基于锚系观测的北冰洋加拿大海盆中层水多年变化研究

20世纪90年代以来,北极进入了以海冰快速减少为显著特征的快速变化时期。通过分析"波弗特流涡观测计划"在北冰洋加拿大海盆的4个站点上布放剖面观测系统所获得的2003—2011年的温度、盐度剖面观测数据,研究了加拿大海盆北极中层水的变化特征。在观测期间,加拿大海盆中央区中层水核心温度变化较小,楚科奇海台地区有明显下降特征,海盆中央区以北以及加拿大群岛陆坡边缘区核心温度呈持续升高趋势。北极中层水核心深度在4个站点都有不同程度的加深趋势,加深的程度和参与分析的表层淡水含量以及因海冰消失导致的风应力变化有一定的对应特征。4个站点表层(75—200 m)的热含量在无冰海域有明显的增长,在有冰海域热含量较稳定;加拿大海盆200—400 m和400—800 m深度范围内的热含量变化情况与中层水核心深度的变化情况一致,伴随着中层水核心深度加深至400 m乃至更深处,中层水的能量也逐渐下移,造成200—400 m水层能量普遍降低而400—800 m水层能量普遍增加。加拿大海盆4个观测站点因背景环境条件和所受影响的不同,造成了中层水的变化和响应趋势的差异。     

影响北极地区迅速变化的一些关键过程研究

最近研究证明 ,近半个世纪来 ,北极地区正在发生迅速变化。部分地区温度上升了 2- 3°C ,北冰洋海冰退缩 5 %,中心地区海冰厚度变薄 ,海面压力降低 ,中上层水淡化和变暖 ,吸收CO2 能力增加 ,臭氧耗损和紫外线辐射增强。中国于 1 999年开展了“中国首次北极科学考察” ,在楚科奇海、加拿大海盆、白令海以及临近海域开展了海冰气相互作用的多学科综合考察 ,对北极的区域特征及其在全球变化中的作用研究获得一些新的认识。观测到加拿大海盆中层水持续增暖的现象 ,揭示了西北冰洋与白令海水体交换的途径和次表层暖水结构 ,发现了加拿大海盆是北冰洋河水的主要储存区。利用联合冰站观测数据 ,模拟了北冰洋夏季大气边界层结构和下垫面能量平衡的变化特征 ,定量给出了北冰洋夏季海 /气和冰 /气之间湍流通量和边界层参数的差异。海 /气CO2 的通量观测表明 ,考察区的大部分海域均为大气CO2 汇区 ;西北冰洋海冰区具有较高的生物泵运转效率 ,楚科奇海陆架是一个高效的有机碳“汇”区 ,寒冷水体中微生物活动并未受到明显抑制。沉积物的地球化学过程研究表明 ,海底表层沉积物中碘含量存在着由低纬度到高纬度增加趋势 ,北极地区可能是碘的汇区 ,碘可作为极区古海洋中的地球化学元素变化的重要指标。楚科奇海、白令海     

北极加拿大海盆2003年和2008年上层海洋热含量的差异分析

主要利用2003年和2008年两次夏季北极科学考察的CTD数据处理了加拿大海盆上层海洋的热含量(这里上层海洋指的是200m以上的海洋),定量分析了热含量随深度的变化,并比较分析了这两年在夏季海冰融化期间热含量的垂向差异变化,以及影响热含量变化的因素,给出了上层海洋热含量在加拿大海盆的空间分布。2008年与2003年相比最显著的变化是在加拿大海盆开阔水域的增加,这将导致太阳辐射能进入海洋中的能量增加,同时海冰的大量融化带来了大量淡水,这些变化改变了上层海洋的温盐性质。海冰大量融化主要产生两个效应：一是上层海洋的普遍增暖,二是太平洋入流水体的下移。文中还分析了近年来在加拿大海盆中变化显著的次表层暖水现象,由于次表层暖水蕴含着不小的热含量,其在上层海洋热量平衡中的作用不容忽视。     

