殷寶玲， 劉 琪， 王葉堂

（山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，山東濟(jì)南 250014）

0 引言

南極是世界上風(fēng)力最大的地區(qū)，每年平均8 級(jí)以上的大風(fēng)達(dá)300多天，被稱為地球的“風(fēng)極”，儲(chǔ)存了世界上最大尚未開發(fā)的風(fēng)能資源。近地面風(fēng)作為南極大陸上空重要的氣象因子之一，深刻地影響著大氣環(huán)流、海洋環(huán)流、水循環(huán)、冰蓋物質(zhì)能量平衡等一系列過程。南極大陸因輻射冷卻產(chǎn)生的冷空氣沿著冰面陡坡急劇下滑，形成下降風(fēng)，將迎風(fēng)坡雪表面吹蝕成波狀紋，被吹起的雪部分升華，剩余的在背風(fēng)坡回落形成沉積［1］。冰蓋尺度上，風(fēng)吹雪引起的侵蝕和沉積對(duì)整體表面物質(zhì)平衡量的影響較小，但是局地尺度上不可忽視，可以去除局地所有的降雪形成藍(lán)冰區(qū)。此外，風(fēng)吹帶來的表面雪損失約占冰蓋年降雪的8%［1-2］。南極下降風(fēng)是形成大規(guī)模環(huán)流的必要條件［3］，其分布形態(tài)決定了南極大陸近表層風(fēng)場(chǎng)的主要特征。下降風(fēng)到達(dá)冰蓋邊緣，與冰架、海冰及近海存在相互作用，可以影響海洋中的質(zhì)量輸送和熱鹽環(huán)流。此外，南極極端的風(fēng)條件對(duì)于野外作業(yè)是巨大的挑戰(zhàn)，甚至危及科研人員的人身安全［4-6］。因此，南極近地面風(fēng)的時(shí)空變化研究十分必要，而且對(duì)于認(rèn)識(shí)全球變暖背景下南極大氣環(huán)流的變化也具有重要意義。

作為全球最缺乏現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料的地區(qū)之一，南極冰蓋風(fēng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)同樣十分稀少。從1957—1958 國(guó)際地球物理年（IPY）至今，在整個(gè)南極大陸僅有19 個(gè)人工氣象站點(diǎn)具有時(shí)間序列長(zhǎng)且連續(xù)的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，而且大部分站點(diǎn)分布于冰蓋邊緣地區(qū)，只有2 個(gè)站位于南極大陸內(nèi)部。基于這些觀測(cè)記錄，已開展了一定的南極近地面風(fēng)研究工作。如：van Lipzig等［1］在2004年繪制了全球首個(gè)大規(guī)模的南極風(fēng)向指示圖，但缺少詳細(xì)的風(fēng)速信息；Nylen等［7］2004 年利用12 個(gè)全年氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)麥克默多干谷下降風(fēng)引起的“焚風(fēng)效應(yīng)”會(huì)使山谷氣溫增加30 ℃，而且其頻率在很大程度上影響了冬季近地面氣溫，頻率每增加1%，氣溫就上升1 ℃。2013年，陳善敏等［8］利用1985年1—3月的資料分析了長(zhǎng)城站地面風(fēng)和高空風(fēng)的特征。但由于觀測(cè)設(shè)備和氣象條件的限制，只獲取了10次高空風(fēng)探測(cè)資料。迄今，基于觀測(cè)資料的南極冰蓋近地面風(fēng)的長(zhǎng)期變化研究仍然鮮有報(bào)道。

隨著計(jì)算能力的迅速提高及數(shù)值技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)值模擬成為研究風(fēng)場(chǎng)變化的有力手段。全球環(huán)流模式GCMs（global circulation models）是研究全球氣候系統(tǒng)變化的重要工具［9］。然而，GCMs 由于分辨率粗糙，不能很好地再現(xiàn)復(fù)雜的南極海岸地形，參數(shù)化方案常常過于簡(jiǎn)單，致使其模擬結(jié)果不確定較高，通常無法直接用于研究風(fēng)場(chǎng)變化趨勢(shì)研究。因此，有必要嘗試使用區(qū)域氣候模式RCMs（regional climate models）來模擬和預(yù)估一定條件下的氣候變率。從1989 年開始，Dickinson 等［10］將區(qū)域模型MM4 嵌套在全球大氣環(huán)流模式中，取得較好的模擬結(jié)果。此后，RCMs 被廣泛用于區(qū)域尺度上氣候以及未來變化預(yù)估研究［11］，例如：Giorgi 等［12］、Sass 等［13］、Podzun 等［14］發(fā)展RCMs 并用來模擬歐洲氣候，McGregor 等［15］將RCMs 應(yīng)用于澳大利亞氣候變化研究。近年來，一些專門用于極區(qū)的高分辨率區(qū)域氣候模式迅速發(fā)展，大大提高了南極氣候的數(shù)值模擬能力，例如荷蘭皇家氣象研究所開發(fā)的RACMO 模型、德國(guó)極地與海洋研究所開發(fā)的HTRHAM 模型以及俄亥俄州立大學(xué)伯德極地研究中心開發(fā)的Polar WRF 模型等，這些模式提高了其分辨率，更好地解決了地形效應(yīng)，并且許多物理過程的參數(shù)化方案也有了很大改進(jìn)，能夠更好地描述南極復(fù)雜的天氣形勢(shì)和極端事件。盡管區(qū)域氣候模式模擬技術(shù)已有了實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，但氣候模式中有關(guān)雪冰物理過程的參數(shù)化方案仍然不夠精細(xì)，結(jié)果對(duì)于南極地形陡峭區(qū)域風(fēng)速模擬能力十分有限，也不能很好地刻畫南極地區(qū)的風(fēng)速變率［16］。因此，利用器測(cè)數(shù)據(jù)獲取南極冰蓋近地面風(fēng)速風(fēng)向變化特征，將會(huì)為未來區(qū)域模式發(fā)展提供依據(jù)。同樣，器測(cè)數(shù)據(jù)也是區(qū)域氣候模式模擬能力檢驗(yàn)及校準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

