南极纳拉海峡固定冰生长、结构、盐度和氧同位素组成

采用第19次中国南极科考采集的冰芯样品、数据,基于海冰的"冻结日"记录,使用海冰一维热力学模型来计算纳拉海峡固定冰的生长厚度.考虑气象条件以及冰情观测结果,将该模型的计算海冰厚度和实测厚度进行比较发现,在纳拉海峡存在着多年生长的海冰.对采集于南极洲中山站附近纳拉海峡的固定冰冰芯样品进行结构、盐度和稳定氧同位素(δ18O)分析,获取了海冰的结构和盐度剖面特征、冰芯雪冰、附加冰的含量、雪冰中的雪以及全部冰芯中雪所占的百分比.结果表明:样品冰芯具有典型的海冰特征结构,如柱状冰水平方向的C轴以及上部粒状冰层和下部柱状冰层结构特征,部分柱状冰中间存在着粒状冰夹层;盐度和δ18O剖面也显示了多年冰生长的证据.海冰的结构和氧同位素特征表明,纳拉海峡固定冰的生长主要受热力学过程控制,其结果和2000年1月至2003年2月人工冰情观测结果一致,观测中没有发现冰脊、叠置等动力过程.附加冰在冰芯中所占的比例平均为5.01%.使用不同的同位素标准来区分雪冰层,估计研究区域平均有多达16.4%～37.9%的雪冰,海冰粒状层中雪的部分约占全部冰厚度的0.8%～23.5%.     

关于矿床学创新问题的探讨

2003年1月4日至2月15日期间,在5种不同情况下对南极海冰进行了调查研究。包括:(1)基于走航观测的威德尔海至普利茨湾之间海冰分布研究;(2)基于航空拍摄的普利茨湾海冰分布研究;(3)纳拉海峡固定冰和上浮雪厚度钻孔测量以及冰心钻取;(4)中山站附近融化冰的分布研究以及(5)中山站附近海冰早期冻结过程观测研究。结果表明,威德尔海至普利茨湾之间走航观测得到的海冰全部密集度为14.4%,大部分冰(99.7%~99.8%)属于一年冰,观测到冰的厚度在15~150 cm。沿观测航线上海冰最大密集度(80%)出现在威德尔海,从59°56 S到69°22 S以及从040°41 W到076°23 E的区域分布着广阔的水域。这一结果验证了Silvia的海冰漂移理论。普利茨湾沿岸海冰受制于沿岸地形、拉斯曼丘陵以及搁浅冰山的影响,其密集度呈现较大的空间变化。钻孔测量显示,纳拉海峡固定冰平均厚度为169.5 cm。风吹雪的重分布以及日照强度差异是导致纳拉海峡固定冰厚度差异的主要因素。观测表明,中山站附近海冰早期冻结遵循Lange的海冰早期冻结过程“饼状循环”最初的两个阶段。     

南极沿岸固定冰观测与研究述评

南极固定冰的变化能够直接反映南极的局地气候变率,因此是数值模式验证的理想载体,对固定冰的观测研究结论也能用于评估南极海冰的年际变化。现今国际上对南极固定冰的观测和研究日渐丰富和深入,并逐渐形成了由多个国家参加的联合观测网。就海冰厚度、冰芯结构、表面辐射收支等现场测量和相机、卫星等遥感观测方面,总结了目前国内外南极固定冰观测的技术手段和研究进展,并分析了不同空间尺度上的南极固定冰年际变化特征。对南极固定冰观测研究目前存在的问题和未来的发展方向进行了探讨。     

北极楚科奇海海冰特征研究——以1999年夏季为例

对北冰洋楚科奇海海冰分布、厚度、气/冰/海界面温度场观测,钻取海冰冰芯,观测冰结构的变化,发现3种海冰组合结构: 1)表面融化型; 2)表面和底部融化型; 3)整体融化型. 海冰结构形成的热力学过程为:在气/冰界面上,海冰上表面吸收辐射能使冰体升温,出现表面融化; 在冰/海水界面上,海冰盘与开阔水域的相间分布、相对运动,将周围温度较高的水体输送到海冰的底部,加热、融化海冰底部; 冰体升温,冰晶间盐水膜首先融化,分离冰晶,破坏海冰整体结构. 冰的相变吸热,使其温度维持在融点, 这些过程均衡了夏季北冰洋的温度变化.     

