1.   引言

南大洋气旋，是指活跃在南半球中高纬度、围绕南极大陆自西向东移动为主的温带气旋，既包括中纬度西风带中活跃的气旋，也包括较高纬度靠近南极大陆的绕极气旋^[1]。南大洋气旋是南半球非常重要的天气系统，在南半球大气环流特别是极向热输送过程中扮演重要角色^[2]。因此研究南大洋气旋的活动特征对于认识南半球中高纬相互作用具有重要科学意义。另一方面自1984年开始，我国已组织了35次南极科学考察，取得了举世瞩目的科考成果，极地考察船在其中起到了关键性的支撑保障作用，在考察站建设运营、重要物资补给、南大洋现场科学考察等方面必不可少，同时也是驻站考察队员轮换的最重要载体。但极地考察船在南大洋和极区的航行会频繁受到南大洋气旋的影响，气旋带来的大风、低能见度等危险天气和恶劣海况在相当大程度上威胁着我国南极考察船的航行和科考安全，因此开展南大洋气旋活动及其影响的研究对于提升我国极地考察保障能力具有重要的意义。

由于南大洋现场观测资料十分匮乏，国内外关于气旋的研究多数都是对南半球气旋的气候态进行统计，从早期的基于天气图、卫星云图对气旋进行识别跟踪分析^[3-4]发展到采用客观的气旋自动识别与追踪算法对气旋的时空特征进行统计^[5-7]，对南大洋气旋的频数、路径和强度的变化给出统计分析结果^{[1, 8-9]}，并对气旋活动、强度与大气环流变率如南极涛动（Antarctic Oscillation, AAO）、南方涛动（Southern Oscillation, SO）以及海温、海冰等因子之间的相互关系进行了研究^{[2, 10-13]}。相对而言，国内关于南大洋气旋对中国南极考察航线和考察站影响的研究还相对较少。早期主要利用南半球天气图、卫星云图和考察船、考察站观测资料对影响南极半岛地区的极地气旋移动路径^[14]、南大洋夏季的气旋爆发性发展个例^[15]、东南极普里兹湾大风天气与气旋和锋面活动的关系^[16]、南大洋灾害性大风个例及穿越西风带航线选择^[17]进行了探讨。解思梅等^[18]研究了南极中山站所处的普里兹湾地区气旋的生消发展，指出夏季绕极气旋进入普里兹湾内也会发展加强，在湾内东风带里也能生成气旋。胡胜利^[19]分析了极地气旋和长城站暴风雪天气的关系，指出长城站95%以上的暴风雪天气都是由于极地气旋引起的。耿淑琴和蔡琳^[20]总结了中国第19次南极考察期间的航线天气及预报情况，指出南半球副热带高压脊和极地高压的南北活动对于绕极气旋移动和发展具有重要影响。傅刚等^[21]利用再分析数据和卫星云图资料对第21次南极考察穿越西风带期间南大洋上一对气旋的演变过程和垂直结构进行了分析研究。国家海洋环境预报中心的极地预报和研究人员总结了多个南极考察航次的海洋气象特点、站区天气系统和气象要素变化特征、气旋活动情况等，汇编成《极地考察海洋气象论文集》^[22]。秦听等^[23]基于再分析数据和气旋识别与追踪算法对中国南极长城站、中山站和泰山站附近的气旋活动特征如气旋数量、空间分布、强度、加深率等进行了详细的统计对比。

以往的研究对于认识南大洋气旋及其对中国极地考察的影响发挥了重要的指导意义，也帮助提升了极地考察气象预报保障能力。但以往关于南大洋气旋对于中国极地考察航线的研究多是集中于单一航次或特定地区，而对多个航次整体情况的研究还尚未开展。针对这个问题，本文利用中国第19～34次南极考察期间的走航气象观测数据、极轨卫星云图，结合大气再分析数据研究了第19～34次南极考察过程中遭遇的全部气旋大风过程。在此基础上，统计分析了气旋大风过程的数量、发生间隔、强度、空间分布等特征，以全面和直接了解南大洋气旋对中国极地科考航线的影响，以期为今后南极科考计划制定和航线选择提供科学依据，并进一步提升南极科考航线预报保障能力。

