极地研究

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封面及目录

2024, 36 (2): 1.

摘要 ( 195 )

PDF(18384KB) ( 179 )

封面为北极森林火灾所产生炭屑向海输运过程示意图。在全球变暖背景下，北极地区森林野火发生频率显著增加，产生大量炭屑。这些炭屑的迁移与埋藏是北冰洋陆源碳源汇过程的关键环节。目前对北冰洋炭屑的研究仍不多见。封面文章利用首次中俄北极联合科学考察取得的东西伯利亚海表层沉积物，分析了其中炭屑浓度和相对含量的分布特征，发现炭屑的跨陆架输运过程可能受到河口水动力作用、沿岸侵蚀、大气传输、海冰和海流搬运等因素的共同影响。

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东西伯利亚陆架炭屑分布特征及其控制因素

俞心婷任健边叶萍李中乔林龙金海燕陈建芳

2024, 36 (2): 113-127. DOI: 10.13679/j.jdyj.20230008

摘要 ( 370 )

PDF(17506KB) ( 227 )

炭屑是指示火灾事件的重要指标。全球变暖背景下, 环北极地区野火频发, 了解炭屑的产生、迁移和埋藏对理解北极气候变化的环境效应及陆源碳源汇过程具有重要意义, 而前人对北极海域的炭屑研究十分匮乏。东西伯利亚陆架是全球最大的陆架区, 接收和封存着巨量的陆源碳, 也是海冰融化、沿岸侵蚀、周边野火频发最显著的地区, 因此成为研究北极炭屑记录的重要区域。本文基于2016年首次中俄北极联合科学考察取得的表层沉积物样品, 研究了东西伯利亚陆架区不同粒度炭屑的空间分布特征、输运方式及其控制因素。结果表明, 东西伯利亚陆架区表层沉积物中炭屑总浓度为4.4×10⁴~4.1×10⁶粒·g^–1, 平均浓度为9.3×10⁵粒·g^–1。沉积物中炭屑呈现近岸粗、远岸细的总体分布特征。由于受到水动力、大气等长距离搬运, 研究区炭屑颗粒以超细粒为主(平均占83%)。河口水动力作用、沿岸侵蚀、大气传输、海冰搬运、水平向和垂向上的海流搬运等多重控制因素, 可能共同影响炭屑的跨陆架输运过程。

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南极普里兹湾海底表层沉积物中重金属分布特征及其潜在环境风险评价

张浩崔迎春邵和宾李升贵宗师

2024, 36 (2): 128-139. DOI: 10.13679/j.jdyj.20230043

摘要 ( 370 )

PDF(998KB) ( 366 )

为了解普里兹湾表层沉积物主要重金属的污染特征, 本研究利用中国第29次南极考察航次获取的样品, 分析了表层沉积物中钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、铅(Pb)和铬(Cr)等6种重金属的含量, 探讨其分布特征, 利用潜在生态风险指数法与地质累积指数法评价了普里兹湾表层沉积物重金属潜在环境风险。结果表明, 普里兹湾表层沉积物中重金属元素平均含量从高到低依次为Zn>Cr>Cu>Ni>Pb>Co, 分布整体呈现近岸低、远岸高的特征, 表现出明显的沉积粒级富集效应。其空间分布特征也具有同源性, 表明相似的物源供给与沉积过程。潜在生态风险指数评价结果表明, 各调查站区均为低生态风险, 重金属元素地质累积指数普遍小于0, 总体为清洁状态, 其中综合潜在生态风险指数平均值为7.45。相关性分析表明, 除Pb元素外, 重金属元素间均表现出良好的正相关性, 并与陆源表征元素Ti及沉积物平均粒径呈良好正相关性, 与沉积物分选系数呈良好的负相关性。

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北极三维云结构的时空变化: 季节变化

冯时杰黄菲刘一凡张艺凡周腾

2024, 36 (2): 140-157. DOI: 10.13679/j.jdyj.20230016

摘要 ( 464 )

PDF(4054KB) ( 490 )

