极地研究杂志

极地研究杂志2025年第1期

• 基于YOLOv5s模型的北极气旋目标检测方法

  王钰坤,谢涛,向儒萱毅,张雪红,白淑英

  北极气旋是影响北极环境的主要天气系统之一, 对其准确识别对北极航海保障具有至关重要的意义。本文基于欧洲中期天气预报中心推出的第五代大气再分析产品(ERA5)平均海平面气压数据, 构建北极气旋目标检测的数据集, 训练北极气旋识别的深度学习目标检测You Only Look Once version5(YOLOv5s)模型, 并与其他深度学习目标检测模型Single Shot Multibox Detector(SSD)、Faster R-CNN、YOLOv4进行性能的验证与比较。试验结果表明, YOLOv5s的检测精确率、平均准确率和刷新频率分别为95.26%、98.09%和64.85 s–1, 刷新频率较其余4种模型中效果最好的SSD模型提高了15.65 s–1。YOLOv5s模型检测速度快、精度高且具有更好的识别能力, 能够有效识别北极气旋目标, 对北极气旋的识别具有较好的应用前景。因此, 本文选取2021年冬季、夏季的北极气旋进行个例分析。结果显示, 冬季3月8日12时产生的北极气旋生命周期为48 h, 平均强度为54.62, 夏季9月21日6时的气旋生命周期为84 h, 平均强度为42.82, 符合北极气旋生命周期夏长冬短, 气旋强度冬强夏弱的特点。YOLOv5s模型为北极气旋的检测识别提供了新方法和新思路。

• 东南极地区WRF模式3种边界层参数化方案的评估

  胡杰,杨堤益,邹小伟,丁明虎

  由于极地自然环境恶劣,大气观测受到较大的限制,因此,极地数值天气预报模式(Polar WRF)是在该地区开展大气科学研究的重要手段之一。本文利用Polar WRF 4.1.1模式对2020年3月—2021年3月东南极近地面气象要素进行模拟,对模式中3种边界层参数化方案进行适用性评估,并利用4个从东南极海岸至冰盖穹顶分布的自动气象站逐小时地面常规气象观测资料进行分析验证。结果表明,在沿海站点,ACM2方案考虑了热量和湍流通量的多层结构,对相对湿度、风速和气压的模拟效果最好(偏差分别为–12.53%,–1.38m·s–1和0.37 hPa),整体表现出最好的模拟效果;在内陆站点, ACM2和YSU方案较强的非局地作用使得热力强迫引导的湍流混合增加,模拟效果更好;在穹顶站点,下垫面类型较为单一,局地方案(MYJ)对气温和风速的模拟效果最好(偏差分别为3.32℃和3.76 m·s–1)。本研究结果对未来极区边界层参数化方案改进与更系统地开展极区边界层数值模拟有重要参考价值。

• 1979—2021年南极洲飞机可起降率的气候态及其年际变化趋势研究

  卢嘉杰,程灵巧,于乐江,肖恩照,张建军,陈望春,倪洪波,霍海峰,张波,张体军,孙波

  基于1979—2021年的气象再分析数据, 本文研究了南极洲的近地面气象要素满足航空起降要求的概率分布(即可起降率的变化)。结果表明, 南极洲飞机可起降率具有显著的季节性和空间差异等时空变化特征: 西南极飞机可起降率总是高于东南极高原区域, 如西南极的夏季可起降率气候态平均高达57.0%, 而东南极的高原区域只达到49.4%; 夏季最高, 然后依次为春季、秋季和冬季。从长期变化趋势角度来看, 夏季大部分内陆地区飞机的可起降率呈现显著降低趋势, 多数沿海地区可起降率呈上升趋势; 在春季, 大部分高原地区和威德尔海内侧地区等飞机可起降率也呈现显著上升趋势。在考虑日照时间的前提下, 各个子区域的大部分季节里近地面风速、温度和能见度的影响各异。沿海地区飞机可起降率更易受风速影响, 高纬地区(包括东南极高原和整个西南极)更易受降雨(含降雪)情况控制的能见度影响。此外, 南极几个主要冰架区域升温严重, 因此, 在机场选址时还应考虑冰架或内部冰盖崩塌的潜在威胁。

