极地研究杂志

极地研究杂志2023年第4期

• 西北冰洋二氧化碳分压变异与海冰变化的关系

  赵雨,杨威,吴瀛旭,金梅兵,祁第

  北极海冰消退造成了开阔水域面积的增加, 进而促进表层海水吸收更多的二氧化碳(CO2), 导致表层CO2分压(pCO2)呈上升趋势。然而, 目前还缺少对于海冰消退过程中pCO2的显著变化及其与海冰联系的相关研究。本研究基于2008年中国第三次北极科学考察数据, 发现西北冰洋夏季海表pCO2的分布呈现出陆架区低海盆区高的特征, 整个海区总体上为大气CO2的汇, 其中陆架区碳汇通量为13.8 mmol·m–2·d–1, 而广阔的加拿大海盆区仅为3.7 mmol·m–2·d–1。本研究重点分析了海盆区高pCO2和低碳汇的驱动机制, 根据质量平衡模型模拟了加拿大海盆区在整个海冰融化过程以及随开阔海域时间延长的情景下, 海表pCO2的响应变化趋势。结果表明: (1)在融冰过程中, 海-气CO2交换驱动pCO2呈缓慢增加趋势; (2)在海冰完全融化后, 伴随着海面暴露在空气中时间的延长, 海-气CO2交换与升温共同作用使pCO2迅速增加, 且增加速率高于融化阶段。

• 基于PlanetScope影像的格陵兰冰面融水监测

  朱雨欣,张闻松,杨康

  格陵兰冰盖的消融及其对海平面上升的贡献成为国际上研究的热点。每年消融期,格陵兰冰盖表面消融,融水会导致冰面形成冰面湖、冰面河、注水冰裂隙等形态。格陵兰冰面融水规模庞大、结构复杂、变化迅速,区域气候模型难以准确模拟冰面融水分布,中等分辨率卫星影像难以反映冰面融水的时空变化。以PlanetScope为代表的CubeSat小卫星空间分辨率高达3 m,理想情况下重访周期可达1d,这为精细化动态监测格陵兰冰面融水提供了可能。本研究利用PlanetScope高空间分辨率小卫星遥感影像提取格陵兰冰盖西南部典型流域冰面融水遥感信息,构建了针对PlanetScope遥感影像的冰面融水深度反演公式,对比了MAR v3.11区域气候模型模拟的融水径流量与遥感反演的融水体积。结果表明:在2019年7—8月,流域内冰面融水开放水体比率先上升后下降,在7月12日达到峰值8.7%;流域内冰面融水深度介于0.2~1.5m之间,冰面湖最深(0.9 m±0.2 m),冰面河干流次之(0.6 m±0.1 m),冰面河支流最浅(0.5 m±0.1 m);遥感观测的开放水体比率、冰面融水体积与区域气候模型MAR模拟的融水日径流量具有正相关关系,故融水径流对于冰面湖与冰面河具有直接供给作用;流域冰面融水存储比例(遥感观测的冰面融水体积与模型模拟的融水累积径流量之比)先升高后降低,冰面融水储存比例小于1%,储存能力十分有限,冰面流域能够高效输送融水进入冰盖内部。

• 基于海冰密集度的南极威德尔冰间湖监测与评价

  邝慧妍,华健聪,叶玉芳,程晓,惠凤鸣,陈卓奇

  海冰密集度产品在冰间湖的监测与研究中应用广泛。本文使用8种典型的被动微波遥感海冰密集度产品(NSIDC-BT-25km、NSIDC-NT2-25km、NSIDC-NT2-12.5km、NSIDC-NTBT-25km、EUMETSAT-BTBR- 25km、EUMETSAT-BTBR-10km、UH-ASI-12.5km和UB-ASI-6.25km)以及5种常用的海冰密集度阈值(15%、40%、50%、60%和70%)对南极威德尔海2016—2017年出现的冰间湖进行监测,并使用形态学后处理操作对监测结果进行优化;在此基础上,对比不同阈值条件、海冰密集度反演算法以及空间分辨率差异对冰间湖面积和范围的影响,并进一步探究形态学操作对监测结果的影响。结果表明: NSIDC-NTBT-25km产品对阈值的敏感性最高,NASATeam2(NT2)算法反演的海冰密集度产品对阈值的敏感性最低,并且其监测的冰间湖面积和范围相较于Bootstrap(BT)和ARTIST Sea Ice(ASI)算法产品的监测结果整体偏小;高空间分辨率产品监测到的冰间湖开放时间更早,面积和范围更大,持续时间也更长;空间分辨率对NT2算法产品影响最小,对ASI算法产品影响最大。形态学后处理操作虽对监测结果有一定影响,但与反演算法和空间分辨率所带来的影响相比均要小。