本研究基于南極冰蓋19個(gè)氣象站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析風(fēng)速季節(jié)變化特征，利用線性回歸分析法對(duì)1961—2017 年的年平均風(fēng)速和季節(jié)平均風(fēng)速進(jìn)行擬合，診斷其年際變化趨勢(shì)，并用標(biāo)準(zhǔn)t檢驗(yàn)法檢驗(yàn)其顯著性，在此基礎(chǔ)上分析南極冰蓋風(fēng)速時(shí)空變化規(guī)律，探討其變化可能原因，并診斷區(qū)域尺度盛行風(fēng)向。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

南極冰蓋近地面風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)來自英國(guó)南極調(diào)查局（BAS，British Antarctic Survey）的南極環(huán)境研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)（READER，Reference Antarctic Data for Environmental Research）（http：//www.tica.ac.uk/met/reader/）的氣象站數(shù)據(jù)，大部分氣象站數(shù)據(jù)是從1961 年1 月開始的，并且所有數(shù)據(jù)在公開之前都經(jīng)過了質(zhì)量控制［17］。本文選取了19個(gè)記錄最長(zhǎng)、數(shù)據(jù)最完整的氣象站用于風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)空變化分析，其中12 個(gè)站位于東南極（30° W 向東延伸到170° E），7 個(gè)站位于西南極（50°～160° W），詳細(xì)信息如表1 所示，其位置見圖1。為分析風(fēng)速變化和氣溫及大氣壓的聯(lián)系，19 個(gè)氣象站相應(yīng)的氣溫和海平面大氣壓觀測(cè)記錄也被應(yīng)用。

圖1 南極冰蓋19個(gè)地面氣象站位置圖Fig.1 Location of 19 meteorological stations over the Antarctic Ice Sheet

表1 南極冰蓋19個(gè)地面氣象站信息Table 1 Information of 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet

1.2 方法

利用Bromwich 等［18］的數(shù)據(jù)缺失插補(bǔ)方法對(duì)數(shù)據(jù)完整度較低的3 個(gè)氣象站（Byrd、Belgrano、Mc-Murdo）的月風(fēng)速缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行了插補(bǔ)。以Bryd 站為例說明，首先利用用于南極重建氣溫的類似克里格插值方法［18］，以美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心/國(guó)家大氣研究中心（NCEP/NCAR）再分析資料為背景場(chǎng)，將記錄可追溯到20 世紀(jì)70 年代的南極冰蓋除伯德站之外的其他氣象站的月平均風(fēng)速數(shù)據(jù)插值到Byrd站的位置。其次，NCEP/NCAR 再分析資料和ERAInterim 再分析資料中提取的Byrd 站風(fēng)速數(shù)據(jù)通過線性回歸填充到相應(yīng)年份實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)缺失的月風(fēng)速數(shù)據(jù)。最后這兩種方法結(jié)果的平均值就是伯德站最終的月風(fēng)速插補(bǔ)結(jié)果。該方法已很好地用于南極站點(diǎn)氣溫及氣壓等數(shù)據(jù)的插補(bǔ)，而且插補(bǔ)后的數(shù)據(jù)用于變化趨勢(shì)診斷［19-20］。

對(duì)19 個(gè)氣象站季節(jié)和年平均風(fēng)速進(jìn)行線性擬合，利用最小二乘法計(jì)算回歸系數(shù)，診斷風(fēng)速的年際變化趨勢(shì)，并用t檢驗(yàn)法檢驗(yàn)其顯著性。利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)對(duì)相關(guān)性進(jìn)行分析。四個(gè)季節(jié)劃分采用南半球標(biāo)準(zhǔn)季節(jié)，即3—5 月為秋季，6—8 月為冬季，9—11 月為春季，12 月—次年2 月為夏季。在計(jì)算季節(jié)平均風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)，每個(gè)季節(jié)最多只能缺少1 個(gè)月的數(shù)據(jù)，如果多于1 個(gè)月，那這個(gè)季節(jié)數(shù)據(jù)就被認(rèn)為是空值。計(jì)算年平均風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)，至少需要6 個(gè)月的數(shù)據(jù)且每個(gè)季節(jié)至少有1 個(gè)月數(shù)據(jù)是可用的，否則也將被認(rèn)為缺失。