• 基于MODIS影像的北极冰水分类方法对比研究

  孙绍哲,邝慧妍,叶玉芳,于志同,惠凤鸣

  北极海冰作为冰冻圈的重要组成部分,对全球气候变化具有重要影响。开展极地冰水分类研究可以获取精细的海冰覆盖范围变化,为船舶航行提供关键的冰况信息。本文基于25景北极地区的MODIS近红外波段光学影像,依据海冰和海水在该波段反射率差异大的特点,利用直方图动态阈值法、迭代阈值法、最大熵阈值法、大津法以及基于大津法的遗传算法5种方法开展冰水分类研究和定量化对比评估。结果表明,对于反射率直方图为双峰分布的影像(影像中无薄冰), 5种方法均能得到较为准确的冰水分类结果,总体分类精度均在0.82以上。当反射率直方图为三峰分布时(影像中有薄冰),迭代阈值法、最大熵阈值法和大津法均存在错分现象,总体分类精度均在0.76以下,而直方图动态阈值法和基于大津法的遗传算法能够准确获取冰水分类阈值,其分类结果的总体精度均能达到0.94以上。总体上,迭代阈值法和最大熵阈值法在冰水分类求取阈值上存在明显的高估问题,特别是对于反射率直方图为三峰分布的影像;大津法在面对反射率直方图为双峰或三峰分布的影像时,均能识别出阈值所在的波谷位置,但在分类结果上存在一定偏差;而直方图动态阈值法和基于大津法的遗传算法在基于阈值法的冰水分类方法中具有较强的鲁棒性,更加适用于北极地区不同冰况下的冰水分类研究,其结果可为极区航行以及大尺度海冰观测与数据模拟提供重要参考。

• 基于风云三号系列卫星数据的北极海冰密集度反演产品的对比分析

  张大千,张录军,储敏,张熠

  本文将中国国家卫星气象中心提供的风云三号系列卫星(FY-3B、FY-3C和FY-3D)中提取的多卫星组合序列海冰密集度(seaiceconcentration,SIC)产品(FY-3数据集),美国国家海洋和大气管理局提供的0.25°逐日SIC产品(OISST数据集)及美国国家冰雪数据中心提供的MASAM2和SSMISSIC产品(MASAM2数据集和SSMIS数据集)进行对比分析。结果表明: (1)FY-3数据集、OISST数据集和MASAM2数据集在大西洋扇区的平均均方根误差分别为0.15、0.13和0.13,在太平洋扇区的平均均方根误差分别为0.13、0.11和0.12,主要差异来自FY-3数据集对9月SIC数值的异常高估; (2)FY-3数据集的海冰范围偏差在全时段小于OISST数据集, 2016年后小于MASAM2数据集,最小平均绝对百分比偏差为2.5%,在边缘冰区范围方面, FY-3数据集和MASAM2数据集在太平洋扇区存在严重低估(标准化平均偏差为45%); (3)FY-3数据集与OISST数据集的质量相当,与MASAM2数据集相比还有一定差距,尤其在长序列SIC反演产品方面。因此,建议在如何消除多颗卫星间的数据不一致性方面投入更多的开发研究工作。

• 极地冰盖履带机器人控制系统的研究与设计

  张帆,窦银科,吴顺杰,左广宇,王煜尘,李根,郭井学

  为解决极地冰盖特有地形地貌、严酷自然环境和冰盖移动等导致的自动化监测装置和数据长距离传输等问题,本研究基于极地冰盖如雪丘、雪垄、冰坝、软雪、硬雪等特有地形地貌,以及气候寒冷、多狂风暴雪等特殊自然环境,针对数据长距离传输和人工智能考察作业的需求,设计了一款专用于极地的冰盖履带机器人。机器人的硬件设计以工控机和STM32F103芯片为控制核心,搭载小型综合气象观测装置、实时动态定位装置、激光雷达和深度相机获取环境信息,构建铱星9523和网桥通信系统实现远距离数据通讯。机器人的软件设计采用多任务实时调度的FreeRTOS操作系统,构建上位机和数据库。此款极地冰盖履带机器人在中国第38次南极科学考察中,依托中山站进行了现场实验。结果表明,该机器人性能稳定、通信可靠、具有较理想的控制效果且较好地满足了极地冰盖作业需求,可为我国南北极科学考察提供关键技术支撑。

