极地研究杂志

极地研究杂志2019年第4期

• 北冰洋入海径流变化状况及其与近岸海冰关系

  秦恺,,张瑜,,高郭平,,陈长胜

  北极入海径流是北冰洋最主要的淡水来源之一, 也是影响北极变化的重要因素。利用Dai和Trenberth发布的1979—2010年全球河流流量和陆地径流数据集、全球径流数据中心(GRDC)数据集和美国国家冰雪中心数据集, 以入海口位置划分研究区域为楚科奇海区、东西伯利亚海区、拉普捷夫海区和喀拉海区; 以流量特征, 选取注入北冰洋的前12条大河中的6条主要河流为代表, 采用 Mann-Kendall 趋势分析方法, 检测了不同海区入海径流在不同季节的变化特征及趋势, 并对其与边缘海区海冰覆盖面积的关系进行分析。结果表明: 所有河流的季节特征明显且一致, 径流量集中在4—11月, 6月前后的洪峰流量远大于春季和秋季的径流量, 且叶尼塞河和勒拿河洪峰时期的流量是其他河流的3—4倍。径流季节变化明显, 在全球变暖的影响下, 径流总体呈现显著增长趋势, 春季径流量增加最为明显, 其中东西伯利亚海域入海径流增长最快。楚科奇海春季径流量与融化开始时间显著相关, 径流量每增加5.9 km3·a–1, 海冰融化时间提前一天。东西伯利亚海夏季径流量与融化开始时间(8月)显著相关, 径流量每增加30.7 km3·a–1, 海冰融化时间提前一天。东西伯利亚海8月最大日径流量与当月冰情显著相关, 最大日径流量发生时间平均提前于海冰低谷发生时间8天。不考虑其他因素的情况下, 最大日径流量每增加15.7 km3·a–1, 海冰低谷距平降低1%, 表明其促进融冰期海冰的融化, 导致冰情减轻。东西伯利亚海秋季径流的增大加速了结冰后期海冰的冻结。

• 白令海峡入流水影响下的楚科奇海海冰面积时空变化特征

  邓永飞,高郭平,张瑜,陈长胜

  利用美国国家冰雪中心的Bootstrap海冰密集度卫星遥感资料分析1991—2015年楚科奇海海冰覆盖面积的时空变化特征, 并探讨白令海峡入流水对海冰面积变化的作用机制。楚科奇海海冰覆盖面积月距平以0.7%·a–1的速度减小, 从2002年开始维持负距平特征。白令海峡入流水的热通量及其在楚科奇海的环流路径显著影响楚科奇海海冰的时空变化。海冰面积变化与入流水热通量具有高相关性(R= –0.86), 夏季(5—8月)两者的相关性更加显著, 热通量增加对海冰面积显著减小起关键作用。楚科奇海海冰分布减小的区域与白令海峡入流水环流特征和分布关系密切, 5—7月海冰分布在入流水三条主要流动路径上(海渃德海谷、中央通道、巴罗海谷)的季节特征和年际变化最为显著。海冰面积及分布对入流水的响应均有1—2月的滞后。

• 基于航磁数据揭示威尔克斯盆地南部及周边地区地质构造特征

  郭灿文,邢喆,马永,樊妙,孙毅,赵现仁

  威尔克斯盆地是位于横贯南极山脉腹地的大型冰下盆地, 因其地理位置的特殊性, 该盆地对于研究横贯南极山脉的形成甚至是南极洲演化过程具有重要作用, 但是由于缺乏较为广泛的地质地球物理调查, 该盆地的构造特征及起源仍存在一定的争议。基于威尔克斯盆地南部及其周边地区的航磁异常数据, 利用欧拉反褶积算法, 标识了该地区几条主要断裂, 断裂走向多呈近南北向且与Mertz断裂走向一直, 说明了该地区演化过程中受断裂控制的可能, 为威尔克斯盆地的研究提供一些依据。

• 太平洋夏季水在北冰洋扩展路径的模拟分析

  秦钰,罗晓凡,董春明,王雅丽,聂红涛,魏皓

  基于高分辨率海洋-海冰模式(NAPA1/12)的模拟结果, 分析了1996年太平洋夏季水(Pacific Summer Water, PSW)在楚科奇海西北部陆架、东部陆坡和加拿大海盆区域的季节变化特征及其扩展路径。结果表明: 1)在楚科奇海西北部陆架和东部陆坡处, 8月底海冰完全融化后, 受太阳辐射的影响, 上层水温较高。10月起, 海冰再次覆盖, 上层(约20 m厚)水温接近冰点, 其下层水温受PSW平流作用影响而呈现较高值, 其中, 西北部陆架处PSW主要为夏季白令海水(summer Bering Sea Water, sBSW), 东部陆坡处PSW前期主要为阿拉斯加沿岸水(Alaska Coastal Water, ACW), 后期为sBSW和ACW的混合。2)PSW主要通过巴罗峡谷进入北冰洋。在7月中旬PSW出巴罗峡谷后首先向东入侵至144°W以西的波弗特海陆架区; 8月初, 大部分向西沿楚科奇海陆坡输运, 并以顺时针的方向进入深海盆。3)加拿大海盆区PSW维持在50—100 m之间, 海盆西部全年存在PSW, 海盆东部PSW的高温特征不明显。

