极地研究

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北极海运对航道生态环境的潜在影响分析

何剑锋, 张侠, 陆志波, 王娟, 陈之依

2021, 33 (4): 473-481. DOI: 10.13679/j.jdyj.20200041

摘要 ( 1267 )

PDF(624KB) ( 2297 )

随着北极快速升温和海冰储量迅速下降, 北极航道的适航性已大幅提高。北极生态环境脆弱, 北极海运活动增加对当地海洋生态系统的影响问题备受国际社会关注。海运对生态环境影响包括溢油、排污、噪声、引入外来物种以及船体对海洋哺乳动物的直接伤害等多种因素。本文对北极近年生态环境和航运活动现状和趋势进行概要分析, 对影响航道生态环境的指标进行逐项分析, 并结合层次分析法对影响指标的风险系数进行评估, 显示风险系数最高的影响指标为废气排放、废水排放和燃油/有毒化学物质泄漏。在海运活动不断增强的背景下, 未来应重点加强对污染防控技术的研发和应用。本文同时从可持续利用北极的角度, 提出了北极航道利用需要同步推进的研发污染防控技术、构建生态功能区划、建立综合监测评价体系和加强穿极航道相关研究等建议。

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北极高纬度苔原CO₂净通量的空间变异规律及影响因素

陈清清, 包韬, 朱仁斌, 徐华

2021, 33 (4): 482-496. DOI: 10.13679/j.jdyj.20200073

摘要 ( 794 )

PDF(886KB) ( 733 )

北极夏季无冰区苔原CO₂的释放对全球碳循环起着重要的作用。在第4次北极科学考察(2008年7月26日—8月5日)期间, 采用密闭箱法在北极新奥尔松(Ny-Ålesund)黄河站区附近的鸟类保护区苔原(Tundra in Seabird Sanctuary, TSB)、普通海滩苔原(Tundra in Non-seabird Colony, TNS)和两者间的过渡苔原(Tundra in Transition Zone, TTR)监测CO₂净通量(Net CO₂ Fluxes, NEE)空间变异规律及其影响因素。结果表明: 鸟类保护区苔原TSB的平均 NEE为(–39.0±6.0)mg·m^–2·h^–1, 为CO₂吸收汇, 且对CO₂的吸收随着植被覆盖度和海鸟活动强度的增强而显著增强; 普通海滩苔原TNS和过渡苔原TTR的平均NEE分别为 (12.0± 6.3)mg·m^–2·h^–1和(40.5±29.3)mg·m^–2·h^–1, 均为CO₂净排放源。普通海滩苔原TNS的CO₂排放强度随土壤水分的减少和地势增高而增强; 过渡苔原TTR中高地苔原区的平均NEE为(106.4±23.1)mg·m^–2·h^–1, 为CO₂强排放源; 而泥炭苔原区的平均NEE为(–58.3±9.5)mg·m^–2·h^–1, 为CO₂强吸收汇。苔原土壤的理化性质对苔原NEE有重要影响, 鸟类保护区苔原TSB和普通海滩苔原TNS的NEE与土壤含水率呈显著负相关关系(r= –0.44, P=0.003)。鸟类保护区苔原TSB的NEE与土壤温度弱正相关(r=0.32, P=0.06), 与NH₄⁺-N(P <0.05)和NO₃^–-N(P <0.05)含量均显著负相关。在全球变暖的驱使下, 不同地形地貌和海鸟活动特征的北极苔原区域CO₂排放的复杂性将显著增强, 对全球碳循环产生较大的影响, 本研究也将为此提供科研资料。

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基于Landsat-8的南极蓝冰提取

韦屹, 程晓, 刘岩, 惠凤鸣, 璩榆桐

2021, 33 (4): 496-507. DOI: 10.13679/j.jdyj.20210003

摘要 ( 923 )

PDF(17108KB) ( 471 )

蓝冰是南极特殊的地表特征, 其低反照率影响着其所在区域乃至整个南极的能量平衡。蓝冰表面消融导致老旧冰层出露, 使其成为研究古气候理想场地。此外, 表面致密坚硬的蓝冰更是建立冰上机场的优选地址。本文提出了快速、有效、自动的蓝冰组合指数法, 将蓝冰指数与阴影指数进行结合来提取南极蓝冰分布。更新的蓝冰数据为南极表面能量平衡变化研究、古气候学研究和蓝冰机场选址提供了新的数据基础。我们利用蓝冰组合指数法对2017—2019年的940景Landsat-8数据进行批量处理, 获取南极82.5°S以北区域的蓝冰分布图, 并用2014年MODIS雪粒径数据获取82.5°S以南的蓝冰分布进行补充得到全南极蓝冰分布。结果表明, 基于Landsat-8的组合指数法南极蓝冰提取结果平均精度可达0.87, 与前人结果具有很好的空间一致性。全南极蓝冰面积为1.7×10⁵ km², 91.4 %的蓝冰分布在东南极。南极蓝冰主要分布在内陆冰原岛峰、山区的裸岩附近以及近海岸的内陆区域, 其中, 60.4%分布在距离海岸线200 km以内的区域。

