极地研究

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2026, 38 (2): 0-0.

摘要 ( 40 )

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学科：极地大气科学

2023年夏季北极点及北冰洋中心区大气垂直结构特征分析

祁威, 卞双双, 陈军明, 孙虎林, 丁明虎

2026, 38 (2): 175-188. DOI: 10.13679/j.jdyj.20250080

摘要 ( 68 )

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北极地区是全球气候变化的敏感区, 其大气垂直结构特征对于理解北极放大效应至关重要, 但北冰洋中心区探空观测资料匮乏限制了对其大气特征的了解。基于2023年夏季中国第13次北冰洋科学考察期间获取的探空观测数据, 本文系统分析了北冰洋中心区(75.5°N—90°N)的大气垂直结构特征, 对比了历史观测, 并结合ERA5再分析资料探讨了典型天气过程的影响机制。结果表明: (1)大气边界层逆温普遍, 低层逆温变化率为0.36 ℃·100 m^–1, 逆温层底高度、厚度和强度中位数分别为250 m、210 m和3.2 ℃; (2)1~10 km高度层中, 温度递减率为5.44 ℃·km^–1, 对流层顶高度和对应温度分别为9.98 km和–48.6 ℃; (3)近地面高湿(相对湿度>90%)和逆湿结构导致海雾频发, 90%水汽集中在5.5 km以下; (4)低空急流多发, 其核心高度在2~4 km, 但无显著地域规律。(5)北极点区域逆温和逆湿特征尤为显著。逆温厚度均值为405 m, 逆温强度均值为6.47 ℃, 逆温强度显著高于历史漂流站的观测数据。天气尺度分析表明, 9月6日北极点区域660 m高度暖中心及强逆温的形成与低层冷高压辐射冷却及925 hPa暖平流叠加密切相关。本研究填补了我国在北极点区域的探空观测空白, 为评估极地数值模式及深入理解北极放大效应的海-冰-气耦合机制提供了关键观测依据。

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北极地区CMA_GFS模式地面气象要素预报能力及误差特征分析

李哲, 孙敬哲, 陈军明, 刘娟娟, 杨毅

2026, 38 (2): 189-206. DOI: 10.13679/j.jdyj.20250077

摘要 ( 52 )

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本文利用2023年1月、4月、7月和10月北极地区地面观测资料和GPM降水观测资料, 对CMA_GFS模式在北极地区2 m气温、2 m露点温度、地面气压、10 m风速和降水的预报性能进行了系统评估, 分析了其误差的时空分布特征及在极端增温事件背景下的预报表现, 并与GFS和IFS模式进行了对比分析。结果表明: CMA_GFS模式在北极地区连续气象要素预报中存在系统性误差结构特征, 气温、地面气压和风速表现为整体高估, 而露点温度表现出明显的季节依赖性偏差; 预报误差随预报时效增加逐渐增大, 且冬季误差显著大于夏季; 误差高值区主要集中在复杂下垫面和海陆交界处; 降水预报能够合理地再现降水结构, 在2~5 mm·d^–¹降水范围内具有较好的预报技巧; 在极端增温事件背景下, 模式对热力要素的预报误差明显增大。对比结果表明, CMA_GFS模式整体预报能力接近GFS模式, 但仍明显低于IFS模式; 降水预报性能优于GFS和IFS。本研究揭示了CMA_GFS模式在北极地区的误差结构特征及其主要影响因素, 为模式在极地地区的改进和业务应用提供了科学依据。

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基于Polar WRF-格点统计插值(GSI)的北极区域大气再分析系统的构建与评估

陈军明, 李哲, 成巍, 丁明虎, 张雷

2026, 38 (2): 207-228. DOI: 10.13679/j.jdyj.20260019

摘要 ( 40 )

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本文采用Polar WRF极地中尺度数值模式和格点统计插值(Gridpoint Statistical Interpolation, GSI)变分同化系统, 构建了一套适用于北极地区的高分辨率区域大气再分析系统。该系统同化地面观测、探空及卫星遥感等多源资料, 生成了2012—2016年水平分辨率为10 km的北极区域大气再分析数据集, 并利用地面探空观测、ERA5再分析资料及GPM降水产品进行系统评估。结果表明: (1)近地面要素方面, WRF对2 m气温和10 m风速的模拟优于ERA5, 其均方根误差(E_RMSE)分别为2.008 ℃和1.707 m·s⁻¹, 低于ERA5的2.196 ℃和2.018 m·s⁻¹; 但2 m露点温度和海平面气压E_RMSE分别为1.984 ℃和1.303 hPa, 高于ERA5。(2)高空要素方面, WRF对位势高度和相对湿度具有优势, 其中相对湿度E_RMSE为11.5%~12.4%, 低于ERA5的18.0%~19.5%; 温度和风速E_RMSE则略高于ERA5。(3)降水方面, WRF能够再现“外围海域高、中央海盆低”的空间格局, 7月误差最小, 平均误差(E_ME)和E_RMSE分别为0.04 mm·d⁻¹和0.57 mm·d⁻¹; 1月和10月E_RMSE分别为1.11 mm·d⁻¹和1.03 mm·d⁻¹, 冬季和秋季降水量级误差较大。(4)2012年8月北极强气旋个例表明, WRF能够刻画500 hPa低压中心、冷心结构、湿度分布和外围高风速带。总体而言, 该系统在北极区域大气状态和降水空间结构重建方面具有较好适用性。