本文基于2007—2020年多年气候月平均的CALIPSO云量的三维空间数据, 研究了北极云量三维结构的气候态及季节变化特征。结果表明, 北极的云量主要分布在大气边界层和对流层中, 从边界层向上云量递减; 水平空间分布主要表现出显著的海陆差异, 云量最大值出现在北极大西洋扇区; 垂向结构表现出对流层上下同位相变化的正压结构和低空大气边界层与对流层中上层反位相变化的一阶斜压模结构, 在边界层中北冰洋海洋上空的云量大于北极陆地上空的云量, 而在对流层中上层则正好相反。北极云量主要呈现出单峰型的季节变化特征, 2—3月云量最少, 9月云量最多。北极云量的季节变化主要体现在低空大气边界层云量的两个时空主模态变化中, 第一模态主要反映了北极融冰期(5—10月)和结冰期(11月至次年4月)云量的反位相变化, 方差贡献为59.35%; 第二模态则主要体现了深秋(10—11月)和初夏(6—7月)北极地区海陆差异的反位相变化特征, 方差贡献为19.22%。

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基于Aqua卫星AIRS数据的南大洋大气逆温和逆湿特性研究

许妍常亮李黎黎

2024, 36 (2): 157-168. DOI: 10.13679/j.jdyj.20220438

摘要 ( 347 )

PDF(25272KB) ( 223 )

南大洋大气普遍存在着逆温和逆湿现象, 其分布和变化对海-冰-气之间的物质和通量交换具有重要影响。利用Aqua卫星上搭载的大气红外探测器(AIRS)观测数据, 提取了南大洋大气的逆温和逆湿特性, 并研究了其时空分布与变化特征。此外, 以全球无线电探空数据集的探测结果为参考值, 分析了AIRS在进行大气逆温和逆湿探测过程中受到云量影响的特征。结果表明, AIRS估计的逆温特性受云量的影响较小, 在多云条件下AIRS也可精确地估计逆温特性。利用AIRS最新的第7版(V7)数据产品对2004—2020年南大洋大气逆温和逆湿的频率(强度)进行研究, 发现秋冬季比春夏季高(强), 在龙尼冰架、罗斯冰架和南极半岛附近的海域的大气出现逆温和逆湿现象较其他区域更频繁, 且强度更强。

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基于哨兵1号影像浮冰形状特征的北极内尔斯海峡海冰运动信息提取方法

杨帆刘婷婷雷瑞波

2024, 36 (2): 169-182. DOI: 10.13679/j.jdyj.20220444

摘要 ( 413 )

PDF(17481KB) ( 246 )

内尔斯海峡是北极海冰输出的重要通道之一, 从海峡流出的海冰对巴芬湾、拉布拉多海深层水的形成以及北极海冰物质平衡具有重要影响。由于海峡入口狭窄和海冰密集度较低, 现有海冰运动反演算法较难从卫星影像上获取有效的海冰运动信息, 从而限制了该区域海冰运动信息的提取。本研究提出了一种基于浮冰形状特征的海冰运动提取算法, 该算法主要包括影像分割、浮冰提取和浮冰匹配3个步骤。使用该算法从2019年2月20—27日逐日哨兵1号影像中提取了内尔斯海峡的海冰运动信息, 并结合人工制作的验证数据评估了该算法在浮冰提取和匹配过程的精度。结果显示该算法提取的浮冰形状参数平均误差为4.3%~8.48%、浮冰运动矢量的总体正确率为84%、浮冰质心与运动速度的均方根误差分别为0.171 km和6.313 cm·s^–1。对比SIFT, ORB和AKAZE三种基于特征追踪的海冰运动反演算法, 该算法结果中海冰运动覆盖面积增加了27.7%, 精度提高约39%。该算法不仅有效地提取了内尔斯海峡海冰运动信息, 而且可为其他区域(如海冰边缘区)的海冰运动信息提取提供参考。

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基于我国CMIP6模式的北极海冰厚度比较及评价

王梓琦王晓春金梅兵喻小勇赵立清

2024, 36 (2): 183-198. DOI: 10.13679/j.jdyj.20220439

摘要 ( 550 )

PDF(17060KB) ( 258 )

