南极中山站近岸海冰生态学研究 Ⅳ.海冰营养盐浓度的季节变化及其与生物量的关系

对１９９２年４月至１２月间中山站近岸海冰营养盐状况以及与生物量的关系进行了分析。为了能与海水中的营养盐进行对比,对海冰融化样的营养盐数据进行了同期冰下海水表层盐度的校正。结果显示,海冰中多数层次的硝酸盐浓度低于冰下表层海水的浓度,而磷酸盐和硅酸盐浓度则正好相反,亚硝酸盐浓度在观测期间均高于冰下表层海水的浓度。海冰营养盐浓度无明显的变化规律,呈现较大的波动,它可以是冰下表层海水的数分之一直至高出一个数量级,除显著的冰底水华期外并不构成冰藻生长的限制因素。海冰营养盐的分布与叶绿素ａ含量无明显的相关性。     

南极威德尔海新生期海冰生态结构Ⅰ.叶绿素a与营养盐

１９９２年３－５月极星号ＡＮＴ／Ｘ３秋季航次，对南极威德尔海东北海域浮冰区形成期新冰生态结构进行考察研究。结果表明，海冰物理结构特征与海冰生成环境及其形成过程有很大关系。冰体结构以颗粒冰、柱状冰以及混合冰为主，以颗粒冰为主结构的海冰较多地聚集浮游生物细胞，消耗部分冰中营养盐，柱状冰较少聚集生物细胞，其营养盐波动较小。同时，新形成期海冰中，叶绿素含量普遍低于一年冰，而营养盐含量则较高，基本处于初始状态，由此表明，海冰中生命活动随海冰冰龄增加而不断增强。     

2011夏季南极普里兹湾营养盐与浮游植物生物量的分布

利用2011南极夏季在普里兹湾获取的海水样,检测了Chla、磷酸盐、硅酸盐、硝酸盐和铵盐的含量。结果表明,普里兹湾表层海水中Chla的含量普遍具有冰架边缘>陆架区>陆坡及深海区的分布特征,海冰的消融及水体的稳定性是影响表层海水Chla分布的主要原因。Chla含量的垂直分布与光照条件相关,具有上层水体含量高,随着深度逐渐降低的分布特征。磷酸盐、硅酸盐和硝酸盐的水平及垂直分布特征都与Chla的分布格局相反。表层海水中铵盐的分布特征与磷酸盐等主要营养盐的分布格局相反,冰架边缘、陆架区铵盐的垂直分布特征与陆坡及深海区不同,在冰架边缘和陆架区有机质降解过程主导着水柱中铵盐的浓度,而浮游植物吸收作用与有机质降解过程之间的平衡控制着陆坡及深海区铵盐的垂直分布。根据Chla与营养盐的浓度及分布特征,结合温度、盐度、溶解氧等水文要素,分析探讨了Chla深层最大值现象（DCM）的成因及67.5°S以南表层海水中铵盐对硝酸盐吸收的抑制作用。     

南极威德尔海新生期海水冰生态结构：Ⅰ.叶绿素a与营养盐

１９９２年３－５月极星号ＡＮＴ／秋季航次，对南极威德尔海东北海域浮冰区形成期新冰生态进行考察研究。结果表明，海冰物理结构特征与海冰生成环境及其形成过程有很大关系。冰体结构以颗粒冰、柱状冰以及混合冰为主，以颗粒冰为主结构的海水较多地聚集浮游生物细胞，消耗部分冰中营养盐，柱状冰较少聚集生物细胞，其营养盐波动较小，同时，新形成期海冰中，叶绿素含量普遍低于一年冰，而营养盐含量则较高，基本处于初始状态，由此     

不同月海冰边界提取算法对南极海冰变化的影响分析

海冰与海水的交界地带是海-冰-气相互作用的重要区域,其变化会影响海洋生物栖息地的联通状态和海洋、大气的交换,确定海冰边界对于分析海冰动态变化具有重要意义[1-2]。被动微波传感器为长期监测海冰变化提供了大尺度的连续观测数据。从经典统计、随机集理论出发,应用三种由被动微波日均海冰密集度数据提取月均海冰边界的方法,分析三种月均边界的差异,以及不同月均边界提取方法对海冰长期变化分析的影响。     