2.   资料和方法

2.1   资料

（1）“雪龙”号走航气象观测数据

“雪龙”号在2002年第19次南极出发前安装了Vaisala MILOS500自动气象站，其主要传感器均为Vaisala公司生产的，包括HMP45D温湿度传感器、PTB210气压传感器和WMS301风向风速传感器，各传感器在2005年第22次南极出发前进行过更换。2013年第30次南极出发前，“雪龙”号船载自动气象站更换为基于美国坎贝尔公司CR3000数采器的天诺自动气象站，其主要传感器包括Vaisala公司的HMP155温湿度传感器和PTB110气压传感器以及美国RM YOUNG公司的05108机械风传感器。Vaisala MILOS500和天诺CR3000船载自动气象站各传感器的性能指标均符合WMO CIMO指南VI^[24]和国标《海洋调查规范 第3部分：海洋气象调查》^[25]中对自动气象观测仪器准确度和性能的要求。

早期针对Vaisala MILOS500自动气象站，每年会携带足够准确的标准仪器对主要传感器进行现场比对，后来随着对极地观测数据质量的进一步重视，更换为天诺CR3000自动气象站后每年都会对温湿度、气压、风向风速传感器进行拆除并送到专门机构进行标定。航次期间还会对自动气象站运行状况及故障情况进行较详细的记录，航次结束后会对出现故障的传感器进行检修或更换，以保证观测数据的准确性。

船载自动气象站观测要素包括气压、气温、露点温度、相对湿度、风向、风速等，数据时间分辨率为逐10 min。除了自动气象站走航观测数据，随船气象人员会按照国标《海洋调查规范 第3部分：海洋气象调查》^[25]和有关规范、技术规程的要求，在每日世界时（UTC）00、06、12和18时中的3～4个时次进行整点气象观测，记录下整点时刻的自动气象站温压风湿数据，并进行能见度、天气现象、云量云状、涌浪等的人工观测。本研究过程中，为保证所使用的走航气象观测数据的真实准确，在数据处理阶段也进行了较为严格的质量控制，主要包括剔除超过气候极值的异常数据、数据时间连续性检查、数据时间变化性检查及数据记录格式错误更正等。

（2） “雪龙”号极轨卫星云图

“雪龙”号于2002年安装了美国SeaSpace公司生产的极轨气象卫星遥感接收系统，在第19次南极考察中开始使用，并在2011年第28次南极考察前进行了升级更换。利用该系统可以实时接收和处理美国NOAA、DMSP极轨气象卫星的遥感数据并显示为云图，进而识别出“雪龙”号周边的气旋云系，所以该极轨卫星云图可以用于帮助判定观测到的大风过程是否由于气旋所致。但个别航次如第27次和第33次南极考察由于设备故障无法接收数据，使得这两个航次缺少极轨卫星云图产品，此种情况下判定观测到的大风过程是否由于气旋所致则主要依靠该航次的气象总结报告及气象再分析数据。

（3）ERA-Interim再分析数据

在本研究中，还使用了欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF）的ERA-Interim再分析数据^[26]来分析气旋系统的位置及其周围的主要大风区，以判定观测到的大风过程是否由于气旋所致，其时间分辨率每日4次，分别为世界时00、06、12和18时，水平分辨率为0.75°×0.75°，要素主要选取了海平面气压、10 m风向、10 m风速和有效波高。

2.2   气旋大风过程判定方法

由于中国南极考察航线一般从上海（约30°N）出发，受北半球温带气旋的影响较少，故本研究中主要针对南半球中高纬度（30°S以南）气旋对考察航线的影响来开展。气旋大风过程判定方法具体如下：首先利用“雪龙”号走航气象观测数据筛选出发生在30°S以南的南大洋和极区航线上2 min平均风速大于或等于14 m/s的大风过程，然后查找最近时刻的ERA-Interim再分析数据和SeaSpace极轨卫星云图来判断气旋系统位置及云系范围，若考察船位于气旋系统附近或云系内，则定义该大风过程是一次“气旋大风过程”，并将其中2 min平均风速大于或等于20 m/s的大风过程定义为一次“强过程”。

选用2 min平均风速作为判断对象主要是考虑到相较瞬时风速和10 min平均风速，2 min平均的风速既能反映出风速的快速变化，也能一定程度上反映风速的持续和平均状况。选取风速大于或等于14 m/s作为气旋大风过程的标准是由于当风力达到7级或以上（≥13.9 m/s）时，会对极地考察船的航行和作业产生一定影响，一些对海况要求高的科考作业将无法开展；当风力长时间维持在9级或以上（≥20.8 m/s）时，会对航行和作业产生很大影响，考察船将中止作业选择进冰区避风或原地低速抗风^[27]。