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1979—2018年南极海冰边缘区范围时空变化研究

刘玥, 庞小平, 赵羲, 霍瑞, 刘闯

2021, 33 (4): 508-517. DOI: 10.13679/j.jdyj.20200071

摘要 ( 1015 )

PDF(2439KB) ( 998 )

南极海冰边缘区是海洋-大气的重要交换区, 也是海洋生物的重要栖息地, 其年际变化、季节性变化和区域差异显著影响着全球海洋和大气环境。基于美国国家冰雪数据中心1979—2018年的海冰密集度数据集, 本研究将海冰密集度15%~80%作为阈值确定海冰边缘区, 通过边缘区范围的年际变化、季节性变化来分析整个南极及其5个子区域的海冰边缘区范围时空变化特征与趋势。研究结果表明, 南极海冰边缘区所在的位置并不稳定, 大部分边缘区海冰出现的频次小于20年。40年间南极海冰边缘区范围呈略微减少趋势, 减少速度为(5.8±2.6)×10³km²·a^–1。边缘区平均纬度并没有明显偏移趋势。此外南极海冰边缘区范围和平均纬度呈现稳定的季节性周期变化, 边缘区范围于2月达到最小值, 在3—11月缓慢增长, 12月到达最大值后迅速下降。边缘区平均纬度通常在9月到达最北端, 2月到达最南端。此外, 5个地理分区中威德尔海扇区的边缘区范围最大, 波动最明显, 平均纬度最偏北。5个分区的年平均边缘区范围和平均纬度的变化趋势在1979—2018年间整体较为平缓, 但是边缘区范围和平均纬度的变化趋势分别在1979—1988年间和1999—2018年间最为明显。

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威德尔海海冰年际变化特征分析

刘境舟, 赵亮, 王圣, 白雨

2021, 33 (4): 518-528. DOI: 10.13679/j.jdyj.20200075

摘要 ( 988 )

PDF(8925KB) ( 643 )

南大洋海冰在全球气候变化中扮演着重要的角色, 威德尔海作为南大洋最大的海湾更是研究南大洋海冰变化的热点地区。基于1993—2017年GLORYS12V1海冰密集度数据, 分析了威德尔海海冰分布和25年间的海冰面积的年际变化特征。研究结果表明, 威德尔海海冰密集度分布具有较强的季节性, 威德尔海海冰在南极半岛一侧堆积的重要成因是风场的分布差异, 毛德皇后地外海海冰向开阔大洋漂移进而消融, 具有“西高东低、近岸高远海低”的空间分布特征。威德尔海海冰面积存在27个月、35个月、75个月和120个月的周期, 春、秋、冬三季海冰面积变化趋势并不显著, 夏季海冰面积增加趋势显著, 约为0.15×10⁵ km²·a^–1。南极海冰面积的年际变化主要受到热力学因素的影响, 海表温度、气温和净太阳短波辐射与海冰面积的27个月、35个月、75个月的周期存在关联, 海冰面积与气温和海表面温度在春、夏、秋三季有较强的负相关关系, 与净太阳短波辐射在全年有较强的负相关关系。

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北冰洋穿极流强度和源头位置变动机制分析

田引, 白学志, 黄颖祺

2021, 33 (4): 529-544. DOI: 10.13679/j.jdyj.20210034

摘要 ( 1569 )

PDF(33167KB) ( 819 )

随着全球气候变暖, 北极海冰快速减退, 北冰洋穿极流位置和强度正在发生明显的变化。本文利用海表地转流、海冰漂流、海冰密集度和海面风场计算了考虑海冰效应的北冰洋海洋表面应力分布, 探讨了北冰洋穿极流的强度和源头位置变动机制。结果表明, 穿极流冬季比夏季强, 9月最弱, 12月最强。2003—2014年间穿极流的年平均流速呈增强趋势, 穿极流的源头海域逐渐从东西伯利亚海偏向西边的拉普捷夫海; 典型强年比典型弱年有西向的趋势。影响穿极流强度年际变化的主要因素是海冰覆盖, 海冰覆盖率越低, 穿极流越强。2003—2014年间海冰覆盖率降低导致海表面应力增强, 穿极流有变强趋势。影响穿极流强度季节变化的主要因素是海表面风场, 冬季表海面风场较强, 海表应力增强, 穿极流也较强; 夏季海面风场减弱, 海表应力减弱, 穿极流强度也随之减小。海面风场和海冰的变化共同影响了穿极流源头的位置变动, 穿极流源头西移的原因: 一是位于加拿大海盆上方的高压中心逐渐从波弗特海上空向西南方移动到靠近穿极流源头的俄罗斯沿岸, 造成穿极流源头向西移动; 二是北冰洋增温导致海冰加速融化, 海冰覆盖率降低, 加大了海表面应力, 波弗特流涡增强, 范围从加拿大海盆向西伯利亚海盆扩张, 造成穿极流源头向西移动。