• 基于局部特征的南极考察站网络效率评价

  成昆凤,刘海燕,庞小平

  为评价不同站点布局下南极考察站网络运行效率,本文提出基于局部特征的南极考察站网络效率评价方法。通过基于最小二乘理论的层次分析法(AHP)计算点/边相对重要性指标权重, 然后利用优劣解距离法(TOPSIS)对点/边相对重要性进行综合排序,反映网络局部特征;在此基础上,对已有网络效率评价模型进行修正,得到整体网络相对运行效率,实现“点-边-网络”层层深入的效率评价。应用此方法分别分析中国、美国和澳大利亚等国家的南极考察站网络运行效率,结果表明该方法适用于不同结构网络的运行效率评价,可为未来新建南极考察站选址或整体布局调整提供参考。

• 末次冰期内威德尔海的冰筏碎屑增多事件与底流增强事件的耦合性

  颜彬,谢敬谦,武力,黄博

  晚第四纪的气候变化控制了南极地区的冰架进退。冰架崩塌形成的冰山在其破碎、漂流、融化过程中把冰筏碎屑(IRD)搬运到海洋中。同时,大量的冰川融水促进了海洋垂直剖面结构和动力的改变,从而影响冰筏碎屑的沉积过程。此前对于揭示极地海域冰筏碎屑与底流活动变化之间关系的研究尚不充分。因此,本文分析了南极威德尔海西北部柱状沉积物的沉积记录,在对比沉积物粒度数据特征、分析沉积物端元模型的基础上,发现4次明显的沉积物粒度变化事件和底流增强事件同时发生。这种同步性说明冰架系统与海洋环境之间存在内在的调节机制。两次较强的冲刷事件证明岩心形成过程中存在着两次沉积间断,同时也合理地解释了古地磁数据和AMS14C数据存在的显著年龄差异。此外,鉴于D4-9岩心样品蛋白石、有机碳等指标均指示了极低的输出生产力情况，且与冰期的生产力水平相当,推断该岩心主要形成于末次冰期期间。综上分析, D4-9岩心所记录的事件反映出南极地区千年尺度的气温变化诱发了冰架的后退,导致了明显的冰筏碎屑事件和底流增强事件,解释了威德尔海区冰架-海洋过程的内在耦合关系。

• 北极地区海雾数值模拟及其电波衰减研究

  张玉生,郭相明,郝晓静,赵强,张蕊

  北极地区气候恶劣, 但提供了北美洲、欧洲北部和亚洲北部国家之间最短交通往来路径,因此具有重要的战略地位。北极航行需要气象、导航、通讯、雷达等方面的保障,北极海雾降低了海上能见度,会使航行船只迷失方向造成搁浅、碰撞等重大事故,并引发大气波导超视距、毫米波严重衰减等电波传播现象。本文根据全球再分析数据,基于适合北极地区的中尺度大气数值模式,通过改进Noah陆面过程方案、长波辐射方案(RRTMG方案)等设置,成功模拟了我国第四次北极考察期间在北冰洋遇见的某次浓雾及其演变发展,并基于米氏(Mie)散射和瑞利(Rayleigh)散射理论评估了其对毫米波和远红外波段上的单位距离衰减值。对于毫米波段两代表频率(频段高低端100 GHz和30 GHz),在频率30 GHz,单位距离衰减值随海雾含水量增大逐渐增大,但变化平缓;在频率100 GHz,单位距离衰减值随海雾含水量增大迅速增大。对于红外波段两代表波长(波段高低端0.1 cm和50 µm),在波长0.1 cm,单位距离衰减值随海雾含水量逐渐增大但变化平缓;在波长50 µm,衰减值随海雾含水量增大迅速增大, 单位距离衰减值可迅速增大到几百dB·km–1,两波长的衰减值相差很大。对于相同液态含水量雾区的单位距离衰减值来说,远红外衰减值远远大于毫米波衰减值,毫米波频段高低端和红外波段波长最高端0.1 cm衰减值一般在几dB以下,而红外波段波长最低端50 µm衰减值在几百dB,与其他波段相比单位距离衰减值甚大, Polar WRF模式能够模拟获取较准确的北极海雾特性,也能够用于评估北极海雾对电磁波传播衰减以及对无线电信息系统特性的时空影响。