极地海洋环境评价理论与方法初探

极地海洋环境评价对于极地海洋生态系统保护尤为重要。由于对极地极端恶劣环境的监测能力不足,缺乏长期连续监测数据,极地海洋环境评价变得异常困难。针对目前极地海洋环境评价目标和评价因子均缺乏的情况,在已有文献基础上,本文提出了海水表层叶绿素浓度、海冰覆盖范围、海水表层温度和盐度四个极地海洋环境决定因子,分析了海冰覆盖范围与月份之间高度拟合的三次多项式分布关系,并在此基础上构建了极地海洋环境评价模型,最后提出了一种验证该模型的方法。基于第30、31、32次南极科考获取的海水表层叶绿素浓度、温度、盐度数据以及美国国家冰雪数据中心提供的对应时间内的海冰覆盖范围数据对提出的评价模型和方法进行了验证,实验结果表明:该评价模型及其验证方法具有有效性,根据评价结果能判定某个时间段内极地海洋环境相对于基准时间的变化趋势。     

南极普利兹湾夏季不同层次海冰及冰下海水古菌丰度和多样性

为了解南极普里兹湾夏季不同层次海冰及冰下海水中古菌丰度及群落组成,利用荧光原位杂交(filter in situ hybridization, FISH)技术对海冰及海水样品中古菌进行定量研究,通过构建16S rRNA基因文库对不同层次海冰及冰下海水中古菌进行多样性分析,并结合环境因子进行相关性分析。荧光原位杂交结果表明,古菌的平均丰度随着海冰层次的下降呈下降趋势,初步推断可能受海冰中铵离子影响所致;16S rRNA基因文库分析结果表明,仅在海冰底部样品中检测到古菌,且全部16S rRNA基因序列为泉古菌（Crenarchaeota）,与来源于北极海水、海冰中古菌16S rRNA基因序列相似性最高,属于泉古菌海洋类群I（Marine Group I Crenarchaeota）;冰下海水古菌多样性较高,主要归属于泉古菌Marine Group I和广古菌（Euryarchaeote）Marine Group II 、III。     

近30年南极海冰的变化特征

采用NCEP的1973-2002年南极海冰密集度资料,对近30年南极海冰冰密集度的季节变化、年际变化及其与南极海冰涛动指数的长期变化关系进行了分析研究。结果表明,南极海冰的季节变化特点是海冰融化速度远大于凝结速度,而北极海冰融化速度与凝结速度基本相同。南极海冰存在着明显的年际变化,海冰面积指数呈增加趋势,年平均倾向率为28/10a。而北极海冰年际变化则相反,呈减少趋势,年平均面积指数的倾向率-3.5/10a。南极海冰涛动指数能代表南极地区近1/3的海水变化,是南极海冰变化的重要指数,具有10年、3-5年和2年左右的准振荡周期。     

2003年与1999年楚科奇海海冰的差异及其发生原因

我国在1999年和2003年进行了两次北极考察,这两年海冰的冰情差别很大,分别对应冰情较重和较轻的年份。本文利用卫星遥感资料对1999年和2003年的海冰分布状况及其差异进行了全面的分析,并利用气温和风场资料深入研究形成这种差异的动力学原因。结果表明, 2003年的海冰冰情与1999年相比要轻很多,海冰面积在春季融冰季节和秋季冻结季节显著减小。2003年春季,来自白令海的海水提早半个月进入楚科奇海,导致海冰大范围融化。但是,到了夏季,海冰的面积减少过程停滞下来。而秋季楚科奇海封冻过程比1999年晚半个月。以上这些特征形成了2003年与1999年海冰的显著差异。研究结果表明, 2003年春季和秋季的气温比1999年要明显增高,最大月平均温差接近18°C,显著的高温为海冰融化的加剧和冻结的推迟提供了热量。直接影响海冰分布的是海面风场,两年风场的差异产生了来自白令海的太平洋入流的差异,对春季海冰融化的提前、夏季入流的减弱和秋季冻结过程的推迟起到关键的作用。季节性气象要素的年际差异可以归因于整个北极的AO系统变化, 2003年AO指数是正值, 1999年为负值,成为楚科奇海局地海冰变化的气候背景。     