基于海冰物理和力学参数的渤海冰工程分区

根据渤海海冰物理和力学参数分布建立渤海海冰工程分区.其特点是将作用到相同直径或宽度的直立结构物上冰的作用力范围相同的区域划分为同一分区内,因此不同重现期设计冰厚度和峰值压缩强度之积作为区划指标.为了获得不同重现期渤海海冰物理和力学性质参数,利用渤海历史资料建立用气温、水温、冰期和冰厚表达非变形平整冰层和冰样温度、盐度、密度的关系,进而获得冰的孔隙率;利用渤海海冰单轴压缩强度同孔隙率的试验关系计算相应峰值压缩强度;然后发展渤海不同重现期平整冰层物理和力学参数的平面分布.在此基础上以新区划指标做不同重现期的海冰工程分区.作为新区划的实例,给出25、50、100年重现期的渤海海冰工程分区.     

南极中山站附近固定冰生消过程观测

2005～2006年对南极中山站附近固定冰区海冰生消过程进行了系统观测。基于观测数据比较了2005年和2006年冰季固定冰生消过程的差异,分析了冰厚增长速率的日内变化和季节变化,讨论了积雪对固定冰生消的影响。2005年尽管冰生长期的负积温较大,但由于雪厚较大,其冰厚增长速率和最大冰厚都小于2006年的观测值;极夜期间冰厚增长速率的日内变化不明显,但极夜前和极夜后都存在明显的日内变化;中山站以北16km范围内的冰/雪厚度随离岸距离没有明显的变化趋势,但冰脊形成和冰山存在都会对局部的冰/雪厚度分布产生较大影响。     

达里诺尔湖水体稳定氢、氧同位素组成变化对结冰过程的响应

利用自然界中广泛分布的环境同位素进行湖泊水体演化过程分析已经成为现代湖泊科学的重要研究方向.通过采集内蒙古达里诺尔湖(简称"达里湖") 2013年1月份的湖冰、湖水, 2012年夏季湖水与湖区大气降水等, 共分析了77个样品中稳定氢(H)、氧(O)同位素值的变化情况, 在此基础上对达里湖水体稳定H、O同位素组成变化及其对结冰过程的响应进行了详细分析, 结果显示: (1)伴随结冰过程的完成, 各站点深层冰体(厚度~65 cm)中δD、δ18O值比表层冰体(厚度~15 cm)中的值出现不同幅度的偏重.而冰下水体中δD、δ18O平均值则比冰体中的平均值分别偏轻约13.85‰、2.23‰.在冰层形成的快速与稳定阶段, δD、δ18O值的变化幅度也存在差异.同时, 冬季外源水体的输入对各站点间同位素值差异的影响比夏季更明显; (2)夏季湖水、冬季湖水与湖冰的同位素值均落在全球大气降水线与湖区大气降水线之外, 显示湖泊冰封之前, 蒸发对湖泊水体同位素偏移存在一定程度的影响; 而冬季湖水与湖冰的同位素值基本位于同一斜率区间, 且全部落在夏季湖水同位素值的右侧, 显示两者之间并不存在明显的蒸发分馏作用, 造成上述现象的因素只能归结于结冰过程.      

中国第19次南极科学考察中海冰调查技术介绍

介绍了第19次中国南极科学考察中海冰走航和定点调查使用的一些新技术.实践发现这些辅助技术可以提高裸眼观测的准确性, 它们同样可以应用于渤海海冰和内陆河冰的现场调查.其中可视技术、船舶雷达跟踪技术和冰层厚度变化过程测试技术应用前景宽阔, 介绍了它们的测试目标、原理、组成和运行性能.     

东南极冰盖中山站－DOme A断面路线考察的初步结果

1996年以来，中国国家南极考察队连续3次进行了南极冰盖内陆考察，最远点距海岸1100km,海拔3900米，沿考察路线对冰盖表面地形，表面雪层特征，雪积累速率，冰体厚度和运动速度等进行现场观测，采集0．6－3．3米深度雪坑样品，在4个地点钻取50－100m，深度冰芯5支，部分资料和样品的初步分析表明，由于研究区域毗邻Lambert冰川和格罗夫山，冰面地形较多起伏，中段很大区域坡面朝向Lambert冰川，自中山站向内陆460km积累速率为46－210kg.m^-2.a^-1(相当于12－60厘米厚度雪层），表面1米深度雪的密度为350－450kg/m^-3，雪变成冰的深度（密度达830kg.m^-3)在几个冰芯钻取地点大约为60米，说明研究区域内雪的变质过程基本相同，300km处50米冰芯初步分析显示，过去几十年积累速率和温度均呈上升趋势，这虽然与南极地区其他针点的结果相一致，但却和毗邻的Lambert冰川西侧研究结果相反。     