本文选取了第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)中的 8个中国地球气候系统模式, 将这些模式的北极海冰厚度与华盛顿大学的PIOMAS海冰厚度同化产品进行对比, 评估了所选模式1980—2014年北极海冰厚度多年平均空间分布和长期趋势, 并通过泰勒评分法对各模式的模拟能力进行了量化。结果表明, 无论3月还是9月, 所有模式均与PIOMAS存在差异, 偏差位置主要集中在格陵兰岛北部、巴伦支海、白令海峡附近。模式均低估北极3月和9月海冰中心区域厚度, 此外还普遍高估3月海冰边缘区厚度。其中空间分布与PIOMAS最为相近的模式为FIO-ESM-2-0, 其次为FGOALS-f3-L模式。海冰厚度的长期趋势表明, 海冰厚度整体呈下降趋势, 并且9月的下降程度明显大于3月, 与PIOMAS长期趋势空间分布最为相似的模式为NESM3。在此基础上, 本文进一步对比了82°N以北3种大气再分析资料、1种卫星观测产品与8个CMIP6模式的辐射分量, 再分析资料及模式间辐射分量有很大的差别, 其中有两个模式的辐射存在明显的异常, FGOALS-f3-L模式3月上行短波辐射和CIESM模式9月上行短波辐射严重偏小, 这可能是由于模式模拟存在误差。

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基于卫星重力和测高数据的格陵兰冰盖质量变化分析

李光宇赵旭

2024, 36 (2): 199-210. DOI: 10.13679/j.jdyj.20230026

摘要 ( 614 )

PDF(7019KB) ( 229 )

格陵兰冰盖全部融化将导致全球海平面上升7 m, 因此准确估计格陵兰冰盖质量变化过程对理解其对全球气候变化响应和反馈作用具有重要意义。基于Gravity Recovery and Climate Experiment(GRACE)卫星及后继卫星GRACE-Follow On(GRACE-FO)提供的近20年的月时变重力场数据, 以及European Remote Sensing (ERS-2)、Envisat和 CryoSat-2等卫星测高数据, 本文对比分析了2002年4月—2020年12月格陵兰冰盖质量变化特征。研究结果表明: (1)卫星重力点质量模型与卫星测高产品估计的质量变化趋势空间分布较为一致, 均表明格陵兰冰盖边缘低海拔区域质量亏损严重而内部高原存在质量累积。(2) 2002—2020年格陵兰质量损失对全球平均海平面变化贡献为0.73±0.01 mm∙a⁻¹。(3)格陵兰冰盖西南部和西北部对海平面变化的贡献占格陵兰总贡献量的 43.69%, 为主要的海平面上升贡献区。(4)格陵兰冰盖流域尺度的分析表明, Goddard Space Flight Center(GSFC)点质量模型与卫星测高估计的结果更为一致。

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1993—2022年罗斯海夏季感热和潜热通量的年际变化

姚洁何海伦孙群于乐江张艺杰于璐莎李学琪

2024, 36 (2): 211-220. DOI: 10.13679/j.jdyj.20220432

摘要 ( 394 )

PDF(4722KB) ( 383 )

大气下垫面感热和潜热通量是海-冰-气耦合系统中重要的环境变量。基于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的第五代再分析资料(ERA5), 本文研究了1993—2022年南大洋罗斯海夏季月份感热和潜热通量的年际变化。1月气候态分布显示, 感热和潜热通量绝对值在空间上表现为陆架高海盆低。感热和潜热通量异常场的经验正交函数分析表明, 前三模态累积方差贡献率超过75%, 第一模态空间型主要强调区域一致变化, 且第一模态时间系数存在约2.9年和4.4年的变化周期。陆架区感热和潜热通量的年际变化具有非常高的相关性。另一方面, 感热通量与风速和海-气温差具有较高相关性, 潜热通量与风速和海-气比湿差具有较高相关性, 这些相关系数具有明显的空间分布。研究量化了南大洋罗斯海夏季感热和潜热通量年际变化, 初步探讨了感热和潜热通量年际变化影响因素, 可为南大洋罗斯海海-冰-气相互作用研究提供参考。

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南极菲尔德斯半岛土壤产酶细菌的鉴定及其系统发育分析

袁嘉琳党光珍王龙刘杰

2024, 36 (2): 221-232. DOI: 10.13679/j.jdyj.20230002

摘要 ( 335 )

PDF(843KB) ( 303 )

