張林 李春花 柴先明 魏立新 李明 孫啟振 李志強 趙杰臣 趙彪劉富彬 田忠翔 孟上 孫虎林 馬靜 蘇博 于海鵬 劉洋

（1國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，國家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報技術(shù)研究重點實驗室，北京100081；2北京市遙感信息研究所，北京100192）

0 引言

南極惡劣的天氣和復(fù)雜的冰情是影響南極科考安全的重要因素，為了有效保障中國第30次南極科學(xué)考察的順利開展，國家海洋環(huán)境預(yù)報中心（簡稱預(yù)報中心）承擔了雪龍船海冰和氣象服務(wù)保障任務(wù)。

2013年12月25日，雪龍船接到俄羅斯“紹卡利斯基院士”號船救援請求后，改變原定赴羅斯海新建站址考察任務(wù)，趕往俄羅斯船被困海域進行救援（圖1），12月26日雪龍船進入俄羅斯船遇困浮冰區(qū)，2014年1月3日凌晨，雪龍船完成救援任務(wù)，準備撤離時，發(fā)現(xiàn)周圍海冰異常密實且厚度超出其破冰能力，被困冰區(qū)。預(yù)報中心及時利用實時高分辨衛(wèi)星遙感圖像、現(xiàn)場觀測資料和數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品綜合分析研判，提出6—8日是雪龍船脫困的最佳時機，建議雪龍船在該時間段擇機破冰突圍。7日，雪龍船根據(jù)準確預(yù)報信息，抓住有利時機，成功實現(xiàn)自我脫困。

雪龍船處在默茨冰川的西側(cè)，見圖2（a），該區(qū)域為多風區(qū)，默茨冰川于2010年2月發(fā)生斷裂，顯著縮短，斷裂前，由于突出的冰舌阻擋來自東側(cè)的海冰，雪龍船所處位置在歷史同期海冰較少，默茨冰川斷裂縮短后，由于南極沿岸存在西向的沿岸流，海冰的流動性增強，有更多的海冰進入該海域，原位于默茨冰川東側(cè)的巨型冰山B09B已移動到聯(lián)邦灣區(qū)域（142°43′E，66°37′S），大小為27海里 ×10海里（http：／／www.natice.noaa.gov／Main＿Products.htm），并已擱淺固定［1-2］，即位于雪龍船的西側(cè)附近?？梢姡埓焕^(qū)域環(huán)境的復(fù)雜性。

圖1 雪龍船被困位置示意圖Fig.1.The R／V Xuelong trapped locationmap

圖2 雪龍船進入和離開被困區(qū)域的海冰.（a）2014年1月7日RadarSat-2衛(wèi)星遙感圖像；（b）氣象狀況Fig.2.Sea ice image（a）from RadarSat-2 on 7 Jan 2014 and meteorological conditions（b）during the R／V Xuelong

本文主要介紹了雪龍船被海冰圍困應(yīng)急期間的海冰氣象保障工作，并針對雪龍船被困期間的海冰、氣象和海洋環(huán)境狀況進行了綜合分析，著重分析了海冰運動、分布變化，對其與風速、風向，以及潮汐、潮流的關(guān)系進行了定性分析，得到一些初步結(jié)論。

1 數(shù)據(jù)資料與方法

目前能獲取的南極海冰衛(wèi)星遙感資料主要有，德國不萊梅大學(xué)提供的AMSR2微波衛(wèi)星遙感資料（http：／／www.iup.uni-bremen.de：8084／amsr2），空間分辨率為6.25 km［3］。微波遙感獲得的數(shù)據(jù)受云的影響小，能夠在大尺度獲得海冰分布的狀態(tài)信息，但其分辨率相對較低。第二種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)是由NASA提供的MODIS可見光衛(wèi)星遙感圖像（http：／／lance-modis.eosdis.nasa.gov／imagery），分辨率為250 m。MODIS可見光圖像相對微波遙感技術(shù)來說，空間分辨率高，可以達到百米級，但是受云的影響大。第三種數(shù)據(jù)是SAR衛(wèi)星遙感圖像，包括加拿大的RadarSat-2衛(wèi)星遙感圖像和中國SAR衛(wèi)星遙感圖像，分辨率能達到米級，且不受云的影響，對冰區(qū)導(dǎo)航無疑是最佳選擇。

