學(xué)等方法，通過對(duì)南極企鵝糞、海豹毛等沉積物中元素的分析，能了解近幾千年企鵝、海豹數(shù)量的變化，并揭示企鵝、海豹種群與南極環(huán)境和溫度變化的關(guān)系。

南極和北極是影響全球氣候變化的敏感地區(qū)之一，極地氣候和大氣環(huán)境變化是全球氣候變化的指示器，對(duì)我國(guó)天氣氣候及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展都會(huì)產(chǎn)生影響。南極是地球的“冷極”、“風(fēng)極”和“白色沙漠”，南極和亞南極環(huán)境的各種參數(shù)對(duì)全球變化十分敏感。全球大氣是一個(gè)統(tǒng)一的整體，來自南半球的冷空氣活動(dòng)對(duì)北半球的大氣環(huán)流和天氣、氣候也會(huì)發(fā)生影響。例如，在南極和北極，中心地區(qū)和外圍地區(qū)的氣壓，存在著人們稱之為“濤動(dòng)”的，像“翹翹板”一樣的相反的變化。在南半球有“南方濤動(dòng)”、“南極濤動(dòng)”、“南極海冰濤動(dòng)”等;在北半球有“北大西洋濤動(dòng)”、“北太平洋濤動(dòng)”、“北極濤動(dòng)”等。這些“濤動(dòng)”的活動(dòng)及其異常對(duì)全球大氣環(huán)流都會(huì)發(fā)生影響，也必然會(huì)影響中國(guó)的天氣氣候。南極或北極冷暖和海冰狀況，也可能對(duì)我國(guó)夏季災(zāi)害性天氣發(fā)生影響，極地氣候和大氣環(huán)境變化對(duì)我國(guó)天氣氣候影響的研究，將為尋找影響我國(guó)短期氣候的強(qiáng)預(yù)測(cè)信號(hào)提供參考依據(jù)。南北極氣象研究為南北兩半球的天氣預(yù)報(bào)也提供了實(shí)質(zhì)性數(shù)據(jù)。

除氣候外，極地對(duì)天氣也會(huì)發(fā)生影響。早在20世紀(jì)30年代，李憲之先生利用極為稀少的氣象資料，就做出了“侵襲東亞的強(qiáng)冷空氣可以穿過赤道到達(dá)印尼和澳大利亞，并在那里形成特大暴雨”及“北半球西太平洋臺(tái)風(fēng)的生成與南半球強(qiáng)寒潮侵襲有關(guān)”的大膽論斷［5，6］，這些結(jié)論已被近代氣象觀測(cè)資料和數(shù)值模擬結(jié)果所證實(shí)。我國(guó)位于北半球，人們對(duì)來自北極地區(qū)的冷空氣活動(dòng)的影響都有親身體會(huì)，冬季來自北極地區(qū)的冷空氣對(duì)我國(guó)天氣的影響早已為人們熟知，對(duì)我國(guó)造成災(zāi)害的旱、澇、風(fēng)、雹等天氣氣候事件也大多與冷、暖空氣及其活動(dòng)異常有關(guān)。2008年春我國(guó)南方出現(xiàn)的低溫雨雪冰凍災(zāi)害，就與北極極渦位置偏在東半球，導(dǎo)致在東亞地區(qū)冷空氣活動(dòng)頻繁，路徑偏西，以及來自青藏高原南側(cè)和西太平洋的暖濕空氣活躍等有關(guān)。

極地，尤其南極，是目前全球受人類活動(dòng)影響和環(huán)境污染最少的地區(qū)。極地大氣化學(xué)特征、大氣本底環(huán)境的分析和研究，對(duì)了解人類活動(dòng)與全球環(huán)境變化的關(guān)系、人類活動(dòng)對(duì)全球環(huán)境變化影響程度有重要的意義，也能為各國(guó)政府制定與全球環(huán)境變化有關(guān)的政策提供參考依據(jù)。對(duì)極地溫度和極地冰雪范圍的監(jiān)測(cè)及對(duì)冰原穩(wěn)定性的研究能為判斷“溫室效應(yīng)”的影響程度提供依據(jù);開展大氣臭氧變化規(guī)律和氟里昂等氣體向兩極輸送過程的研究將為認(rèn)識(shí)“南極臭氧洞”產(chǎn)生機(jī)理、揭示人類活動(dòng)對(duì)臭氧層破壞的影響程度提供線索。極地是我們觀測(cè)和研究人類活動(dòng)對(duì)地球變化影響?yīng)氁粺o二的理想場(chǎng)所，是對(duì)全球變暖、大氣臭氧減少、海平面變化等全球環(huán)境現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)的天然實(shí)驗(yàn)室。

極地是地理和地磁極點(diǎn)所在地，是研究與日－地有關(guān)的各種地球和大氣物理現(xiàn)象及來自我們星系以外的宇宙射線的最好場(chǎng)所。極區(qū)最適宜進(jìn)行有關(guān)電離層、磁層、平流層－對(duì)流層特性及相互作用的探測(cè)研究，也可進(jìn)行太陽活動(dòng)及其長(zhǎng)期變化對(duì)中低層大氣活動(dòng)影響和極區(qū)天氣氣候變化對(duì)太陽活動(dòng)變化的響應(yīng)的觀測(cè)研究。在進(jìn)入空間探索與開發(fā)時(shí)代的今天，宇宙空間已與陸地、海洋一起成為人類不可或缺的生存與發(fā)展環(huán)境。極區(qū)是太陽活動(dòng)直接影響地球空間的重要區(qū)域和監(jiān)測(cè)災(zāi)害性空間天氣的最佳窗口。極區(qū)空間環(huán)境災(zāi)害性天氣研究，對(duì)保護(hù)我國(guó)空間技術(shù)系統(tǒng)、減少航天事故和保障人類空間活動(dòng)具有重要的指導(dǎo)作用。