• 东南极冰盖泰山站雪层垂直温度分布特征研究

  张宇中,唐学远,窦银科,郭井学,左广宇

  准确可靠的冰盖浅层冰雪温度是数值模式中评估极地冰盖物质平衡和能量平衡的重要因子。基于中国第32次南极科学考察在泰山站附近布放的综合监测站浅层10 m温度链观测数据, 首次获得了泰山站雪层的高精度积雪温度垂直廓线, 并探讨了表层积雪温度的日变化、月变化和季节变化特征。结果表明, 冰盖雪层温度存在随深度传导的特点: 雪层温度波动振幅随深度衰减, 波动相位随深度滞后, 波动曲线的波峰和波谷由表层向下传导至10 m深度均需100多天。泰山站冰盖表层积雪温度存在显著季节差异, 冬季与夏季、春季与秋季的温度垂直轮廓线均相反但不完全对称, 夏季表层的温度变化幅度要大于冬季的温度变化幅度, 而秋季表层的温度变化幅度也高于春季的温度变化幅度, 这与短波辐射的加热作用和季节波动的位相滞后存在密切的联系。

• 机载冰雷达原始数据质量监测系统及其应用进展

  张文博,稂时楠,崔祥斌,赵钰恺,包振山

  高水平的研究都需要基于精准的原始数据, 如何克服极地恶劣环境的影响提升原始数据采集的鲁棒性, 是南极科学考察中一项极富挑战的工作, 这些原始数据将会直接影响后续一系列重要科研成果。由于意识到原始数据质量监测过程的重要性, 冰桥计划和雪鹰601中都采用了相应的数据质量监测方案, 在一定程度上提升了机载冰雷达数据采集和运输过程中原始数据的完整性和安全性。然而, 脱离数据本质的质量监测成效甚微, 若要有效提升机载冰雷达数据质量, 一方面需要从机载冰雷达数据特征入手进行监测; 另一方面需要结合同时采集的多源数据, 通过构建时空维度的全方位监管, 展开对关联原始数据质量控制的研究, 才能在全生命周期有效保障原始数据的安全。

• 北极海冰薄冰厚度遥感反演模型的船测验证

  马雪沂,赵羲,屈猛,程子桉

  利用美国科考船Sikuliaq在2015年10月至11月初在北极波弗特海区域获得的512处船测海冰数据, 分别对三种不同雪厚参数的MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer) 热力学反演冰厚模型、德国汉堡大学和不莱梅大学发布的SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity mission) 海冰厚度产品进行精度验证。结果表明, 将船测雪厚作为反演模型中的雪厚参数, 得到薄冰厚度与船测薄冰厚度的平均偏差为0.02 m, 均方根误差为0.12 m, 两者均为三种模型中最低而被认为是最优模型。不考虑雪厚的裸冰冰厚模型得到的薄冰厚度与船测薄冰厚度的相关系数为0.72, 相关性最高但只适用于冰上无雪盖的情况。以经验雪厚关系推算出的雪厚参数加入反演模型中, 得到的冰厚结果在研究验证中精度最不理想。另外, 两种SMOS产品与船测冰厚的相关性与均方根误差结果优于MODIS反演结果, 且不莱梅大学的SMOS冰厚产品精度更优。因此研究认为现有的MODIS薄冰厚度反演算法的反演精度有待提高, 暂不适合作为评定其他薄冰厚度产品精度的标准, 只能作为比较数据。

• 极地考察破冰船吊舱推进系统分析及其控制性能仿真研究

  黄嵘,李文明,袁东方

  吊舱式电力推进器可提高船舶总体性能和推进效率, 操纵灵活, 节省舱室空间, 增加有效载荷, 在破冰船上得到广泛运用。本文以“雪龙2”号极地科考破冰船为例, 分析了ABB (Asea Brown Boveri Ltd.)公司Azipod®吊舱式推进器的组成特点和优势, 介绍了吊舱推进系统中电力系统的构成。通过突变负载的仿真实验, 验证了“雪龙2”号吊舱推进器控制系统对转速控制的可靠性。