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基于Polar-WRF模式的北极航道典型区域边界层参数化方案季节适用性评估

顾春利, 马舒坡, 孙佳庆, 卞双双, 梁明洁

2026, 38 (2): 229-241. DOI: 10.13679/j.jdyj.20250076

摘要 ( 43 )

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为支撑北极航道区域数值预报系统构建, 以北极航道典型区域新奥尔松为对象, 采用Polar-WRF V4.1.1模式, 选取MYNN、MYJ、YSU、QNSE共4种边界层参数化方案, 针对冬夏季开展数值模拟。结合新奥尔松地面自动站观测与高空探测资料, 从近地面要素与大气垂直结构方面评估边界层方案适用性。结果表明: 4种方案的模拟效果存在显著季节性差异, 且近地面要素模拟差异大于垂直结构; MYNN方案冬夏季近地面要素模拟精度最优, 垂直结构模拟误差可控; YSU、QNSE方案仅部分要素模拟表现尚可, MYJ方案冬夏季整体误差最大。推荐采用MYNN方案作为该区域模式的边界层及近地层过程参数化方案, 研究结果为北极航道区域数值天气预报系统中边界层方案的选择提供科学依据。

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学科：极区空间物理

极点问题：球谐理论应用的一个顽疾

李汇军, 成巍, 蔡其发, 郭兵, 葛攀泽, 李飞, 杨鸿阳, 虞千

2026, 38 (2): 242-252. DOI: 10.13679/j.jdyj.20250082

摘要 ( 35 )

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自球谐理论诞生以来, 极点问题便如影随形, 出现在众多应用场景中。一个普遍的误解是认为在球谐理论框架之内, 极点问题可以通过局部修正得到解决。分析发现从球谐多项式空间到其切空间的映射, 完备性在极点处遭到破坏, 证明极点问题本质上是全局性的; 定量计算进一步证实, 无法在切空间上构建任何形式的完备化球谐表示。尽管存在这一根本缺陷, 在历史惯性作用下, 球谐理论仍被广泛运用于行星引力场、地磁场等的观测建模, 尤其是用它来表示引力势、磁势的梯度场、张量场。极点问题与表示理论完备性要求相悖, 挑战了这项持续240多年的学术实践。是时候正视球谐理论的内蕴缺陷, 摒弃这一根深蒂固的观念, 在球谐理论框架之外寻找极点问题的解决途径, 从根本上突破球谐理论的百年难题。

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上行高能离子事件发生时的极区磁场变化情况

葛攀泽, 成巍, 徐晓军, 李汇军, 郭兵, 吕佳锟

2026, 38 (2): 253-264. DOI: 10.13679/j.jdyj.20250079

摘要 ( 32 )

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2018年1月14日, 位于地球弓激波外的MMS4卫星观测到一起上行高能离子事件, 高能离子从弓激波沿着行星际磁场向太阳方向运动。本文利用电离层等效电流法分析了上行离子事件发生时地球极区的磁场变化情况。结论如下: 上行高能离子事件发生前, 极区磁场扰动剧烈, 二者间有数小时的延迟; 上行高能离子事件发生前, 电离层电流扰动日侧存在明显增强的负电流涡旋, 无旋分量电流从日侧流向夜侧; 极区电离层电流的活跃为氧离子的加速提供能量, 使其成为高能氧离子, 高能氧离子进一步外流出磁层, 到达弓激波, 最后沿行星际磁场上行。上行高能离子会对未来的外太空载人航天活动产生影响, 本研究为未来上行离子事件的预报工作提供了思路。

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基于FA-GAN的极光卵强度建模

韩冰, 赵玮雄, 胡泽骏

2026, 38 (2): 265-274. DOI: 10.13679/j.jdyj.20250075

摘要 ( 43 )