2 結(jié)果與討論

2.1 南極冰蓋多年平均風(fēng)速空間分布特征

南極冰蓋19 個(gè)氣象站近地面風(fēng)速多年平均值為7.3 m·s-1。從季節(jié)平均風(fēng)速來看，冬季平均風(fēng)速最大，為7.9 m·s-1，其次是秋季（7.7 m·s-1）和春季（7.5 m·s-1），三個(gè)季節(jié)均高于年平均風(fēng)速，夏季風(fēng)速最小，為6.2 m·s-1。從冰蓋各氣象站多年平均風(fēng)速空間分布（圖2）可以看出：位于東南極沿海平均風(fēng)速高，其中Mawson、Mirny、Dumont-Durville 和Novolazarevskaya 站年平均風(fēng)速超過了9.0 m·s-1以上。南極內(nèi)陸高原Amundsen-Scott 和Vostok 年平均風(fēng)速較小，分別為5.4 m·s-1和5.1 m·s-1。南極半島除Faraday站風(fēng)速較小外（4.3 m·s-1），其余站點(diǎn)年平均有風(fēng)速均大于6.0 m·s-1。從站點(diǎn)季節(jié)平均風(fēng)速空間分布來看，盡管各站風(fēng)速值在不同的季節(jié)差異明顯，但是與年平均風(fēng)速的空間分布特征較一致，即冰蓋沿海風(fēng)速高，內(nèi)陸風(fēng)速低。

圖2 南極冰蓋19個(gè)氣象站多年和季節(jié)平均風(fēng)速空間分布Fig.2 Spatial distribution of annual and seasonal averaged wind speeds of 19 weather stations over the Antarctic Ice Sheet

2.2 南極冰蓋風(fēng)速時(shí)間變化特征

2.2.1 南極冰蓋19個(gè)氣象站風(fēng)速季節(jié)變化特征

從19 個(gè)氣象站月平均風(fēng)速變化（圖3）來看，南極冰蓋近地面風(fēng)速季節(jié)變化明顯，所有站點(diǎn)夏季12—1 月的平均風(fēng)速最小，但是不同區(qū)域站點(diǎn)平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)的月份差異顯著。位于西南極7站點(diǎn)月平均風(fēng)速出現(xiàn)在春季月份（9—10 月），但與冬季月份平均風(fēng)速相差較小。南極內(nèi)陸兩個(gè)氣象站平均風(fēng)速分別是3 月（Vostok 站）和8 月（Amundsen-Scott 站）最大。東南極沿海4 個(gè)站月平均速度最大值出現(xiàn)在秋季月份，3 個(gè)站出現(xiàn)在春季月份，3 個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)在冬季月份。

圖3 南極冰蓋19個(gè)氣象站風(fēng)速季節(jié)變化Fig.3 Seasonal cycle of mean wind speeds from 19 weather stations over the Antarctic Ice Sheet

2.2.2 南極冰蓋年和季節(jié)平均風(fēng)速年際變化及趨勢(shì)

（1）年平均風(fēng)速變化趨勢(shì)

南極冰蓋19 個(gè)氣象站近地面年平均風(fēng)速年際波動(dòng)較大（圖4），特別是Belgrano 站，1967—1968 年的年平均風(fēng)速由4.3 m·s-1增加到9.8 m·s-1，且持續(xù)到1970 年，1971 年恢復(fù)到平均水平；同樣Mirny 站年平均風(fēng)速在2016—2017 年出現(xiàn)了異常增加（從11.3 m·s-1增大到19.1 m·s-1），2018 年和2019 年仍然異常高，分別為21.8 m·s-1和15.7 m·s-1，2020 年下降到接近平均水平的10.8 m·s-1。Turner 等［21］認(rèn)為這可能是由于用于測(cè)量風(fēng)速的設(shè)備更換或是當(dāng)?shù)仫L(fēng)量的變化引起。近50年來，19個(gè)氣象站中年平均風(fēng)速年際增減變化的站點(diǎn)數(shù)基本相當(dāng)。位于東南極0°～90° E 沿海的4 個(gè)氣象站年平均風(fēng)速整體呈明顯的波動(dòng)式上升趨勢(shì)，維多利亞地2 個(gè)站和南極內(nèi)陸2個(gè)站呈明顯的下降趨勢(shì)。南極半島年平均風(fēng)速?zèng)]有顯著變化、顯著上升和下降趨勢(shì)的氣象站各2個(gè)。