北极海冰快速减少期间加拿大海盆上层海洋夏季淡水含量变化

北极海冰近年来快速减少,北冰洋淡水含量也出现了急剧变化。加拿大海盆作为北冰洋淡水的主要存储区域,研究其淡水含量变化对于认识北冰洋淡水收支有重要意义。本文根据2003年、2008年中国北极考察以及2004年至2007年的加拿大考察数据进行计算,发现除2006年以外,夏季加拿大海盆淡水含量在此期间每年增加1m以上厚度。增加主要发生在冬季白令海水以上的上层海水中,而在此之下,淡水含量维持在3m左右,没有显著年际差异。在2006年,加拿大海盆西部上层淡水含量略微减少,但东部和北部海域淡水含量仍略有增加。与2003年相比,2008年加拿大海盆中心海区淡水含量增加量最高可达7m。分析表明,近年来的海冰减退对加拿大海盆上层淡水含量的增加起着重要作用,北极涛动(AO)正负相位变化也是控制其淡水含量变化的一个重要因素。而降水、径流以及白令海峡入流水的变化对加拿大海盆淡水含量变化影响较小。     

北极迅速变暖条件下西北航道的海冰分布变化特征

北极近年迅速变暖使西北航道的通航成为可能。本文利用AMSR-E的6.25km分辨率日平均海冰密集度卫星数据研究了2002-2008年北极西北航道的海冰密集度变化特征。通过统计分析沿西北航线冰障关键流段代表站点的融化期、轻冰期、无冰期、无冰天数和轻冰天数,以及海冰分布和变化的某些细节,加深了对西北航道海冰季节变化和年际变化以及空间分布的主要特征,特别是与通航相关的冰情信息的了解。研究指出西北航道南路比北路容易开通;各线路冰障流段存在的时间呈减小趋势,整条线路无冰/轻冰天数呈增加趋势;冰间湖和冰间水道的产生和发展在很大程度上可能会影响到整个航路的融冰开始时间。     

一个北极区域冰海耦合模式的设置与应用

介绍了一个北极区域冰-海耦合数值模式的设置与应用。海洋模式基于MIT海洋环流数值模式,海冰动力学过程由Hibler的粘-塑模型发展而来。海冰的热力过程基于Winton提出的三层热力学模型。给出了耦合模式的基本框架,重点介绍了区域冰-海耦合系统中较为重要的程序包,如正交网格生成技术,中尺度涡的参数化,冰-海耦合及开边界处理等。以NCEP再分析资料为大气强迫场,模拟研究了北极夏季海冰范围异常的变化特征(1992—2007),模拟得到的海冰面积变化趋势与SSM/I观测资料进行了对比,两者相关系数达到0.88,模式基本反映了海冰的年际变化特征。以2007年为例,对比分析了9月份海冰密集度分布特征,模式结果得到的海冰范围略大于观测,但基本反映了2007年夏季海冰范围的衰减形态。     

1999年夏季中国首次北极考察区水团特征

依据 1 999年 7月至 9月中国首次北极考察队在白令海、楚科奇海和南加拿大海盆的现场调查资料 ,本文分析了三个海区的水团特征 :( 1 )白令海水团主要由季节变化显著的白令海上层水团和中层水团以及深层水团组成 ;( 2 )楚科奇海水文特征受融结冰过程影响较大 ,1 999年7月和 8月差异较大 ,其水团主要为浅海变性水团 ,包括两个次级水团 ,楚科奇海夏季水和来自北太平洋以及北冰洋变性的外海入侵水 ;( 3)南加拿大海盆的水团主要由受融结冰过程影响的表层水团、源于太平洋水的次表层水、源自北大西洋的中层水团和深层水团组成     

北极冰雪表面能量平衡研究进展

北极地区冰/雪-大气相互作用的过程,尤其是冰雪表面反照率的变化,是制约我们认识北极地区气候系统快速变化的关键科学问题。目前已有的研究表明,随着观测技术和方法的进步,北极冰雪表面能量平衡研究取得了较大的进展,但由于缺乏高质量、时空连续的观测试验数据,大部分参数化方案、遥感及模式产品等在北极不同区域的适用性仍待评估。因此,北极地区观测站点的加密、综合观测试验的开展和多源卫星遥感体系的进一步完善,能为遥感卫星产品及复杂参数化方案在北极的评估验证提供数据支撑,也可以揭示更多潜在的冰雪表面能量平衡相关的过程和机理,加深对极地海-冰/雪-气相互作用的理解,更好地服务于极地冰冻圈与气候变化研究。     