图1为给出了利用“雪龙”号走航气象观测数据、SeaSpace极轨卫星云图、ERA-Interim再分析数据综合判定一次气旋大风过程的个例。走航气象观测数据（图1a）显示2011年12月24–25日“雪龙”号经历了一次最大风速达到22 m/s左右的大风过程，风速自24日18UTC开始迅速增大，25日12UTC达到最大后迅速减小，气压呈漏斗型先迅速下降然后迅速上升，25日06UTC实测海平面气压最低接近955 hPa，25日00UTC观测到较强降雪，能见度低至1 km左右。从25日06:51UTC的卫星云图（图1b）和25日06UTC的地面实况分析图（图1c）上可以看出在南大洋洋面上存在一个强气旋，中心位于约62°S，0°，气旋强度很强，中心最低气压约948 hPa，气旋前部的锋面云系范围宽广且清晰密实，表明该气旋处于强盛阶段，“雪龙”船此时正位于气旋中心东北侧的锋面云系后部，距离气旋中心约250 km，受西北向大风的影响。卫星云图和再分析数据均可说明此次大风过程是由于气旋引发，且是一次强过程。

图  1  南极考察航线气旋大风过程个例

a. “雪龙”号2011年12月24−26日走航气象观测序列，蓝色六角星表示观测时有雪；b. 2011年12月25日06:51UTC极轨红外卫星云图；c. ERA-Interim再分析数据2011年12月25日06UTC地面实况分析图；b和c中红色十字代表船位

Figure  1.  An example of cyclonic gale process along the Chinese National Antarctic Research Expedition route

a. The time series of meteorological observation collected on the R/V Xuelong on 24th to 26th December, 2011, blue six-pointed star represents snowing; b. the polar-orbiting infrared satellite image at 06:51UTC on 25th December, 2011; c. the surface analysis of 06UTC on 25th December, 2011 based on ERA-Interim reanalysis data; red crosses in panel b and c represent the locations of R/V Xuelong

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2.3   气旋识别与追踪算法

基于ERA-Interim再分析数据，本文使用英国雷丁大学的Hodges气旋客观自动识别算法^[6]来识别与追踪南大洋气旋，以分析探讨气旋活动本身与考察航线气旋大风过程数量、发生间隔的关系。该气旋识别与追踪算法已被广泛的应用到温带气旋或极地低压的统计研究中^[28-29]，并在南大洋气旋气候特征及其对中国考察站附近的影响研究方面也得到了较好的应用^{[1, 23]}，关于该算法的主要思想和计算过程可参阅文献[6]。

3.   考察航线气候特征

中国极地考察船在南大洋和极区考察作业主要集中于南半球夏季，第19～34次考察的航迹如图2所示。第19～28次考察期间（图2a），典型航线一般为从澳大利亚向南穿越西风带，赴中山站所在的普里兹湾海域进行卸货和考察，然后绕极航行至长城站所在的南极半岛海域进行考察作业，期间会穿越西风带在澳大利亚或南美洲南部进行补给，其后再次绕极航行回到普里兹湾，结束普里兹湾考察作业后向北穿越西风带离开南大洋，重点考察海域为普里兹湾海域和南极半岛海域。最近几年随着罗斯海地区新考察站的选址建设以及对阿蒙森海综合调查的开展，第29～34次考察期间（图2b），在新西兰和罗斯海之间往返的航线次数有所增加，重点考察海域中也增加了罗斯海、阿蒙森海两个区域。

图  2  中国第19～28次（a）和第29～34次（b）南极考察航迹

红色五角星代表科考站位置，红色虚线扇形区域代表重点考察海域

Figure  2.  The routes of 19th to 28th (a), 29th to 34th (b) of the Chinese National Antarctic Research Expedition

Red stars represent the scientific investigation stations, red fan-shaped regions represent the key expedition areas

