参加中国第9次北极科学考察总结

参加中国第9次北极科学考察总结
张东启张雷
(中国气象科学研究院，北京100081)
1概况
北极对我国气候具有极其重要的影响，因此多年来中国气象科学研究院（以下简称“气科院（坚持参与北极黄河站考察及北冰洋考察，布设气象和大气化学观测仪器，实地采集相关样品，并进行了大量有关研究。

2018 年是国际极地预报年（YOPP)的集中 观测特别年，气科院专门设立了基本科研业务项目“极地预报年中国北极大气探测行动计划”专项，与国家海洋环境预报中心联合实施Y O P P特别观测期的北极大气探空计划。

计划在第9次北极科学考察期间，以雪龙船为依 托，在60°N以北地区实施大气探空密集观测。

气科院派张东启和张雷随船进行考察和执行大气探测任务。

考察 日期为2018年7月20日至9月26 日，共计69天。

总行程1. 25万海里(23150 km),最北到达 84°48'N。

2主要任务及完成情况
本次考察主要承担3项任务：① 执行国际极地预报年（YOPP)核心计划“加密大气探空观测”，在60°N以北 地区的清水区、海冰边缘区域、浮冰区和大块浮冰区进行探空观测试验，获 取不同下垫面之上气象要素（包括温度、相对湿度、气压、风向和风速等）的大气垂直廓线特征。

②进行走航大气成分观测，在北极走航路线上获取不同区域大气水汽稳定同位素、黑碳气溶胶、甲烷、CO、CO2和O3等数据。

③完成冰站3套自动气象站的安装工作。

④协助海冰-气象组其他考察队员完成海冰-气象观测和航行气象保障。

2. 1走航大气成分观测
走航期间，严格按照《雪龙船大气成分走航观测技术手册》相关规定开展现场观测，每日定时进行仪器日常运行检查、数据备份和仪器维护工作，保证了仪器设备的正常运行。

走航大气成分观测使用的仪器包括1台温室 气体监测仪、1台黑碳监测仪、1台CO 监测仪、1台地面o3观测仪和1台水 汽同位素观测仪。

除仪器内存故障和意外断电缺失约2天数据外，总的数据获取率达99%，圆满完成了走航观测。

图1为走航观测得到的C O浓度 日平均变化。

由图可见，走航全程所测得的C O浓度日平均值明显地出现
图1 走航观测到的CO 浓度日平均变化
(根据原始数据绘制，数据未经严格质量检验和
，下同)
几 。

从7月21日考 始至7
月30日进 之前，C O 浓度呈下
势，在 东亚 排
放
的
和日
段上，C O 浓度较高。

从7月31日
8月30日
在楚科 和北冰洋冰站作
，
C O 浓度一直保持在低值。

而在 [
程中，C O 浓度
呈上升趋势。

整C O 浓度呈现的这种变化清
晰地反映出 的输送影响。

在8月24日、9月1日和9月8日出 现的局部最高值，还需 气象观测资料进一步分析，以
是否受
雪
气影响。

图2是 观测得到的O 3浓度 日平均值。

如图所示，从7月21日考 始
7 月 30 日 进
之， O 3 度
变 化 势 平
， 保 持
较低 的 度 平 。

从 7 月 31 日 8
月 30 日 在 科
和 北 冰 冰 站 作
，O 3浓度不断升高并保持在高
值水平。

而在 程中，O 3浓度总
呈上升趋势。

在9月2日O 3浓 度出现突
低，很可能是
仪器调整引起的，还需对资料进一
分。

ST/6/8T0
C S I
TT/6/8T0
C S I 6/6/8S C S I
Z /6/8S C S I 9/6/8S C S I S /6/8S C S I T
/6/8S C S I 0S/8/8T02
82/8/8T02
92/8/8T02
艺
/8/8T02
§/8T 02
02/8/8T02
8T/8/8T02
9T/8/8T02
H /8/8T 02
§/8T 02
0T/8/8T02
8/8/8S C S I
9/8/8S
C S I 寸/8/8T0
C S I C S I /8/8S
C S I TS/Z/8T0
C S I
62/Z/8T0
C S I L Z E _Z
S /Z /8T 0
C S I
§/8T 0c s l
T
C S I /Z /8T 0
C S I 5
o
2 25
o L T
1± 1±(6101—l x f o
S T /6/8T 0
C S I
T T /6/8T 0
C S I 6/6/8S
C S I
Z /6/8S C S I
9/6/8S C S I S
/6/8S C S I T
/6/8S
C S I 0S /8/8T 0
C S I 8C S I /8/8T
C S I
9
C S I /8/8T 0C S I 寸
C S I
/8/
8
T 0
C S I §/
8
T 0c s l 0
C S I /8/8T 0
C S I 8T /8/8T 0
C S I
9T /8/8T 0
C S I H /8/8T 0
C
S I C S I
T /8/8T
C S I 0T /8/8T 0
C S I 8/8/8S
C S I
9/8/8S C S I 寸
/8/8S C S I
C S I /8/8S C S I
T
C O /Z /8T 0C S I
6C S I /Z /8T 0
C S I L Z E _Z
9C S I /Z /8T 0C S I
S
C S I /Z /8T 0C S I T
C S I /Z /8T 0
C S I 图2 走航观测到的O 3
浓度日平均变化
2.2加密大气探空观测
加密大气观测是国际预 年（YOPP)核心计划之一。

