极地研究杂志

极地研究杂志2023年第3期

• 南极春季臭氧损耗和恢复期的主要特征及其与平流层环流异常的关系

  李佳瑶,周顺武,杨铖,邓中仁,姚遥,孙阳

  21世纪以来, 南极臭氧总量经历了逐渐恢复的过程。本文基于近41年(1979—2019年)BS填充臭氧总量(Bodeker Scientific Filled Total Column Ozone)数据集和同期的ERA5再分析数据, 分析了20世纪末(1979—1999年, 损耗期)和21世纪初(2000—2019年, 恢复期)南极春季(9—11月)臭氧总量和平流层环流的主要变化特征, 研究了不同时期平流层环流异常与臭氧总量的关系, 并通过行星波诊断了影响臭氧总量变化的可能途径。结果表明, (1)南极臭氧总量在损耗期以51.5 Du(10 a)−1的速率显著减小, 在恢复期以14.2 Du(10 a)−1的速率持续增加; 与臭氧总量存在显著相关的平流层云(PSC)面积、平流层下部极区温度、中部极区位势高度以及60°S平均纬向风在损耗(恢复)期也经历了快速(缓慢)变化; (2)在整个分析时段, 臭氧总量与PSC面积、平流层温度、位势高度以及纬向风保持着显著且稳定的关系; 其中恢复期臭氧总量与上述平流层各要素的关系更加显著; (3)与损耗期相比, 恢复期由于平流层存在较强的Eliassen-Palm(EP)通量, 伴随平流层中上部极区EP通量辐合和更大的负涡旋热通量, 使得平流层温度升高, 极涡减弱, 不仅导致PSC面积减小, 而且有利于南极臭氧总量恢复。

• 东南极普里兹湾沉积物中重金属的富集特征和来源分析

  蒋文轩,于培松,张海峰,赵军,张慧娟,潘建明

  通过对中国第30次南极科学考察期间在东南极普里兹湾采集的岩芯ANT30/P1-02进行重金属含量的分析, 探讨了末次间冰期以来ANT30/P1-02岩芯重金属的富集特征和来源变化。结果表明, 重金属富集系数变化趋势与重金属含量变化趋势一致, 在不同时期重金属含量变化趋势明显, 可以被用来指示冰期-间冰期旋回特征。Pb、Zn、Ba元素均呈现富集现象, 其中Ba元素有明显的富集, Ge、Cd、Fe元素均没有富集或者富集不明显, 且富集系数在冰期与间冰期变化不明显, Ca元素在末次间冰期有明显的富集。通过不同来源输入的估算, 发现5种元素来源输入相差较大, Fe、Ge元素在末次冰期来源输入相差较大, Ba、Ca、Zn元素在末次间冰期来源输入相差较大。Fe、Ca元素更大程度上受岩源输入影响, Ge、Ba、Zn元素更大程度上受生源性物质输入的影响。Fe、Ge、Ba、Zn和Ca元素不同来源输入相差较大的原因与富集系数特征相符。

• 两种无机碳去除方法对南极海洋沉积物中铁结合态有机碳测定的影响

  黄文浩,赵军,郭晓泽,郭佳莹,李栋,潘建明

  海洋沉积物中活性铁(FeR)结合态有机碳(OC-Fe)具有长期保存潜质, 准确测定其含量对评价其对碳埋藏的贡献(fOC-Fe)和在缓解全球变暖中的作用具有重要意义。目前尚无研究评估酸蒸法和酸洗法对估算OC-Fe和fOC-Fe的定量差异。本研究使用酸蒸法和酸洗法分别对南极普里兹湾5个表层沉积物的原样、还原实验后样品和对照实验后样品进行无机碳去除处理, 测定对应的有机碳(OC)含量, 计算这两种方法的OC-Fe和fOC-Fe。结果表明, 对于原样、对照和还原实验后样品, 酸洗法测得的OC含量比酸蒸法分别低34.82%±12.92%、32.80%±15.11%和26.15%±20.51%, 说明酸洗法能显著析出酸溶性OC和水溶性OC。两种方法处理后得到的OC-Fe含量和fOC-Fe范围均差异显著, 表明酸洗法会额外析出部分高结晶度态铁氧化物或低活性含铁硅酸盐结合的OC, 放大fOC-Fe的差异, 不利于准确评估OC-Fe对海洋沉积OC贡献量。因此, 在开展OC-Fe研究时, 建议采用酸蒸法去除无机碳。