3 中國(guó)極地大氣科學(xué)考察站

南北極現(xiàn)場(chǎng)考察是極地大氣科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，近30年來我國(guó)在南極和北極建立了4個(gè)有人科學(xué)考察站，6個(gè)無人自動(dòng)氣象站(含中澳/中美合作);并在5個(gè)短期的科學(xué)考察站點(diǎn)進(jìn)行了大氣科學(xué)考察［9～17］。目前我國(guó)極地氣象站(長(zhǎng)期站)和短期大氣科學(xué)考察站點(diǎn)的簡(jiǎn)要情況見表1和表2。

表1 中國(guó)極地氣象站(長(zhǎng)期站)Table 1 Chinese polar weather station(long-term)

續(xù)表

表2 中國(guó)極地考察站點(diǎn)(短期站)Table 2 Chinese polar meteorological station(short-term)

我國(guó)系統(tǒng)的南極實(shí)地科學(xué)考察始于20世紀(jì)80年代，起步較晚。1984年國(guó)家南極考察委員會(huì)組織了中國(guó)首次南極考察，1985年2月建成了我國(guó)在境外的第一個(gè)氣象站——中國(guó)南極長(zhǎng)城站氣象站(見圖1a)，揭開了中國(guó)南極大氣科學(xué)考察的新篇章;1989年2月在東南極大陸建立了南極中山站氣象站;2002年到2010年，我國(guó)先后在從南極中山站到南極大陸冰蓋最高點(diǎn)的剖面上，設(shè)置了6個(gè)中澳/中美合作自動(dòng)氣象站;2009年1月，我國(guó)在南極大陸冰蓋最高點(diǎn)(DOME A)西南方向約7.3 km處，建立了中國(guó)南極昆侖站，目前該站還只是度夏站，隨著昆侖站站區(qū)建設(shè)和后勤保障能力的不斷完善，5～10年后將成為全年有人工作的越冬站［9～12］。

我國(guó)系統(tǒng)的北極實(shí)地科學(xué)考察始于20世紀(jì)90年代，比南極考察晚10年。1999年、2003年、2008年和2010年7—9月，中國(guó)組織了4次北極北冰洋科學(xué)考察，在白令海及北冰洋，以考察船、直升飛機(jī)、浮冰站為觀測(cè)平臺(tái)，進(jìn)行了海洋―海冰―大氣―生物的多學(xué)科聯(lián)合綜合觀測(cè)［13～17］;2002年7月民間的中國(guó)伊力特·沐林北極科學(xué)探險(xiǎn)考察，在斯瓦爾巴群島的朗伊爾地區(qū)設(shè)立的科學(xué)考察站進(jìn)行了有關(guān)大氣、冰川、地質(zhì)和植物等學(xué)科的綜合考察［9］;2004年7月我國(guó)在斯瓦爾巴群島的新奧爾松建立了中國(guó)第一個(gè)北極陸地科學(xué)考察站——北極黃河科學(xué)考察站(見圖1b)，進(jìn)行高空大氣物理、海洋生物、氣象、GPS跟蹤觀測(cè)和冰雪等方面的考察［9］。

圖1 中國(guó)極地氣象站(長(zhǎng)期站)Fig.1 Chinese polar weather station(long-term)

除表1和表2所示極地氣象站(長(zhǎng)期站)和極地考察站點(diǎn)(短期站，見圖2)外，從1984年起我國(guó)“向陽紅十”號(hào)、“極地”號(hào)和“雪龍”號(hào)等科學(xué)考察船執(zhí)行南極考察任務(wù)，赴南極考察航渡期間，考察船上都進(jìn)行了常規(guī)的海洋氣象觀測(cè)和與大氣科學(xué)有關(guān)的科學(xué)考察［9］;在長(zhǎng)城站、中山站鄰近地區(qū)、中山站—DOME A沿途等地也進(jìn)行了與氣象和大氣近地面物理有關(guān)的短期考察［9］。

4 中國(guó)極地大氣科學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)

隨著全球變化研究的不斷深入，極地氣象科學(xué)考察也從傳統(tǒng)的壓、溫、濕觀測(cè)，向包括大氣物理、大氣化學(xué)和大氣環(huán)境在內(nèi)的更廣泛的大氣科學(xué)考察領(lǐng)域發(fā)展［9］。目前我國(guó)極地大氣科學(xué)觀測(cè)工程體系的觀測(cè)系統(tǒng)由常規(guī)地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)、大氣臭氧和大氣化學(xué)、邊界層物理、高空大氣物理等觀測(cè)子系統(tǒng)及極地大氣科學(xué)考察基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集等組成，這些觀測(cè)系統(tǒng)也是在中國(guó)極地科學(xué)考察過程中逐步形成和完善的，在我國(guó)極地常規(guī)氣象業(yè)務(wù)、準(zhǔn)業(yè)務(wù)工作和歷次極地大氣科學(xué)考察中都得到了廣泛的應(yīng)用。

圖2 中國(guó)北極北冰洋考察站(短期站)Fig.2 Chinese Arctic ocean research station(short-term)

4.1 極地常規(guī)地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)

常規(guī)氣象觀測(cè)是氣象工作和大氣科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，南極地區(qū)的氣象臺(tái)站也是世界天氣監(jiān)視網(wǎng)中不可缺少的重要組成部分。目前我國(guó)開展的極地常規(guī)氣象業(yè)務(wù)主要有以下幾方面［18］。

4.1.1 中國(guó)南極考察站常規(guī)地面氣象觀測(cè)