基于CryoSat-2测高数据的北极格陵兰海海冰干舷高提取研究

北极是全球气候和环境变化的驱动器之一,获取北极海冰的时空特征和变化规律对研究北极以及全球气候变化意义重大。格陵兰海是北极海冰剧烈变化的区域之一,采用CryoSat-2的雷达测高数据,获取了格陵兰海的海冰干舷高分布,并利用波弗特环流计划(BGEP)仰视声呐(ULS)数据进行了验证。研究结果表明,格陵兰海海冰干舷高和分布范围存在明显的季节性变化特征,具体体现在格陵兰海海冰从10月份进入冻结期开始,海冰分布范围不断扩张,海冰干舷高也逐渐增大,2月份平均干舷高达到最大(0.2 m),之后格陵兰海海冰开始消融,覆盖范围不断内缩,9月海冰干舷高降至最小(0.13 m)。     

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。     

加拿大海盆的营养盐极大

根据 1 999年和 2 0 0 3年中国北极科学考察航次 ,从Canada海盆收集温、盐、深和营养盐浓度数据 ,用文献报道的低浓度1 2 9I和高浓度金属钡 (Ba)来指示太平洋源水、用相应的高浓度1 2 9I和低浓度Ba来指示大西洋源水 ,划分了该海盆物理化学特征的 4个水团。表层水 ( <40m)的盐度从 2 5至 31 .6;硝酸盐处于耗尽水平 ,而磷酸盐和硅酸盐处于最低水平。营养盐再生水大致位于 40- 2 0 0m ;盐度特征为 31 .6- 33.1 ;营养盐浓度一致增至最高 ;极大峰的盐度在 33.1附近 ,其位温则处于最低水平 (约 - 1 .5°C)。混合水 (深约 2 0 0- 385m)盐度从 33.1至 34.8;位温从局域最低升至整个水柱最高的 0 .5 0- 0 .65 7°C ;营养盐则逐渐降低。深层水深度变化较大 ( 385m至 1 90 0m以下海底 ) ;但其盐度变化较小 ( 34.8- 34.9) ;位温则从最高降低到 - 0 .4至 - 0 5 4°C ;营养盐均轻微增加。结合文献中对于营养盐极大的年际观测 ,1 2 9I、Ba与氯氟烃CFC 1 1的浓度及3H 3He示踪年龄的结果分析表明 ,营养盐再生水是无季节性变化的、高年龄 (约 8- 1 5年 )的太平洋源水 ;深层为大西洋源水 ;而混合水团即为上述 2大源水的混合层。硅酸盐和磷酸盐的强极大指示优势种硅藻及其再生主导太平洋源水。     

2012年马卡诺夫海盆与楚科奇深海平原浮游动物夏季的垂直分布及地理差异

利用2012年9月1—6日采自马卡诺夫海盆3个站位和楚科奇深海平原1个站位的分层浮游动物样品,研究了浮游动物在0—1 000 m水层的垂直分布以及地理差异。结果表明,浮游动物在上层分布密集而在深层比较稀少。4个站位在0—50 m、50—100 m和100—200 m水层的平均丰度分别为265.0、360.7和231.2 ind·m^-3,而在200—500 m和500—1 000 m的丰度只有64.4和36.9 ind·m^-3。在数量上占优势的种类中,植食性为主的拟长腹剑水蚤(Oithona similis)、北极哲水蚤(Calanus glacialis)和极北哲水蚤(Calanus hyperboreus)集中在200 m以浅的水层。虽然在200m以下杂食性种类矮小微哲水蚤(Microcalanus pygmaeus)、隆剑水蚤(Oncaea spp.)和细长长腹水蚤(Metridia longa)的丰度明显降低,但是占浮游动物总丰度的比例却明显更高。两个调查海区浮游动物种类组成相似,但是楚科奇深海平原大型桡足类极北哲水蚤的丰度较高,而小型桡足类丰度较低?垂直分布上差异主要在于500—1 000 m水层,马卡诺夫海盆站位丰度为22.7—92.6 ind·m^-3,而楚科奇深海平原只有1.6 ind·m^-3。深海区浮游动物丰度的地理差异说明生物泵的作用存在空间异质性。类似地理差异产生的原因在于楚科奇深海平原存在数量较多的极北哲水蚤,它们在春季融冰前就上升到表层摄食冰藻,显著降低了有机物的垂直通量。     

Structure and heat content of the West Spitsbergen Current

The seasonal evolution of the hydrographic structure of the West Spitsbergen Current (WSC) above bottom depths from 300 m to 800 m is discussed based on a modern data set with high spatial resolution. The WSC appears to have a core with high temperature and salinity, linked to the topography in this depth interval, with a width on the order of 10 km. Strong cooling occurs in the autumn, reducing the heat content of the upper 200 m, but advected temperature and salinity maxima survive close to the surface in spring when air-sea exchange and vertical mixing is hampered by sea ice and meltwater.     