• 基于Elmer/Ice参数约束的西南极玛丽伯德地冰盖数值模拟

  杨树瑚,吕金磊,牛立杭,张云,韩彦岭,洪中华

  西南极玛丽伯德地冰盖底部地热通量的不确定性对准确模拟其演化有着重大的影响, 探究地热通量的变化对冰盖温度场和速度场的影响具有重要意义。本文基于2021年更新的BedMachine V2中的南极冰盖底部基岩高程、表面高程数据, 添加表面温度、表面质量平衡和地热通量等边界条件, 利用Full-Stokes三维模型Elmer/Ice对西南极玛丽伯德地的部分区域(76.8°S—77.3°S, 138°W—142°W)进行了静态模拟。实验通过美国冰雪中心2020年更新的MEaSUREs项目的遥感冰盖表面流速数据(MEaSUREs In-SAR-Based Antarctica Ice Velocity Map), 对Elmer/Ice中的冰盖底部滑动系数和格伦增强因子两个参数进行约束, 以模拟得到的表面冰流速和遥感表面冰流速之间的均方根误差(RMSE)作为评价指标, 获得适合区域模拟的最佳参数。当滑动系数为0.1, 格伦增强因子为0.26时取得最小RMSE(4.140 m·a–1)。以此参数进行模拟, 并对地热通量进行调节, 得到了研究区域的速度场、温度场、应力场等实验结果。实验结果表明, 地热通量改变时冰盖底部温度场变化较大。

• 基于ICESat-2卫星测高的南极冰盖1 km数字高程模型

  范艺培,王泽民,张保军

  冰盖的数字高程模型(digitalelevationmodel, DEM)是对冰盖形状的刻画, 是研究南极冰盖必不可少的基础数据[1]。然而, 受气候变化影响, 西南极冰盖发生了剧烈的消融, 冰盖的DEM也随之不断地变化。Ice, Cloud and land Elevation Satellite-2(ICESat-2)是美国国家宇航局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)于2018年发射的最新一代激光测高卫星, 星上搭载的先进地形激光测高系统(Advanced Topographic Laser Altimeter System, ATLAS)对南极冰盖表面进行了高密度的精确观测。本文利用这一观测数据, 使用最小二乘拟合法制作了1 km×1 km网格的南极冰盖DEM。使用NASA冰桥(IceBridge)计划采集的机载激光雷达测高数据评估发现, 随着冰盖表面坡度的降低, 该DEM的精确度逐渐提高。整体来看, 该ICESat-2DEM与IceBridge高程数据的差值的中位数、均方根和十分位距分别为–0.45 m, 17.51 m和17.93 m。在不同坡度范围内, 该ICESat-2DEM的精确度均优于前人基于 ICESat-2 数据所得到的南极冰盖的 DEM。

• 基于联邦学习的中山站移动传感单元启发式路径规划算法研究

  王煜尘,祝标,郭井学,窦银科,姚旭,孙阳

  启发式算法被广泛用于移动巡检单元的路径规划中。然而在一些特殊场合(例如南极中山站),有限的通信带宽、能源和计算能力要求移动巡检单元在路径规划算法中更有效率。为了解决上述困难,本研究提出了1个网络交换和分布式通信设施的设计方案,并将其作为实现数字孪生传感网络的基础。同时,本研究提出了1种改进型灰狼优化的路径规划算法,结合联邦学习机制,以提高路径规划算法的效率,减少资源消耗。通过一系列的仿真研究和南极中山站现场试验,验证了该算法在启发式全局路径规划、规划成本评估和区域动态路径规划方面取得了良好的性能。本研究设计的硬件平台功能符合实际任务要求,新型启发式路径规划算法优于同类其他算法,联邦学习机制提高了规划算法中参数设置的效率,算法模型使南极中山站移动巡检单元的路径规划更加高效和可靠。

• 北极新奥尔松地区有色雪中的微生物多样性

  韩玮,袁依杨,李邰宇,曾胤新,李会荣,罗玮

  北极地区的极端环境孕育了许多独特抗逆性的微生物群落。融雪期, 雪冰界面的藻类大量繁殖从而形成有色雪。为了解这种微型生态系统, 本研究对新奥尔松地区有色雪和白雪中细菌进行分离培养和16S rRNA基因测序, 并分析雪样中的藻类多样性。本研究共分离获得272株细菌, 分别属于变形菌门、放线菌门、拟杆菌门和厚壁菌门中的32个属、74个种, 其中16株分离菌为潜在新种。有色雪中分离到放线菌和拟杆菌, 但是白雪中未分离到。在有色雪中, 藻类群落以Sanguina nivaloides和Chloromonas nivalis为主, 白雪中以Monochrysissp.和Sanguina nivaloides为主。橘雪中优势的β变形菌纲与拟衣藻存在关联, 相互促进生长。本研究结果表明, 新奥尔松地区有色雪中微生物多样性较高, 并为有色雪生境中的藻菌关联研究提供了基础信息。

