1、引言

随着北极海冰覆盖面积和冰厚的逐渐减小，夏季北极航道开通，北极地区的经济价值和战略价值日益凸显。北极地区天气过程和气候变化的观测、研究历来是国际北极大气科学研究的热点问题，同样也是我国北极考察的重点项目。北极大气对流层底部边界层与下垫面（海洋、海冰或陆地）的能量和物质交换、对流层顶与平流层之间的相互作用，直接影响天气系统和北半球中高纬度地区的气候。对流层结构也与北半球中高纬度地区的天气尺度过程、行星尺度过程密切相关。

20世纪90年代起，国内的气象学者开始基于模式和现场观测资料分析北极大气层结构。周立波等[1]使用我国首次北极科学考察期间所获得的大气边界层资料，研究了北极地区楚克奇海域一次强逆温过程，他们发现考察期间楚克奇海域上空的大气逆温强度（63℃/km）远远超过了北极地区夏季的气候平均值（0.5℃/km）。李响等[2]基于现场观测资料验证一维K闭合俄勒冈州立大学一维行星边界层模式和极地柱模式模拟单点北极大气边界层结构的能力。卞林根等[3]利用2003年8月23日—9月3日我国第二次北极科学考察队在北冰洋浮冰站探测的50次大气廓线及相关资料，对北冰洋的大气边界层垂直结构进行了研究。结果显示来自高空较强的暖湿气流与冰面近地层冷空气强烈相互作用，会形成强风切变和逆温、逆湿过程，有时100m高度内的风切变达10/s，逆温达8℃/km。此种过程会导致北冰洋高纬度地区的大块海冰破裂，形成新的无冰海域，加强了海冰气的相互作用。陈志昆等[4,5]先后使用我国第六次、第八次北极科考“雪龙”船走航探空数据分析了夏季北极地区边界层高度和接地逆温强度、边界层风场与海雾生消的影响。

以往国内对北极大气对流层垂直结构的研究，主要基于单次走航探空观测，观测频次/样本数量少，观测区域有较大差异，无法对比、分析不同区域（不同纬度）的大气对流层结构特征。同时，也缺乏针对北极地区对流层内水汽分布的研究，而夏季对流层，尤其是边界层的水汽含量与降水、海雾等天气现象密切相关，能引起近地面能见度降低，影响航行安全。本文综合了我国第六次—第九次北极科考“雪龙”船走航探空观测数据，分析夏季北极太平洋扇区和白令海对流层特征，包括对流层顶高度及其经向分布规律，以及对流层温度、水汽和风速分布。

2、数据资料与分析方法

2.1数据资料

2014年、2016年、2017年和2018年，我国开展了第六次—第九次北极科学考察，“雪龙”船航行期间均进行了每日2～3次（UTC00、06、12）的气球探空观测，分别获得47组、47组、30组和89组探空数据。探空观测主要位于北极太平洋扇区（见图1）：第六次北极科考（以下简称“6北”）和第七次北极科考（以下简称“7北”）探空观测区域为白令海、楚科齐海、波弗特海和北极中央航道；第八次北极科考（以下简称“8北”）探空观测区域为楚科齐海、北极中央航道；第九次北极科考（以下简称“9北”）探空观测区域为白令海、楚科齐海、波弗特海和北极中央航道。探空观测的时间段为7—9月，8月频次最多且均位于北极太平洋扇区（中央航道、西北航道），7月和9月的观测位于白令海、楚科齐海和波弗特海。

第六次—第八次北极科考，使用国产CF-06-A型探空仪，工作频率400.15～406MHz，测量周期1s[4]；第九次北极科考，使用维萨拉RS41-GS型探空仪，工作频率400±3MHz，测量周期1s[6]。两种探空仪的气温、气压、湿度、风速、风向等传感器的具体性能如表1、表2。本文计算、分析所用的温度、风速、气压和湿度的精度分别为0.1℃、0.1m/s、0.1hPa和0.1%。这两种探空仪的测量范围、精度/分辨率以及整体不确定性均较为接近，采集的数据可信度较高，能满足研究需要；以往的研究结果也表明两者均适用于北极大气探空观测[4,5,6]。