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为了了解考察航线的气候特征，统计了2002/2003至2017/2018南半球夏季（12−2月）中高纬度的平均海平面气压和10 m风速场（图3a），由图可以看出，南半球中纬度30°～40°S为副热带高压控制区，气压场相对均匀，平均风速很小；40°～60°S为等压线密集气压梯度很大的盛行西风带，平均风速很大，其中50°S附近的部分海域平均风速接近12 m/s；60°～70°S为气压场也相对较均匀的副极地低压控制区，在普里兹湾两侧的南大洋上以及罗斯海至阿蒙森海地区分布着几个低压活动中心，平均风速也相对较小；70°S附近为南极大陆边缘的极地东风带，气压梯度较大，平均风速也较大。海平面气压场形势与前人^[8]研究结果分布一致。而从10 m风速达到6级以上的概率分布（图3b）来看，大风出现概率的大值区主要呈带状分布在40°～60°S范围的盛行西风带内，其中50°S附近区域多数可以达到0.5，即有一半及以上的时刻风速可以达到6级以上，这种大风一般是由于南大洋气旋或其与北侧副热带高压配合产生的梯度风引起的；南极大陆边缘的极地东风带内也存在一些容易出现大风的区域，这种大风可能是南大洋气旋与南侧极地高压配合产生的偏东风，也可能是南极冰盖或冰架与周围热力差异产生的下降风^[22]；副极地低压区内大风出现概率相对较小，而副热带高压区内大风出现概率最少，只在澳洲、南美、非洲大陆的东侧存在范围较小的大风多发区，这与副高与大陆热低压配合产生的梯度风有关。

图  3  南半球夏季中高纬度平均海平面气压（黑线，单位：hPa）和10 m风速场（填色）（a），10 m风速达到6级以上概率（填色）分布（b）

Figure  3.  The distribution of mean sea level pressure (black lines, unit: hPa), wind speed at 10 meter above the sea level (shaded) (a), and mean frequency above Beaufort wind scale 6 (shaded) (b) over the Southern Hemisphere extratropical regions in austral summer

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结合典型考察航线和风压场及大风概率分布可知，在南半球中高纬度，中国南极考察航线的一般规律：从气压高、风速小、大风少的副热带高压往南航行通过气压梯度大、风速大、大风频发的西风带，进入气压低、风速相对小、大风相对少的副极地低压区，在副极地低压区、极地东风带内进行考察作业和绕极航行。

4.   气旋大风过程数量和强度

4.1   发生数量和时间间隔

根据前面给出的判定方法统计得到了中国第19～34次南极考察期间出现的气旋大风过程及强过程数量（图4），从结果可以看出南大洋气旋频繁影响中国南极考察航线，平均数量为每个航次出现约18.4次，并且每个航次均有强过程出现，平均为4.1次，强过程所占比例平均约24%。还可以看出不同航次之间气旋大风过程数量及强过程比例均存在明显的差异，第24次和第34次考察期间气旋大风过程发生最多，均高达26次，第22次考察期间气旋大风过程最少，仅有9次，第25次考察期间强过程最多（9次），第31次考察期间强过程最少（2次）；从强过程所占百分比来看，第27次考察期间强过程比例最高（约45%），其次为第25次考察期间（约41%），第31次考察期间强过程比例最低（约12%）。气旋大风过程数量的明显航次差异首先与该航次在南大洋和极区（30°S以南）的考察时长（简称“航次时长”）有密切关系，统计发现航次时长（图4紫色线）与气旋大风过程数量之间呈显著的正相关（0.733），并通过了95%信度的显著性检验，说明航次时间越长遇到的气旋大风过程数量越多，相比而言强过程数量与航次时长的正相关（0.426）则较弱，未通过95%信度的显著性检验。此外以往的研究表明南大洋气旋数量、强度、活动范围均存在明显的年际变化^{[1, 8, 11]}，这种气旋活动本身的年际变化也可以引起气旋大风过程数量的航次之间差异。

图  4  航次时长（紫线，单位：d）、气旋大风过程数量（蓝色柱状）、强过程数量（红色柱状）及强过程数量占总数百分比（黑线）

蓝色（红色）数字为气旋大风过程（强过程）数量与航次时长的相关系数

Figure  4.  The time duration of voyages (purple line, units: d), the number of cyclonic gale process (blue bar), the number of strong cyclonic gale process (red bar), and percentage of strong cyclonic gale process (black line)

Blue (red) text represents the correlation coefficient of the number of (strong) cyclonic gale process with the time duration of voyages

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为了剔除不同航次在南大洋和极区（30°S以南）考察时间长短的影响，进一步分析气旋大风过程发生的频率，根据航次时长得到每个航次气旋大风过程及强过程发生的平均间隔时间（图5）。由图可以看出中国南极考察航线上气旋大风过程非常频繁，发生的平均时间间隔为约6.5 d，而强过程出现的平均时间间隔为约30 d，也就是大约每个月出现一次强过程。另外不同航次之间仍存在一定的差异，第24次考察期间气旋大风过程发生最为频繁，接近每4天就出现一次气旋大风过程，而第22次和第27次考察期间气旋大风过程发生的间隔时间最长（9.4 d）；第25次考察期间强过程发生最为频繁，每14天就出现一次强过程，而第31次考察期间强过程发生的间隔时间最长（58 d），接近每两个月才出现一次强过程。

