极地研究

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封面及目录

2023, 35 (2): 0.

摘要 ( 545 )

PDF(16142KB) ( 374 )

封面为南极地区冬季海平面气压场和风场示意图，在罗斯海和阿蒙森海区域存在着显著的气候低压系统——阿蒙森低压，其与南半球环状模态 (SAM) 和 ENSO联系紧密。阿蒙森低压的强度和位置通过影响罗斯海和阿蒙森海区域大气环流，间接影响海冰平流、暖水入侵陆架等许多关键过程。封面文章（参见167~182页）利用ERA5再分析数据对南半球环状模(Southern Annular Mode, SAM)正、负位相和ENSO事件发生时罗斯海和阿蒙森海冬季风场、气温和海平面气压进行合成分析，并深入分析了SAM和ENSO对冬季阿蒙森低压(Amundsen Sea Low, ASL)的影响，通过对典型区域进行EOF分解，结合ASL中心的位置变化，解释了SAM和 ENSO事件同时发生时该区域风场和气温的变化特征。

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SAM和ENSO对罗斯海和阿蒙森海区域冬季气候的影响

谢川张召儒周朦

2023, 35 (2): 167-182. DOI: 10.13679/j.jdyj.20220106

摘要 ( 1015 )

PDF(11956KB) ( 654 )

本研究利用ERA5数据对南半球环状模(Southern Annular Mode, SAM)正、负位相和ENSO (El Niño-Southern Oscillation)事件发生时罗斯海和阿蒙森海冬季风场、气温和海平面气压进行合成分析, 并深入分析了SAM和ENSO对冬季阿蒙森低压(Amundsen Sea Low, ASL)的影响, 通过对典型区域进行经验正交分解(Empirical Orthogonal Function, EOF), 结合ASL中心的位置变化, 解释了SAM和ENSO事件同时发生时该区域风场的变化特征。结果表明, 在罗斯海和西阿蒙森海, 主要由SAM和ENSO通过影响ASL的纬向位置来影响该区域的风场, 当SAM正位相和拉尼娜事件同时发生时, ASL的位置显著靠东, 造成了西罗斯海南风减弱, 东罗斯海南风加强, 西阿蒙森海沿岸东风减弱。而在东阿蒙森海, 主要由SAM通过影响ASL的经向位置来影响该区域的风场, SAM负位相时, ASL中心位置靠北会造成东阿蒙森海东风增强。此外, ASL位置的偏移也会造成该区域大气环流的改变, 当SAM正位相和拉尼娜事件同时发生时, ASL偏移至西阿蒙森海沿岸, 而从南极大陆来的寒冷气流主导了该区域, 造成气温异常降低, 降幅最大超过3°C。

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巴伦支海近40年来海洋热含量变化特征及影响机制

赖颖王雪竹葛志成陈姣陈美香

2023, 35 (2): 183-196. DOI: 10.13679/j.jdyj.20220405

摘要 ( 969 )

PDF(5690KB) ( 1318 )

利用ORAS5海洋-海冰再分析数据集, 研究发现1979—2018年间巴伦支海海洋热含量存在显著的季节和年际变化特征, 且有持续上升趋势。海-气热通量是控制巴伦支海海洋热含量季节变化的主要因素, 而北大西洋流的海洋热输运则影响其年际变化和上升趋势。北大西洋流的温度和流速变化对其海洋热输运的年际变化均有贡献, 而其海洋热输运的上升趋势则主要是来自于北大西洋流温度的增加。此外, 巴伦支海开阔海域和冰区的海-气热交换呈现相反的趋势, 在无海冰覆盖的开阔海域, 海洋放热减少, 海洋混合减弱; 而在有海冰覆盖的海域, 海洋放热则显著增加, 海洋混合增强。

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基于GNSS-R技术的阿拉斯加州积雪深度反演及其应用

陈芳霖常亮冯贵平

2023, 35 (2): 197-211. DOI: 10.13679/j.jdyj.20220204

摘要 ( 857 )

PDF(4714KB) ( 992 )

