《Atmospheric Research》：The characteristics of the atmospheric boundary layer structure over the Cosmonaut Sea and Bellinsgauzen Sea during summer 2021
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本研究基于第37次中国南极科考探空数据，揭示了2021年夏季南大洋Cosmonaut Sea和Bellinsgauzen Sea大气边界层（ABL）结构特征。主要发现包括：冰区ABL高度（ABLH）较开阔水域低，因辐射冷却增强和海气热交换减弱抑制ABL发展；Thorpe方法有效描述ABL湍耗率（ε）垂直分布，显示对流与近中性ABL的ε垂直分布存在显著差异； cyclone期间ABL高度增加，冷平流破坏稳定层结，促进云-ABL耦合，强风增强低空急流和垂直风切变，导致湍流活动增强和ABL加深。
邱婷|杨清华|韩波|奚星雅|蔡中亚|彭世杰|刘长伟
中国澳门大学海洋科学与技术系，智慧城市物联网国家重点实验室
摘要
南大洋上空的大气边界层（ABL）结构不仅决定了海气相互作用，还影响着局部天气过程。然而，由于观测数据稀缺，这一领域的研究一直较少。本文基于第37次中国南极科考期间进行的无线电探空观测，揭示了2021年夏季科斯莫纳乌特海和贝林斯高岑海上空ABL结构的特征。主要研究结果如下：（1）冰覆盖区域的ABL高度（ABLH）低于开阔水域区域，因为辐射冷却增强和海气热交换减弱抑制了ABL的发展。（2）Thorpe方法能够很好地描述ABL中湍流耗散率（ε）的垂直分布，并表明对流边界层与接近中性边界层之间的ε垂直剖面存在显著差异。（3）对1月份最强气旋的案例研究表明，气旋期间的平均ABLH高于非气旋时期。气旋带来的冷平流破坏了高空的稳定分层，促进了云层与ABL的耦合。同时，气旋驱动的强风增强了低层急流，加剧了垂直切变，从而增强了湍流活动，使得气旋期间的ABLH加深。
引言
南极洲是大气能量的主要汇，南极海冰在区域和全球气候变化中起着重要作用（Liu和Zhu，2024；Vignon等人，2018）。因此，我们关注南大洋（SO）。作为直接受地球表面影响的对流层最底层，大气边界层（ABL）与地表进行热量、质量和动量的交换（Stull，1988）。与其他地区相比，SO的特点是低云比例最高（Tansey等人，2024），海洋风持续且强度大（Bagatinskaya等人，2025），以及气旋频发（Yuan等人，2009；Zhong等人，2023）。此外，大气与海洋之间的能量交换受到水-冰界面条件的显著影响（Zhang等人，2025）。这些特点使得SO上的ABL结构更加复杂。深入研究SO上的ABL结构有助于更好地理解海气相互作用过程。
许多研究已经探讨了SO上的ABL。例如，Wall等人（2017a）利用基于船舶的测量和卫星数据表明，开阔水域上的ABL比海冰上的ABL更加湿润、温暖、多云且混合程度更高。Salim等人（2023）通过三次野外考察，研究了SO印度洋区域的ABL热力学结构、云层、温度逆温（TI）以及控制海气温度差的主要物理过程。Huang等人（2015）利用现场、太空和地面激光雷达观测数据，评估了澳大利亚社区气候与地球系统模拟器（ACCESS-C）对塔斯马尼亚及其邻近SO区域边界层云的模拟，并讨论了ABL中的TI分布和低云结构。然而，这些研究主要侧重于ABL过程的定性分析，缺乏对其垂直结构参数（如ABL高度（ABLH）和湍流垂直分布的定量研究。
ABLH是一个表征ABL结构的重要参数，用于反映垂直扰动和对流输送的深度（Zhang等人，2020）。受地表影响，SO上的ABLH与南极大陆上的ABLH有显著差异。目前，大多数关于南极ABLH的研究都是在南极大陆进行的，使用的是现场观测数据。例如，King等人（2006）研究了南极Dome C和Halley站ABLH的日变化特征。Dice等人（2023）利用来自两个内陆站点和三个沿海站点的无线电探空观测数据，研究了多年间ABLH的变化及ABL稳定性的变化。Lang等人（2018）利用高空探测数据，研究了麦夸里岛上ABLH的特征及其对天气强迫的响应。然而，由于观测数据稀缺，关于SO上ABLH特征的研究仍然有限。