目前我國(guó)在極地進(jìn)行常規(guī)地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)的只有南極長(zhǎng)城站和中山站兩個(gè)氣象站(見圖3)。中國(guó)南極長(zhǎng)城氣象站和中山氣象站的國(guó)際區(qū)站號(hào)分別為89058和89573;兩站都已列入WMO(世界氣象組織)南極基本天氣站網(wǎng)(ABSN)和南極基本氣候站網(wǎng)(ABCN)，中山氣象站還列入了全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)地面站網(wǎng)(GSN)［18］。我國(guó)在DOME A建立了中國(guó)南極昆侖站(見圖3)，目前該站還只是度夏站，5年后將成為全年有人工作的越冬站［9］。除極地考察站常規(guī)氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)外，在我國(guó)赴極地的考察船上，也有準(zhǔn)業(yè)務(wù)的海洋氣象觀測(cè)系統(tǒng)［8］。

圖3 中國(guó)南極考察站(有人站)Fig.3 Chinese Antarctic research station(someone)

4.1.2 中國(guó)南極考察天氣預(yù)報(bào)服務(wù)

中國(guó)南極考察的業(yè)務(wù)天氣預(yù)報(bào)，由中國(guó)南極考察站(長(zhǎng)城站及中山站)天氣預(yù)報(bào)服務(wù)和中國(guó)南極考察船(“極地”和“雪龍”號(hào))氣象導(dǎo)航和隨船氣象保障工作等組成［8，9，18］。南極考察站的天氣預(yù)報(bào)由參加南極考察的氣象工作人員，根據(jù)在考察站現(xiàn)場(chǎng)用氣象資料無線短波接收系統(tǒng)接收到的南半球地面、高空?qǐng)D、氣象報(bào)、站區(qū)附近地區(qū)冰情圖和數(shù)值預(yù)報(bào)等傳真產(chǎn)品，本站接收的高分辨氣象衛(wèi)星圖像(HRPT)，本站氣象要素演變情況等對(duì)站區(qū)的天氣形勢(shì)進(jìn)行分析，制作為科考服務(wù)站區(qū)天氣預(yù)報(bào)。我國(guó)有關(guān)南極考察天氣預(yù)報(bào)的情況和經(jīng)驗(yàn)已收入國(guó)際南極研究科學(xué)委員會(huì)(SCAR)和WMO等編制的“國(guó)際南極天氣預(yù)報(bào)手冊(cè)”［18］。

中國(guó)南極考察的海上運(yùn)輸和海洋考察，先后由“極地”號(hào)和“雪龍”號(hào)等科學(xué)考察船實(shí)施。自1984年中國(guó)南極考察隊(duì)首次赴南極地區(qū)考察以來，國(guó)家海洋局指揮中心組織國(guó)家氣象中心、國(guó)家海洋預(yù)報(bào)中心等有關(guān)部門進(jìn)行南極考察航行的氣象導(dǎo)航及航行保障。隨船氣象保障則由國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心派出的隨船氣象工作人員根據(jù)在船上獲得的傳真天氣圖、衛(wèi)星云圖、海洋和氣象觀測(cè)資料，對(duì)由北京傳來的氣象導(dǎo)航意見，進(jìn)行修正后作出［8］。

4.1.3 冰蓋自動(dòng)氣象站

隨著中國(guó)南極考察向南極內(nèi)陸的延伸，從1997年(13次隊(duì))起，我國(guó)多次組織了對(duì)南極內(nèi)陸冰蓋的科學(xué)考察，影響較大的有海拔高度超過4000 m的DOME A地區(qū)內(nèi)陸冰雪考察和平均海拔高度在2000 m以上的格羅夫山地區(qū)考察，在這些考察時(shí)，都利用車載氣象觀測(cè)儀器進(jìn)行了氣象考察［9］。

2002年到2010年，我國(guó)先后在從南極中山站到南極大陸冰蓋最高點(diǎn)的剖面上，設(shè)置了6個(gè)自動(dòng)氣象站(見圖4、表1)，直接通過衛(wèi)星(DCP)將資料通過ARGOS傳入GTS，通過互聯(lián)網(wǎng)直接調(diào)用該自動(dòng)氣象站資料。其中 LGB-69、DOME– A、飛鷹(EAGLE)、熊貓-N(PANDA-N)4站是中澳合作自動(dòng)氣象站，使用澳大利亞南極局研制2001型自動(dòng)氣象站［19］;中美合作南極熊貓-S(PANDA-S)自動(dòng)氣象站，使用美國(guó)威斯康辛大學(xué)研制的自動(dòng)氣象站［9］;南極熊貓-1(PANDA-1)自動(dòng)氣象站，采用的是由中國(guó)氣象科學(xué)研究院和中國(guó)華云技術(shù)開發(fā)公司合作研制的國(guó)產(chǎn)自動(dòng)氣象站［9］。

除已列入氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)的南極冰蓋自動(dòng)氣象站外，在南極昆侖站和北極黃河站也設(shè)置了為天文觀測(cè)和冰川研究服務(wù)的自動(dòng)氣象觀測(cè)站。

圖4 中國(guó)南極冰蓋自動(dòng)氣象站(無人站)Fig.4 Chinese Antarctic automatic weather station(self-service)

4.2 極地大氣臭氧和大氣化學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)

4.2.1 中山站BREWER大氣臭氧觀測(cè)

南極臭氧洞與全球變暖一樣，是當(dāng)前大氣科學(xué)界、社會(huì)公眾和政府廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題。從1993年起，中國(guó)氣象科學(xué)研究院在中山站開始用BREWER臭氧探測(cè)儀(#074)進(jìn)行了大氣臭氧總量、SO2、NO2總量及紫外 UVB觀測(cè)［20］。2008年年底，除繼續(xù)使用BREWER#074進(jìn)行大氣臭氧總量觀測(cè)外，還在中山站安裝了新一代的BREWER#193臭氧觀測(cè)儀，在進(jìn)行了2年平行觀測(cè)后，于2011年正式取代#074儀器，作為中山站大氣臭氧總量的常規(guī)觀測(cè)儀器;中山站的BREWER臭氧觀測(cè)站已列入中國(guó)氣象局的中國(guó)大氣特種監(jiān)測(cè)站網(wǎng)。目前在WMO南極臭氧公報(bào)中，已使用了南極中山站的BREWER臭氧觀測(cè)資料(WMO Antarctic Ozone Bulletin#7/2003)［9］。