图  5  气旋大风过程（蓝色柱状）、强过程（红色柱状）发生时间间隔序列

Figure  5.  The occurrence interval series of cyclonic gale process (blue bar), strong cyclonic gale process (red bar)

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4.2   与南极涛动的关系

南极涛动或南半球环状模（Southern Annular Mode, SAM）是南半球中高纬度最重要的天气气候变率^[30]，以往的研究表明其与南大洋气旋活动有密切关系^[12-13]。由于中国南极考察主要集中于南半球夏季，计算了第19～34次考察期间南半球夏季（当年12月至翌年2月）的AAO指数，并统计了其与航线气旋大风过程发生时间间隔的相关关系（图6），可以看出气旋大风过程时间间隔与AAO指数呈负相关（相关系数为−0.40），即当AAO处于正位相时，考察航线上气旋大风时间间隔越短，也就是气旋大风过程发生越频繁（如第24、28和34次考察期间），反之当AAO处于负位相时气旋大风过程发生越稀少（如第22次考察期间）。但这种相关关系不显著，没有通过95%信度的显著性检验，其原因是夏季AAO指数与南大洋气旋活动密度正相关明显的区域主要集中在55°S以南的高纬度^[1]。为此我们进一步计算了考察航线上发生在55°S以南的气旋大风过程时间间隔（图6红线）及其与AAO指数的关系，发现二者相关关系达−0.58，并通过95%信度的显著性检验，说明AAO与航线上气旋大风过程发生间隔的负相关关系在55°S以南更为突出。

图  6  南半球夏季南极涛动指数（柱状，正：紫色，负：绿色）与气旋大风过程发生时间间隔（实线，单位：d）序列

蓝色（红色）实线和数字表示55°S以南气旋大风过程发生时间间隔及其与南极涛动指数的相关系数

Figure  6.  The series of Antarctic Oscillation index (positive: purple bar, negative: green bar) in austral summer and the occurrence interval of cyclonic gale process (solid lines, unit: d)

Blue line and text represent the occurrence interval of all cyclonic gale process and its correlation coefficient with Antarctic Oscillation index, red ones represent the cyclonic gale process poleward of 55°S, respectively

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为进一步揭示AAO位相对航线气旋大风活动频率的影响，选取2005/2006年和2007/2008年两个典型夏季进行对比分析，前者处于典型的AAO负位相（−0.613），后者处于典型的AAO正位相（1.428），分析了两个夏季近地面风压差值场和气旋活动密度差值场（均为2005/2006减2007/2008，图7）。可以看出相比2007/2008夏季，2005/2006夏季南半球60°S以南的高纬度地区海平面气压（简称“气压”）均为正值，即气压偏高，普里兹湾北部、罗斯海等地区偏高可达10 hPa，西半球60°S以北的中纬度地区气压也普遍偏高，东半球中纬度地区为气压偏低区，印度洋至太平洋一带偏低可达−6 hPa。说明在AAO负位相，副热带高压减弱、副极地低压北部增强南部减弱、极地高压增强；同时在近地面风场上可以看出在AAO负位相，中纬度盛行西风带北部增强南部减弱、极地东风带增强。而从气旋活动密度差值场（图7b）可以看出，在AAO负位相，55°S以南的高纬绕极地区气旋活动均偏少，偏少最明显区域位于东半球印度洋至太平洋一带，55°S以北中纬度地区的气旋活动偏多，最明显区域位于大西洋至太平洋一带，说明在AAO负位相南大洋气旋活动整体偏少且主要活动区域向北偏移。气旋活动的减少和向北偏移、副热带高压减弱、副极地低压北部增强南部减弱、极地高压增强、中纬度盛行西风带北部增强南部减弱等综合作用使得第22次考察期间（2005/2006夏季）气旋大风过程偏少且发生时间间隔较长（9.4 d），其中55°S以南遇到的气旋大风过程变化尤为明显，发生间隔长达16 d。综上可见，AAO通过调整中高纬度风压带强弱，并影响气旋活动数量和活动区域，进而影响考察航线上气旋大风过程发生数量和频率。

图  7  南半球夏季海平面气压（黑线，单位：hPa）、10 m风速（填色）差值场（a）和气旋活动密度（填色）差值场（b）（2005/2006减2007/2008）

Figure  7.  The difference fields (2005/2006 minus 2007/2008) of sea level pressure (black lines, unit: hPa), wind speed at 10 meter above the sea level (shaded) (a), and cyclone density (shaded) (b) of Southern Hemisphere in summer