利用GNSS-R(全球导航卫星系统反射测量)技术进行准确的雪深监测已成为传统雪深测量的重要补充手段。本文使用GNSS-R技术反演了2012—2018年美国阿拉斯加州4个GPS观测站附近的雪深结果, 结合加拿大气象中心(Canadian Meteorological Centre, CMC)提供的雪深模型数据产品, 以PBO(Plate Boundary Observatory)H2O项目组提供的雪深资料为参考值, 分析了不同手段获取的雪深值在不同时间尺度上的变化特征, 同时评估了GNSS-R反演雪深结果作为独立数据集验证CMC模型数据的能力。结果表明: GNSS-R、CMC和PBO得到的长时间序列雪深结果均具有较为一致的明显周期性变化, 整体上GNSS-R反演结果比CMC数据精度更高, 更能反映雪深的年际变化情况。GNSS-R反演值和CMC模拟值均能够反映各测站PBO雪深值的逐月变化规律, 但GNSS-R反演值的精度和稳定性总体上优于CMC模拟值。GNSS-R反演结果比CMC模拟值与PBO雪深值的季节性变化更具一致性, 且对于本文研究的4个测站, GNSS-R反演雪深的精度和稳定性在雪深值较大的春季和冬季较高, 雪深值较小的秋季略差。此外, 本文还证实了GNSS-R反演的雪深结果可用于评估CMC模拟雪深值的精度, 且评估效果在冬春季优于秋季。

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北极多源积雪深度数据对比评估及其对海冰厚度估算的影响

周意韦美怡张瑜陈长胜徐丹亚

2023, 35 (2): 212-237. DOI: 10.13679/j.jdyj.20220103

摘要 ( 999 )

PDF(18676KB) ( 662 )

积雪深度是估算海冰厚度重要的参数之一, 目前对不同积雪深度产品精度及其可适用范围的评估研究较少, 也缺乏系统性的认知。本研究选取了11种北极积雪深度产品, 根据产品的不同时间范围, 分为2013—2018年和2018—2019年2个评估时间段。根据上述时间段, 对比分析了各产品之间的差异性, 然后将这些产品与“冰桥行动”和海冰质量平衡浮标的现场观测结果进行了评估。所有产品都显示格陵兰岛和加拿大北极群岛的北部积雪深度较厚, 而在东西伯利亚海、拉普捷夫海、喀拉海、巴伦支海沿线区域的积雪深度较薄, 不过, 部分产品在时空变化上仍存在较大差异。与“冰桥行动”的观测数据对比发现, 大部分产品数据雪深都较厚, AMSR2B和IS2/CS2分别在2013—2018年和2018—2019年的评估时间段内差异较小, 拟合度较好。与海冰质量平衡浮标的对比结果显示, 绝大部分产品数据雪深都较薄, 并且差异性较大, 其中NESOSIM在整个时期拟合度较好。利用不同产品的积雪深度反演海冰厚度的结果差异显著, 与“冰桥行动”观测的海冰厚度对比发现, FY3B/MWRI和IS2/CS2分别在2013—2018年和2018—2019年的评估时间段内有着最好的拟合性。综合雪深和海冰厚度的验证结果来看, 经验被动微波遥感、卫星测高以及组合类型的AMSR/AVHRR有着较好的拟合度, 而雪深再分析模型产品的精度仍然需要进一步提升。

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基于北极多源卫星数据的海冰厚度时空变化对比与评估

靳娅琪张瑜陈长胜徐丹亚

2023, 35 (2): 238-250. DOI: 10.13679/j.jdyj.20220301

摘要 ( 1147 )

PDF(13943KB) ( 705 )

海冰厚度作为海冰的重要变量之一, 相较于海冰密集度、海冰漂移速度、海冰范围等, 数据时空完整性仍然不足。当前获取北极海冰厚度的主要手段为卫星遥感, 除之前的CryoSat-2、SMOS等卫星, 2018年11月又新增了ICESat-2卫星。目前, 针对北极多源卫星海冰厚度的时空变化差异性对比以及数据精度评估的工作较少, 因此, 本研究通过选取最近的完整两年(2019—2020年)内的ICESat-2、CryoSat-2以及CS2SMOS(CryoSat-2和SMOS融合产品)海冰厚度数据进行对比分析, 量化其时空差异。结果显示, 整体上CryoSat-2卫星数据的平均海冰厚度最大, ICESat-2其次, CS2SMOS最小。三种卫星数据间的差异具有明显的时空变化特征, 在海冰厚度高值区ICESat-2数据的厚度最大, CryoSat-2与CS2SMOS数据的厚度相近, 而在海冰边缘区CryoSat-2数据的厚度最大, CS2SMOS最小。从区域来看, 不同卫星数据反演的海冰厚度在东西伯利亚海和波弗特海区域差异较小, 在巴伦支海区域差异较大。在此基础上, 利用研究时段内的“冰桥行动”实地观测数据对多源卫星数据进行评估, 结果表明, 2019年4月CS2SMOS数据整体上与实地观测数据更接近, 而ICESat-2数据与实地观测数据相差较大。