除了ABLH，我们对SO上ABL内湍流活动的垂直演变知之甚少。在ABL内，湍流起源于地表风切变、太阳加热的地表热上升气流或云层（Stull，1988）。由于观测湍流垂直分布的难度，Wilson等人（2011）采用了最初用于确定海洋湍流参数的Thorpe分析方法（Thorpe，1977），通过无线电探空观测数据计算了大气湍流耗散率（ε）的垂直剖面。即便采用这种方法，关于ε垂直分布的研究主要集中在其他海洋区域或陆地上（Alappattu和Kunhikrishnan，2010；Kohma等人，2019；Sun等人，2016；Zhang等人，2019a，Zhang等人，2019b），SO上ε的垂直特征尚未得到充分阐明。因此，有必要加深对SO上湍流活动垂直分布的理解，这将有助于我们更好地解释ABL结构的变化（Zhang等人，2015）。
此外，SO经常受到气旋的影响，气旋对ABL结构的影响不容忽视。气旋会改变ABL内的气象参数（Seo等人，2023；Truong等人，2020），引发TI、低层急流（LLJ）和特定湿度逆温（QI）（Luiz和Fiedler，2024；Nyg?rd等人，2013），以及云层性质的变化（如寿命和厚度）（Knight等人，2024；Shupe等人，2013；Solomon等人，2014）。Truong等人（2020）利用SO上的高分辨率大气探测数据研究了ABL热力学结构与气旋之间的关系。Uotila等人（2011）研究了SO及南极沿海地区的气旋特征与地表性质之间的关系。但这些研究均未探讨气旋经过前后ABLH或ε的变化。
因此，本研究利用第37次中国南极科考期间收集的无线电探空观测数据，旨在：（1）揭示2021年夏季科斯莫纳乌特海和贝林斯高岑海上空ABLH的特征；（2）研究ABL中ε的垂直分布；（3）通过案例研究气旋对ABL结构的影响。第2节将介绍数据和方法，第3节将展示结果和讨论，第4节给出总结。
数据
第37次中国南极科考由中国极地研究所组织，于2020年11月在“雪龙2号”船上开始。此次科考期间，从1月1日至1月30日和3月2日至31日共收集了106次探空数据。通常每天至少发射一次无线电探空仪，在特殊天气事件（如气旋）期间还会增加观测次数。本研究使用了HT-URSS-1无线电探空系统（Huayun Tianyi）来获取垂直剖面数据。
ABLH的特征
图4显示了2021年1月和3月不同SIC（表面反照率）和稳定分层条件下ABLH的时间演变及其分布。如图4a（b）所示，1月份的ABLH平均值为612米（3月份为652米），最大ABLH值为1600米（1700米）。整个科考期间，ABLH的平均值为632米，接近Knight等人（2024）在MARCUS考察期间报告的夏季ABLH平均值615米。
结论
基于2021年1月和3月第37次中国南极科考期间的无线电探空观测数据，本研究重点研究了夏季科斯莫纳乌特海和贝林斯高岑海上空ABL结构的特征，特别是ABLH和ε。主要结论如下：
1）观测期间，ABLH的平均值为632米。结果表明ABLH受到SIC的影响。由于辐射冷却增强和海气热交换减弱，...
作者贡献声明
邱婷：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，方法学，调查，正式分析，数据整理，概念化。杨清华：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，项目管理，资金获取，概念化。韩波：撰写 – 审稿与编辑，正式分析。奚星雅：可视化，正式分析。蔡中亚：撰写 – 审稿与编辑，正式分析。彭世杰：可视化，正式分析。
财务支持
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFF0506601）、国家自然科学基金（项目编号：42530406）和澳门特别行政区科技发展基金（文件/项目编号：001/2024/SKL）的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