图14次北极科学考察探空气球释放位置

表1国产CF-06-A型探空仪传感器性能

表2维萨拉RS41-GS型探空仪传感器性能

2.2分析方法

由于探空气球在释放过程中垂直上升速度变化较大，为改进分析效果，首先对数据进行标准化处理，在垂直方向上插值，以获得间隔50m的气温、风速、风向、气压、相对湿度、位势高度、垂直上升速度等要素。

对流层高度的计算采用两种方式：（1）递减率对流层顶，亦称第一对流层顶（极地类）。根据中国气象局《常规高空气象观测业务规范（2010版）》[7],LRT应满足：条件一，气压≤500hPa且>150hPa；温度垂直递减率≤2℃/km气层的最低高度；条件二，此高度以上2km（可跨越150hPa）及以内的任何高度与此高度间的平均温度垂直递减率也都≤2℃/km;（2）冷点对流层顶。由于对流层和平流层温度垂直梯度发生转折，可以用最低温度确定对流层顶[8,9]。CPT为最低温度所在高度，其之上为逆温层（必然满足温度垂直递减率<2℃/km），因此通常情况下LRT≤CPT；当CPT之下的气层均不满足LRT的条件二时，有可能出现LRT>CPT的情况。

饱和水汽压采用世界气象组织推荐的Goff-Gratch公式[7]:

（1）水面饱和水汽压计算公式（适用温度范围为-50～100℃）

式中：Ew为水面饱和水汽压（单位：hPa);T0为水的三相点温度，T0=273.16K;T为绝对温度，T（K)=273.15+t;t为摄氏温度（单位：℃）。

（2）冰面饱和水汽压的计算公式（适用温度范围为-100～-0.0℃）

式中：Ei为冰面饱和水汽压（单位：hPa);T0为水的三相点温度，T0=273.16K;T为绝对温度，T（K)=273.15+t;t为摄氏温度（单位：℃）。

根据饱和水汽压、相对湿度可得水汽压、比湿，并最终计算得到气柱水汽含量/可降水量（PrecipitableWaterVapor,PWV)[10]:

水汽压E=Ew×RH，或E=Ei×RH

通过计算皮尔逊积矩相关系数确定LRT和CPT之间的相关性：

3、对流层顶高度分析

利用4次北极科考共计获得的201组有效探空数据，根据2.2节的方法，计算得到LRT和CPT（见图2）。LRT在6650～12850m之间，平均值为10003m;CPT在7100～14000m之间，平均值为10116m;LRT和CPT之间相关系数达0.94，平均误差112.9m;LRT和CPT主要集中在7000～13000m。探空观测的纬度从57.64°N向北延伸至84.78°N，主要集中在70°～84°N之间。计算60°N以南、60°～70°N、70°～80°N和80°N以北的LRT和CPT平均值（见表3），可以发现两者随着纬度增大均减小；LRT与纬度、CPT与纬度之间的相关系数分别为-0.49和-0.51，表明随着纬度增大，对流层顶的高度降低。通过LRT和CPT两种方法确定的北极太平洋扇区和白令海对流层顶温度、风速、相对湿度、气压等各要素的最大值、最小值、平均值也较为接近（见表4）。LRT的均值低于CPT，因此LRT的平均气温、平均气压、平均相对湿度均高于CPT。

表3不同纬度的LRT和CPT平均值

综上所述，LRT和CPT均能很好地表现北极太平洋扇区和白令海对流层顶高度/对流层厚度，夏季对流层顶高度与纬度之间呈中等强度负相关，随着纬度增加，对流层顶高度逐渐降低。相比于中低纬度地区，北极地区气温偏低，对流强度偏弱，对流层顶偏低。探空观测在夏季进行，气温高于年平均值，对流偏强，故夏季对流层顶高于年平均值（7～9km)[11]。

4、对流层垂直结构

根据这4次北极科考探空观测，计算得到平均温度廓线和标准差如图3。对流层的温度范围为-60°～10℃。对流层低层出现逆温，逆温层高度小于850m。对流层中高层的温度梯度小于0，直至对流层顶附近（9000～12000m处）出现逆温。对流层顶附近的温度变化较大。