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4.3   强度

以每次气旋大风过程中的最大风速（简称“过程风速”）来代表气旋大风过程的强度，统计了第19～34次南极考察期间每个航次的最大过程风速和平均过程风速（图8a），这14个航次最大过程风速的平均值为24.8 m/s（风力10级），过程风速的平均值为17.4 m/s（风力8级）。最大过程风速的航次差异较为明显，方差达到12.8 m²/s²，最大值出现在第25次考察期间（33 m/s，风力12级），最小值出现在第22次和31次考察期间（20 m/s，风力8级）；平均过程风速的航次差异相对较小，方差只有1.1 m²/s²，最大值也是出现在第25次考察期间（20.1 m/s），最小值出现在第31次考察期间（16.1 m/s），这主要是由于强过程所占比例在第25次考察期间最高而在第31次考察期间最低所致。此外还统计了所有的258个过程风速的概率分布（图8b），可以看出有62.8%（162次）的气旋影响过程中最大风力在7级左右，约有20%（52次）的过程最大风力在8级风左右，约有6%（16次）的过程中最大风力在10级及以上，其中有4次过程中最大风力达到11级及以上，2次过程最大风力达到12级。

图  8  气旋大风过程强度序列（a）和百分比分布（b）

a图中红色实线表示最大过程风速；蓝色虚线表示平均过程风速；b图中V表示过程风速（单位：m/s）

Figure  8.  The series (a) and probability (b) distribution of cyclonic gale process intensity

Red solid (blue dashed) line in a represent the maximum (average) wind speed; V in b represent the maximum wind speed during a cyclonic gale process (unit: m/s)

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5.   气旋大风过程空间分布

5.1   空间分布

统计了第19～34次南极考察期间每次气旋大风过程中最大风速出现时的船位，得到气旋大风过程的空间分布（图9），可以看出气旋大风过程可以发生在中国南极考察航线中高纬度航区的任意位置，从穿越西风带到绕极航行，再到站区卸货和大洋科考，期间都会受到气旋大风过程的影响。气旋大风过程最北可以出现在西风带边缘的30°S附近，最南可以发生在罗斯海底部的78°S附近，这也从侧面说明南半球中高纬度气旋影响的范围非常广，印证了中外学者对南大洋气旋活动范围的统计结果^{[1, 8]}。此外还可以直观的看出中山站附近的普里兹湾科考海域和长城站附近的南极半岛科考海域气旋大风过程分布都很密集，其中强过程发生也较多，从侧面反映出两个考察站频繁受到气旋的影响，与秦听等^[23]利用气旋追踪算法对中山站和长城站附近区域气旋活动数量的研究结果相一致，频繁活动的气旋及其产生的大风会对考察船站区卸货、科考作业带着安全威胁，给站区气象预报及作业窗口保障增大了难度。

图  9  气旋大风过程空间分布

V表示过程风速，单位：m/s；扇形框代表4个重点科考海域

Figure  9.  The spatial distribution of cyclonic gale process

V is the maximum wind speed during a cyclonic gale process, unit: m/s; fan-shaped regions represent the four key expedition areas

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进一步按照气旋大风过程出现位置统计了发生数量及时间间隔的纬度分布（图10），可以看出气旋大风过程发生在60°～70°S范围内的数量要远远多于其他纬度范围，这主要是由于中国的长城站（纬度62.22°S）和中山站（纬度69.37°S）均位于60°～70°S范围内，“雪龙”号在站区附近卸货和考察的时间要远大于其他海域。为此我们剔除了在每个纬度带内的考察时长因素，得到在每个纬度带内气旋大风过程发生时间间隔的序列（黑色点线），可以看出它表现为从南半球中纬度向南至极区先减小后增大，发生在50°～55°S范围内的时间间隔最小，平均每隔约2.5 d就出现一次气旋大风过程，其次为45°～50°S和55°～60°S两个纬度带，平均每隔约3 d出现一次气旋大风过程。这说明气旋大风过程在45°～60°S范围内出现频率最为频繁，该纬度带恰好是南半球夏季气压梯度大、风速大、大风频发的盛行西风带（图3），说明气旋大风过程在西风带内最易出现。另外一方面，南大洋气旋活动密度高值区主要呈带状分布于55°～67°S范围内^[1]，说明气旋大风过程在气旋中心及其北侧与副热带高压配合产生的强梯度风区内出现最多。此外还可以看出在70°～75°S范围内气旋大风发生时间间隔要比65°～70°S小，即考察船在此纬度范围内比后者更易遇到气旋大风过程，这与从中纬度50°～55°S向南至极区发生时间间隔逐步增大的趋势不一致，这主要是由于考察船在70°～75°S范围内科考作业的海域主要位于罗斯海北部至阿蒙森海南部，而在65°～70°S范围内科考作业的海域主要位于普里兹湾南部，绕极气旋一般从普里兹湾口北面自西向东移走而不进入湾内^[18]，少数进入普里兹湾的气旋也会迅速减弱消失^[4]。