在中國(guó)南極中山氣象站，按全國(guó)大氣特種監(jiān)測(cè)網(wǎng)BREWER儀器觀測(cè)規(guī)范，每天進(jìn)行大氣臭氧、SO2、NO2總量及紫外UVB觀測(cè)。在每日20:00(北京時(shí))的天氣報(bào)中，用加發(fā)第三段的方法，通過GTS傳送當(dāng)日地方時(shí)中午的臭氧觀測(cè)值。除極夜缺測(cè)外，全年都發(fā)送該組數(shù)據(jù)。在每年8—12月南極臭氧洞期間，還每隔3～4天將前幾天地方時(shí)中午的臭氧觀測(cè)值，通過臨近中山站的澳大利亞DAVIS站，用E-mail發(fā)往WMO秘書處。在每月月初，將上月逐日BREWER觀測(cè)資料探測(cè)簡(jiǎn)報(bào)發(fā)往極地辦并轉(zhuǎn)中國(guó)氣象科學(xué)研究院極地氣象研究室。南極中山氣象臺(tái)BREWER觀測(cè)資料經(jīng)進(jìn)一步審核和整編后，由中國(guó)氣象科學(xué)研究院按年向WMO世界臭氧資料中心報(bào)送。

4.2.2 大氣臭氧探空觀測(cè)

在2007/2009國(guó)際極地年(IPY)行動(dòng)期間，中山站進(jìn)行了臭氧廓線探測(cè)［9］。采用氦氣灌制氣球，使用國(guó)際通用的臭氧探空儀，在中山站進(jìn)行了為期一年的臭氧和氣象參數(shù)垂直分布探測(cè)試驗(yàn)。采用美國(guó)EN-SCI公司的ECC(electrochemical concentration cell)2Z型電化學(xué)臭氧探空儀和Vaisala RS-80-15型無線電氣象探空儀以及EN-SCI公司的DAS-1型403 MHz地面接收系統(tǒng)和GPS定位系統(tǒng)，時(shí)獲取臭氧、溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速、風(fēng)向垂直廓線資料。此外，在南極冰蓋最高點(diǎn)也進(jìn)行了GPS低空探測(cè)［9］。

4.2.3 極地大氣化學(xué)監(jiān)測(cè)

在2007―2008年國(guó)際極地年，中國(guó)提交了南極PANDA計(jì)劃(普里茲灣－埃默里冰架－DOME A觀測(cè)計(jì)劃)，極地大氣化學(xué)監(jiān)測(cè)也是該核心科學(xué)計(jì)劃的一部分。2007年12月，采用與國(guó)際接軌的標(biāo)準(zhǔn)大氣化學(xué)觀測(cè)和標(biāo)校儀器，在離站區(qū)上風(fēng)方向，建立了我國(guó)第一個(gè)南極大陸大氣化學(xué)業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)站，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)中山站附近的大氣化學(xué)本底進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，在線進(jìn)行黑碳?xì)馊苣z、地面臭氧、CO和CO2等觀測(cè);原計(jì)劃的SO2和NOx，因中山地區(qū)的實(shí)際大氣濃度低于儀器(EC 9850T紫外熒光SO2分析儀和EC 9841T化學(xué)發(fā)光NOx分析儀)最低檢測(cè)限，不能檢出而取消。因此，目前中山站的大氣化學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)包括的設(shè)備有:黑碳儀(AE31)、紫外光度吸收地面臭氧分析儀(EC 9810A)、紅外氣體相關(guān)CO分析儀(EC 9830T)、紅外氣體相關(guān) CO2分析儀(EC 9820A)及其配套使用的紫外光度吸收臭氧校準(zhǔn)儀(EC 9811)、氣體稀釋校準(zhǔn)儀(GasCal 1100)、零氣發(fā)生器(8301LC，包括HCS1000 CO去除器)、數(shù)據(jù)采集器(CR1000)、CO標(biāo)準(zhǔn)氣瓶(20 ppm，1 ppm=10－6)、奧斯源(ASY20V100A)直流電源(×2)等。除采樣進(jìn)氣總管和標(biāo)準(zhǔn)氣瓶外，全部設(shè)備安裝在雙聯(lián)1.8 m高的組合機(jī)柜中［9］。中山站大氣化學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集流程見圖5。

圖5 中山站大氣化學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.5 The atmosphere chemistry monitors system at Zhongshan Station

在“雪龍”號(hào)考察船赴南極航渡期，船上進(jìn)行了紫外輻射(UVB)和地面臭氧［21，22］、黑碳?xì)馊苣z和CO濃度的在線觀測(cè);在海上每隔10個(gè)緯度用高壓采氣鋼瓶采集空氣樣品［9］;并建有海－氣CO2、N2O通量，氣溶膠采樣等觀測(cè)系統(tǒng)［12，17］在南極中山站，用玻璃瓶(Flask)每周一次采集空氣樣品，在冰蓋內(nèi)陸考察隊(duì)赴DOME A的考察途中也用鋼瓶采集了空氣樣品，一并帶回國(guó)內(nèi)分析［9］。

4.3 極地邊界層物理觀測(cè)系統(tǒng)