1961—2017 年南極冰蓋年平均風(fēng)速變化趨勢(shì)（圖4）結(jié)果顯示，19 個(gè)氣象站年平均風(fēng)速年際變化趨勢(shì)范圍為-0.50～0.82 m·s-1·（10a）-1。從變化幅度來看，南極半島的Marsh站風(fēng)速變化幅度最明顯，年平均風(fēng)速上升速率達(dá)0.82 m·s-1·（10a）-1，而同樣位于南極半島的Belgrano 站變化最緩慢，其趨勢(shì)值接近0［0.02 m·s-1·（10a）-1］。從區(qū)域尺度上來看，東南極冰蓋0°～120° E 的沿海地區(qū)6 個(gè)站中5 個(gè)（Casey、Davis、Mawson、Novolozarevsk 和Syowa）呈增加趨勢(shì)，而且均通過了0.05顯著性檢驗(yàn)。東南極其余6個(gè)站（內(nèi)陸高原2個(gè)，威德爾海東岸2個(gè)，維多利亞地海岸2 個(gè)）均呈下降趨勢(shì)，其中5 個(gè)站趨勢(shì)值通過了0.05 顯著性檢驗(yàn)。西南極氣象站風(fēng)速長(zhǎng)期變化趨勢(shì)差異也較大，趨勢(shì)方向不僅正負(fù)各異，趨勢(shì)值也差距較大。近50年來，Byrd站年平均風(fēng)速呈顯著下降趨勢(shì)，-0.19 m·s-1·（10a）-1。南極半島Marsh、Bellingshausen、Faraday 這3 個(gè)氣象站均呈增加趨勢(shì)，其中Marsh站趨勢(shì)為0.82 m·s-1·（10a）-1，且顯著性P＜0.01，明顯高于后兩個(gè)氣象站結(jié)果，其趨勢(shì)分別為0.02 m·s-1·（10a）-1、0.20 m·s-1·（10a）-1。南極半島另外3 個(gè)站Esperanza、Marambio 和Orcadas 站呈下降趨勢(shì)，分別為-0.34 m·s-1·（10a）-1、-0.50 m·s-1·（10a）-1和-0.06 m·s-1·（10a）-1。盡管南極半島地區(qū)年平均風(fēng)速變化復(fù)雜，趨勢(shì)有升有降，且速率差異較大，但所有站點(diǎn)合成分析結(jié)果表明年平均風(fēng)速呈顯著上升趨勢(shì)（附圖1）?？傊?，近50 年來南極半島和東南極0°～120°E 的沿海地區(qū)年平均風(fēng)速總體呈增加趨勢(shì)，而南極內(nèi)陸及其他沿海站點(diǎn)年平均風(fēng)速呈下降趨勢(shì)。

圖4 近50年來南極冰蓋19個(gè)氣象站年平均風(fēng)速年際變化Fig.4 Interannual variation of annual mean wind speeds at 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet in recent 50 years

（2）季節(jié)平均風(fēng)速變化趨勢(shì)

對(duì)比各個(gè)季節(jié)平均風(fēng)速變化趨勢(shì)（附圖2～5）發(fā)現(xiàn)，其趨勢(shì)空間特征與年平均風(fēng)速相似。冬季只有1 個(gè)（Belgrano）、秋季2 個(gè)（Mirny 和Bellings），春季3個(gè)站和夏季4個(gè)氣象站平均風(fēng)速變化趨勢(shì)方向與年平均風(fēng)速變化方向相反，其余站點(diǎn)均一致。而且，呈上升和下降趨勢(shì)的氣象站數(shù)相當(dāng)，在秋季分別為9個(gè)和10個(gè)，夏季分別是11和8個(gè)，春季和冬季分別為10 個(gè)和9 個(gè)。此外，1961—2017 年大部分氣象站（14 個(gè)）四個(gè)季節(jié)風(fēng)速變化趨勢(shì)方向相同。東南極的Belgrano、Vostok 和南極半島的Bellingshausen、Orcada 站四季平均風(fēng)速變化趨勢(shì)方向存在差異，且除Bellingshausen 站風(fēng)速趨勢(shì)夏秋為負(fù)，冬春為正外，其余4個(gè)氣象站都只存在1個(gè)季節(jié)與其他3個(gè)季節(jié)風(fēng)速趨勢(shì)方向不同。四季風(fēng)速變化趨勢(shì)方向一致的14個(gè)氣象站中有11個(gè)季節(jié)趨勢(shì)值通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)，而四季風(fēng)速變化趨勢(shì)方向不一致的5 氣象站中有4 個(gè)站點(diǎn)至多有1 個(gè)季節(jié)趨勢(shì)值通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)。