[期 ，在75°〜85°N的北冰洋和”海公 进行了 89次 观测，并在观测按照W M O要 观测数据及 输至中国气象局气象中，并由 数据G T S系统，进行观测数据的共享工作，为Y O P P计划做出了中国的。

在 相 的共同努力下，放球 率达96. 5% (仅有3次放球未达到10000 m的对流层顶），较
了考 。

按照第9次北极科学考察的实施
，计划在55°N以北 100〜120次G P S探空观测，但是由于本次出 10天和考没请在美国 进行GPS
作业，作 较预期大约缩短20天，因此在北极公域共进行89次G PS探空观测（图3)。

根据热力学对流层（LR T)和 ：流层（C P T)的计算方法，分别计算了次GPS观测区域的对流层顶高度。

初步分析结果显示，2种方 法计算得到的对流层顶高度和对流层顶气温的 变化趋势基本一致（图4)。

2种方法获得的对流层顶高度相关系数为0.85。

不同区域的L R T高
140。

0，E150。

0，E170° O'E170。

150。

130° O'W120° O'W110。

it J.J.i.. _ ■. ,J J. ,J .J^ft !i ___J M. .._________■.
N
o
o
o o
N
o o o
z
图3
走航大气探空观测点分布
74。

75。

76。

77。

78。

79。

80。

81。

82。

83。

84° N
图？热力学对流层（LRT)和冷点对流层（CPT)方法计算的对流层顶
高度和温度的纬向分布
度在7. 35〜11. 00 k m之间，平均高度为9. 28 km;C P T高度在8. 29〜
11. 36 k m之间，平均高度为9. 83 km。

C P T高度始终大于A R T高度，最大相 差1. 82 km，最小相差0. 03 km，平均 相差0. 55 km。

A R T温度和C P T温 度相关系数为0.89。

不 域的ART温度在一 40. 12 〜一 60. 04 \之 间，平 度为一51. 77°C;C P T温度 在一 46. 45〜一60. 91 \之间，平均温度为一53.53 C。

C P T温度始 于 于 ART度 ，大 相 差 9 10 C ，
相 差 0 C ，平 相 差 176 C。

见，这2种计算方法均能较
断北 流层顶高度和温度，进
而反 流层顶由气和天气过
程共同作用下的变化特征。

分析了GPS观测 获取的温度、风速、气压和相对湿度随高度变化的纬向剖面图（图略#本航 次作 域 大气存在的逆
，逆温层以上气高度呈减小趋势。

在9〜12 k m的高空存在明的低 ，最低温度低于一50C，对流层顶位于该低。

77。

〜84°N 域，低 和对流层顶高度度
的升高而降低。

5〜11k m的高空存在高 流，域与对流层顶域相一致。

高 流在垂 呈非
称 ，急流中心下方的增加慢，急流中 的 快。

高的高 流强度较弱，不仅中
较小，垂 所减小。

81°N 以域 ，高 流 中大
速40m/s左右，垂向范围可达6 km，而8f N以北区域，高 流中心最大
风速为20〜25m/s，垂 大约为
2 km。

高空急流以 域，风速快 ；小，直至与 相当。

高 流的
存在 了平流层和对流层的物：。

2 k m以下，部分纬度区域，尤其是高 ，风速较大，存在低空流。

低 流 达12〜18m/s，受局地天气系统影响较大。

3 k m以上
J/趔榧瑜
赵
区域"高度呈增大趋势。

从低 高纬，气压从平流层的变化比较一致，没 的纬差异。

相对湿度较大，高空相对较小。

对流层顶以上相对湿度急
0.5%，这也符
平流层的 和认识。

图5为在北冰中域施放 气球。

2.3冰站自动气象站架设
在冰站作 ，按 冰-气象组的安排，在长期冰站和短期冰站成安装3套自动气象站，目前自动站运行正常（图6)。

图7〜10为冰站作2层温湿度、风速和冰面气压的序列。

由图7可见，3个站点的气温变化范围均在1〜一 6 \之间，4 m和2 m平均
值分别为一1. 6\和一1. 5\，一1.2\和 一1.1 \，一1. 8 \和 一1. 5 \。