除常規(guī)氣象業(yè)務(wù)觀測(cè)和站區(qū)天氣預(yù)報(bào)外，1985年、1987―1988年和1990―1991年，分別在長(zhǎng)城站和中山站開展了近地面微氣象觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。1994年12月至1995年1月，在中山站附近的大陸冰蓋上進(jìn)行了包括超聲風(fēng)溫脈動(dòng)觀測(cè)、系留氣艇、輻射平衡和熱量平衡的近地面物理聯(lián)合觀測(cè)［22］。2008年1—2月，在距中山站西南方向約6 km的冰蓋地區(qū)進(jìn)行了大氣邊界層湍流觀測(cè)試驗(yàn)。應(yīng)用超聲風(fēng)溫儀(Gill，Wind master)和輻射平衡觀測(cè)系統(tǒng)(KIPPZONEN，CNR1)，用太陽能電池作為觀測(cè)系統(tǒng)的電源，獲取了南極冰蓋近地層冰/氣相互作用的詳細(xì)資料。

1999年、2003年、2008年和2010年7—9月，中國(guó)組織了4次北極北冰洋科學(xué)考察，在白令海及北冰洋，以考察船、直升飛機(jī)、浮冰站為觀測(cè)平臺(tái)，進(jìn)行了海洋―海冰―大氣―生物的多學(xué)科聯(lián)合綜合觀測(cè);其中在浮冰站上，主要進(jìn)行了近地層大氣物理(梯度和超聲)、GPS低空(18000 m)探測(cè)、極區(qū)大氣氣溶膠和低層大氣溫室氣體采集［14～17］。2002年7月民間的中國(guó)伊力特·沐林北極科學(xué)探險(xiǎn)考察，在斯瓦爾巴群島的朗伊爾地區(qū)設(shè)立的科學(xué)考察站進(jìn)行了有關(guān)大氣、冰川、地質(zhì)和植物等學(xué)科的綜合考察;2004年7月北極黃河科學(xué)考察站建立后，利用有線遙測(cè)自動(dòng)氣象站，在離地10 m和3 m高度處安裝了溫度、濕度和風(fēng)向風(fēng)速傳感器(見圖6)，進(jìn)行了有關(guān)北極苔原近地面物理過程的準(zhǔn)業(yè)務(wù)觀測(cè)［9］。

圖6 黃河站梯度觀測(cè)Fig.6 The gradient observation at Yellow River Station

在這些考察活動(dòng)中逐步建立和完善了下列極地邊界層觀測(cè)系統(tǒng)。

1)近地面輻射平衡觀測(cè)系統(tǒng)。采用有國(guó)際可比較性的輻射儀器，進(jìn)行總輻射、反射輻射、地面長(zhǎng)波輻射、大氣逆輻射、凈輻射等近地面輻射平衡分量和紫外輻射、UVB等輻射量的觀測(cè)。所用儀器有:荷蘭Kippzonen公司凈輻射表(CNR-1);美國(guó)Eppley公司短波輻射表(M-PSP)和長(zhǎng)波輻射表(MPIR);美國(guó)Yankee公司UVB紫外輻射表;錦州322所國(guó)產(chǎn)總輻射表等。

2)近地面熱量平衡梯度觀測(cè)系統(tǒng)。利用4、8、10、32氣象塔，分層架設(shè)溫度、濕度、風(fēng)等慢響應(yīng)儀器，借助于天氣動(dòng)力學(xué)的通量廓線法獲取近地面感熱、潛熱、動(dòng)量等邊界層物理參數(shù)。所用感應(yīng)元件有芬蘭 VAISALA溫、濕度感應(yīng)器(HMP45D)，芬蘭VAISALA氣壓傳感器(PTB100220A)，美國(guó) APOGEE公司紅外溫度傳感器(IRR-P)，國(guó)家海洋局海洋技術(shù)中心風(fēng)傳感器(XF3-1)等。

3)近地面湍流和物質(zhì)平衡觀測(cè)系統(tǒng)。利用超聲風(fēng)溫儀和水汽、CO2脈動(dòng)儀，了解近地面湍流特征，用直接方法獲取近地面感熱、潛熱、動(dòng)量通量和CO2的物質(zhì)通量。所用儀器有:美國(guó)Campbell公司三維超聲風(fēng)溫儀(CSATS-L)、Wind Master Pro三維超聲風(fēng)速儀(Gill)，日本Kaijo公司的風(fēng)溫超聲脈動(dòng)儀(DA-600-3T)，美國(guó) Licor公司的紅外水汽、CO2脈動(dòng)儀(LI-7500)，美國(guó)熱電子公司的臭氧分析儀(TE49C)，加拿大 UNISEREACH的臭氧分析儀(LOZ-M)等。

4)近地面大氣結(jié)構(gòu)系留汽艇和GPS低空探測(cè)系統(tǒng)。利用系留汽艇和GPS低空氣球探測(cè)，了解近地面數(shù)百米和低空18000 m以下的大氣結(jié)構(gòu)特征。所用儀器有:美國(guó)Air公司系留汽艇及探測(cè)器(TS-3A、5A、2A);中國(guó)氣象科學(xué)研究院GPS低空探測(cè)系統(tǒng)。

5)聲雷達(dá)和風(fēng)廓線儀。利用多普勒測(cè)風(fēng)聲雷達(dá)和風(fēng)廓線儀對(duì)大氣邊界層風(fēng)速、風(fēng)向垂直分布及對(duì)流層中下部的風(fēng)速、風(fēng)向廓線進(jìn)行無球連續(xù)觀測(cè)。目前多普勒測(cè)風(fēng)聲雷達(dá)已安裝在南極中山站，探測(cè)高度為30～600 m，一般為300 m;Airda船載風(fēng)廓線雷達(dá)已安裝在“雪龍”號(hào)考察船，探測(cè)最大高度為5000 m。

4.4 中國(guó)極區(qū)高空大氣物理觀測(cè)系統(tǒng)

我國(guó)南極長(zhǎng)城、中山、昆侖站和北極黃河站，在開展日地空間環(huán)境觀測(cè)研究方面都有著得天獨(dú)厚的地理位置，非常適合開展極區(qū)高空大氣物理觀測(cè)研究［23］。這些工作是由中國(guó)極地研究中心、信息產(chǎn)業(yè)部電子22所和中科院地質(zhì)與地球物理研究所等單位承擔(dān)的。