图  10  气旋大风过程纬度分布

蓝色柱状表示气旋大风过程数量，黑色线表示气旋大风过程时间间隔

Figure  10.  The latitudinal distribution of cyclonic gale process

Blue bar represent the number of cyclonic gale process, black line represent the occurrence interval of cyclonic gale process

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5.2   重点科考海域气旋大风过程对比

中山站所在的普里兹湾海域和长城站所在的南极半岛海域一直是中国南极考察的重点科考海域，近几年随着罗斯海地区新考察站的选址建设以及对阿蒙森海综合调查的开展，罗斯海和阿蒙森海也已成为南极考察重点科考海域。为了研究南大洋气旋对各个重点考察海域的影响，对这4个海域的范围进行了划分（图9，表1），并统计了第19～34次南极考察期间在每个海域总的科考和航行时间。可见普里兹湾考察作业时间（693 d）远远长于其他3个海域，阿蒙森海考察作业刚刚起步（31 d），下面将探讨这4个重点海域考察期间受气旋大风过程影响情况。

表  1  南极周边重点科考海域的划分

Table  1.  The division of key expedition areas around Antarctica

考察海域	经纬度范围	总考察时间/d
普里兹湾	60°～90°E，60°S以南	693
南极半岛海域	40°～70°W，55°S以南	153
罗斯海	160°E～150°W，70°S以南	106
阿蒙森海	90°～135°W，65°S以南	31

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由于考察船在普里兹湾、罗斯海、阿蒙森海的南极近岸考察作业时，还会受到来自南极大陆的下降风的影响而出现大风过程。基于普里兹湾中山站和罗斯海特拉诺瓦湾地区下降风一般出现在晴朗少云的夜间且具有天气越晴朗下降风越强的特点^[31-32]，本研究利用大风对应正点时刻人工观测到的能见度、云量和天气现象，剔除了能见度很好、云量很少的单纯由下降风引发的大风过程。

从各重点科考海域气旋大风过程和强过程数量来看（图11a），普里兹湾海域科考期间气旋大风过程次数（79次）和强过程次数（19次）均最多且远多于另外3个海域，其次为南极半岛海域、罗斯海，最少的为阿蒙森海，这与在各海域考察作业的时间长短顺序是一致的。从强过程所占百分比来看，南极半岛海域强过程所占比例最高（32%），大约每3次气旋大风过程中就有一次强过程，其次为阿蒙森海、普里兹湾，强过程所占比例在1/4左右，最少为罗斯海（18%），约每6次气旋大风过程中才有一次强过程。而从各海域气旋大风过程和强过程发生时间间隔来看（图11b），阿蒙森海考察期间每隔4.4 d就有一次气旋大风过程，每隔15 d左右就有一次强过程，均为各科考海域间隔最短，说明阿蒙森海受气旋影响较另外3个海域更为频繁，其原因是阿蒙森海至别林斯高晋海一带存在一个强大的南半球永久性大气活动中心—阿蒙森低压^{[8, 33]}，其中心在整个夏季的平均强度约983 hPa（图3a），它的存在在天气尺度上给阿蒙森海地区带来了频繁的气旋活动^[34]。其次为南极半岛海域，气旋大风过程和强过程的发生间隔分别为5.5 d和17 d，均比普里兹湾海域间隔时间短，这与秦听等^[23]利用气旋识别追踪方法统计得到的“长城站附近受气旋影响较中山站附近更频繁，气旋强度也偏强”的结论相一致，原因如前所述—绕极气旋一般从普里兹湾口北面自西向东移走而不进入湾内，而南极半岛海域由于纬度相对较低而位于风暴路径上，从而气旋活动频繁。罗斯海位置最为偏南，主要受极地东风带控制，只有部分移动路径较为偏南的气旋能影响到此海域的科考作业，所以气旋大风过程发生间隔、特别是强过程发生间隔（53 d）均为最长。而从南半球夏季的大风出现概率上（图3b）也可以看出，普里兹湾和罗斯海科考区域，尤其是考察作业比较集中的普里兹湾海域南部（65°～70°S）及罗斯海区域南部（75°～80°S），6级大风出现概率（<0.1）较阿蒙森海和南极半岛海域（0.15～0.2）明显偏小，说明从气候态上前两个海域的大风发生时间间隔就要比后两个偏大，大风过程出现频率更低，考察船实际遇到的气旋大风情况（图11b）印证了这个气候统计结果。