針對(duì)各個(gè)季節(jié)而言，19 個(gè)氣象站秋季平均風(fēng)速變化趨勢(shì)范圍為-0.72～0.74 m·s-1·（10a）-1，其中南極半島的Marsh 和Marambio 站變化速率最快，均大于0.70 m·s-1·（10a）-1，同位于南極半島的Bellingshausen 站變化速率最小，為0 m·s-1·（10a）-1。東南極風(fēng)速上升和下降趨勢(shì)的氣象站各6 個(gè)，其中8 個(gè)站變化速率大于0.20 m·s-1·（10a）-1。位于南極內(nèi)陸B(tài)yrd站和Vostok站呈緩慢下降趨勢(shì)，其變化速率相當(dāng)，分別為-0.12 m·s-1·（10a）-1和-0.15 m·s-1·（10a）-1。冬季，平均風(fēng)速變化趨勢(shì)范圍為-0.46～1.04 m·s-1·（10a）-1，其中變化速率最高的是南極半島的Marsh 站［1.04 m·s-1·（10a）-1］，最低的是Bellingshausen 站［0.01 m·s-1·（10a）-1］。與秋季平均風(fēng)速一樣，東南極12個(gè)氣象站中上升和下降趨勢(shì)的站點(diǎn)各占一半。與秋季不同的是兩個(gè)站點(diǎn)趨勢(shì)方向剛好相反，Davis 站秋季風(fēng)速呈上升趨勢(shì)，而冬季呈下降趨勢(shì)，Belgrano 站秋季呈下降趨勢(shì)而冬季呈上升趨勢(shì)。西南極Byrd站下降速率較秋季更高，趨勢(shì)值為-0.29 m·s-1·（10a）-1。南極半島氣象站中冬季風(fēng)速變化趨勢(shì)方向與年平均風(fēng)速完全一致。春季平均風(fēng)速變化趨勢(shì)范圍為-0.39～0.87 m·s-1·（10a）-1，有8個(gè)站風(fēng)速趨勢(shì)通過了P=0.05的顯著性，其中風(fēng)速變化速率最快的仍是南極半島的Marsh 站，趨勢(shì)為0.87 m·s-1·（10a）-1，最慢的為Novolazarevsk 站，趨勢(shì)均為0.03 m·s-1·（10a）-1。夏季，19 個(gè)氣象站風(fēng)速變化趨勢(shì)范圍為-0.52～0.29 m·s-1·（10a）-1，其中趨勢(shì)變化速率最高的仍為東南極的Marsh 站，最低的是Amundsen-Scott 和Bellingshausen 站，趨勢(shì)均為0.001 m·s-1·（10a）-1，同為最慢。與年平均風(fēng)速相比，有4 個(gè)氣象站風(fēng)速趨勢(shì)方向不同，其中Mirny、Vostok 和Belgrano 站是年平均風(fēng)速呈先下降趨勢(shì)，而夏季風(fēng)速呈下降趨勢(shì)，Bellingshausen 站剛好相反，年平均風(fēng)速呈上升趨勢(shì)，而夏季風(fēng)速為下降趨勢(shì)。南極半島地區(qū)季節(jié)風(fēng)速變化同樣復(fù)雜，趨勢(shì)方向和差異較大，但將所有站點(diǎn)合成分析結(jié)果表明4個(gè)季節(jié)平均風(fēng)速均呈上升趨勢(shì)，除春季外的其他季節(jié)風(fēng)速趨勢(shì)通過了95%顯著性檢驗(yàn)（附圖1）。

2.2.3 近50年南極冰蓋風(fēng)速變化可能原因

從19 個(gè)氣象站年及季節(jié)平均風(fēng)速與相應(yīng)的氣溫相關(guān)分析（表2）可以看出，東南極冰蓋0°～120°E沿海地區(qū)6 個(gè)站中5 個(gè)（Casey、Davis、Mawson、Novolozarevsk 和Syowa）年平均風(fēng)速與年平均氣溫存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，而且往往在冬春季相關(guān)性更高。南極半島Faraday/Vernadsky 和Bellingshausen站年平均風(fēng)速與氣溫也存在顯著相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為0.39（P＜0.05）和0.42（P＜0.05），同樣冬季風(fēng)速相關(guān)性更高。這表明冬春季升溫會(huì)帶來風(fēng)速增加，因?yàn)殛懙貙?duì)升溫的響應(yīng)比海洋更顯著，海陸熱力差異增加，導(dǎo)致經(jīng)向氣壓梯度增強(qiáng)，進(jìn)而增強(qiáng)風(fēng)速。Nicolas 等［19］報(bào)道了該南極半島及東南極0°～120° E 沿海過去50 年來的冬春季變暖趨勢(shì)。位于威德爾海東岸的Halley站年和季節(jié)平均風(fēng)速均與相應(yīng)的氣溫存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，其中秋季相關(guān)系數(shù)最高，為0.71，表明該站年和季節(jié)風(fēng)速顯著下將趨勢(shì)與該過去50年來年和季節(jié)顯著變冷有關(guān)。東南極內(nèi)陸2 個(gè)站及維多利亞地2 個(gè)站年平均風(fēng)速與氣溫并不存在顯著的相關(guān)關(guān)系。

表2 南極冰蓋19個(gè)氣象站年及季節(jié)平均風(fēng)速與氣溫的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlations between annual and seasonal averaged wind speeds and air temperature at the 19 weather stations