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绕极深层水入侵阿蒙森海陆架的路径及其性质

白雨, 赵亮, 李磊

2021, 33 (4): 545-559. DOI: 10.13679/j.jdyj.20210004

摘要 ( 967 )

PDF(12586KB) ( 540 )

近几十年来较暖的绕极深层水(Circumpolar Deep Water, CDW)不断入侵阿蒙森海陆架, 使冰架底部融化, 导致阿蒙森海冰架质量不断损失。分析CDW入侵阿蒙森海陆架的路径及性质变化, 对研究冰架变薄和接地线后退具有重要意义。基于GLORYS12V1[Global Ocean (1/12)° Physical Reanalysis]再分析数据, 对阿蒙森海西侧、中央、东侧通道的体积输运和热输运进行了计算, 给出了陆架上CDW温度和盐度的变化特征, 并分析了它们与流场间的关系。结果表明, Dotson-Getz海槽内的CDW主要源自西侧通道, Pine Island海槽内的CDW主要源自中央通道和东侧通道。由东侧通道入侵的CDW温度最高, 西侧入侵的CDW温度最低。CDW通过西侧通道入侵陆架的体积输运和热输运在时间序列上呈现微弱的上升趋势。CDW通过中央通道向Pine Island海槽的体积输运和热输运约是东侧通道的2倍。CDW进入海槽时的温度主要受两方面影响, 一方面与入侵陆架时的温度有关, 一方面又被后续的混合过程所控制。

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新型船载智能大气采样装置的设计和实现

袁东方, 王硕仁, 陈清满, 夏寅月

2021, 33 (4): 560-567. DOI: 10.13679/j.jdyj.20200070

摘要 ( 863 )

PDF(1347KB) ( 1494 )

大气采样器是研究大气污染物的基础样品采集设备, 通过采集大气颗粒物研究空气中各种颗粒状有机和无机污染物。但是目前大气采样器以自研和对陆用设备升级改造为主, 由于船舶环境条件的特殊性, 这些设备在船上应用存在一定的风险。根据中国极地多年考察大气采样器的使用情况, “雪龙2”号自主设计了一种新型船用双通道大流量采样设备。该设备不仅可以进行一般气体颗粒物采集, 还可以兼容大体积固相萃取柱采集, 成功应用于中国第36次南极考察及第11次北极考察。

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极地海洋工程装备平板构件的对流换热影响分析

操太春, 吴刚, 孔祥逸, 于东玮, 吴琳, 张大勇

2021, 33 (4): 568-576. DOI: 10.13679/j.jdyj.20200080

摘要 ( 858 )

PDF(654KB) ( 772 )

电伴热是极地海洋工程装备防寒主要措施, 热平衡是对流换热的关键问题。本文以平板构件为研究对象, 采用数值模拟和模型试验相结合的方法, 开展极地复杂环境因素对海洋工程装备电加热平板构件热平衡影响分析。首先选取风速、温度为主要环境参数, 风速为0~40m·s^–1、温度为–40~0℃, 基于Fluent仿真和试验测试获得电加热平板构件在不同风速、温度下的对流换热系数。结果表明: 增大风速和降低温度都会使平板的对流换热系数增大, 在风速一定的情况下, 温度对平板的换热影响较小; 在温度一定的情况下, 平板的对流换热系数随着风速的增加而显著增大。最后, 基于试验数据建立了电加热平板构件的对流换热系数数学预测模型, 并采用数值模拟验证了该模型的正确性。

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不同航运模式下北极东北航道航运经济性评估

姜苗苗, 胡麦秀

2021, 33 (4): 577-590. DOI: 10.13679/j.jdyj.20210016

摘要 ( 851 )

PDF(793KB) ( 1297 )

基于1991—2019年北极东北航道的海冰厚度和海冰密集度的监测数据, 利用单航次航运成本和年利润这两个经济性指标, 评估了4种不同航运模式下船舶航行于北极东北航道的航运经济性。评估结果表明: 不仅不同的航运模式会对东北航道的航运经济性产生不同的影响, 海冰的变化也会对其航运经济性产生明显的作用。在不考虑海冰年际变化的情况下, 直达模式的航运经济性整体上高于转运模式, 低冰级船的航运经济性整体上优于高冰级船；在考虑海冰年际变化的情况下, 随着海冰状况的下降, 东北航道的航运经济性明显提升, 尤其是低冰级船的航运经济性的提升幅度更大。