1979—2015 年罗斯海海冰运动速度变化

基于美国冰雪数据中心的月平均海冰运动和海冰密集度数据, 建立了1979—2015 年罗斯海海冰运动 速度时间变化序列, 揭示了海冰运动速度的年际和季节变化特征, 探讨了海冰运动速度和海冰范围之间可 能存在的联系, 最后对影响海冰运动速度变化的因素进行了分析。结果表明, 1979—2015 年罗斯海海冰运动 速度总体呈现加快趋势, 海冰运动速度增加趋势最快的季节为秋季, 其次是冬季、春季和夏季。冬季海冰平 均运动速度最大, 依次是秋季、春季和夏季。海冰运动速度与海冰范围在37 年间均呈现上升趋势, 海冰范 围变化滞后海冰运动速度1—2 个月, 两者呈显著正相关关系, 海冰运动速度的增加导致罗斯海海冰范围不 断扩张, 进而影响南极整体海冰分布。罗斯海海冰运动速度与风速之间存在显著正相关关系, 风场是影响海 冰运动速度的一个直接因素。除此之外, 海冰运动还受到包括气压场、洋流场以及海洋阻力系数等的影响。     

基于SIR-C数据的SAR极化特征参数区分海冰与海水的能力评价

利用1994年10月南极区域的6景SIR-C影像,评估了L波段和C波段下13种主要的SAR极化特征参数区分海冰、海水信息的能力。结果表明:L波段下有6种参数能较好地区分海冰和海水,它们是:散射熵、交叉极化比HV/VV、同极化比VV/HH、同极化相关系数ρHH-VV、HV极化后向散射系数、Alpha角;另外,HH极化后向散射系数、交叉极化比HV/HH具有一定的区分海冰和海水的能力;其余5种难以区分海冰和海水。C波段下有4种参数能较好地区分海冰和海水,他们是:散射熵、同极化相关系数ρHH-VV、HV极化后向散射系数、同极化比VV/HH;HH极化后向散射系数、交叉极化比HV/VV、Alpha角和VV极化后向散射系数这4种参数具有一定的区分海冰和海水的能力;其余5种难以区分海冰和海水。且总体来看,L波段区分海冰和海水的能力好于C波段。这为海冰探测的研究提供了有用的参考。     

侧边界融化对北极海冰影响的数值模拟

对NCAR CSIM5 海冰模式中海冰侧边界融化参数化方案进行了详细阐述,并利用CSIM5模式模拟了侧边界融化对北极海冰厚度和海冰面积变化的影响,试验结果表明：（1）侧边界融化热力过程会增大海冰厚度和海冰面积的消融,海冰厚度消融最明显的区域分布在西伯利亚海和格陵兰海,海冰面积消融最明显区域分布海冰边缘地区;（2）侧边界融化过程对夏季海冰厚度影响比冬季更为明显,而对冬季海冰面积的影响要比夏季更为明显;（3）侧边界融化方案能更好地模拟出海冰面积的季节性变化;（4）海水表面温度（SST）是影响海冰侧边界融化过程的重要因子,侧边界融化率的大值区分布在SST零度线附近的狭窄区域。     

电磁感应技术在波罗的海海冰厚度探测中的应用研究

海冰作为冰雪圈的重要组成部分,对气候变化十分敏感,海冰物理过程研究需要得到精确的海冰厚度。本文介绍一种能够高效探测海冰厚度的电磁感应方法及其在波罗的海(Baltic Sea)的成功应用。该技术方法针对海冰和海水的电特性,利用电磁感应原理精确探测仪器至冰水交界面的距离,以实现海冰厚度的测定。通过电磁感应(EM)仪直接观测的视电导率与同点位钻孔测量数据对比分析,获得视电导率与海冰厚度的转换关系式,并对通过该关系式计算出的海冰厚度进行验证,表明电磁感应技术能够获得可靠的海冰厚度数据,平均相对误差仅为12%。对波西尼亚海湾(Bothnian Bay)海冰厚度探测剖面的统计结果表明,2007年春季该区域平整冰厚度范围在0.4-0.6m之间。     