對于此次雪龍船被海冰圍困應(yīng)急事件，使用以Polar WRF模式為核心的極地大氣數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，在雪龍船受困海域建立模式嵌套區(qū)域，為雪龍船脫困提供精細化數(shù)值天氣預(yù)報。Polar WRF極地大氣數(shù)值模式是由美國俄亥俄州立大學(xué)伯德極地研究中心在 WRF模式（Weather Research and Forecasting model）基礎(chǔ)上進行改進的，以使其適用于極地［4-6］。極地大氣數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的參數(shù)配置為，垂直方向分為51層，并在邊界層進行加密，頂層氣壓設(shè)置為10 hPa；水平方向采用嵌套方式，對重點地區(qū)進行高水平分辨率預(yù)報，最高水平分辨率為3.33 km（圖3）。模式的初始場和邊界條件采用高分辨率的NCEPGFS資料，并包含對GTS準實時觀測數(shù)據(jù)的同化過程。GFS來源于全球譜模式，是較為可靠的模式輸入數(shù)據(jù)源。本文所采用的GFS數(shù)據(jù)的空間分辨率為1°×1°，包含了26個等壓面層（1 000—10 hPa）、地表邊界層、某些sigma層以及對流層的信息，數(shù)據(jù)的時間間隔為 6 h（00、06、12、18 UTC）。模式的參數(shù)化方案選取為：微物理過程方案選取WSM5方案；長波輻射選取RRMT方案；短波輻射方案選取Goddard方案；邊界層方案選取MYJ方案；積云方案選取kain-Fritsh方案。

極地大氣數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)輸出平均海平面氣壓場、降水量場、10m高度風場、2m高度氣溫場、等壓面位勢高度場以及雪龍船所在位置的各氣象要素量化預(yù)報等數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，預(yù)報時效為168 h。經(jīng)過檢驗發(fā)現(xiàn)，極地大氣數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的產(chǎn)品準確度較高，完全滿足應(yīng)急現(xiàn)場天氣預(yù)報需求。

圖3 極地大氣數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)為雪龍船脫困訂制的模式計算嵌套區(qū)域Fig.3.Domains designed of the Polar Weather Numerical Forecasting System（hereinafter referred to as PWNFS）for the R／V Xuelong rescue

潮汐潮流預(yù)報系統(tǒng)的開邊界處采用全球潮汐模型TPXO7的潮位和潮流資料驅(qū)動，模式水深資料為gebco 0.5′分辨率數(shù)據(jù)，并收集了雪龍船附近澳大利亞聯(lián)邦灣站基于歷史觀測資料調(diào)和分析的潮汐時刻表用以模式驗證。

2 雪龍船周邊區(qū)域海冰分析

結(jié)合現(xiàn)場觀測和衛(wèi)星遙感資料綜合分析，我們按海冰類型和厚度，將雪龍船所在區(qū)域分為三個分區(qū)，即當年海冰區(qū)，冰厚較薄，厚度在1 m以下；密實多年海冰區(qū)，此區(qū)域為當年冰和多年冰的海冰混合區(qū)，冰情復(fù)雜，海冰類型較多，海冰厚度可以達到3—4 m，雪龍船被困區(qū)域正好在此區(qū)域；固定冰區(qū)，冰山B09B即位于該區(qū)域西側(cè)，此區(qū)域海冰為常年多年冰，海冰厚度大且堅固，由于冰山以及固定冰的阻擋，導(dǎo)致東側(cè)海冰易于堆積。

2013年12月27日，雪龍船救援俄羅斯船受阻，雪龍船所在區(qū)域周圍冰情嚴重，海冰密集度達到十成。雪龍船距離最近的海冰外緣點（145°E，66°43′S附近）的距離約為25 km，見圖4。在持續(xù)的偏東風作用下，相對于前幾日的海冰情況，雪龍船周圍的海冰明顯增加，海冰變得更加密實，雪龍船右側(cè)144.5°E—146°E，66°S—67°S區(qū)域及其北側(cè)出口144°E—146°E，65.5°—66°S區(qū)域海冰增多，偏東風的天氣狀況加劇了雪龍船周圍海域的冰情。12月31日雪龍船往外移動已較困難，根據(jù)現(xiàn)場反饋回來信息雪龍船周圍海域近十成冰，海冰厚度達3—4 m，附近還有冰山，而且這個區(qū)域內(nèi)冰脊較多，海冰堆積程度很高，遠超雪龍船破冰能力。結(jié)合2014年1月2日MODIS可見光圖像（圖5），我們可以清晰地看到雪龍船所在區(qū)域的海冰分布和海冰外緣線狀況。