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南极冰下水文研究进展

周岩, 崔祥斌, 戴振学, 孙波, 李霖

2021, 33 (4): 591-603. DOI: 10.13679/j.jdyj.20200066

摘要 ( 990 )

PDF(6228KB) ( 1444 )

南极冰下湖和冰下水系的广泛发育, 不仅可以改变冰盖基底环境, 影响底部滑动过程, 冰下水系的排水活动还可以淡化海水, 降低临近的洋流深部温度, 是影响冰盖稳定性及其对全球海平面和气候变化贡献的因素之一。因此, 开展南极冰下水文及其对南极冰盖动力学、南极冰下地貌演化进程和南极冰盖-海洋相互作用的影响研究具有极其重要的意义。冰下水文系统是包括冰盖、冰下水、冰下湖泊、沉积物、基岩、地下水、水流通道和海洋在内的复杂的相互作用的集合。当前可利用卫星测高仪和其他先进的地球物理方法(如无线电回波探测技术、地震技术、磁法勘探技术)来观测和研究南极冰下水系, 另外, 通过数值模拟可以更好地解释冰下水的形成、活动和排泄以及陆地水-海洋的交互作用。本文依次综述了南极冰下湖、南极冰下水文系统与模拟以及冰下水文与冰架及海洋系统相互作用的研究进展，并给出了未来南极冰下水文系统研究的重点方向。

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南极冰盖深部结构、冰下过程及其对冰盖稳定性和海平面的影响

唐学远, 孙波, 马红梅, 赵励耘, 乔刚, 田一翔, 郭井学, 崔祥斌, 李霖

2021, 33 (4): 604-611. DOI: 10.13679/j.jdyj.20210002

摘要 ( 991 )

PDF(2767KB) ( 1288 )

冰盖结构、冰下过程对冰盖稳定性、气候环境变化和全球海平面上升的影响正成为南极科学研究的前沿与热点。然而, 目前针对不同时空尺度上影响南极冰盖稳定性的关键物理过程及其效应仍缺乏系统研究, 致使多年来国际极地科学界在有关南极冰盖冰下过程对全球气候变化的影响机理的议题上存在广泛的争议。利用中国自2015年以来开展的东南极冰盖伊丽莎白公主地考察及其航空地球物理探测资料, 通过归纳最近南极冰盖研究的新认识, 厘清南极冰盖深部结构与冰下过程涉及的关键科学问题, 阐述将冰盖典型区域的强化观测和冰盖数值模拟相结合来研究南极冰盖冰下深部结构与冰下过程的物理机理可能遇到的问题和解决方式, 并提炼出与冰盖稳定性变异机制及其对海平面上升影响相关的研究目标、核心内容、有效途径及科学价值。期望对定量估算南极冰盖的物质平衡及其对未来海平面上升的影响这一人类迄今认识最少的南极冰盖研究领域作出科学贡献。

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极地海洋病毒宏基因组研究进展

周莘皓, 梁彦韬, Andrew McMinn, 汪岷

2021, 33 (4): 612-620. DOI: 10.13679/j.jdyj.20200077

摘要 ( 1075 )

PDF(320KB) ( 1474 )

两极占据地球生物圈表面积的14%, 共同组成了地球上独特的冰冻生物圈。南极是被南大洋包围着的巨大大陆, 受南极绕极流所影响。而北极则是由欧、亚、北美三洲大陆包围着的北冰洋以及大量分散的岛屿所组成。极地海洋生物圈主要包括海水、海冰两大生态系统, 而海冰是在两极地区存在的一个独特的生态系统。极地的海洋、海冰、冰下湖泊等环境中包含了大量的未知病毒和作为其主要宿主的微生物群落, 是全球生物地球化学循环重要驱动力之一。本文对近十年来在南北极海洋环境中病毒多样性的研究进展进行综述, 其中大多数的病毒多样性是随着宏基因组学技术的进步而被人所知的。目前对极地海洋双链DNA病毒组已有较好的认识, 而对单链DNA病毒组和RNA病毒组的认识还非常有限。总体来说, 对于极地海洋病毒认识还处在初级阶段, 仍然存在大量未知的科学问题等待我们去探索。

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2021中国极地科学学术年会在沪举行

单琰焱, 姜鹏

2021, 33 (4): 621-622.

摘要 ( 587 )

PDF(195KB) ( 910 )

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