• 冰层钻具刮削刀头切削破碎冰层数值模拟研究

  史怀忠,孙金铭,赫文豪,王海柱,熊超,陈晗,胡成涛

  冰的力学性质是极地钻探极其重要的参数,主要包括压缩强度、抗拉强度、断裂韧度等。本文利用有限元数值模拟方法分析了刮削刀头切削破碎冰层特性,根据平均切削力和切削力变异系数来探究刮削刀头受力特征,并开展了切削工艺参数对刮削刀头切削破碎冰层效率的影响规律研究。数值模拟结果表明, (1)刮削刀头切削破冰过程中,在刀头前端有明显的应力集中现象,且在整个切削过程中,伴随着离散状冰屑的产生与四溅; (2)随着刮削刀头后倾角的增加,冰体塑性损伤程度增加、冰屑尺寸先减小后增大,随着切深的增加,塑性损伤程度增加,冰屑尺寸变化、飞溅范围也相应增大; (3)切削深度和后倾角的增加均会增大冰体的平均切削力,但后倾角在0°~15°、切深在1.0~3.0mm这一范围内变化时波动小; (4)切削深度对切削力变异系数的影响显著于后倾角,小切深对应小切削力变异系数,但增大切深不代表变异系数一定升高。本研究成果可为极地钻探破冰中刮削刀头的设计提供理论依据。

• 智利提交南极200海里外大陆架划界案法律问题评析

  尹洁,方银霞

  智利于2022年向大陆架界限委员会提交了南极划界案以实现其双重目标。一方面基于其2021年发布的国家南极政策,重申对南极领地的主权主张,另一方面突出与阿根廷存在的划界争端。《南极条约》虽冻结了南极领土主张,但并未解决南极领土主权问题。《联合国海洋法公约》大陆架制度给南极领土声索国提供了重申领土主张的途径,但关于大陆架资源的规定也与南极条约体系产生冲突。此外,智利以提交划界案的形式展示其与阿根廷依据《联合国海洋法公约》第76条第8款划定的外部界限存在主张重叠。本文就智利提交划界案探讨了所涉及的相关法律问题,包括南极大陆架的法律地位、《联合国海洋法公约》第76条第10款不妨害国家间划界原则的适用和解释,以及大陆架界限委员会对涉南极划界案的立场及其合法性保障。

• 南极冰盖表面融水遥感识别方法研究综述

  牛立杭,唐学远,杨树瑚,张云

  表面融水深刻影响着南极冰盖物质平衡和全球海平面上升。受地理环境和气候条件影响,南极冰盖表面融水的年际变化差异较大,对环南极表面融水的动态监测方法与技术提出了诸多挑战。本文旨在对南极冰盖表面融水遥感识别方法的相关研究进行综述: (1)简介冰盖表面融水影响南极冰盖物质平衡的主要途径; (2)阐述用于南极表面融水提取任务的遥感卫星产品,包括多光谱图像和合成孔径雷达图像; (3)突出介绍目前实现南极表面融水提取的主要技术,包括阈值法、机器学习和深度学习等; (4)比较上述各种方法的优缺点,重点展望深度学习在南极冰盖表面融水的应用前景。