血清白介素-18及社會心理因素與急性腦梗死后抑郁的關(guān)系 … …………… 費鵬鴿，張朝輝，宋景貴，等 64

利用多幅高分辨率SAR圖像，對雪龍船所在區(qū)域的海冰類型和冰山運動漂移進行了分析，見圖6。在計算冰山和大塊浮冰的運動速度時，必須考慮的一個因素是，雪龍船位于一個亂冰堆積帶里，該堆積帶右側(cè)的邊緣，距離雪龍船約3 km，當浮冰和冰山進入該堆積帶后，就會停止向前運動。圖中的冰山1正好位于浮冰堆積帶的邊緣區(qū)，由于其尺度較大，約900 m×500 m，對雪龍船威脅較大，因此重點對該冰山進行了監(jiān)測。冰山1在1月2日至3日，往北漂移了8.5 km，其每小時約漂移350 m，3日至5日又朝西北方向漂移了約3.5 km。當冰山進入海冰堆積帶后，運動幾乎停止，見圖6中2014年1月5日的冰山位置，僅在潮流的作用下，發(fā)生微小的位移。此外，1月5日在雪龍船東南側(cè)8.0 km處新增一座較大冰山2，大小為200 m×600 m。由此可見該區(qū)域冰山的運動變化較快，對雪龍船突圍構(gòu)成潛在威脅。

圖4 2013年12月27日AMSR2海冰密集度圖Fig.4.Sea ice concentration from AMSR2 on 27 Dec 2013（Data source：http：／／www.iup.uni-bremen.de：8084／amsr2／）

圖5 2014年1月2日MODIS可見光圖像Fig.5.Sea ice image from MODISon 2 Jan 2014（Data source：http：／／lance-modis.eosdis.nasa.gov／imagery）

1月7日，伴隨著影響雪龍船區(qū)域的氣旋離開，雪龍船附近風向轉(zhuǎn)為偏西風。在持續(xù)偏西風作用下，雪龍船左側(cè)約19 km處的海冰出現(xiàn)了大范圍的斷裂，同時右側(cè)約3 km處也出現(xiàn)了裂縫，見圖7。雪龍船成功利用這次海冰斷裂的機會，成功實現(xiàn)自我脫困。

圖6 基于SAR衛(wèi)星遙感圖像分析的冰山漂移Fig.6.Icebergs drifting map from SAR satellite remote sensing images analysis

圖7 2014年1月7日MODIS海冰可見光圖像Fig.7.Sea ice image from MODISon 7 Jan 2014（Data source：http：／／lance-modis.eosdis.nasa.gov／imagery）

3 極地大氣數(shù)值預(yù)報

為檢驗?zāi)Ｊ綄ρ埓诤Ｓ蝻L場預(yù)報的準確度，我們分別將附近法國南極考察站迪蒙迪維爾站（66.66°S，140.00°E）和雪龍船的實測風資料與數(shù)值模式預(yù)報結(jié)果進行驗證（圖8）。數(shù)值模式預(yù)報得到的風向與迪蒙迪維爾站實測風向幾乎一致，均有自東-東南風轉(zhuǎn)為東風的過程，并且風向轉(zhuǎn)換的時間也是一致的。

由圖8（a）可見，模式得到的風速比迪蒙迪維爾站實測風速稍大，但是趨勢完全一致；圖8（b）表明模式預(yù)報站點氣壓及風向與雪龍船實測值幾乎一致，當實際風速相對較大時，預(yù)報的風速比實測風速大，風速相對較小時，預(yù)報值與實測值基本一致。可見此極地大氣數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)用于雪龍船脫困期間風場的預(yù)報是可靠的，具有重要的參考價值。

圖8 極地大氣數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)與法國站（a）實測風速和雪龍船（b）實測氣壓風向風速的對比Fig.8.Comparison ofwind speed and pressure from observations and PWNFS at Dumont d’Urville Station，F(xiàn)rance（a）and the R／V Xuelong（b）

基于以上檢驗，我們使用極地大氣數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)對雪龍船及其附近海域的平均海平面氣壓場、風場、降水量場、500 hPa位勢高度場進行了數(shù)值預(yù)報（圖9），根據(jù)預(yù)報結(jié)果，進行了天氣過程發(fā)展的分析和預(yù)測。

為了更加直觀地預(yù)報雪龍船受困位置風的變化趨勢，我們根據(jù)客觀量化的風向風速數(shù)值預(yù)報結(jié)果，繪制了風向轉(zhuǎn)變的時間窗口示意圖（圖10）。