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极区冰下浅表层声学监测浮标系统研发与应用

李聪克李丙瑞陈燕窦银科左广宇杨波路通

2023, 35 (2): 251-267. DOI: 10.13679/j.jdyj.20220004

摘要 ( 926 )

PDF(3488KB) ( 1076 )

北冰洋海域的水声学研究在冰下通讯、导航定位、目标探测以及海洋环境参数反演等方面起着重要作用。而研发集成极区冰下浅表层声学监测浮标系统, 获取长期连续气-冰-海界面的主要环境参数数据及冰下声学特性信息, 是开展冰下水文和声学环境特性研究的重要手段。本文研究了一种极区冰下浅表层声学监测浮标系统的设计, 该系统主要由主控制模块、供电模块、数据采集模块、数据远程传输模块、远程监控中心五部分组成, 通过各个模块的开发与集成测试、数据的采集与传输测试、野外试验等, 实现了对极区气-冰-海界面主要环境参数以及冰下浅表层声学特性参数数据的持续观测。本系统于2021年8月在中国第12次北极科学考察任务中完成现场应用, 在极地低温恶劣环境下运行可靠稳定, 实现了包括水声数据在内的极区各项环境观测参数的远程传输。

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可停泊南极机器人的小型新能源充电保温房设计

任一宁窦银科王煜尘

2023, 35 (2): 268-276. DOI: 10.13679/j. jdyj.20220205

摘要 ( 828 )

PDF(1020KB) ( 870 )

世界各国在南极开展的科学考察活动中, 大多数科考任务的开展均基于自动化设备。而针对机器人在南极难以长期续航工作以及机器人与其设备长期在低温下使用导致使用寿命缩短、敏感度下降的问题, 提出一种可停泊南极机器人的小型新能源充电保温房。该设计包括上位机控制系统和以Arduino芯片为核心的主控制系统。本设计通过OpenMV摄像头识别机器人且能与Arduino通讯, 同时在内部搭载温度控制系统和无线充电系统, 从而保障机器人的长时间高效运行。经过仿真和实验测试, 本设计能够在寒冷环境下保持合适的温度, 同时能使用无线充电对机器人锂电池进行充电, 解决了南极科考机器人的续航问题, 实现了对南极科考机器人的充电工作和对其传感器设备的保温工作。

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基于深度学习算法的冰雷达图像冰面与基岩界面提取

邢治瑞窦银科李霖杨望笑张锋崔祥斌

2023, 35 (2): 277-287. DOI: 10.13679/j.jdyj.20220202

摘要 ( 833 )

PDF(4476KB) ( 1001 )

极地冰盖底部的冰-基岩界面记录了冰盖的历史演变, 反映了冰层的几何特征和冰底环境属性, 是推断冰盖动力学和解释冰下地貌的重要指标。机载冰雷达是一种有效的极地冰盖探测方法, 但雷达数据受探测环境和仪器自身局限性的影响, 会包含各类噪声。为了高效准确地提取冰雷达图像中基岩界面和冰面、降低噪声干扰, 利用2015—2016年度中国第32次南极科学考察在伊丽莎白公主地的航空冰雷达观测数据, 基于深度学习的pix2pix算法建立了一种自动化提取雷达图像冰面和基岩界面的模型。实验结果表明, 该模型提取冰面/基岩界面的精确率为0.863/0.948, 峰值信噪比为24.814 dB, 均高于以往的K-SVD和CycleGAN同类算法, 能更有效地去除噪声、提高图像质量, 更高精度地还原现在通用的人工提取效果。