分析南極冰蓋19 個(gè)氣象站年及季節(jié)平均風(fēng)速與海平面氣壓的相關(guān)性（表3）表明：只有6個(gè)氣象站年平均風(fēng)速與年平均海平面氣壓存在顯著的相關(guān)關(guān)系，而且相關(guān)的方向?yàn)樨?fù)，即東南極冰蓋沿海地區(qū)Casey、Davis、Novolozarevsk 和Syowa 站和南極半島的Marsh 和Bellingshausen 站年平均風(fēng)速與年平均海平面氣壓存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，在夏秋兩季也存在顯著的負(fù)相關(guān)，但是冬春季不存在顯著相關(guān)關(guān)系。這個(gè)6 個(gè)站夏秋季海平面氣壓近50 年來呈顯著下降趨勢(shì)，而中緯度氣壓加強(qiáng)，致使經(jīng)向氣壓梯度力增大，導(dǎo)致風(fēng)速增大。

表3 南極冰蓋19個(gè)氣象站年及季節(jié)平均風(fēng)速與海平面氣壓的相關(guān)性Table 3 Correlations between annual and seasonal averaged wind speeds and mean sea level pressure at the 19 weather stations

南半球環(huán)狀模SAM（Southern Annular Mode）是南半球熱帶外大氣環(huán)流大尺度變率的主導(dǎo)模態(tài)，這一模態(tài)又被稱為南極濤動(dòng)AAO（Antarctic Oscillation），具有較好的緯向?qū)ΨQ性。SAM 描述了南半球大氣環(huán)流場(chǎng)的異常狀態(tài)，直接表現(xiàn)為氣壓場(chǎng)在南半球中高緯度地區(qū)“蹺蹺板”式的反向異常變化，并伴隨急流位置的南北移動(dòng)，和與之有關(guān)的緯向風(fēng)的強(qiáng)度，因此這種中高緯地區(qū)存在的氣壓梯度會(huì)直接影響到該區(qū)域風(fēng)場(chǎng)的變化。因此，南極近地面風(fēng)速變化很大程度上受SAM 控制。為了更好地刻畫南半球這種大氣環(huán)流的南北擺動(dòng)狀態(tài)，一般用SAM指數(shù)對(duì)其進(jìn)行描述。SAM 指數(shù)為正時(shí)，中緯度地區(qū)會(huì)產(chǎn)生異常高的海平面大氣壓，高緯度地區(qū)則會(huì)產(chǎn)生異常低的海平面大氣壓，中緯度的異常高氣壓會(huì)推動(dòng)西風(fēng)帶向極地方向移動(dòng)，高緯地區(qū)出現(xiàn)西風(fēng)異常，南極繞極流流速加快；SAM 為負(fù)時(shí)，情況相反。SAM 作為南半球最顯著的大氣變化模態(tài)，可以解釋南半球大部分大氣變化［22］。自20 世紀(jì)70 年代中期以來，SAM持續(xù)增強(qiáng)向正位相轉(zhuǎn)變（圖5），而且在夏季最顯著［23］。

圖5 近50年來南半球環(huán)狀模指數(shù)年際變化（灰色柱體是SAM的年平均值，藍(lán)色實(shí)線是5年滑動(dòng)平均，藍(lán)色虛線是SAM變化線性趨勢(shì)線）Fig.5 Year-to-year variability in SAM index during the past 50 years（Grey stylidiums denotes the annually averaged SAM；Blue sold line is the 5-year running mean of SAM values；Blue dotted line is the linear regression of annual SAM）

為討論SAM對(duì)南極區(qū)域尺度風(fēng)速變化的影響，將南極半島和東南極沿海氣象站風(fēng)速進(jìn)行了合成（附圖1），計(jì)算了合成后的年平均和季節(jié)風(fēng)速與SAM 的相關(guān)系數(shù)（表4），西南極僅有Byrd 站進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)也計(jì)算在內(nèi)。從逐年數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果來，即使SAM 與區(qū)域年平均風(fēng)速存在顯著相關(guān)性，但也是弱相關(guān)。5 年滑動(dòng)平均的年SAM 指數(shù)與南極半島站點(diǎn)合成及東南極沿海站點(diǎn)合成結(jié)果呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.59 和0.55，與西南極風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.55，而且夏季SAM 指數(shù)與三個(gè)區(qū)域結(jié)果相關(guān)性更高。SAM正位相通常會(huì)引起向極移動(dòng)的西風(fēng)增強(qiáng)，進(jìn)而增大風(fēng)速［24］。Dong 等［25］發(fā)現(xiàn)來自再分析資料的年平均風(fēng)速和夏季平均風(fēng)速異常與SAM 指數(shù)高度相關(guān)。效存德［26］也指出最近幾十年受SAM 正相位影響，南極地區(qū)氣壓減弱，導(dǎo)致南大洋西風(fēng)增強(qiáng)，這與本研究指出的東南極沿海和南極半島平均風(fēng)速上升一致。van den Broeke 等［27］利用區(qū)域氣候模式RACMO 研究了南極近地表氣候?qū)AM 的響應(yīng)，表明南極近地面風(fēng)與SAM 存在顯著相關(guān)信號(hào)。Turner 等［28］在研究南極過去50 年氣候變化時(shí)也發(fā)現(xiàn)南極大部分氣象站風(fēng)速增加與近幾十年來SAM位相轉(zhuǎn)變有關(guān)。鄭菲等［29］也認(rèn)為SAM 為正時(shí)，南半球繞極西風(fēng)向極地偏移，南極表面風(fēng)速發(fā)生變化。