南極長(zhǎng)城站位于亞極光帶和威德爾海電離層異常區(qū)及南大西洋地磁異常區(qū)，是地球空間環(huán)境的特殊區(qū)域，也是我國(guó)在西半球唯一的空間環(huán)境監(jiān)測(cè)站。在日地空間環(huán)境研究方面，長(zhǎng)城站主要開展了電離層和地磁觀測(cè)［23］。中國(guó)極地高層大氣科學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)主要設(shè)在南極中山站和北極黃河站，進(jìn)行與高層大氣物理有關(guān)的電離層和極光觀測(cè)。

我國(guó)南極中山站具有得天獨(dú)厚的地理位置，離南磁極也較近，白天處于極隙區(qū)，晚上處于極蓋區(qū)，可以觀測(cè)到磁層動(dòng)力學(xué)過程豐富的電離層征兆和極光現(xiàn)象，是地面監(jiān)測(cè)空間環(huán)境的理想之地，也是世界上少數(shù)可以進(jìn)行午后極光觀測(cè)的臺(tái)站之一。目前已建成與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌的南極中山站高空大氣綜合觀測(cè)系統(tǒng)，采用光學(xué)、電磁感應(yīng)和無線電等多種觀測(cè)手段，建造了專門的高空大氣物理(UAP)觀測(cè)棟，實(shí)現(xiàn)了對(duì)南極地區(qū)極光、電離層和地磁等要素的連續(xù)監(jiān)測(cè)，成為世界上最有影響的5個(gè)高空大氣物理觀測(cè)站之一［23］。

北極黃河站位于斯瓦爾巴群島的新奧爾松鎮(zhèn)，它處于地球北半球極隙區(qū)緯度，與南極中山站地磁共軛，基本上和中山站在同一根磁力線上。黃河站的極夜時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月，是觀測(cè)極光等日地物理現(xiàn)象和高緯共軛現(xiàn)象的理想之地。在黃河站和中山站可以觀測(cè)到同一極光事件在南、北極的表現(xiàn)。目前在黃河站采用三波段極光全天空CCD成像系統(tǒng)對(duì)極光三個(gè)譜線強(qiáng)度和沉降電子能量的二維空間分布進(jìn)行連續(xù)、同步觀測(cè);用成像式宇宙噪聲接收機(jī)全天候監(jiān)測(cè)高能粒子沉降;安裝了電離層閃爍監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)極區(qū)電離層不均勻體及其引起的信號(hào)閃爍，參加了監(jiān)測(cè)不均勻體漂移的電離層閃爍三角監(jiān)測(cè)網(wǎng)。黃河站附近分布著國(guó)際上最先進(jìn)的日地空間環(huán)境觀測(cè)系統(tǒng)，包括歐洲非相干散射雷達(dá)(EISCAT)、國(guó)際超級(jí)雙子極光雷達(dá)(Super DARN)、國(guó)際SPEAR電離層加熱裝置和挪威科學(xué)探測(cè)火箭發(fā)射試驗(yàn)場(chǎng)等，因此，黃河站也是開展空間環(huán)境國(guó)際聯(lián)合觀測(cè)的理想場(chǎng)所［23］。

上述三個(gè)常年考察站的空間環(huán)境觀測(cè)儀器自建成后均進(jìn)行了常規(guī)觀測(cè)，已積累了極區(qū)空間環(huán)境多要素的連續(xù)觀測(cè)資料，實(shí)現(xiàn)了對(duì)南北極空間環(huán)境的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

南極昆侖站處于極隙區(qū)，目前還只是度夏站，今后在該地開展的高空大氣物理觀測(cè)，將在時(shí)間和空間上擴(kuò)展對(duì)地球極隙區(qū)高空大氣的觀測(cè)范圍。

4.5 中國(guó)極地大氣科學(xué)考察基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集

極地是氣象資料最為匱乏的地區(qū)之一，進(jìn)行極地大氣環(huán)境變化監(jiān)測(cè)和全球變化研究時(shí)，極地現(xiàn)場(chǎng)考察資料尤為寶貴，資料共享也十分重要。在國(guó)家海洋局極地考察辦公室的大力支持下，由中國(guó)氣象科學(xué)研究院極地氣象研究室整編的長(zhǎng)城站和中山站1992年前的逐日常規(guī)氣象資料及部分輻射和大氣臭氧資料，已以“南極考察資料報(bào)告”的形式，分成七集由氣象出版社出版，除提供國(guó)內(nèi)有關(guān)單位使用外，也與國(guó)外極地研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行交換。長(zhǎng)城站和中山站的氣象考察資料，已在南極“八五”、“九五”、“十五”國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目的氣象、海洋、地理地貌、冰川、生物、醫(yī)學(xué)等學(xué)科研究中得到了廣泛應(yīng)用。中國(guó)南極大氣科學(xué)考察的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)已收錄進(jìn)入“地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)——中國(guó)南北極數(shù)據(jù)中心”(http://polar.geodata.cn:8060/Portal/index.jsp)、“地球科學(xué)數(shù)據(jù)系統(tǒng)(WDC-D)——?dú)庀髮W(xué)科部分”的國(guó)家氣象信息中心“中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)”(http://cdc.cma.gov.cn/index.jsp)和“中國(guó)氣象科學(xué)研究院網(wǎng)站”的“大氣科學(xué)數(shù)據(jù)庫”(http://www.cams.cma.gov.cn/cams_kxsy/qky_kxsy_index.htm)等共享數(shù)據(jù)庫［5］。南極氣象業(yè)務(wù)獲得氣象數(shù)據(jù)已收入我國(guó)“地球科學(xué)數(shù)據(jù)系統(tǒng)(WDC-D)——?dú)庀髮W(xué)科部分”、“中國(guó)極地科學(xué)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)”和國(guó)際南極研究科學(xué)委員會(huì)(SCAR)整編的南極氣候資料數(shù)據(jù)庫中，這些資料都可以通過國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)查到［9］。