图  11  重点科考海域气旋大风过程数量（a）和发生时间间隔（b）

a图中蓝色和红色柱状表示气旋大风过程和强过程发生次数，黑色线表示强过程所占百分比；b图中蓝色和红色柱状表示气旋大风过程和强过程发生时间间隔

Figure  11.  The number (a) and occurrence interval (b) of cyclonic gale process occurred over the key expedition areas

In panel a, blue and red bar represent the number of cyclonic gale process or strong ones, respectively, and black line indicates the percentage of strong ones. In panel b, blue and red bar represent same as panel a, except for the occurrence interval

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6.   结论

综合使用“雪龙”号走航气象观测数据、SeaSpace极轨卫星云图、ERA-Interim再分析数据，研究了中国第19～34次南极考察航线上受南大洋气旋导致的气旋大风过程和强过程，分析了气旋大风过程的数量、发生时间间隔、强度和空间分布等特征，探讨了发生间隔与南极涛动的关系，主要结论如下：

（1）南大洋气旋频繁影响中国南极考察航线，气旋大风过程数量与航次时长呈显著正相关，平均每个航次出现约18次气旋大风过程和4次强过程，平均每隔约6.5 d（30 d）就会出现一次气旋大风过程（强过程）。气旋大风过程的数量、发生时间间隔都存在较为明显航次差异，气旋最频繁航次每隔4 d（14 d）左右就会出现一次气旋大风过程（强过程），这种频繁的气旋大风过程将会给科考作业安排增加难度和不确定性，也对考察航线气象预报保障工作提出了更高要求。

（2）气旋大风过程时间间隔与南半球夏季AAO指数呈负相关关系，且这种负相关在55°S以南的气旋大风过程上更为显著。AAO通过调整中高纬度风压带强弱，并影响气旋活动数量和活动区域，进而影响考察航线上气旋大风过程发生数量和频率。AAO负位相时，南半球副热带高压减弱、副极地低压北部增强南部减弱、极地高压增强、中纬度盛行西风带北部增强南部减弱，同时南大洋气旋活动偏少且活动区域向北偏移，造成考察航线上气旋大风过程偏少且发生时间间隔较长，反之AAO正位相时气旋大风过程偏多、发生时间间隔较短。

（3）南大洋气旋对南极考察航线的影响强度猛烈，气旋大风过程最大风力的平均值为8级且航次差异很小，航次最大值的平均可达10级但航次差异较大，个别气旋大风过程最大风力可以达到12级；20%左右的过程最大风力在8级左右，并有约6%的过程可达10级或以上。猛烈的气旋大风过程会给科考作业人员、设备的安全带来较大威胁，也给预报保障工作带来了很大挑战。

（4）南大洋气旋影响范围非常广，气旋大风过程可以发生在中国南极航线上南大洋和极区内的任意航段，由于考察时长的因素在中山站和长城站附近海域出现最多。从发生时间间隔来看，气旋大风过程在45°～60°S范围内的盛行西风带内出现频率最高，最容易发生在气旋中心及其北侧与副热带高压配合产生的强梯度风区。

（5）由于阿蒙森低压的存在使得阿蒙森海考察海域较其他重点考察海域气旋大风过程频繁，大风过程和强过程发生时间间隔在4个重点考察海域中均为最短；南极半岛海域由于纬度相对较低位于盛行西风和副极地低压带内，气旋大风过程频繁程度仅次于阿蒙森海。普里兹湾和罗斯海两个考察海域由于纬度较高主要受极地东风带控制，气旋大风过程频率明显低于另外两个海域，大风过程和强过程时间间隔均较另外两个明显偏长，位置偏南的罗斯海受到气旋大风过程的影响较少。

通过本文的分析可以对中国南极考察航线上的气旋大风过程有了基本了解，这为今后南极考察制定科考作业计划和作业标准提供一定的科学参考，同时为今后的南极考察气象预报保障提供一定的指导。随着南极科学考察的继续开展，我们也将进一步开展气旋大风过程方面的研究工作，提升极地考察气象精细化预报水平。