• 北极海洋短期和中长期预报模型研究进展

  查宇凡,张瑜,陈长胜,徐丹亚

  北极海洋系统是地球气候系统的重要组成部分,其水文变化及海洋环流会对北极乃至全球的自然环境、生态系统等产生深远的影响。北极海洋正在发生快速变化,而数值模式在预报和预估北极海洋的未来变化方面发挥着至关重要的作用。然而,不同数值模式之间的设置存在分辨率、初始场条件、驱动力和大气强迫等相关因素的差异,导致各个模式之间存在较大的差异。基于数值模型间存在的上述差异性,本文系统梳理了目前国内外有关北极海洋短期和中长期预报模型的研究进展,重点探索了海水温度、盐度、海洋环流以及水位等因素的精度及其未来预估变化,在前人研究的基础上,展望了对未来数值模型在北极海洋预报和预估方面有待解决的问题。

• 抗冻蛋白冰结合位点特征及其研究综述

  杨如意,廖丽,胥义

  冰结合位点(Ice-binding site, IBS)是抗冻蛋白(Antifreeze proteins, AFPs)与冰晶冰面结合、发挥抗冻作用的关键部分,对揭示AFPs调控冰晶成核的作用和机制十分重要。本文首先介绍了几种AFPs与冰结合机制及其IBS;其次,分别选取了动物、植物和微生物来源的AFPs,并对其IBS氨基酸序列及结构特征进行分析。结果表明,大多数AFPs的IBS都存在一个或多个重复的氨基酸序列与冰晶结合,而且这些氨基酸通常具有疏水性或者亲水性弱、侧链短等特点,使IBS相对疏水和平坦。一般而言,相同类型AFPs的IBS结构类似。AFP I的IBS氨基酸序列为TAA(A), Ca2+依赖型AFP II的IBS均为DTTLTE,昆虫AFPs的IBS一般由TXT序列构成。微生物来源的AFPs可能因种属间差异大, IBS氨基酸序列、结构特征无明显规律。最后,归纳了2种IBS鉴定方法。氨基酸定点突变是IBS鉴定的主要方法,而分子模拟是对氨基酸定点突变的辅助验证。本文总结了不同类型AFPs的IBS规律,为AFPs IBS的比较研究及抗冻机制解析提供参考。

• 压实雪层跑道的施工技术现状分析

  石文博,肖恩照,陈涛,姜超,黄庆华,唐学远,胡彪,倪佳玲,顾祥林,张体军,孙波

  航空运输的方式有着往返周期短、能直接抵达科考地点等显著优点,在南极建设并运营航空跑道设施,有利于扩大我国的南极科考规模、提高我国在南极领域的影响力。本文综述了已建成的典型压实雪层跑道情况,阐述了建设雪层跑道的整体施工流程,总结了建设高强度跑道的雪层压实技术,即逐步提高压实车配重和胎压以压实到目标密度。详细介绍了多种常用的压实雪层检测技术: (1)贯入仪可对压实后的雪层进行多测点测量,用于在压实施工过程检测压实均匀性以及是否有薄弱层的存在; (2)验证车可模拟飞机在跑道起降的载荷,用于检测压实雪层跑道施工完毕后的承载能力是否达标; (3)Clegg锤可用于检测施工和维护期间跑道表面的均匀性; (4)平板载荷试验可用于模拟在飞机静载下跑道的沉降情况等。本文还对未来压实雪层跑道技术改善提出了展望。

• 极地科考船实验室智能化实践与应用探讨

  陈清满,王硕仁,何剑锋,赵炎平,夏寅月,杨博

  为将极地海洋科考船实验室构建为一个安全、高效、先进的海上移动实验平台,提升其智能化实践和管理水平,本文对照智能船舶发展现状与趋势,进一步明确了极地科考船智能实验平台的概念,依次梳理了科考系统智能化需求,构建了科考船实验室智能化初步架构。该架构包括各实验功能的智能模块化设计和关键技术的探索。以上概念在我国自主建造的新一代科考船上的应用实践表明,涵盖实验室内环境监控、实验室管理和科考管理等内容的科考船智能实验室,能有效满足目前现场调查的智能化需求。本实践可为我国智能科考船舶建设积累经验。