雪冰中的黑碳记录研究的历史回顾

黑碳(Blackcarbon)是一类大气气溶胶,也是重要的气候驱动因子之一,它与人类活动密切相关.迄今发现,雪冰是保存和记录历史时期黑碳变化的最好介质.根据前人对南极冰芯、格陵兰冰芯、中低纬度山地冰川冰芯以及雪坑样品中的黑碳记录的研究成果,讨论了不同研究地区雪冰中黑碳含量的变化,黑碳对气候环境突变、大气环流变化的响应,总结了人类活动与雪冰黑碳记录之间的关系.雪冰黑碳记录还可以获得如森林大火这样的特殊事件的信息.     

基于走航观测的夏季南极海冰分布特征分析

依托中国第19次南极科学考察,基于ASPeCt(南极海冰过程与气候)海冰走航观测方法标准,以"雪龙号"破冰船为平台进行夏季南大洋海冰走航观测.在2003年1月4-17日近6 500km的航程断面上,分别获取了海冰的厚度、密集度、雪厚度、浮冰尺寸等海冰分布特征参数.结果表明,海冰分布特征参数均呈现了较大的空间变化.由于夏季海冰融化并受制于特定动力过程作用,海冰在威德尔海附近聚集,密集度达到峰值,沿断面在0%～80%之间变化;在断面的大部分观测到开阔水域.沿断面海冰厚度介于10～210cm,雪厚度介于2～80 cm之间,在埃默里冰架附近冰雪厚度达到了全断面的最高值.沿断面浮冰尺寸,最小到＜10 cm到最大超过2 000 m不等.     

1997-2005年北极东西伯利亚海海冰变化特征研究

近年来北冰洋气候系统发生了显著变化,海冰面积减小和厚度变薄是最主要的特征.利用美国国家冰中心的1997—2005年东西伯利亚海海冰密集度数据,研究了该海域海冰覆盖率的多年变化特征.结果表明:1997—2001年海冰冰情偏重,2002—2005年海冰冰情明显减轻,尤其是2005年,海冰面积覆盖率创密集度为近几年最低值.海冰融冰期长度和海冰面积覆盖率最小值与海冰面积指数的相关系数在置信水平为0.95时分别达到-0.90236和0.9098,海表负积温与海冰面积指数的相关系数达到-0.7424.近年来东西伯利亚海海面风场的偏南风有加强趋势,有利于海冰的北向运移和暖空气北上,造成海冰面积持续减小.河流径流量在9a中整体呈现增长趋势,与海冰具有很好的负相关性.     

中国第19次南极科学考察总结

中国第19次南极科学考察将海冰走航调查列入正式项目, 为海洋调查的一部分.为此, 根据渤海海冰和内陆河冰调查技术现状和未来发展前景, 设计、组合和加工了可视技术\, 冰层厚度变化过程测试技术和温度测试记录系统.     

2008年夏季北冰洋海冰表面积雪特征初步分析

运用中国第三次北极考察期间观测的积雪资料, 分析了夏季北冰洋中心海域海冰表面积雪的空间分布特征. 结果表明: 积雪在垂直分布上呈现6种粒雪状态, 表层到底层依次为新降雪、风板、冰片、深霜、冻结状粗雪和渗浸冻结冰层, 积雪表面常被新降雪或厚度为2～3 cm的风板所覆盖. 考察区域积雪的平均密度为(304.01±29.00)kg·m^-3, 表层密度略低于次表层, 遵循雪的密实化原理. 积雪厚度, 雪水当量和新降雪皆具有由南向北递减的空间分布特征, 表明在海冰消融末期, 积雪的气候态分布主要是由降水量的多少决定的, 积雪的消融和蒸发并非海冰表面积雪评估需考虑的首要因素. 雪温随深度的增加而增加, 具有明显的垂直梯度, 观测区积雪表面的平均温度为(-2.01～±0.96)℃, 比海冰/积雪界面的温度高得多.     

渤海航运中的海冰危害和防冰减灾对策

介绍了渤海的基本冰情, 特别是2001年冬季海冰给海上航运带来的灾害.根据多年实践经验, 从非结构和结构抗冰减灾两方面提出了防冰减灾的对策和构思.     