总体 上2 m温度高于4 m温度，4 m和2 m 度的一致性很高，相系数1，站的相关系数略低，，站 〔域 气温垂度较 站点大。

相对湿度平均值都在95%以上
图5在北冰洋中心区施放探空气球
(图8)，且大多数 相对湿度都超过了 90%。

在北京 8月21—22日，3个站 观测到一次相对湿度明显低的过程，其中2号站下为明 ，相对湿度最低达到82%。

3个
图6
在长期和短期冰站上架设的自动气象站
P -2r _4
-608/18
08/20
08/22
08/24
08/26
08/28
08/30
-2
-4-6
' (T4m ，T 2J = 0_98
A
i
[
j
l Z j
-6
-4-2
2
图7 冰上自动气象站和2 m 气温时间（月/日）序列及其相关系数
站点的相对湿度
升，在22曰中
午恢复到平均水平。

4 m 和2m 2层 相对湿度一致性总体较高，3号站2层 相对湿度的差异更加 ，且 2 m 平
值
大于4 m 处（图中橙色和蓝
色 #相对湿度在 较大的
垂度，这点与2层温度的分 f
似。

3号站 了一次从高压
到低
变的过程（图9#从19日开
始，2号站气压开始升高，20日该区域 全被高压所控制，冰面气 压测值最大值 1020 hPa ，22日气
复到正常水平。

26日低
「
部 移动到站
域，气
始降低，28日低压中
移动到
域处，
平面气压低至980 hPa 。

3个
站点平均风速为6. 3〜7. 9m /s ，最大风 速达到13. 5m /s ，风速最小时接近于 零。

1号站4 m 和2 m 2层 测值在
数值上几乎相等，2号和3号站2层风 存在一定差异，但 4 m 要
大于2 m 处测值，2层风速总体来说变
化趋势是一致的（图10#
08/18 08/20 08/22 08/24 08/26 08/28 08/30
(c ) 3号站
(a) 1
号站
相对湿度/%
相对湿度/%
(a )
I t
=
P 98
100
90801—1—1
|-1-1
M
i g
-I
-i . i t i
08/18
08/20
08/22
08/24
08/26
08/28
08/30
(b)1001003
(
g
4 曰
曰
)
=
p
900
Z M K f
K H L N
0.97100
36
虛鄉鞏漭伞；锉斜
20191*
1
猫
气压/h P a
C O C O C O 〇N 00 C O 〇
相对湿度/%08/18
08/20
08/22
08/24
08/26
08/28
08/30
®
9
务卜|1泓
^,&^钟浑亙(^/£1)^涇
95
80
I --1--1|
___
k
1I
1~~~1i t b »-£：
08/18 08/2008/2208/24
08/26
08/28
08/30
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犛
气象科技合作动态2019年第1期
37
3感
虽然在本次科考之前"
多次在野外进 验，积累了一的外场试验经验，但在 复杂的气象
下"
验的难度还是超 出了预期。

的气象 变化很快，可能在几分 就会
改变，且
常
大风，而本次观测
是业
化观测，所以不
部环境如何，我 保证气球
按时释放，这
/ 出 了。

所 在 员和船员的共同努力之下，观测任
會爸 以y 。

在总共89次的
观测中，没
一次释放失
备工作和成员间相互协作的精神密不
分。

尽管在考察出发之前，在国 t
进行了多次自动气象站安装调试的
，但现场冰
低温和大风的环
境还是对安装工作造成了很大的挑
战。

在全体成员的齐心协力之下，3套 自动气象站都安装 全部运行
常。

科学考察是一
的事
，在极端环境下的任何科考工作都
需要 树立安全意识，具有高度的
作精神，工作要细致，要服从大
局"
能
好科考。

(a) 1号站
' (W D 4m ，W D 2J =
5 10 15
' (W D 4m ，W D 2J 二 〇.95
图10 冰上自动气象站和2 m 风速时间（月/日）序列及其相关系数
败的
，这与每次观测前充分的准
{s /m
}/
铟式 {
S
/3/铟
式
{
S
/3/铟
豉。