极地研究

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• 南极近海可培养微生物的分离鉴定及产酶菌株的初步筛选

  张荷,,王亚如,,张蕴潇,,刘振刚,,史晓翀

  为探究南极近海可培养微生物的多样性, 本研究利用传统平板培养法, 对在中国第39次南极科学考察期间采自南设得兰群岛周边海域、宇航员海和普里兹湾3个海区共11个站位的海洋沉积物样品进行了细菌分离培养, 共得到882株菌。经16S rRNA基因测序及系统发育分析, 分属于4个门, 5个纲, 54个属, 95种, 其中包括7株疑似新菌。南设得兰群岛周边海域的5个站位共分离得到39个属, 其中, TY14站位优势属为假交替单胞菌属(Pseudoalteromonas), CJW01站位优势属为食纤维菌属(Cellulophaga), DA04A、DA03和DA01站位的优势属均为亚硫酸盐杆菌属(Sulfitobacter); 普里兹湾近海的2个站位P1-06和P1-12共分离得到27个属, 优势属为藏红花色杆菌属(Croceibacter); 宇航员海的4个站位CA1-10、C5-09、CD1-11和CA1-09共分离得到22个属, 优势属均为亚硫酸盐杆菌属(Sulfitobacter)。此外, 选取92种代表性菌株进行胞外酶(包括DNA酶、淀粉酶、脂肪酶(吐温20、40和80)、明胶酶、纤维素酶、褐藻胶酶和酪蛋白酶等)活性测定。研究结果表明, 3个海区分离到具有两种或者两种以上酶活性的菌株数占57.61%, 分离得到的细菌绝大多数都有胞外酶活性, 该发现为南极微生物资源的利用和低温酶的开发提供了参考。

• 南极恐龙的种类、分布及其与冈瓦纳大陆演化的关系

  李淼,,刘晓春

  恐龙是研究生物大进化的最好例证, 其化石被作为洲际间的陆相地层对比的标志,尤其是化石的分布也可作为大陆漂移的重要证据。南极恐龙的发现主要集中在横贯南极山脉中部比德莫尔冰川地区的陆相沉积地层和南极半岛詹姆斯罗斯岛周边的海相沉积地层中。本文在系统归纳总结有关南极恐龙的种类、分布、有关地层出露状况的基础上,聚焦南极恐龙与冈瓦纳大陆演化的关系, 得到如下结论: (1)比德莫尔冰川地区发现的恐龙化石赋存于陆相沉积地层, 该类群可能生活在早侏罗世季节性干旱气候条件下、发育在弧后前陆盆地的河流流域范围中, 对应冈瓦纳大陆演化过程中的初始裂解时期; (2)詹姆斯罗斯岛地区发现的晚白垩世恐龙化石赋存于海相沉积地层, 该类群生活在温暖潮湿气候下、活动范围在弧后盆地的浅海—三角洲的古环境之中, 对应各陆块彻底分离裂解的冈瓦纳大陆演化的晚期阶段。

• 硝酸盐及其氮、氧同位素指示白令海沉积物中的硝酸盐转化过程

  陈佳钦,,陈玲,,庄燕培,,任健,,季仲强,,白有成,,杨志,,李杨杰,,陈建芳,,金海燕

  海洋沉积物中同时发生着硝化作用、反硝化作用等氮转化过程, 影响着海洋硝酸盐(NO3–)循环。研究白令海沉积物中同时发生的硝化和反硝化作用等氮转化过程, 对于了解极地和亚极地海域的氮循环具有重要意义。本文选取中国第5次和第7次北极科学考察过程中采集的白令海盆(BL-10)和白令海陆架(B12)两个多管沉积物柱状样中的沉积物间隙水, 分析其NO3–浓度及其稳定氮、氧同位素(d15N-NO3–, d18O-NO3–)值, 以探究NO3–及其氮、氧同位素指示白令海沉积物NO3–的转化过程。研究结果表明: (1)BL-10沉积物间隙水中的NO3–浓度范围为0.61~22.52 μmol·L–1, d15N-NO3–范围为3.6‰~17.8‰, d18O-NO3–范围为10.5‰~20.9‰, 沉积物间隙水中发生了硝化-反硝化耦合作用; (2)B12沉积物间隙水中的NO3–浓度范围为0.20~1.61 μmol·L–1, 远低于底层水中的NO3–浓度(18.60μmol·L–1), 其中0~2 cm的d15N-NO3–范围为10.3‰~16.4‰, d18O-NO3–范围为13.2‰~19.7‰, 其表层沉积物间隙水中发生了剧烈的反硝化作用; (3)在白令海, 受水深、初级生产力和沉积物有机碳含量的共同作用, 陆架区域的反硝化作用比海盆区更加剧烈。

