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極地氣象學是研究南北極地區的各種氣象問題的學科。主要包括:大氣物理過程(如大氣輻射等)、大氣環流特徵和天氣預報等。早在17世紀,北極地區已有氣象考察。自18世紀發現南極大陸以來,各國的小規模探險,曾獲得南極地區一些片斷的氣溫和風速的記錄。從1957~1958年國際地球物理年對南極進行大規模的考察之後,才有了南極大陸比較系統的氣象觀測資料。中國於1985年在南極建立了中國南極長城站氣象站。

1 極地氣象學 -特點

南北極地區特點 

極地氣象學極地氣象學

北極地區大部分為歐亞、北美大陸包圍的海洋,面積約1310萬平方公里;南極地區大部分為由海洋包圍的大陸,面積約1400萬平方公里。南極大陸平均高度約2350米,其中超過3000米的,約佔南極大陸面積的25%,最高約4000米,大陸中心和邊緣有很大的溫度差,平均約差30°C,4月份可差 55°C。北極地區溫差不大,一般不超過10°C。兩極地區均為冰區,北極平均冰界約在北緯72°,南極約在南緯63°。北極地區的冰雪,夏季可以大量融化,而南極大陸有97%終年被冰覆蓋,平均厚度可達1700米,一般不融化。南極大陸周圍的海冰區域卻有很大的變化:3月海冰區最小,約為500萬平方公里,冰界約達南緯 70°;9月冰區範圍最大,約為2000

極地氣象學極地氣象學

萬平方公里,冰界約達南緯 57°附近。這些特點影響了南北極的輻射、近地面風系和溫度的分佈。地球南、北極地區終年寒冷的氣候。其範圍因氣候分類方法不同而有差異。天文分類法以南極圈(南緯66°33′~90°)和北極圈(北緯66°33′~90°)內的氣候為極地氣候;氣團分類法以北極鋒至北極和南極鋒至南極範圍的氣候為極地氣候;氣候要素和自然景觀分類法則以最暖月平均氣溫小於10℃,樹木不能生長的高緯度地區的氣候為極地氣候。

極地氣候有以下主要特點:①輻射差額全年為負值。在任何季節,下墊面均比空氣冷,因而形成穩定的北極氣團和南極氣團。②有極晝和極夜,最長各佔半年。極晝時間雖長,但因太陽高度角小,光照微弱,雪面反射強,故氣溫低。③蒸發小,產生降水的水汽是外來的。降水以雪的形式,量少而溫度低,難融化,長年積累,形成很厚的大陸冰蓋。④風大雪干,能見度差,極晝時期沿岸地帶多霧。

南北極地區氣候類型
極地氣候有兩個類型:①苔原氣候。相當於柯本氣候分類的ET氣候。最暖月平均溫度低於10℃,但高於0℃。一年中只有2~4個月的月平均溫度在 0℃以上。有苔蘚、地衣之類植物生長。西伯利亞、阿拉斯加、加拿大北冰洋沿岸和鄰近島嶼,以及格陵蘭島沿岸狹窄地帶屬此氣候。②凍原氣候。相當於柯本氣候分類的EF氣候。氣溫終年在0℃以下,冰雪長年不化。南極大陸、格陵蘭島大部分和北冰洋中央水域屬此氣候。

2 極地氣象學 -研究內容

輻射平衡和熱量平衡 

極地氣象學極地風景

兩極地區接受的太陽輻射少,就地-氣系統而言,極區有大量的熱量喪失。根據氣象衛星觀測,北極地-氣系統的輻射熱平均損失約為 100卡/(厘米2·天)。1月份熱損失約160卡/(厘米2·天),夏季則幾乎沒有熱量損失。為了要達到輻射平衡,經計算,通過 70° 緯圈向兩極輸送的熱量約為 1.2×1028卡/(厘米2·年)。熱量的輸送,主要通過兩種途徑:①大氣大型渦旋的熱量輸送。極區近地面冷空氣組成的冷高壓向中緯度地區運動,中緯度高空暖性高壓向極區運動,通過這種方式進行熱量交換,使極區得到來自中緯度的熱量。②通過平均經圈環流把熱量輸入極區。高空大氣自中緯度流向極地之後下沉,從低空流出極區。一般認為中緯度向極區的熱量輸送絕大部分是靠感熱(見大氣能量、非絕熱加熱)輸送來完成的。此外,由於冰雪的反射率大,地面的長波有效輻射(見輻射差額)也因晴天多而增加,所以近地面氣層強烈冷卻,從而在極區的近地面層形成了一個強逆溫層(見大氣靜力穩定度),其厚度可達 1公里。這種現象在南極大陸尤其顯著,每上升30米溫度可增加15~20°C。