圖9 極地大氣數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)關(guān)于雪龍船附近海域海平面氣壓場、風場、降水量場以及500 hPa位勢高度場的預(yù)報圖Fig.9.MSLP（hPa），wind（m·s－1），precipitation（mm），500 hPa geopotential height（m）from PWNFS in different domains

由圖10（a）可知，自北京時間6日22：00左右開始，極地大氣數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)所預(yù)報的風向?qū)⒂善珫|風轉(zhuǎn)為偏西風。風向轉(zhuǎn)變之后，在大約9 h內(nèi)風向逐漸增大，但風力維持在3級之內(nèi)，之后風速有平緩減弱的趨勢。從8日0：00開始至16：00，風向在西南風與西北方之間擺動，風速也有小幅波動。自8日夜間開始，風向轉(zhuǎn)為東南風，風速有較大波動，風力可達6—7級。

1月7日更新的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品（圖10b）表明，偏西風將在8日上午結(jié)束，即西風的時間窗口將提前結(jié)束。8日傍晚轉(zhuǎn)為偏東風，風速有波動，并從9日下午之后開始逐漸增強。

根據(jù)上述數(shù)值預(yù)報結(jié)果，我們對雪龍船所在海域風向轉(zhuǎn)變的時間窗口和風速變化趨勢做出了準確的預(yù)報，為雪龍船脫困時機的選取提供了重要的氣象保障。

4 南極高分辨率潮汐潮流預(yù)報

利用區(qū)域海洋環(huán)流模式ROMS［7］在雪龍船被困區(qū)域（138°E—148E°，65°S—68°S）建立潮汐潮流預(yù)報模型（圖11）。雖然南極潮汐觀測資料匱乏，但是數(shù)值模型作為工具已經(jīng)取得一定進展［8-9］。本文所建立的模型水平分辨率為1／60°，垂向50層。模式從2014年12月1日00：00啟動，積分40天，取自雪龍船被困1月2日起至1月9日的預(yù)報結(jié)果進行分析，并與雪龍船位置較近的南極聯(lián)邦灣站基于歷史觀測資料調(diào)和分析的潮位預(yù)報結(jié)果比較，為雪龍船選擇合適的窗口期解困提供有利的海洋環(huán)境信息。

圖10 極地大氣數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)對雪龍船所在位置風向風速的預(yù)報示意圖Fig.10.Wind tendency to the location of the R／V Xuelong from PWNFS

雪龍船被困位置位于南極大陸邊緣，因此潮流在冰山和浮冰飄移過程中發(fā)揮著不可忽視的作用，準確預(yù)報出潮流的流向和轉(zhuǎn)流時刻，對雪龍船脫困窗口期的選擇是十分有利的。從1月2—8日，雪龍船所在位置經(jīng)歷了天文大潮到天文小潮的衰減，從預(yù)報水位曲線看，該海域主要受半日潮波控制，日潮不等現(xiàn)象顯著，呈不規(guī)則半日潮（圖11），極區(qū)潮汐模式預(yù)報的高潮和低潮時刻和南極聯(lián)邦灣站預(yù)報結(jié)果吻合。從2—8日，潮流流速逐漸變小，8日的平均潮流流速約為8 cm／s，該海區(qū)潮流以西北東南方向的往復(fù)流為主（圖略），對雪龍船脫困影響不大。

圖11 模式預(yù)報水位（圖a）與模式預(yù)報流速、流向（圖b）Fig.11.Tidal elevation（a）and tidal current speed and direction（b）from forecastmodel

5 討論

由于雪龍船被困區(qū)域靠近大陸架，海冰類型較為復(fù)雜，冰山較多，多年冰和當年冰夾雜在一起，西側(cè)為固定冰區(qū)，南極大陸沿岸多數(shù)地區(qū)常年盛行偏東風，南半球夏季融化的海冰隨風自東向西漂流，受固定冰阻擋，海冰易產(chǎn)生堆積。根據(jù)海冰、氣象和潮汐潮流綜合分析，風是影響該區(qū)域海冰和冰山運動變化的主要因子，潮流作用次之。