• 非政府组织对南极环境决策的影响路径与中国因应

  刘惠荣,谢炘池

  环境治理既是南极国际治理的核心议题, 又是各国锚定参与南极事务的关键目标之一。纵观南极环境决策机制, 既有南极条约协商会议(ATCM)、南极环境保护委员会(CEP)以及南极海洋生物资源养护委员会(CCAMLR)等南极条约体系制定机构的引领, 又有南极旅游组织者协会(IAATO)等活跃在南极的非政府组织的积极参与。非政府组织以其非政府性、非营利性和国际性的优势在制定行业规范、供给科学知识、参与议题设置、强化舆论引导等方面发挥了独有作用, 进一步促进了南极环境决策机制的透明化和民主化。作为南极条约协商国, 我国在参与南极环境治理时应辩证看待非政府组织所发挥的作用, 既要关注其在南极造法进程中的重要贡献, 又要警惕非政府组织“政府化”和“唯资本化”倾向对我国造成的扰动。此外, 我国要以南极研究科学委员会(SCAR)为纽带加强同非政府组织在科学层面的合作, 同时鼓励并引导国内社会组织参与南极事务, 不断提升在南极治理中的话语权和国际地位。

• 大洋表层海水氧稳定同位素比率研究进展

  衡福新,田彪,孙维君,吴雪梅,丁明虎

  大洋表层海水氧稳定同位素比率(δ18O)能够准确指示多种海洋循环过程, 也可以用来重建古气候变化。随着近几十年采样范围的扩大和分析技术的提高, 大洋表层海水δ18O研究取得了重要进展, 其主要体现在δ18O的时空分布特征及归因等研究方向。但是, 受到海洋调查范围的限制, 现在仍存在对δ18O时空范围深入认知的不足。本文对大洋表层海水δ18O的相关研究方法和研究进展进行了梳理和归纳, 以期为未来的深入研究提供参考。

• 北极海冰短期预报和中长期预估模式研究进展

  查宇凡,张瑜,陈长胜,徐丹亚

  在全球气候变暖的背景下, 北极海冰的快速变化对北冰洋的自然环境、水文状况、生态系统等均产生显著的影响。作为全球气候变化的重要指示器, 加强对北极海冰未来变化的精确预估将增进对北极乃至全球气候变化趋势的理解和认识。当前, 数值模式是有效预估海冰未来变化的主要手段之一, 然而由于影响模式准确度的因素众多, 模式之间的结果差异较大。因此, 本文梳理了目前国内外有关北冰洋短期预报以及中长期预估模式的研究进展, 着重对各类模式在北极海冰的密集度、覆盖范围和面积、厚度以及漂移速度等关键要素的模拟精度进行研究, 分析了当前模式对北极海冰未来变化趋势的预估, 并展望了数值模式在北极海冰预估方面的研究与应用前景。

• 北极气候和陆地环境变化对工业影响的研究进展

  郭红翔,朱文泉,赵涔良,陈力原,谢志英

  气候变暖在北极呈现了“放大效应”, 这使得北极气候和陆地环境变化更为显著, 这些变化对北极乃至全球的工业经济产生了影响。本文针对北极采矿业、制造业、建筑业、生产和供应业4个工业部门, 分别总结了它们在北极地区的经济体量, 并按各自生产要素, 综述了它们受北极气候和陆地环境变化影响的方式及现有研究进展。最后, 从北极气候和陆地环境变化对工业影响方式、现有研究对各工业部门及工业整体的认识、适应性策略的制定和实施、多样化数据和方法的探索、对中国参与北极工业建设活动的启发和意义5个方面, 对现有关于北极气候和陆地环境变化对工业经济影响研究所存在的问题进行了分析与总结, 并对未来趋势进行了展望。研究结果可为探索和认识北极, 以及中国参与北极环境保护、工业投资和建设提供参考。

• 极地船舶防寒设计研究

  刘志兵,濮骏,黄津津,陈彦臻

  冰冻是极地船舶最常见的问题, 会影响船舶的安全性和设备系统的可操作性, 所以暴露在寒冷天气下的船舶系统和设备应满足相应的防寒要求, 以实现防冰和除冰效果。本文梳理了中国船级社(CCS)的相关防寒规范指南, 并通过分析全船不同区域对象的防寒需求, 重点对机舱通风、冰海水门、液舱防冻和甲板机械等设备系统的防寒技术进行了研究, 总结了相应的主要防冻措施, 以期对航行于寒冷地区船舶的设计有所指导。

• 抗冻蛋白多维活性表征鉴定新进展

  单妍妍,廖丽,胥义,陈波

  抗冻蛋白(antifreeze protein)是一类能够控制冰晶、帮助生物免受低温损害的蛋白, 具有多种优良的抗冻活性。本文全面讨论了抗冻蛋白多种抗冻活性(冰面结合活性、热滞活性、重结晶抑制活性、冰晶修饰活性和冰粘附活性), 介绍了抗冻活性鉴定方法及其最新的进展。在此基础上, 总结了抗冻蛋白研究存在的问题与挑战, 并对其研究前景进行了展望。