从温度的高度-纬度剖面图（见图4）上看，北极太平洋扇区和白令海，气温随纬度增加而降低，对流层中高层气温随高度增大而降低。结合2.2节LRT的定义，对流层顶附近出现逆温，逆温层厚度50～1700m、平均厚度306m、逆温强度0.86～38.87℃/km、平均强度7.92℃/km；随着纬度增加，对流层顶的逆温层高度降低。对流层顶逆温层的形成与维持主要因为对流层顶附近的水汽和臭氧的辐射效应[12]，以及大尺度的动力过程增强对流层顶之上的静力稳定度[13]。对流层中层（3000～7000m）的平均温度递减率为6.4℃/km，与全球平均值6.5℃/km相吻合。对流层低层的逆温位于2200m以下，逆温层厚度50～2100m；逆温层气温极大值超过13℃，平均逆温强度12.5℃/km，远超北极地区平均逆温强度（夏季5℃/km，冬季10℃/km[14]），近地面气温-5.0～11.6℃，与纬度的相关系数为-0.76，随纬度增加而减小。

图2LRT和CPT对比（左）、LRT（右上）和CPT（右下）与纬度的关系

表4LRT和CPT所在高度各要素对比下载原表

表4LRT和CPT所在高度各要素对比

图3对流层平均温度廓线（灰色为标准差）

图4对流层温度的高度-纬度剖面及对流层顶的与纬度的关系

北极太平洋扇区和白令海的对流层风速随高度增加而增大，对流层之上的风速随高度增加而减小（见图5）。由于地表湍流摩擦的作用，近地面平均风速6.5m/s，近地层风速随着高度增加迅速增大。“6北”、“7北”和“9北”的观测显示，对流层低层风速小于10m/s，对流层中高层风速超过10m/s，在对流层高层出现大风区，厚度2000～3000m，最大风速超过20m/s；对流层中高层的风速变化比对流层低层更强。“8北”的对流层低层平均风速超过10m/s，但高空的大风区不明显。

周淑贞等[15]对高空急流做了如下定义：风速30m/s以上的狭窄强风带；垂直风速切变5～10m/（s·km）；急流核（急流中心）风速可达50～80m/s。其中温带急流又称极锋急流，位于南北半球中高纬度地区的上空，是与极锋相联系的西风急流，平均高度冬季约8～10km、夏季约9～11km，平均厚度约3～10km，冬季平均位于40°～60°N、夏季北移到70°N附近。而低空急流是指600～900hPa之间水平动量集中的气流带，风速≥12m/s[16]。根据上述定义，可以确定北极太平洋扇区和白令海夏季高空急流和低空急流的急流核高度及强度（风速）、急流顶高度和急流厚度。高空急流核风速、急流核高度和急流顶所在高度与纬度的相关系数分别为-0.40、-0.57和-0.58，表明随纬度增加，高空急流的强度减弱，急流核高度、急流顶高度降低。从对流层风速的高度-纬度剖面图（见图6）可得，“6北”观测到典型的西风急流，急流核风速可超过60m/s，位于60°～70°N，垂直风切变5～10m/（s·km），高度6000～12000m。其中“8北”低空急流核平均高度仅629m。高空急流核平均高度9484m，平均风速38m/s，最大风速62m/s。低空急流最大风速超过30m/s，急流核高度1000～4000m、平均高度1368m。

“8北”的走航观测获得28组有效数据，观测集中在8月1—12日，位于楚科齐海和中央航道。在此期间，“雪龙”船经历了3次气旋过程：8月1—2日，在楚科齐海受减弱的入海气旋（浅薄系统）影响，近地面风速增大但未出现高空急流，整个对流层内的风速分布较均匀；4—6日、6—9日连续经历了两个气旋过程，近地面风速较大并伴有高空急流。因此，“8北”的对流层平均风速廓线、低空急流特征和高空急流特征，与“6北”、“7北”、“9北”有明显差异；“8北”对流层顶的逆温层高度偏低、厚度偏小。