迪蒙迪威爾海即紹卡利斯基號和雪龍船受困海域，受連續(xù)多個氣旋影響，偏東大風持續(xù)時間長，風力大，導(dǎo)致海冰自東向西堆積，是造成雪龍船被圍困的主要因素。2013年12月22日至12月26日受不斷發(fā)展的極地氣旋影響，偏東大風持續(xù)，氣旋中心最低氣壓為969 hPa。12月28日，低壓減弱東移后逐漸填塞，受困海域受均壓場控制，12月30日，再次受氣旋影響，東南風也再次增強，周邊海冰在強勁的東南風作用下，不斷堆積，2014年1月3日后又受氣旋影響，偏東大風使海冰進一步擠壓堆積。從圖3雪龍船進入密集浮冰區(qū)路線可以看到，12月28日之后雪龍船航速基本為0，而是在持續(xù)東南風的作用下隨著海冰向西北方向漂移至被困點，至1月2日向西北方向漂移了8—9 km，由于海冰進一步堆積，海冰越來越密實，將雪龍船深陷其中，1月3—6日雪龍船基本隨潮流做小幅的西北-東南向往復(fù)運動。

通過多頻次的實時高分辨衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，及時掌握雪龍船周邊的冰情變化，綜合大氣和潮汐潮流預(yù)報，進行準確的天氣形勢判斷和預(yù)報，給出1月6—8日為最佳的脫困時間窗口，保障雪龍船順利脫困。1月6日澳大利亞南部高壓強盛，中心氣壓達到1 027 hPa，高壓脊有加強南伸趨勢，根據(jù)實時海冰衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，雪龍船東側(cè)海冰出現(xiàn)了明顯松散現(xiàn)象。6日夜間，受高壓脊的影響，出現(xiàn)偏西風，與預(yù)報結(jié)果一致，7日偏西風加大至4級左右，距雪龍船西側(cè)約19 km處海冰斷裂，現(xiàn)場冰情變化非?？欤”霈F(xiàn)多處破裂，雪龍船附近海冰出現(xiàn)松動，雪龍船成功轉(zhuǎn)向，并在短時間內(nèi)駛出密集浮冰區(qū)。

6 結(jié)論

此次雪龍船脫困應(yīng)急預(yù)報保障工作是對中國極地預(yù)報保障能力的一次檢驗，通過此次突發(fā)事件，讓我們意識到擁有自主實時數(shù)據(jù)資源和自主預(yù)報能力的重要性。及時掌握雪龍船周邊的冰情變化，以及準確的天氣形勢判斷和預(yù)報，是此次雪龍船順利脫困的關(guān)鍵。

通過對雪龍船被海冰圍困期間的海冰、氣象和海洋環(huán)境狀況綜合分析發(fā)現(xiàn)，造成雪龍船被圍困的主要因素，一是由于雪龍船被困區(qū)域靠近大陸架，冰山較多，多年冰和當年冰夾雜在一起，海冰類型較為復(fù)雜；二是由于受連續(xù)多個氣旋影響，在雪龍船受困海域，偏東大風持續(xù)時間長，風力大，加之受西側(cè)固定冰區(qū)阻擋，海冰自東向西堆積，致使雪龍船被困。

通過此次應(yīng)急預(yù)報保障實踐，讓我們認識到南極環(huán)境的復(fù)雜性和不同區(qū)域的獨特性，比如中國在羅斯海擬新建站區(qū)域同樣是個環(huán)境極為復(fù)雜特殊的地區(qū)，要做好未來的預(yù)報保障，必須對當?shù)氐拇髿夂秃Ｑ鬆顩r以及地理狀況有充分的了解，需要我們更深入全面地去研究；此外，中國目前雖然已具備一定的極地預(yù)報保障能力，但由于極區(qū)海冰與海洋、大氣間相互作用的復(fù)雜性，以及極地區(qū)域現(xiàn)場觀測資料的匱乏，目前對極區(qū)大氣、海洋和海冰的預(yù)報還存在很多的不確定性，目前模式分辨率還不能滿足局地較小區(qū)域及航行的預(yù)報需求，預(yù)報能力還較為有限，亟需加強區(qū)域精細化預(yù)報系統(tǒng)的研發(fā)，加強極區(qū)觀測能力建設(shè)，以建立完善的極地監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)。

致謝 衷心感謝北京市遙感信息研究所相關(guān)人員不辭辛勞在雪龍船應(yīng)急預(yù)報保障的第一時間提供了實時衛(wèi)星遙感資料，雪龍?zhí)柾踅ㄖ掖L及現(xiàn)場觀測人員提供了現(xiàn)場信息。感謝澳大利亞南極局的Petra Heil博士及時提供冰情信息，感謝國家海洋衛(wèi)星應(yīng)用中心提供的衛(wèi)星遙感資料，北京師范大學(xué)惠鳳鳴博士在遙感資料分析上提供的幫助。

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