2009年春夏季北极海冰运动及其变化监测

极地海冰对全球气候变化具有指示作用,北极海冰监测对全球气候环境变化研究意义重大。利用中国第3次北极科学考察（CHINARE-2008）长期冰站获取的海冰物质平衡浮标数据和MODIS影像对北极海冰运动及其变化进行监测。结果表明MODIS影像分类得到的海冰密集度效果较好,海冰与海水之间界线清晰。4月16日至30日长期冰站在自西北向东南的漂移过程中,海冰逐渐分裂,密集度下降,速度总体上不断减小。4月30日至5月19日期间海冰密集度变化比较大,尤其是5月8日,海冰密集度突然升高。结合对漂移轨迹的分析发现,这可能是受大风、洋流等因素影响,海冰产生回旋运动导致的。5月19日至7月6日海冰密集度上升,在格陵兰岛附近海冰运动受地形影响产生聚集现象,因此在该区域海冰密集度呈现上升趋势。     

基于海冰密集度遥感数据的波弗特海海冰时空变化研究

采用美国冰雪数据中心(NSIDC)的日尺度与月尺度海冰密集度数据,将海冰密集度为15%作为阈值确定海冰外缘线位置,提取波弗特海海域的海冰外缘线,计算波弗特海的海冰密集度、海冰范围与海冰面积,然后通过海冰范围与海冰外缘线的年际变化与季节变化来分析波弗特海海冰外缘线退缩的时空变化特征与趋势。实验结果表明,1978—2015年波弗特海的海冰密集度、海冰范围与海冰面积整体变化趋势一致,减少趋势显著。37年来,海冰密集度平均每年减少约0.3%,海冰范围平均每年减少3 235 km2,海冰面积平均每年减少5 084 km2。海冰密集度在1979—1996年无明显减少趋势,1996—2015年减少趋势明显。波弗特海海冰范围一般在9月达到最小值,在11月至次年5月维持在最大值(全冰覆盖状态);海冰面积一般在9月达到最小值,在12月或者1月达到最大值。海冰范围最小值出现时间有延迟的趋势,全冰覆盖状态具有起始时间越来越晚、终止时间越来越早、持续时间越来越短的趋势,平均持续天数为212 d。     

MODIS海冰数据监测中山站附近海冰的季节性变化

本文利用中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,即MODIS)的海冰数据,监测中山站附近区域海冰的季节性(尤其是夏季)的消融与冻结情况及海冰表面温度的变化。文中先对MODIS的海冰数据进行影像分层、数据合成,分时间段计算海冰范围,然后提取海冰表面温度信息,最后对获取的数据进行分析。研究结果表明,中山站附近区域在每年10月至翌年2月中上旬为海冰消融期;2月中下旬至4月为海冰冻结非密封期;5月至9月为海冰冻结密封期。海冰范围2月份最小;海冰表面温度1月份最低,8月份最高。     

北极海冰密度变化分析及其对海冰厚度估算的影响

海冰密度是海冰和气候模型的重要物理变量,也是利用卫星测高数据估算海冰厚度的关键参数。目前各国北极科学考察虽开展了海冰物理观测,但对近期北极海冰密度现场观测资料的综合分析和挖掘应用不足。在此背景下,收集了近15年来北极海冰密度现场观测资料,分析北极海冰密度的变化特征;对海冰密度实测数据进行克里金插值,将插值结果输入静力平衡方程模型计算海冰厚度,探讨海冰密度对海冰厚度卫星测高反演的影响。结果表明, 2000—2015年北极海冰密度变化范围为750—950 kg·m–3,1—9月海冰密度总体上随月份变化呈减小的趋势;6—9月北极海冰密度随着纬度的增加而减少(75°N—90°N);通过对比分析表明,相较于使用海冰密度固定值参与估算海冰厚度,采用经现场观测数据空间插值后的海冰密度估算海冰厚度的结果更为准确。北极海冰密度现场观测资料的整理分析可为海冰与气候变化等进一步研究提供参考。     