本研究针对菲尔德斯半岛10个不同微生态环境的土壤细菌, 采用专用产酶平板培养法和16S rDNA测序法分别对分离菌的产胞外酶能力及系统发育进行了分析。结果显示: 大多数产淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、酯类水解酶和藻胶酶等的菌株主要分布在离海岸较近、动植物比较丰富的区域, 而半岛内陆产酶菌的数量与种类较少。在125株产胞外酶菌中发现有87株产酶能力较高, 且许多株可产两种以上的酶; 另外所有分离菌均不产明胶酶、卡拉胶酶和几丁质酶。64株产胞外酶能力较好代表菌的系统发育分析表明, 它们共分布于7纲、17属; 其中产淀粉酶菌株为3纲、5属, 产蛋白酶菌株为7纲、14属, 产纤维素酶菌株为1纲、1属, 产酯类水解酶菌株为4纲、7属, 产七叶苷酶菌株为7纲、13属, 产DNA酶菌株为5纲、11属, 产过氧化氢酶菌株为2纲、2属, 产氧化酶菌株为1纲、1属。另外, 还发现有6株菌可能为Pedobacter, Chryseobacterium, Flavobacterium和Kaistella属内的潜在新种。上述结果为研究开发低温微生物和适冷酶提供了有价值的参考和菌种源。

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基于云模型的极地航行船舶驾驶员关键行为因素分析

杨曌君席永涛胡甚平付姗姗

2024, 36 (2): 232-239. DOI: 10.13679/j.jdyj.20220429

摘要 ( 356 )

PDF(3121KB) ( 391 )

为系统性考虑人为因素对极地航行安全的影响, 采用人为因素分析及分类系统和行为影响因子, 结合船舶极地航行的实际情景特征, 利用调研数据和云模型正向云发生器算法, 构建了极地航行船员人为因素分析及分类模型。该模型包含49种驾驶员行为子因素, 以识别极地航行船舶驾驶员人因失误的关键行为因子。结果显示: 导致极地航行船员人因失误的关键行为因素来自不安全监督、不安全行为的前提条件和不安全行为层级的28个子因素。关键行为因素的识别有助于研究人员和管理者有针对性地采取有效措施, 防止人为失误的发生以提高船舶极地航行安全水平。

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极地高密度烧结雪层无侧限压缩离散元分析

李涛霍海峰胡彪贾汶韬陈庆炜

2024, 36 (2): 240-253. DOI: 10.13679/j.jdyj.20220436

摘要 ( 380 )

PDF(2436KB) ( 363 )

从新雪变成老雪的过程叫作“烧结”, 对雪层进行人工压实和烧结是建设极地机场跑道的主要方法, 雪层烧结使雪颗粒间胶结尺寸增加, 雪层强度增强。为探究人工压实烧结雪层在无侧限压缩荷载下的胶结接触破坏规律和承力机理, 本研究采用三维离散元方法模拟了密实烧结雪层无侧限压缩试验, 在室内试验结果基础上构建雪的胶结接触模型并标定接触参数, 通过建立压实烧结雪离散元模型, 进行了无侧限压缩加载模拟。模拟的结果验证了离散元模拟的有效性并表明: (1)在无侧限压缩下, 密实烧结雪试样在剪切带区域发生集中胶结破坏, 胶结断裂主要归因于接触在受拉状态下受剪; (2)冰雪颗粒的破碎会影响冰雪道面的抗剪强度, 因此需要慎重考虑高应力对内摩擦角的影响。本研究将为极地地区通过压实烧结雪层简单现场试验预测其复杂应力路径下的力学特征提供科学支持。

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论智利南极立法的发展与完善——以第21255号法律为例

吴宁铂杨子阳

2024, 36 (2): 254-265. DOI: 10.13679/j.jdyj.20230035

摘要 ( 377 )

PDF(408KB) ( 467 )

地理空间的邻近和对南极的领土主张, 使得智利一直把南极定义为国家的核心利益之一, 并促使智利在南极事务中发挥着举足轻重的作用。在不同的历史时期, 智利一直将南极立法视为维护本国南极权益与应对形势变化的重要手段, 逐步建立起以“南极领土”管理为基本框架, 依据国家南极政策目标的调整与南极条约体系的发展而不断完善的南极法律制度, 其中2021年生效的第21255号法律作为与时俱进的典型代表, 对我国南极立法具有一定启示意义。