表4 年和季節(jié)SAM指數(shù)與平均風(fēng)速相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between annual and seasonal SAM index and mean wind speed

在別林斯高晉海和阿蒙森海上空存在一個(gè)半永久性氣候低壓區(qū)，被稱作阿蒙森低壓ASL（Amundsen Sea Low），近幾十年來ASL 加強(qiáng)加深，在這兩個(gè)海域上空形成了氣旋式的環(huán)流異常，增強(qiáng)了局部經(jīng)向風(fēng)，給南極半島帶來了更強(qiáng)的偏北風(fēng)。ASL 的變率與SAM 中表現(xiàn)的半球大氣壓波動(dòng)以及來自熱帶太平洋和熱帶大西洋的遠(yuǎn)程強(qiáng)迫有關(guān)［28］。SAM 已被證明可以顯著調(diào)節(jié)ASL 強(qiáng)度，當(dāng)SAM 處于正相位時(shí)，在南部高緯度地區(qū)觀察到低于正常值的壓力，風(fēng)暴路徑向南極大陸增強(qiáng)/向極地移動(dòng)［30-31］。SAM 正位相條件下，ASL 往往比正常情況更強(qiáng)，進(jìn)一步增強(qiáng)了局部經(jīng)向風(fēng)，進(jìn)而導(dǎo)致南極半島風(fēng)速增大［16］。熱帶太平洋和熱帶大西洋的海表溫度（SST）異常也影響ASL強(qiáng)度。熱帶太平洋西部與厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（ENSO）拉尼娜期相關(guān)的SST 正異常已被證明會(huì)加深和擴(kuò)大ASL，而厄爾尼諾條件往往會(huì)削弱ASL［32］。研究表明，熱帶北大西洋的SST 正異?？梢栽诙竞痛杭炯訌?qiáng)ASL［33-35］。與來自SAM 的強(qiáng)迫一樣，熱帶強(qiáng)迫Rossby 波作用下ASL 增強(qiáng)時(shí)，低空的氣旋性環(huán)流隨之增強(qiáng)，其西緣北向風(fēng)增強(qiáng)，致使南極半島風(fēng)速增強(qiáng)，其東緣南向風(fēng)增強(qiáng)，無法深入西南極內(nèi)陸，導(dǎo)致其風(fēng)速下降。

2.3 主風(fēng)向分析

南極冰蓋19個(gè)氣象站主導(dǎo)風(fēng)向及其頻率（表5）顯示，大部分站點(diǎn)主風(fēng)向較明顯，其中Duhbmbmont-Durville、Mawson、Mirny、Novolazarevskaya 和Byrd 站主導(dǎo)風(fēng)向頻率最高，均在50%以上，其中位于東南極沿海的4 個(gè)氣象站主導(dǎo)風(fēng)向均為東南風(fēng)（SE），而且16 方位風(fēng)向中最多只有4 個(gè)方位風(fēng)向（包含主導(dǎo)風(fēng)向）頻率大于50%（圖9），同位于東南極沿海的Halley、Syowa 和McMurdo 站主風(fēng)向頻率相對(duì)較高，分別為48.7%、48.0%和36.1%，表明該區(qū)域風(fēng)向比較穩(wěn)定，大部分時(shí)間盛行同一風(fēng)向風(fēng)。位于東南極內(nèi)陸的Vostok 站和Amunden-Scott 站主導(dǎo)風(fēng)向分別為西南風(fēng)和東北風(fēng)，頻率在40%以上。南極半島氣象站主風(fēng)向頻率普遍偏低，除Bellingshausen 和Marsh 站主風(fēng)向相同，為西北風(fēng)之外，其他氣象站主風(fēng)向各異，而且絕大多數(shù)氣象站主風(fēng)向頻率都在30%以下。總之，南極內(nèi)陸高原和東南極沿海地區(qū)雖主風(fēng)向不盡相同，但主風(fēng)向頻率基本都較高，表現(xiàn)出較高的方向恒常性，但是南極半島風(fēng)向恒常性較低，與Rodrigo 等［33］的研究一致，即由于重力活動(dòng)的影響，東南極大部分地區(qū)近地面風(fēng)表現(xiàn)出非常高的方向恒常性，而南極半島受天氣活動(dòng)影響較大，方向恒常性較低。

表5 南極冰蓋19個(gè)氣象站主導(dǎo)風(fēng)向及其頻率Table 5 Dominant wind direction and frequency of 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet