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极光卵的极光强度能够直观反映极光粒子沉降的分布特征, 是研究磁层动力学以及空间环境的重要物理参量, 对理解磁层、电离层、热层及其耦合关系具有重要意义。研究发现, 部分空间物理参数与极光强度密切相关, 但目前并没有明确的数学关系, 而神经网络可以通过映射关系建模两者的关系。因此, 本文基于Polar卫星的紫外极光图像数据, 利用NASA OMNI数据库中与极光卵强度相关的6个空间物理参数, 构建1996年12月—1997年1月的极光卵强度数据集。利用基于文本到图像的特征感知生成式对抗网络(Feature-Aware Generative Adversarial Network, FA-GAN)构建物理参数到极光卵强度的预测模型。利用4个评价指标(KL散度、结构相似度(structure similarity, SSIM)、Inception Score(S_IS)和Frechet Inception Distance(D_FID))对极光强度预测模型进行性能评估。结果显示, 基于FA-GAN方法的极光强度预测模型预测结果对应的SSIM、S_IS以及D_FID明显优于现有的极光强度预测模型。

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基于SuperDARN雷达的电离层对流晨昏不对称性研究

高冰洁, 刘二小, 陈轩, 胡泽骏, 王子磊, 刘俊良

2026, 38 (2): 275-288. DOI: 10.13679/j.jdyj.20250084

摘要 ( 40 )

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基于2024年超级双子极光雷达网(Super Dual Auroral Radar Network , SuperDARN)探测的电离层对流数据, 本文对行星际磁场(Interplanetary Magnetic Field , IMF)三分量(Bx、By、Bz)、太阳风速度(Vx)、动压(Pd)与地磁活动指数(AE)在不同IMF Bz极性(北向/南向)条件下对电离层对流形态与强度的影响进行分析。选取了涡间连线斜率(Ks)、越极盖电势(Cross Polar Cap Potential, CPCP)与涡间距作为电离层对流表征参量, 分析了其与6个近地空间参数(Bx、By、Bz、Vx、Pd和AE)的相关性, 以此来评估6个近地空间参数对晨昏不对称性和对流强度的影响。研究结果表明, 在北向Bz条件下, 太阳风-磁层-电离层整体耦合较弱, 3个表征量对驱动参数的线性响应微弱, 电离层对流表现出较大的随机性与结构复杂性; 在南向Bz条件下, 耦合增强, Bz对CPCP和涡间距的变化起主导作用; By是控制晨昏不对称性的主要因子; Bx对晨昏不对称性有一定的调制效应; 同时, AE的增强通常会导致CPCP增强与涡间距增大(AE与CPCP及涡间距存在同步变化), 而Vx和Pd与3个电离层对流表征量呈弱相关。本文为进一步研究太阳风-磁层-电离层耦合的电离层对流不对称性研究提供一定的参考。

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电离层电导率伴随模型的建立及敏感性分析

杨鸿阳, 虞千, 牛壮, 郭兵, 吕佳锟, 李汇军, 成巍

2026, 38 (2): 289-303. DOI: 10.13679/j.jdyj.20250086

摘要 ( 40 )

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针对电离层电导率物理模型在实际应用中误差来源分析相对稀缺的问题, 本文从电导率物理模型出发, 导出电离层电导率伴随模型, 首次实现了电离层电导率物理模型敏感性分析方法的创新。基于国际参考电离层模型(IRI2020)、中性大气模型(MSISE2.0)和地磁模型(IGRF14), 本文实现了电离层电导率张量的量化分析, 并以伴随模型为依据, 实现了电导率物理模型的敏感性分析。本文向磁场强度、电子数密度、电子温度、离子数密度和离子温度分别引入相对误差(Δ=0.01、0.1、1、10), 通过对比直接扰动与伴随预测, 验证了伴随模型线性近似的有效性。结果表明: 在所有考察误差范围内, 电导率误差与输入误差始终保持良好的线性关系(偏差<3%), 即使Δ=10时也未出现发散。分析给出了各参数引入不同水平白噪声误差后对电离层电导率张量定量计算结果的影响。结果表明: 磁场强度、电子数密度和电子温度的模型误差是当前基于电离层电导率物理模型计算电导率张量的主要误差来源。伴随模型量化分析进一步发现: 在电离层E层峰值高度处, 当Δ=0.01时, 磁场强度和电子数密度的模型误差引起约1%的电导率张量变化, 呈线性关系; 而离子参数(离子数密度、离子温度)的同等误差影响不足0.2%; 当Δ增大至0.01、1、10时, 电导率相对误差相应等比例增大。这表明E层电导率建模误差主要来源于磁场强度、电子数密度和电子温度。上述模型敏感性分析量化结果为未来电离层探测任务规划、计算电导率所需相关模型性能指标提升、有效控制电离层电导率模型计算误差等需求提供了理论依据。

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