• 基于多源遥感数据的东南极达尔克冰架月尺度动态监测

  贾鹏,,刘岩,,翁志龙,,程晓

  对冰架面积进行月尺度监测, 探究冰架范围变化的时空特征和影响因素, 有助于深入理解冰架崩解机制。本研究基于光学和合成孔径雷达遥感影像, 通过目视解译和海岸线推移模拟算法以月为周期提取了达尔克冰架2000年1月—2023年8月共284期冰架范围数据, 分析其面积的周期性和季节性特征, 并结合同时期的海洋尼诺指数(Oceanic Niño Index, ONI)、南极环状模(Southern Annular Mode, SAM)、海冰密集度(Sea Ice Concentration, SIC)以及海洋表面温度(Sea Surface Temperature, SST)数据探究冰架范围的影响因素。结果表明: (1)24年间达尔克冰架经历了6个“前进—快速退缩”周期, 周期从22~74个月不等, 每次快速退缩都伴随着强厄尔尼诺或强拉尼娜事件, 且冰架前缘均退缩到地形起伏较大的冰隆附近; (2)达尔克冰架退缩存在明显的季节性特征, 夏季冰架退缩面积远大于其他季节, 退缩高峰出现在3月, 且在2016年强厄尔尼诺事件期间发生了冬季异常快速崩解现象; (3)月冰架面变化与海气变化显著相关, 与SST呈显著的中度负相关(r=–0.35, p<0.01), 与SAM呈显著的弱正相关(r=0.26, p<0.01), 与SIC呈显著的较强正相关(r=0.57, p<0.01), 与ONI存在显著的强正相关(r=0.68, p<0.01)。

• 基于MODIS热红外数据的北极冰间水道产品不确定性评估

  翁志龙,,刘岩,,贾鹏,,王彩虹,,程晓,,陈卓奇

  北极冰间水道时空分布观测对探究极地地区水热通量、海-气物质交换及北极航道的开辟具有重要意义。星载热红外数据因其较高的时空分辨率和空间覆盖能力, 被广泛应用于冰间水道产品制作, 但目前不同水道产品仍存在较大不确定性。本文通过对国际上Willmes、Reiser和Hoffman共3种主要的热红外冰间水道产品进行比较分析和精度评估, 探索了冰间水道提取的不确定性及其来源。结果表明, 3种产品提取的日冰间水道面积存在显著差异, 就水道平均提取面积而言, Willmes产品占53.1%, Hoffman产品占106.0%, Reiser产品占140.8%。冰间水道产品提取的不确定性主要来源于3个方面: (1)狭窄冰间水道产品提取能力不足, 导致3种产品漏分率均高于50%; (2)3种产品是基于一天内多期热红外数据提取冰间水道的日合成产品, 海冰漂移导致同一冰间水道在不同位置被重复提取, 从而造成对快速漂移区冰间水道宽度和面积的高估; (3)Willmes产品与Reiser产品设计了云伪影过滤器(fuzzy cloud artefact filter, FCAF), 以减弱云等高温地物对冰间水道提取结果的影响, 但不同FCAF方案导致冰间水道提取面积差异显著。本研究不仅可为不同情境下的冰间水道产品选择提供参考依据, 同时也可为提升水道产品精度和未来发展指明优化方向。

• 基于资源三号卫星影像对东南极格罗夫山地区DEM的建立及其精度分析

  杨翼辰,,张烁,,胡泊,,王泽民,,刘少创

  东南极格罗夫山是中国南极科学考察的核心区域之一, 建立该地区高精度的数字高程模型(DEM)对南极科学考察和冰川变化观测研究具有重要意义。基于资源三号(ZY-3)卫星的高分辨率光学立体测绘特征及其影像全面覆盖了格罗夫山核心区, 本文利用其三线阵影像生成了格罗夫山地区高分辨率数字高程模型(ZYDEM), 并通过与该地区高程控制点的系统比较, 完成了精度分析。分析结果表明: 所获得的ZYDEM的高程精度为(−2.57±8.15) m; 通过与格罗夫山地区筛选后的ICESat2脚点数据比较, 可得到ZYDEM的高程精度为(0.49±2.34)m; ZYDEM的精度高于南极地区常用DEM, 如BamberDEM、ICESatDEM和TanDEM-XDEM, 与REMA的精度水平相当。上述针对东南极格罗夫山地区建立的高精度DEM及其精度分析成果表明, 我国自主可控的资源三号立体测绘卫星在南极地区具备可靠的应用效能。