從南極冰蓋19 個(gè)氣象站近地面16 方位風(fēng)頻玫瑰圖（圖6）可以看出，東南極沿海Belgrano、Novolazarevskaya、Dumont-Durville、Mawson 和Mirny站主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)，Halley、Davis、Casey 站主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，表明東南極沿海地區(qū)風(fēng)向穩(wěn)定。K?nig-Langlo 等［34］將Halley 站盛行東風(fēng)歸因于沿南極海岸的東風(fēng)強(qiáng)迫作用，Kottmeier 等［35］認(rèn)為Halley站最大風(fēng)向位于80°～90°之間主要是受天氣擾動(dòng)再加上當(dāng)?shù)氐匦蔚挠绊?。Ohata 等［36］推測(cè)Syowa 附近地區(qū)盛行偏東風(fēng)是由繞極東風(fēng)引起的。Sato等［37］認(rèn)為由于Syowa 站位于南極大陸邊緣約4 km 處的一個(gè)島嶼上，盛行偏東風(fēng)不能排除下降風(fēng)的影響，這是因?yàn)榭评飱W利力的作用，Syowa 站的下降風(fēng)有偏東傾向。Davis、Casey 和McMudo 站可能也因受繞極東風(fēng)影響盛行偏東風(fēng)。東南極內(nèi)陸Amunden-Scott 盛行東北風(fēng)，結(jié)合此地地形發(fā)現(xiàn)該站位于大約向38° E 方向傾斜的坡上，在重力和地轉(zhuǎn)偏向力共同作用下形成此方向風(fēng)。南極半島地形狹長(zhǎng)，海岸曲折，各氣象站盛行風(fēng)向較復(fù)雜。位于霍普灣沿岸的Esperanza站由于受到山脈的阻擋作用盛行西風(fēng)，Marambio 站盛行風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)，其余氣象站盛行偏北風(fēng)。

圖6 南極冰蓋19個(gè)地面氣象站風(fēng)頻玫瑰圖Fig.6 Wind frequency rose of 19 weather stations of Antarctic Ice Sheet

3 結(jié)論

風(fēng)能作為可再生能源，在世界能源體系清潔化轉(zhuǎn)型過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。南極儲(chǔ)存著世界上尚未開發(fā)的最大風(fēng)能資源。作為影響風(fēng)能資源變化中的重要因子，近地面風(fēng)的時(shí)空變化尤其是長(zhǎng)期變化趨勢(shì)研究十分必要和重要。本文利用南極冰蓋近地面19 個(gè)氣象觀測(cè)站實(shí)測(cè)風(fēng)速風(fēng)向資料對(duì)近地面風(fēng)時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

（1）南極冰蓋19個(gè)氣象站近地面風(fēng)速多年平均值為7.3 m·s-1，風(fēng)速季節(jié)變化明顯，所有站點(diǎn)最小平均風(fēng)速出現(xiàn)在夏季月份，但是不同區(qū)域站點(diǎn)風(fēng)速最大值出現(xiàn)的月份差異顯著。從所有站點(diǎn)季節(jié)平均風(fēng)速來看，冬季平均風(fēng)速最大，其次秋季和春季，夏季最小。

（2）1961—2017 年南極冰蓋近地面各季節(jié)平均風(fēng)速的年際變化模式與年平均風(fēng)速基本一致，不論哪個(gè)季節(jié)風(fēng)速呈上升或下降趨勢(shì)的站點(diǎn)數(shù)相當(dāng)，基本都是各一半。東南極0°～120°E 沿海地區(qū)風(fēng)速呈顯著上升趨勢(shì)。南極半島風(fēng)速變化復(fù)雜，趨勢(shì)有升有降，且快慢差異較大，但是從整體平均結(jié)果來看，呈明顯上升趨勢(shì)。這與近50年來這兩個(gè)區(qū)域變暖，海平面氣壓顯著下降及近幾十年來SAM 向正位相加強(qiáng)均有關(guān)。

（3）東南極沿海地區(qū)受下降風(fēng)和繞極東風(fēng)的影響，大部分地區(qū)盛行偏南風(fēng)或偏東風(fēng)，且頻率較高，風(fēng)向穩(wěn)定。南極半島地區(qū)風(fēng)向復(fù)雜，盛行風(fēng)向各異且主風(fēng)向頻率低。

附圖1 1961—2017年南極半島年和季節(jié)平均風(fēng)速年際變化（藍(lán)色實(shí)線為線性趨勢(shì)性，紅色虛線為5年滑動(dòng)平均結(jié)果）Attached Fig.1 Annual and seasonal mean wind speeds over the Antarctic Peninsula from 1961 to 2017（Blue lines are the linear trends of mean wind speeds；Red dotted lines are the 5 year running averaged wind speeds）

附圖2 近50年來南極冰蓋19個(gè)氣象站秋季平均風(fēng)速年際變化Attached Fig.2 Interannual variation of autumn mean wind speeds at 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet in recent 50 years

附圖3 近50年來南極冰蓋19個(gè)氣象站冬季平均風(fēng)速年際變化Attached Fig.3 Interannual variation of winter mean wind speeds at 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet in recent 50 years

附圖4 近50年來南極冰蓋19個(gè)氣象站春季平均風(fēng)速年際變化Attached Fig.4 Interannual variation of spring mean wind speeds at 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet in recent 50 years

附圖5 近50年來南極冰蓋19個(gè)氣象站夏季平均風(fēng)速年際變化Attached Fig.5 Interannual variation of summer mean wind speeds at 19 weather stations on the Antarctic Ice Sheet in recent 50 years