• 覆冰粗糙度对翼型气动特性影响的数值研究

  何志辉,张永恒,张旭耀,张沥,李泽,杨文涛

  寒冷地区风力发电机运行时叶片极易结冰,结冰改变了叶片形貌,从而影响了叶片的气动性能。为更好地研究分析风力机结冰叶片翼型表面覆冰粗糙度对其气动性能的影响规律,采用计算流体力学方法,对比研究了对称型(NACA-0012)及非对称型(NACA-23012)两种翼型在相同结冰条件和不同覆冰粗糙度参数下的气动特性。结果表明,NACA0012及NACA23012两种翼型前缘生成霜冰时,覆冰粗糙度对两种结冰翼型气动性能均有显著影响;当两种翼型前缘生成角状冰时, NACA23012结冰翼型气动性能受不同覆冰粗糙度的影响较小,仅仅增加翼型后缘分离涡宽度,对NACA0012结冰翼型影响较大,使其失速攻角延迟。此外,当翼型前缘生成霜冰时, NACA23012霜冰翼型阻力系数增长速度高于NACA0012结冰翼型。

• 两种极地压实雪层跑道设计方法

  霍海峰,李涛,陈庆炜,贾汶韬,胡彪

  极地跑道的建设可有效提高极地科考的后勤保障能力,而我国关于极地跑道设计的研究却鲜见报道。本文详细介绍了国外两种压实雪层跑道设计方法,分别是双层弹性体系法和实测经验法。双层弹性法是基于Burmister理论计算道面弯沉,而经验法则通过实测弯沉数据获得道面设计指标。以A320机型为例,采用两种方法做跑道设计并作对比研究。分析表明,双层弹性法优势在于同一弯沉标准可采用不同道面设计组合,局限在于未考虑单轮载重和荷载作用次数;经验法考虑了多种飞机参数,但弯沉标准10 mm不可改变。通过对比发现,经验法考虑了更多的飞机参数,在相同弯沉标准下,其道面设计指标更高,且该方法在考虑弯沉的同时,也满足强度设计要求,故经验法设计较双层弹性法更科学和安全。该研究为我国极地压实雪层跑道的设计建设提供了重要借鉴思路。

• 极地冰雪探测冰雷达技术发展回顾与展望

  邢治瑞,稂时楠,赵博,窦银科,肖鹏,李霖,孙波,崔祥斌

  冰雷达是用于极地冰雪探测的主要技术手段,为研究极地冰雪的几何特征、内部结构、冰下地形地貌和冰底环境提供了重要的基础观测数据。20世纪50年代,人类首次发现特定频段的电磁波可以“穿透”南极冰盖,进而在60年代研制出用于极地冰盖冰下探测的冰雷达系统。之后60多年里,随着计算机、电子信息和卫星定位导航等技术的发展,冰雷达技术研究取得快速发展,形成了适用于极地冰盖、海冰及其上覆积雪不同探测需求的多样化冰雷达系统。本文在简要回顾了早期冰雷达技术发展的基础上,着重从极地冰盖深部探测、极地冰盖和海冰浅表层探测以及新型极地冰雪探测冰雷达技术3个方面,回顾总结了近10年来国内外主要进展。未来,为适应极地冰盖、海冰及其上覆积雪观测研究的多种需求,需要进一步提升冰雷达系统性能(探测深度、跨轨迹向分辨率、垂向分辨率等),并且研制满足新型平台(无人机、卫星等)搭载需求的小型、低功耗冰雷达系统,以及发展多通道、多频、多极化集同观测模式的综合冰雷达技术。