在高層大氣物理方面，開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，如極光全天空?qǐng)D像處理系統(tǒng)、感應(yīng)式磁力計(jì)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、完善了電離層頻高圖判讀技術(shù)和電離層漂移數(shù)據(jù)處理方法等等。對(duì)觀測(cè)的原始記錄進(jìn)行數(shù)據(jù)判讀和整理，出版了電離層觀測(cè)數(shù)據(jù)集和地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)集;目前極光(http://aurora.chinare.org.cn)、電離層數(shù)字測(cè)高儀(http://dps4.chonare.org.cn)和地磁(http://geomag.chinare.org.cn)數(shù)據(jù)庫的部分?jǐn)?shù)據(jù)已在網(wǎng)上發(fā)布［23］。

5 極地大氣科學(xué)觀測(cè)工程的應(yīng)用

極地氣象科學(xué)考察與研究是近30年來在我國(guó)有較大進(jìn)展的科學(xué)領(lǐng)域，通過研究對(duì)極地與全球變化的關(guān)系有了初步認(rèn)識(shí)。特別是，在極地天氣氣候特征及氣候變化時(shí)空多樣性、極地考察業(yè)務(wù)天氣預(yù)報(bào)和災(zāi)害性天氣的研究、極地海冰變化的診斷和模擬、極地邊界層物理和海冰氣相互作用、極地大氣化學(xué)的觀測(cè)研究、極地大氣環(huán)境對(duì)東亞環(huán)流和中國(guó)天氣氣候的影響等方面做出了很好成果［9］。其中，中國(guó)極地大氣科學(xué)觀測(cè)工程體系所獲科學(xué)數(shù)據(jù)，在我國(guó)極地科學(xué)研究中發(fā)揮了重要作用［9］。其中影響較大的有以下幾方面。

5.1 極地天氣氣候特征及氣候變化時(shí)空多樣性

利用實(shí)測(cè)資料為主，對(duì)極地天氣氣候和環(huán)流特征，特別是南極長(zhǎng)城站、中山站和南極中山站至冰蓋最高DOME A考察斷面、北極黃河站及臨近地區(qū)的近地面氣候特征和北冰洋浮冰區(qū)的氣象要素特征和極地氣候變化的時(shí)空多樣性進(jìn)行了研究［9，19］。

南北極地區(qū)的氣候變化從時(shí)間、空間上來說都是多樣的，在南極地區(qū)，以溫度和海冰為代表的氣候特征的變化并不一致，存在著5個(gè)變化不同的區(qū)域［24，25］。近50年來南極和鄰近地區(qū)的溫度變化與全球平均并不一致;我國(guó)南極長(zhǎng)城站和中山站分別位于西南極和東南極。在長(zhǎng)城站，近20余年來溫度顯著上升，而在中山站，增溫不顯著(見圖 7)［26，27］。南極地區(qū)的增暖主要發(fā)生在南極半島地區(qū)，而在南極大陸主體增暖并不明顯，近十余年來還有降溫趨勢(shì)［24～27］;近年來西南極頻繁發(fā)生的冰架融化和崩塌，在東南極也沒有發(fā)生。

圖7 南極長(zhǎng)城站和中山站地區(qū)的溫度變化Fig.7 Variation of monthly mean air temperature at the Great Wall and Zhongshan Stations，Antarctic

南北極地區(qū)的氣候系統(tǒng)十分復(fù)雜，有些變化也很難用單一的人類活動(dòng)影響來解釋。目前還沒有足夠的依據(jù)能說，近50余年來南極和鄰近地區(qū)的溫度變化是由于溫室效應(yīng)加強(qiáng)的結(jié)果，這種變化在很大程度上仍可能是氣候系統(tǒng)內(nèi)部的變化。對(duì)南北半球溫度短期氣候變化趨勢(shì)的差異的氣候?qū)W意義應(yīng)予以重視［24～27］。

5.2 南極臭氧和臭氧洞

利用中國(guó)極地大氣科學(xué)觀測(cè)工程體系所獲南極中山站地面臭氧、大氣臭氧探空和大氣臭氧總量(見圖8)等觀測(cè)資料，對(duì)中山站地區(qū)大氣臭氧的時(shí)空分布，特別是南極臭氧洞期間地面臭氧、對(duì)流層臭氧和平流層臭氧的變化特征進(jìn)行了研究，揭示了南極平流層和對(duì)流層的臭氧和溫度的季節(jié)變化特征，探討了中山站地區(qū)近地面溫度、臭氧和水汽的分布特征［9，20，27，28］(見圖 9)。利用“雪龍”號(hào)赴極地考察的機(jī)會(huì)，獲得了從75°N～70°S極地考察航線上的地面臭氧觀測(cè)資料，對(duì)考察航線上地面臭氧濃度分布特征等進(jìn)行了研究［21］(見圖10)。

圖8 南極中山站大氣臭氧總量變化Fig.8 Variations of monthly total ozone amount at Zhongshan Station

圖9 南極中山站2008年臭氧和溫度垂直剖面［28］Fig.9 Monthly mean vertical profiles of ozone and temperature at Zhongshan Station in 2008［28］

南極臭氧洞的產(chǎn)生與人類活動(dòng)排放到大氣中的污染物，特別是氟里昂和溴化烴等含氯和溴的化合物，在平流層低溫條件下氣溶膠冰晶云(PSC)表面的光化學(xué)反應(yīng)密切相關(guān)。大氣中存在有人類活動(dòng)排放的氟里昂和溴化烴等消耗臭氧層物質(zhì)(人為因素)，是春季南極臭氧洞形成的必要條件;春季南極平流層極地渦旋中的低溫(自然因素)，是南極春季臭氧洞形成的又一個(gè)必要條件。只有這兩個(gè)必要條件合起來，才是形成臭氧洞的充分必要條件。由此，可以解釋為什么到目前為止，只是在南極上空春季出現(xiàn)了臭氧洞，在北極和青藏高原上空，并沒有出現(xiàn)臭氧洞［29］。