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南极冰间湖浮游植物生物量和生物生产力时空特征及影响因素研究进展

江宁张召儒

2024, 36 (2): 266-285. DOI: 10. 13679/j.jdyj.20220440

摘要 ( 475 )

PDF(22372KB) ( 304 )

南极冰间湖在气候变化中和生态系统环境中扮演着重要角色。本文通过回顾南极罗斯海、阿蒙森海、松岛和默茨等4个冰间湖浮游植物生物量和生产力的时空分布特征和变化规律、物理环境参数和气候模态对冰间湖中叶绿素a和浮游植物水华开始及持续时间的影响, 得出以下几点结论: (1)罗斯海冰间湖是南极近海生物生产力最高的区域, 占南大洋总生产力的28%; 阿蒙森海和松岛冰间湖在37个南极冰间湖生态系统中单位面积的生产力最高; 默茨冰间湖浮游植物生物量年际变化明显。(2)海冰密集度、风速和云量等物理参数与浮游植物生物量变化密切相关, 其相关关系的季节性和地域特征明显。海冰密集度主要通过改变冰间湖开放水域的面积来影响可到达海表的光合有效辐射; 风速通过影响水体的垂直混合强度来改变营养盐及浮游植物的垂向输运; 云量对冰间湖生态系统的影响是可见光强度及紫外线辐射量之间平衡的结果。(3)在部分冰间湖, 浮游植物生物量的年际变化同调控南半球高纬度气候的主要模态, 如南半球环状模和半年振荡等存在显著相关性。未来工作可结合长期卫星遥感观测、现场观测和数值模拟, 进一步开展气候模态对冰间湖浮游植物生物量年际变化的物理-生态耦合机制、冰间湖生态系统生产力各个尺度变异规律和机制等的深入探究, 从而更好地认知极地关键海区的生物地球化学循环过程及其气候效应。

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北极地区油气资源分布特征与开发利用分析

孙迪张厚和郝婧李春荣刘世翔蒋德鑫李易灿

2024, 36 (2): 286-303. DOI: 10.13679/j.jdyj.20240001

摘要 ( 723 )

PDF(1369KB) ( 975 )

北极地区蕴藏着丰富的油气资源, 对优化我国能源进口结构及有效分散石油进口风险具有重要意义。基于标普全球和美国地质调查局最新数据, 本文开展了环北极主要国家油气勘探开发历程分析和北极地区油气资源时空分布特征分析。分析结果表明: (1)北极地区油气勘探开发工作主要在俄罗斯、美国、加拿大、挪威和丹麦五国开展, 分为早期调查(至1963年)、陆上大发现和早期开发(1964—1976年)、海陆并进和快速上产(1977—1992年)、勘探低迷和开发高位徘徊(1993年至今)4个阶段。(2)北极地区已发现油气田519个, 累计油气探明和控制可采储量474亿吨油当量, 累计产量162亿吨油当量, 待发现资源量1159亿吨油当量, 呈现出油气构成不均、海陆分布不均、国别分布不均和层位分布不均的特点。基于对环北极国家油气开发利用情况和前景的综合考量, 建议我国积极与俄罗斯开展天然气勘探开发合作, 在夯实管道天然气开发建设进程的基础上, 拓展液化天然气和北极航道基础设施建设合作领域。

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目前我国极地考察破冰船综合保障能力分析与评估

夏寅月陈清满蒋静俭

2024, 36 (2): 304-315. DOI: 10.13679/j.jdyj.20220435

摘要 ( 446 )

PDF(4941KB) ( 658 )

历经40多载发展, 中国极地考察体系总体趋于成熟, 保障能力日益加强。然而极地考察破冰船综合保障能力无法完全满足国家需求, 与发达国家相比仍存在一定差距。冰区作业时间受限、需适应冰-海-气-生物相互作用等立体科学观测技术等要求, 为考察船的支撑保障能力提出了更高的要求。本文深入分析了 “雪龙”号和“雪龙2”号的综合保障能力, 以及在执行科考调查和后勤综合保障的运行模式, 对比国外主流极地考察船, 从支撑保障能力、管理模式和运行机制等方面探讨了存在的差异、面临的挑战以及存在的不足, 为进一步提高我国极地考察综合实力提供建议。

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