• 塑料垃圾在南极生物体内的污染现状研究进展

  陈宗正,方超,妙星,王芮,薄军,郑榕辉,李渊,林龙山,张静

  微塑料系指粒径小于5 mm的塑料碎片、细线、纤维、微球或薄膜,它可通过人类活动、大气输运和海洋环流以及生物载体等途径进入南极地区。本文总结了1980—2022年间有关南极生物摄入塑料垃圾,特别是微塑料的相关研究并进行归类,按营养级由低到高的顺序来评述南极生物摄入微塑料的研究现状,并与其他区域进行比较。研究报道表明,南极地区从低营养级的无脊椎动物到高营养级的海洋哺乳动物都存在微塑料富集现象,与全球其他区域的生物体相比,其微塑料污染程度呈中下水平。然而,目前针对南极生物体内微塑料的研究十分匮乏,并且微塑料对南极生物的长期潜在影响存在众多未知,故迫切需要加强相关监测研究,为评估其危害风险奠定基础。

• 南极藻类物种多样性、低温适应性及生物技术应用

  邓仟,高保燕,唐子涵,张成武

  藻类作为南极初级生产力的主要贡献者和南极生态系统食物网的基础,经过长期的适应和进化形成了一系列应对低温的抗逆机制,对维持极地生境的稳定性至关重要。本文综述了南极藻类物种的多样性及分布特征,从细胞膜脂质组成变化,细胞内、外活性物质的产生以及进化机制等多方面揭示藻类在低温环境中的适应策略,概述了嗜冷藻类在营养健康、医药治疗、日用化工工业和化妆品行业的广泛应用。目前,对南极藻类多样性的探索,对嗜低温藻类多组学的研究,低温藻培养技术的突破和新的嗜低温与耐低温藻种生物资源的利用还有待进一步发展,随着对藻类温度适应策略的不断探究,未来低温藻将会得到更多的关注和研发。

• 南北极大气科学领域的前沿主题演化 —— 基于Web of Science核心合集文献数据

  王姝婷,李娜,吴新年

  大气科学的相关研究已成为极地研究的热点问题与前沿领域。基于2000—2022年Web of Science核心合集的3个数据库中有关南北极大气科学研究主题的文献数据,通过文献数量分布、关键词突现分析、高被引成果对比与基于关键词共现的时间演化分析,系统梳理了自2000年以来国内外在大气科学领域有关极地的前沿主题演化趋势。结果显示, (1)目前北极研究主要关注北极放大效应、极地变暖与冰川消融、气候模型创新与CMIP6模型应用、东亚极寒事件、极端异常气候现象的发生机制等主题;(2)南极研究主要关注表面质量平衡、海冰消融与气候变异、气候模型创新与CMIP6模型应用、温盐环流、未来气候变化预测等主题;(3)中国在极地方面的研究处于快速发展阶段,通过创新理论与模型应用可进一步研究极地与中国气候变化之间的关系; (4)为应对气候变化并推动双碳战略实施,大气环流的影响机制、极端气候事件的发生机制、碳排放监测与碳循环研究、极地气候模拟将成为未来的研究重点。

• 国外北极旅游研究进展

  王武林,罗婉璐,王成金,龚姣

  近年来,国外学术界在北极旅游研究领域取得了一系列重要进展。本文采用文献计量法和系统性文献综述法,通过系统展现国外相关研究的发文量、关键词、期刊、作者及其机构、被引频次等数量变化和网络关系,提炼出“北极旅游行为模式研究构成北极旅游研究的重要内容”等6个主要的研究内容,评价了北极旅游研究的不足并提出了未来的研究启示。研究表明，(1)近年来国外关于北极旅游发文量及被引频次较多的期刊包括Arctic,Polar Geography,Annals of Tourism Research等,主要关键词包括北极、旅游、气候变化等,主要作者包括Stewart E J, Dawson J, GrimwoodB S R等,主要研究机构包括加拿大渥太华大学、芬兰奥卢大学、挪威北极大学等。(2)北极旅游行为模式研究构成北极旅游研究的重要内容;气候变化背景下的北极旅游积极影响与消极影响辩证共存;旅游管理是北极旅游可持续发展的重要支柱;北极旅游发展政策措施的核心目标是确保北极旅游的可持续性;体验稀缺与独特是北极旅游显著而不可或缺的环节;旅游活动影响下的北极社区面临着经济-社会、政治、环境和文化系统等多重变化;北极旅游研究可能存在如何划定北极地区的边界,如何在统计监测中考虑北极地区的动态性,可能违背伦理道德和可持续发展要求等挑战,创造和扩展北极旅游知识生产的研究团队规模相对较小,相关理论基础研究相对薄弱。