• 基于海冰影响的北极航线亚欧集装箱运输经济性研究

  骆巧云,刘伟,寿建敏

  为了探究海冰影响下北极航线通航的可行性, 从经济性角度, 首先走北极航线选取ARC4、ARC5和ARC7三种冰区加强等级船, 采用全年货运量、单位运输成本和年利润多个经济性指标, 以上海港至鹿特丹港为例, 通过与走苏伊士运河传统航线的普通船比较, 对北极航运集装箱运输经济性进行分析; 其次, 研究了不同起讫港、不同载箱量对北极航线运输经济性的影响。结果表明: 在三种冰区加强等级船中, ARC5级船的经济性最佳, 可提高货运量, 降低单位运输成本, 全年总利润大幅增加; ARC7级船尽管延长了北极通航时间, 但由于高造价, 经济性欠佳; 不同冰区加强船之间, 各项指标差异较大。相较于冰区加强船等级差异, 不同起点港口选择对于经济性影响较小; 在4 000—5 000 TEU区间, 随着运载量规模增大, 对单位运输成本影响不大, 但年利润方面, ARC5船舶可增50%以上。

• 基于船舶AIS数据的南极半岛地区人类活动分析

  刘奥博,程晓

  南极人类活动包括科学考察、渔业捕捞、旅游和探险等。随着活动强度的提升, 脆弱的南极生态环境面临挑战。船舶作为主要载体和交通工具, 其轨迹和密集度直接反映了南极地区人类活动的范围和强度。本研究利用AIS卫星获取的船舶轨迹数据, 对2015年6月—2016年5月南极半岛地区的人类活动进行分析。研究发现, 活跃在南极半岛地区的船只约有426艘, 其主要类型为货轮、渔船和客轮, 船只长度主要分布在50—100 m。船舶活动的季节差异显著, 南极旅游和科考集中在11月至次年3月, 而渔船全年均保持较高的活动水平。根据船舶轨迹的区域热度分析表明, 南极半岛地区最热门的旅游景点是利马尔水道, 而科考站船舶活跃度最高的国家为阿根廷, 其次为智利, 中国排在第7位。

• 南极特别保护区的发展趋势及设立流程分析

  李彧博,陆志波,杨情诗

  整理归纳了南极条约协商会议的相关资料和学术文献, 从三个方面对南极特别保护区的发展趋势做出分析: 从设立数目来看, 可将各提议国划分为两大梯队, 由于历史原因和综合实力上的悬殊, 两大梯队设立的保护区数目有较大差距; 从设立时间来看, 保护区的发展历经高峰期、下降期和平缓期; 从空间分布来看, 目前的整体分布情况在环境方面不具有代表性, 现阶段分布最密集的两大片区是南极半岛和罗斯海地区。此外, 总结并更新了保护区的设立流程, 并对我国未来开展设立保护区的工作提出建议。

• 南大洋酸化过程及其变化趋势研究进展

  陈魁,祁第,陈立奇

  近30年的集成研究表明, 南大洋吸碳能力从20世纪90年代开始出现明显的下降, 但是这种减弱趋势在2002年后又开始转变为显著增强的趋势, 展现出一种吸收大气中人为CO2更强的能力, 这种态势伴随着南大洋的酸化进一步增强。观测表明, 开阔大洋(45°S—50°S)在1991—2000年间的pH下降速率为每年0.0007, 文石饱和度Ω文石以每年0.015的速率上升,而在2001—2011年间pH下降速率增大为每年0.0024, Ω文石转变为每年0.017的下降速率。在南大洋近岸海域, 海洋酸化程度区域性差别很大, 影响因素也更加复杂。例如, 普里兹湾在1994—2010年pH和Ω文石分别下降了0.11和0.30, 威德尔海在1978—2008年间的表层海水pH下降速率为每年0.0011, Ω文石下降速率为每年0.002。基于现场观测数据和遥感反演参数方法, 从点线观测数据评估扩展到海区整体范围的南大洋酸化趋势评估取得了重要进展。而近期改进的模型模拟与观测结果比较在量级和更大尺度空间上都取得了较好的结果。本文对地球系统模型(ESM)预测的包括RCP 8.5等不同情境下的南大洋酸化趋势以及海洋酸化对南大洋生态系统的效应进行综合评述, 结果表明到本世纪末南大洋大部分海域都将处于文石不饱和状态, 预示着南大洋的酸化进展将会严重影响海洋生物地球化学变化和损坏整个南大洋的生态系统。因此, 对南大洋开展海洋酸化过程、驱动机制和预测研究以及生态效应评估已严肃地摆在全人类的面前。