天氣 
由於輻射損失的熱量遠大於吸收的熱量,兩極地區的氣溫都特別低。北極地區近地面的氣溫比南極溫和,分佈也比較均勻,1月極區約-32°C,7月約-2°C;南極地區氣溫則隨地勢高低而變化,其東半球部分的地勢高,氣溫低,年平均氣溫可低達-57.5°C。南極地區曾記錄到全球地面的絕對最低氣溫達-88.3°C。

北極夏半年常有層狀雲覆蓋,北緯 85°處6~8月總雲量為8~9(10分度雲量),這是一種雲底高度低於1公里、厚度350~500米的低雲,它雖減弱了來自太陽的短波折射,但卻大大減少了地面的有效輻射,使地面增暖,所以北極地區近地面氣層夏季的溫度較高,冬季則不然,天空大都晴朗,地面的有效輻射增加,使地面降溫。南極地區的天氣終年大都少雲或晴朗,但在南緯50°~65°之間,存在一個氣旋帶,所以圍繞南極大陸有一條氣旋性雲系。兩極地區的大氣中,水汽含量都很少,降水量也都比較少:北極地區年降水量約 200毫米;南極中部高原地區年降水量約為50毫米,全大陸年降水量自沿海向內陸劇減。北極地區的地面附近,冬季為穩定的高壓區,盛行東風;夏季常有低氣壓侵襲,風向不定。南極地區外圍(南緯60°~65°)為一氣旋帶,所以南緯 65°以北多為偏西風,以南多為偏東風。但是由於南極地區中東部為高原並且存在強烈的逆溫層,在南極中部下沉的近地層空氣沿高原下滑流向南極大陸沿海,形成南極有名的「下吹風」(katabatic wind)。在它的影響下,南極地區大氣流場十分奇特(見圖),冬季風速平均達9.0~12.5米/秒,夏季平均為4.9~9.0米/秒,越接近大陸邊緣,風速越小,但當氣旋侵入南極大陸時,風速可達20米/秒,冬季的風速可達40米/秒,引起大規模吹雪,能見度在1公里以下。

大氣環流 
南北極對流層,冬夏均為氣旋式環流,稱為極渦。在北半球,由於大陸分佈不均勻,極渦經常不在北極中心,而偏於北美大陸或歐亞大陸,引起這些地區偏冷。南極則由於中心是大陸,周圍是海洋,海陸分佈比較均勻,所以,極渦幾乎無偏心現象,中心位置比較穩定。南北極的平流層內,冬季為極渦,但夏季則為一巨大的反氣旋所控制。冬季在極渦外圍的極夜線附近,平流層內存在一支強大的急流,稱為「極夜急流」。兩極自冬到夏的環流變化比較劇烈。每年冬末,極區平流層有數次突然增溫,隨之極渦和極夜急流崩潰,在一個較短時間內,反氣旋環流控制極區,並逐漸向中、低緯度地區擴展,到5月已控制整個半球,相對而言,北極的「爆發性增溫」比南極地區要劇烈得多(見平流層和中層大氣環流)。

3 極地氣象學 -發展動向

極地氣象學企鵝

北極地區冰雪覆蓋面積的變化同北半球許多地區的氣壓和降水有密切的關係,北極冰蓋對氣候變化的影響已引起人們的注意。關於北極冰蓋對氣候影響的機制,有兩種不同的看法:①極冰的存在可以加劇氣候的異常。在氣候變暖時期,極冰融化后暴露出來的水面,會吸收更多的太陽輻射,傳輸給大氣,使大氣變得更暖,氣候變冷時期其過程適相反。②極冰的存在緩和了氣候異常狀態。在氣候變暖時期,極冰融化,極地向大西洋的冷流加強,使大西洋變冷而蒸發量減少,輸入北極的水汽也減少,北極地區的雲量也隨之減少,有利於北極地區的輻射冷卻,緩和了氣候的變暖的趨向。大西洋變冷,還使大氣南北向的溫度梯度減小,南北向熱量的交換也隨著減少,使極區變暖的傾向受到抑制。這兩種觀點是如此的不同,所以,在聯合國世界氣象組織的全球大氣研究計劃中,已把這個課題列入極地試驗計劃之中。

4 極地氣象學 -相關學科

大氣科學、氣候學、物候學、古氣候學、年輪氣候學、大氣化學、動力氣象學、大氣物理學、大氣邊界層物理、雲和降水物理學、雲和降水微物理學、雲動力學、雷達氣象學、無線電氣象學、大氣輻射學、大氣光學、大氣電學、平流層大氣物理學、大氣聲學、天氣學、熱帶氣象學、衛星氣象學、生物氣象學、農業氣象學、森林氣象學、醫療氣象學、水文氣象學、建築氣象學、航海氣象學、航空氣象學、軍事氣象學、空氣污染氣象學。

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