北冰洋中央密集冰区海冰对太阳短波辐射能吸收的观测研究

太阳辐射能是海冰融化的最主要能源,基于在2008年8月21～27日北极加拿大海盆中部为期8天的冰站考察中海冰光学观测数据,研究了北冰洋中央密集冰区海冰吸收的太阳辐射能.通过现场直接观测,确定了海冰透射率、反照率、吸收率及其随冰厚的变化,得出海冰对太阳短波辐射的吸收率大约为到达冰面太阳辐射的16%,大部分被冰雪表面反射.为期3天的对太阳辐射的观测表明,虽然到达北冰洋中央密集冰区的太阳辐射能并不少,但由于云和雾覆盖的时间所占的比例很大,有将近57%被大气削弱,其余的又有77%左右被冰雪表面反射回太空,海冰吸收的热量只有10.2W/m2,相当于每天融化2.6mm的冰,1m厚海冰全部融化需要380天,不足以为海冰融化提供足够的热量.因此北冰洋中央密集冰区终年被海冰覆盖,即使在北冰洋海冰面积骤减的现状下,那里的海冰密集度仍然接近100%.然而,文章的结果指出:大气中云和雾大幅度减少、积雪层融化、海冰厚度减小、融池的比例增加等因素都会大幅度增加海冰吸收的热量,未来这些过程的发生有可能导致北冰洋密集冰区的海冰快速融化.     

静水生长的淡水湖冰微结构的季节变化及其受生长过程的影响

冰物理微结构特征控制着冰层基本物理性质。基于多年冬季对东北平原区水库和湖泊冰层生消过程、气象条件,以及冰层晶体、冰内气泡和密度特征的现场观测,分析了淡水湖冰微结构的季节演化和年变化规律及其影响因素。湖冰晶体结构、气泡含量与分布、冰密度具有明显的分层结构,且在冰厚增长期和稳定期内基本维持不变;进入融化期,冰内微结构变化迅速,表现为晶体边界融化、气泡体积扩展和融水迁移。不同年份、不同湖泊冰晶体类型和气泡形态类似,但各类晶体层厚度比例、气泡含量与尺寸存在差异。统计分析显示,晶体和气泡结构与湖冰生长速率关系密切,晶体粒径与生长速率呈正比,水内气体的产生和溶解过程、水体扰动程度的差异影响着气泡含量同生长速率之间的关系。     

渤海海冰断裂韧度试验

海冰的断裂韧度是近海结构冰荷载分析的重要参数,也是影响海冰断裂、重叠和堆积等动力行为的主要力学特性.2011-2012年冬季现场采集了渤海莱州湾的海冰试样,在室内低温环境下通过三点弯曲试验测得了不同温度、盐度和加载速率下的海冰断裂韧度KIC.结果表明,卤水体积(温度和盐度)和加载速率对KIC的影响比较显著.随温度和加载速率的降低,KIC值均会增大,且与卤水体积的平方根呈负指数关系.为极限破坏状态下海冰的断裂过程和冰荷载分析的参数选用提供了依据.     

北冰洋中央密集冰区海冰对太阳短波辐射能吸收的观测研究

太阳辐射能是海冰融化的最主要能源,基于在2008年8月21~27日北极加拿大海盆中部为期8天的冰站考察中海冰光学观测数据,研究了北冰洋中央密集冰区海冰吸收的太阳辐射能。通过现场直接观测,确定了海冰透射率、反照率、吸收率及其随冰厚的变化,得出海冰对太阳短波辐射的吸收率大约为到达冰面太阳辐射的16%,大部分被冰雪表面反射。为期3天的对太阳辐射的观测表明,虽然到达北冰洋中央密集冰区的太阳辐射能并不少,但由于云和雾覆盖的时间所占的比例很大,有将近57%被大气削弱,其余的又有77%左右被冰雪表面反射回太空,海冰吸收的热量只有10.2 W/m²,相当于每天融化2.6 mm的冰,1 m厚海冰全部融化需要380天,不足以为海冰融化提供足够的热量。因此北冰洋中央密集冰区终年被海冰覆盖,即使在北冰洋海冰面积骤减的现状下,那里的海冰密集度仍然接近100%。然而,文章的结果指出：大气中云和雾大幅度减少、积雪层融化、海冰厚度减小、融池的比例增加等因素都会大幅度增加海冰吸收的热量,未来这些过程的发生有可能导致北冰洋密集冰区的海冰快速融化。     

海冰厚度的现场图像测量方法

在寒区海洋工程开发中,海冰厚度是主要环境参数.为了监测海冰厚度的变化与分布,人们已经尝试了多种方法.利用图像测量冰厚,该方法在石油平台安装摄像机,记录冰与结构作用破坏断面,监测冰厚度的变化.分析了现场测试中的误差,并给出了部分连续记录的冰厚度变化.