• 基于差分干涉测量短基线集时序分析技术监测东南极托滕2冰下湖动态变化

  陈丽辉,,刘俊,,汤登晖

  托滕(Totten)冰川是东南极冰盖变薄最为剧烈的地区, 作为一个出口冰川, 其下方的托滕2(Totten2)活跃冰下湖的水文活动, 可能会在数十年的时间尺度上影响该区域冰盖物质平衡。本文利用2022年4月—2024年3月的57景Sentinel-1雷达影像, 基于差分干涉短基线集时序分析技术(SBAS-InSAR)对Totten2冰下湖表面冰盖高程变化进行监测, 以此来研究该冰下湖的动态演变过程, 并与ICESat-2 ATL11卫星测高数据的监测结果进行比较分析。结果表明: 在监测时间段内, 该冰下湖表面高程处于持续下降状态, 即该湖一直在排水; Sentinel-1和ICESat-2数据的监测结果具有较好的一致性, 证明SBAS-InSAR技术能够在小尺度时空域上监测冰下湖活动, 可以成为监测南极冰下湖活动的一种有效手段。

• 多种气象传感器在东南极沿岸观测的对比分析

  马靖凯,,凌新锋,,王硕仁,,王昊,,王君成

  利用南极沿岸自动气象站2023年数据, 本文对比分析了DHC2(国产)和HMP155A(进口)温湿度传感器、ZQZ-TSF(国产)和Young05106(进口)测风传感器的性能。分析结果表明: (1)两类温湿度传感器观测结果高度近似, 其中, 气温系统偏差为–0.15℃, 气温在–25~–10℃范围时粗差最多; 相对湿度系统偏差为0.45%, 当相对湿度小于80%时, 系统偏差随着相对湿度的增加而逐渐减小, 而相对湿度大于80%时则相反。(2)两类测风传感器观测结果基本一致, 风速系统偏差低至0.02 m·s–1, 在6~7级风力范围内粗差最多, 当风速继续增加, 观测结果值趋于一致, 粗差数量显著减少; 两者风向的系统偏差约为–3.05°, 在主风向(东东南)和次风向(东南)上一致率高。同时, 低风速不仅是造成风向对比差值粗差的主要原因, 其导致的空气混合不充分对气温和相对湿度的粗差产生也有一定影响。

• 基于FIO-CPS v1.0对北极夏季海冰预测能力的评估

  谭啸,,张录军,,宋振亚,,舒启

  随着北极地区气候变暖加剧, 北冰洋海冰范围快速减小和北退, 北极海冰预测对北极科考和商业适航性评估的重要性日益凸显。本文基于自然资源部第一海洋研究所研发的短期气候预测系统(FIO-CPS v1.0)的历史回报试验, 在对北极海冰预测结果进行误差订正后, 评估了该系统对北极夏季(6—9月)海冰覆盖范围和海冰密集度的预测能力。评估结果表明: (1)FIO-CPS v1.0对北极夏季海冰范围的预测存在系统性偏差, 经过误差订正后, 预测性能改善效果显著, 7月预测性能改进最大; (2)误差订正后FIO-CPSv1.0对北极海冰范围具有良好的预测性能, 逐月与逐日预测数据的均方根误差均小于0.5×106km2, 异常相关系数均超过0.7; (3)FIO-CPSv1.0的预测技巧显著高于线性趋势气候态预测, 且在一定程度上优于阻尼异常持续性预测, 但其优势随预测提前量的增大而逐渐减弱; (4)在北极海冰范围极小值年份, FIO-CPS v1.0的预测性能偏弱, 但相对于线性趋势气候态预测仍具有显著优势; (5)误差订正后FIO-CPS v1.0对海冰密集度也具有较高的预测能力, 预测的海冰密集度均方根误差普遍小于30%。

• 基于COSMIC掩星观测的北极大气边界层高度特征研究

  王芬,,常亮,,李黎黎

  基于折射率梯度法, 本文采用COSMIC掩星数据, 估计了2007—2019年的北极大气边界层高度(PBLH), 并利用全球无线电探空数据集(IGRA)进行了验证, 同时分析了北极PBLH的时空变化规律, 探讨了PBLH、逆温特性和低云之间的潜在联系。结果表明: (1)陆地和海洋上PBLH均在夏季最高, 其次是秋季和春季, 在冬季达到最小值; (2)贴地逆温(SBI)强度(频率)在冬、秋季比在春、夏季强(高), 而低悬逆温(EI)强度在冬、夏季强于春、秋季, 且EI频率在夏、秋季强于冬、春季; (3)陆地和海洋上PBLH与SBI和EI强度的月平均变化特征均相反, 其中陆地PBLH与低云云量的月平均变化特征均是在夏季最高(最多)而在冬季最低(最少), 但海洋PBLH和低云云量没有明显关系; (4)只有陆地的低云云量异常与PBLH异常在春季呈显著负相关, 在秋季呈显著正相关。在陆地上, 各季节低云云量异常与SBI强度异常均呈现出负相关性, 但与EI强度异常仅在夏季呈显著正相关。而在海洋上, 低云云量异常仅与SBI强度异常在秋季呈显著负相关。