西北冰洋二氧化碳分压变异与海冰变化的关系

北极海冰消退造成了开阔水域面积的增加,进而促进表层海水吸收更多的二氧化碳(CO₂),导致表层CO₂分压(pCO₂)呈上升趋势。然而,目前还缺少对于海冰消退过程中pCO₂的显著变化及其与海冰联系的相关研究。本研究基于2008年中国第三次北极科学考察数据,发现西北冰洋夏季海表pCO₂的分布呈现出陆架区低海盆区高的特征,整个海区总体上为大气CO₂的汇,其中陆架区碳汇通量为13.8 mmol·m^–2·d^–1,而广阔的加拿大海盆区仅为3.7 mmol·m^–2·d^–1。本研究重点分析了海盆区高pCO₂和低碳汇的驱动机制,根据质量平衡模型模拟了加拿大海盆区在整个海冰融化过程以及随开阔海域时间延长的情景下,海表pCO₂的响应变化趋势。结果表明:(1)在融冰过程中,海-气CO₂交换驱动pCO₂呈缓慢增...     

南北极海冰变化及其影响因素的对比分析

海冰是海洋-大气交互系统的重要组成部分,与全球气候系统间存在灵敏的响应和反馈机制。本文选用欧洲空间局发布的1992—2008年海冰密集度数据分析了南北极海冰在时间和空间上的变化规律与趋势,并结合由美国环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)和美国大气研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)联合制作的NCEP/NCAR气温数据和ENSO指数探讨了南北极海冰变化的影响因素。结果表明,北极海冰面积呈明显的减少趋势,其中夏季海冰最小月的减少更快。北冰洋中央海盆区、巴伦支海、喀拉海、巴芬湾和拉布拉多海的减少最明显。南极海冰面积呈微弱增加趋势,罗斯海、太平洋扇区和大西洋扇区的海冰增加。北极海冰面积与气温有显著的滞后1个月的负相关关系(P0.01)。北极升温显著,北冰洋中央海盆区、喀拉海、巴伦支海、巴芬湾和楚科奇海升温趋势最大,海冰减少很明显。南极在南大西洋、南太平洋呈降温趋势,海冰增加。北极海冰减少与39个月之后ONI的下降、40个月之后SOI的上升密切相关;南极海冰增加与7个月之后ONI的下降、6个月之后SOI的上升存在很好的响应关系。南北极海冰变化与三次ENSO的强暖与强冷事件有很好的对应关系。     

楚科奇海表层海水颗粒物组成与来源

对研究区内第五次北极科学考察所取的表层海水颗粒物的浓度、显微组成、有机碳、氮含量及其同位素组成进行了分析。结果表明,楚科奇海域表层海水颗粒物浓度介于0.56—4.01 mg·L-1,具有冰区边缘高于开阔水域的特点。陆架区颗粒有机质相对含量高(TOC:9.78%—20.24%;TN:0.91%—2.31%),有机碳、氮同位素值相对重(δ13C:-23.29‰—-26.33‰PDB;δ15N:6.14‰—7.78‰),有机质主要来源于海洋生物,含有部分陆源有机质;陆坡及北冰洋核心区的颗粒有机质含量,除SR15站外,相对低(TOC:8.06%—8.96%;TN:0.46%—0.72%),有机碳、氮同位素值轻(δ13C:-26.93‰—-27.78‰PDB;δ15N:4.13‰—4.84‰),颗粒物有机质以陆源为主。陆坡区SR15站表层海水颗粒物中异常高的陆源有机质(TOC:27.94%,TN:1.16%;δ13C:-27.43;δ15N:3.81)可能来自源于东西伯利亚的穿极洋流。海冰携带的颗粒物(包括冰藻)是冰区边缘表层海水颗粒物的重要来源,在陆架区海冰融化,向水体中释放了大量生物体;而陆坡区和北冰洋核心区,海冰对颗粒物的贡献以碎屑矿物和黏土矿物为主。