近地面大气受海表面蒸发的影响，相对湿度在80%以上（见图7）。由于存在强逆温，严重阻碍大气与海洋、海冰之间的水汽交换和垂直方向上的水汽扩散，相对湿度极大值位于300m以下；300m以上，相对湿度呈减小的趋势。在对流层顶附近，逆温和高空急流亦能阻碍对流层与平流层之间的垂直水汽交换[17,18]，因此对流层之上的相对湿度骤减至20%以下。北极太平洋扇区和白令海的可降水量在4.9～29.1mm之间，其中60°N以南、60°～70°N、70°～80°N、80°N以北的平均可降水量分别为23.6mm、16.9mm、11.0mm、10.9mm，可降水量与纬度的相关系数为-0.52（见图8）。可降水量的90%位于对流层中低层，地面至3000m高度的水汽含量占整个气柱水汽含量的50%,30%的水汽集中在边界层内。

图5对流层平均风速廓线（灰色为标准差）

图6对流层风速的高度-纬度剖面及对流层顶与纬度的关系

图7对流层平均相对湿度廓线

图8可降水量与纬度的关系（*为气柱可降水量；浅蓝线、深蓝线、红线至海面的可降水量分别为气柱可降水量的30%、50%和90%)

5、结论与展望

根据4次北极考察大气探空数据分析发现，在北极太平洋扇区和白令海，LRT和CPT及两者所在高度的风速、温度、相对湿度等要素具有较高的一致性，均能用于确定夏季对流层高度。夏季对流层高度7000～14000m，平均高度约为10000m，高于北极地区年平均值，但低于中低纬度地区。对流层顶高度随纬度增加而降低。根据温度廓线、相对湿度廓线和可降水量分布，确定：（1）对流层中层的温度递减率6.4℃/km，与理论值吻合，对流层低层和对流层顶存在逆温，对流层顶的逆温高度和厚度随纬度增加而降低；（2）逆温（尤其是对流层低层的强逆温）不利于水汽的垂直输送，造成逆温层之上的相对湿度骤减、可降水量集中于对流层中低层；（3）对流层内可降水量与纬度呈负相关关系；（4）近地面的风速受地表摩擦力的影响较明显，对流层内的风速随高度增加而增大；（5）高空急流的极大风速、急流核高度、急流底高度和急流顶高度随纬度增加而减小，“6北”在60°～65°N处观测到典型的温带高空急流；（6）风廓线、高空急流、低空急流受天气尺度过程的影响较明显。

本文通过对4次北极科考探空数据的分析，进一步揭示夏季北极太平洋扇区和白令海的对流层结构，尤其是对流层顶和对流层内温度、风速和水汽的经向分布特征。研究结果可用于检验和提高极地数值预报模式对北极大气对流层结构，如水汽分布、低空急流和高空急流等的预报能力，也可用于评估再分析资料用于描述夏季北极地区大气垂直结构的可行性，以及现场观测资料-再分析资料的协同分析研究。

迄今，我国在北极地区的探空观测主要基于科考船，仅能获得有限的夏季探空数据。俄罗斯、加拿大、挪威等沿岸国家的探空观测站虽然开展常年观测并纳入WMO的全球通信系统，但不包含北冰洋尤其是80°N以北的探空数据。而冬季北极大气垂直结构、极涡位置和强度，与北极地表爆发性增暖、北半球中纬度地区寒潮过程等有密切关系[19,20]。2019年9月，我国与德国、美国、法国、英国、加拿大、俄罗斯等19个国家联合开展“北极气候研究多学科漂流观测计划”。未来，我国的极地气象研究者可以基于类似的国际合作计划和平台，在北极高纬度海区开展连续的探空观测，并基于探空数据，研究北极大气垂直结构的季节性特征，更深入地分析北极大气垂直结构对天气尺度过程和行星尺度过程的响应，能进一步理解北极气候变化对北半球中纬度地区乃至全球气候的影响。

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基金:国家重点研发计划(2016YFC1402702).