圖10 “雪龍”號(hào)赴南北極航線地面臭氧的平均變化［21］Fig.10 Mean variation of surface ozone concentrations over the points along the“Snow-Dragon”ship’s route ［21］

5.3 極地邊界層物理和海冰氣相互作用

利用實(shí)地考察獲得的第一手資料，對(duì)南極冰蓋、北極苔原、北極浮冰等不同下墊面近地面輻射和熱平衡特征、大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征、極地邊界層物理和海冰氣相互作用等進(jìn)行了研究，對(duì)海―氣和冰―氣邊界層物理過程的差異有了新的認(rèn)識(shí)，并為氣候模式提供重要的邊界層物理參數(shù)［9，22，30］。對(duì) NCEP/NCAR和EC近地面資料的再分析結(jié)果，在北極苔原和海冰地區(qū)的適用性有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)?？偟膩碚f，再分析資料能反映大范圍要素的變化趨勢(shì)，但由于對(duì)局地的下墊面狀況及邊界層特征考慮不周，在北極苔原和海冰地區(qū)，再分析資料中輻射和熱量平衡各分量的模擬值與實(shí)測(cè)值的差異都很大，在實(shí)際運(yùn)用時(shí)應(yīng)盡可能用實(shí)測(cè)值，不能簡(jiǎn)單地直接引用再分析結(jié)果［9］。針對(duì)極地層特點(diǎn)，利用實(shí)測(cè)資料，對(duì)用空氣動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算湍流通量時(shí)，常用的普適函數(shù)方案進(jìn)行了比較，設(shè)計(jì)了新的湍流通量參數(shù)化方案，為進(jìn)一步優(yōu)化北冰洋浮冰區(qū)邊界層參數(shù)化方案和提高計(jì)算精度提供重要依據(jù)［9］。

6 結(jié)語

近30年來，隨著中國(guó)極地科學(xué)考察事業(yè)的發(fā)展，中國(guó)極地大氣科學(xué)觀測(cè)工程體系從無到有也取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，為我國(guó)南極科學(xué)考察和研究事業(yè)做出了重要貢獻(xiàn)。極地大氣的實(shí)地考察是極地大氣科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著全球變化研究的不斷深入，極地氣象科學(xué)考察也從傳統(tǒng)的壓、溫、濕觀測(cè)，向包括大氣物理、大氣化學(xué)和大氣環(huán)境在內(nèi)的更廣泛的大氣科學(xué)考察領(lǐng)域發(fā)展。

南北極是目前全球氣象資料最貧乏的地區(qū)之一，氣象臺(tái)站的密度遠(yuǎn)小于人類居住的其他地區(qū)。在衛(wèi)星遙感技術(shù)飛速發(fā)展的現(xiàn)代，雖利用高分辨率的衛(wèi)星遙感資料計(jì)算獲得大氣溫度、濕度及臭氧總量，并由此來填補(bǔ)南北極地區(qū)的資料不足，但必須用各種實(shí)測(cè)資料來進(jìn)行對(duì)比和校正。目前，南北極地區(qū)的實(shí)地大氣科學(xué)觀測(cè)仍是不可取代的。

在南北極地區(qū)，瞄準(zhǔn)極地氣象科學(xué)研究的國(guó)際前沿，進(jìn)一步加強(qiáng)國(guó)際合作;加強(qiáng)、完善野外觀測(cè)站網(wǎng)，繼續(xù)監(jiān)測(cè)包括近地面溫度在內(nèi)的大氣要素的變化，提高南北氣象業(yè)務(wù)水平;拓展極地氣象科學(xué)考察研究領(lǐng)域，積極獲取氣候代用資料;進(jìn)一步量化和認(rèn)識(shí)極地在全球變化中的作用，及其對(duì)我國(guó)天氣氣候和國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的影響;建立完善極地大氣科學(xué)觀測(cè)和研究體系，提高研究水平，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)支撐;仍是我國(guó)極地氣象科學(xué)與全球變化研究的重要內(nèi)容。

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The Chinese polar atmospheric sciences observation engineering system

Lu LongHua，Bian Lingen

(Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing 100081，China)

The polar regions are located in the north and south ends on the earth，which are the key areas of global change research.To understand global change，especially the global climate change，it is needed to research on polar atmosphere.Chinese Arctic and Antarctic of scientific investigation started in 80s and 90s of last century.As a national action，by the end of 2011，28 times Antarctic expeditions and 8 times Antarctic inland expeditions，and 4 time Arctic expeditions were organized.3 Antarctic bases(Great Wall，Zhongshan and Kunlun)and 1 Arctic base(Yellow River)and 6 automatic weather stations were established.Formed by the manual weather station，automatic weather station and weather observation on the“Xuelong”icebreaker vessel as the main platform of the polar expedition of hardware support system.Chinese polar atmospheric science observation system is gradually formed including the meteorological operational observation and short-term investigation study.Chinese polar meteorological expedition and research work has made great progress by the efforts near 30 years.

Antarctic;Arctic;atmospheric sciences;observation engineering

P461

A

1009－1742(2012)09－0072－13

2012－06－25

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41076132);“十二五”國(guó)家海洋局“南北極環(huán)境綜合考察與評(píng)估”專項(xiàng)(CHINARE2011－2015)

陸龍驊(1942—)，男，江蘇無錫市人，研究員，研究方向?yàn)榍嗖馗咴?、極地大氣科學(xué)考察研究和全球變化研究;E－ mail:lulonghua@cams.cma.gov.cn