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顽火辉石球粒陨石分类方法综述及其应用

林佳睿陈宏毅谢兰芳张晋瑜高旭凯黄飞雪

2023, 35 (2): 288-303. DOI: 10.13679/j.jdyj.20220203

摘要 ( 942 )

PDF(17420KB) ( 550 )

顽火辉石球粒陨石是已发现的陨石中还原程度最高的一类, 源区接近太阳原行星盘的内部区域, 对研究早期太阳星云演化和地球起源有较大意义。本文综述了不同类型顽火辉石球粒陨石的岩石学和矿物学特征, 梳理了不同亚型顽火辉石球粒陨石的划分标准, 并讨论其母体来源。按照此标准重新厘定和细分了1952年降落的Abee(EH4)和2013年回收于南极的GRV 13100(EH4)。Abee被重新厘定为EHb-5β型(碎屑和基质)或EHb-6β型(暗色包裹体), GRV 13100被细分为EHa-4α型。综合使用a、b亚群和结构-矿物学分类方法, 可以直观体现顽火辉石球粒陨石的母体来源及变质过程中的峰值温度和变质后生作用的平衡程度。

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我国极地科学考察标准化建设现状与展望

罗光富李丙瑞高源陈超蓝木盛何剑锋

2023, 35 (2): 304-314. DOI: 10.13679/j.jdyj.20220302

摘要 ( 988 )

PDF(446KB) ( 1862 )

极地科学考察标准对规范极地调查、观测、监测等实施过程具有重要意义。本文在全面梳理现行的与极地相关的国家和行业标准基础上, 根据极地科学考察工作的迫切需求, 指出了我国极地科学考察标准化工作中的薄弱环节和急需解决的问题。对我国极地科学考察标准的统计和分析表明, 现行的国家标准有6项, 行业标准有10项, 仅为海洋标准总数的3.4%, 是自然资源标准总数的1.1%, 且大多数为基础通用类标准, 缺乏极地调查、观测、监测等技术类标准。根据自然资源领域标准体系的构建思路, 提出了极地科学考察标准的分类方法, 初步构建了极地科学考察标准体系框架, 提出了应尽快开展极地科学考察技术标准化建设、优先开展极地考察安全标准制定、探索极地科学考察国际标准研制的建议。

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基于结构方程模型的中国参与北极环境协作治理影响因素分析

李振福刘坤朱丽龙

2023, 35 (2): 315-325. DOI: 10.13679/j.jdyj.20220006

摘要 ( 779 )

PDF(765KB) ( 887 )

为加强中国对北极环境协作治理的参与程度, 基于结构方程理论, 选取了地理位置、政策主张、法律公约、国际地位4个指标, 构建了影响中国参与北极环境协作治理的结构方程模型, 并定量分析了各影响因素之间的关系以及对中国参与北极环境协作治理的作用大小。结果表明: 地理位置和法律公约对中国参与北极环境协作治理具有反向影响, 政策主张以及国际地位对中国参与北极环境协作治理具有正向影响, 其中, 政策主张的影响程度最大(10.4)。

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北极西北航道船舶通航风险分析

王发根胡甚平焦喜鑫付姗姗席永涛韩冰

2023, 35 (2): 326-335. DOI: 10.13679/j.jdyj.20220303

摘要 ( 949 )

PDF(753KB) ( 1181 )

北极海冰的融化使得北极西北航道通航成为可能, 有必要探讨北极西北航道的安全通航风险控制问题。针对北极西北航道冰情和复杂通航环境下的船舶通航窗口期, 本研究采用时间维度上的过程风险评估方法, 构建了基于系统动力学的北极西北航道通航风险评估模型, 结合北极西北航道6条航线的场景条件, 通过2015—2021年7年间风、雾、浪、海冰的月平均变化的数据分析, 进行北极西北航道船舶通航过程风险仿真, 提出了北极西北航道船舶通航窗口期。仿真结果表明: 北极西北航道全年可通航的时间窗口为8月下旬至9月上旬, 而选择阿蒙森湾—威尔士亲王海峡—巴罗海峡—巴芬湾和阿蒙森湾—维多利亚海峡—皮尔海峡—巴芬湾两条航线的船舶通航风险相对较低, 从发展上看, 随着海冰快速融化北极西北航道具有较高的通航潜力。

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