2003年夏季东南印度洋上层海洋的水文特征

本文利用 2 0 0 3年 2月我国第 1 9次南极考察队在南极普里兹湾到澳大利亚弗里曼特尔南印度洋断面上获得的XBT和XCTD数据 ,分析了该断面上层的水团分布和锋面的特征 ,并讨论了极锋以南表层的淡水输入和热量输入与海冰、降水及平流之间的关系。南极夏季表层水(AASSW)、亚南极表层水 (SASW)、亚热带表层水 (STSW)分布于温盐跃层之上的混合层中 ,由南向北依次分布。AASSW之下是向北延伸的温度最小值层 ,即冬季水 (WW) ,其下则是涌升的上层南极饶及深层水 (UCDW)。南侵的高温高盐的亚热带表层水 (STSW)之下是温度和盐度相对均匀的亚南极模式水 (SAMW)。本航次发现 ,在 63.5°S ,79.7°E的 60 0m以深有低盐水体 (相对其周围水体 )存在 ,核心盐度 34.5 8,位于 80 0- 90 0m水深之间。这是历次考察在该断面所不曾观测到的现象。断面上的锋面从南向北依次为南极陆坡锋 (ASF)、极锋 (PF)、亚南极锋 (SAF)和亚热带锋 (STF)。ASF位于 65°S以南的 1 0 0m以深 ,等温线和等盐线向南倾斜 ;PF位于 5 4°S ,90 .4°E ;SAF位于 45 .3°- 47.5°S ,1 0 2 .5°- 1 0 4 .4°E之间 ,深达整个测量深度 ,温度具有两个高梯度核心 ;首次在该断面观测到双STF结构 ,位于 41 .9°- 42 .6°S,1 0 6.7°- 1 0 7.3°E和 37.7°- 38     

北冰洋西部楚科奇海盆晚第四纪生源沉积物及其古海洋学意义

通过北冰洋西部楚科奇海盆M03孔晚第四纪以来生源沉积物,有孔虫丰度和冰筏碎屑(Ice．Rafted Detritus,IRD)的综合研究表明,海洋氧同位素(Marine Isotope Stage,MIS)7期以来,碳酸钙(CaCO )含量和浮游有孔虫丰度在间冰期的增加和冰期的降低,分别指示大西洋水输入的加强和减弱。而有机碳(TOC)和生源蛋白石(Biogenic Opa1)含量的变化可能主要与输入到海底的TOC降解和Opal溶解作用与底层水中的溶解氧有关。间冰期低的TOC和Opal含量可能反映楚
科奇海盆海冰覆盖减少,营养盐供给多,表层生产力增加,通气作用好,底层水富氧,降解和溶解作用增强,保存在沉积物中的TOC和Opal减少;而冰期相对高的TOC和Opal含量可能反映楚科奇海盆海冰覆盖时间较长,营养盐供给少,表层生产力较低,通气作用差,底层水少氧,降解和溶解作用减弱,保存在沉积物中的TOC和Opal增多。     

Phylogenetic analysis of bacteria in sea ice brine sampled from the Canada Basin,Arctic Ocean

Bacterial diversity in sea ice brine samples which collected from four stations located at the Canada Basin,Arctic Ocean was analyzed by PCR-DGGE.T wenty-three 16S rDNA sequences of bacteria obtained from DGGE bands were cloned and sequenced.Phylogenetic analysis clustered these sequences within γ-prote obacteria,Cytophaga-Flexibacter-Bacteroides(CFB)group,Firmicutes and A ctinobacteria.The phylotype of Pseudoalteromonas in the γ-proteobacteria was predominant and members of the CFB group and γ-proteobacteria were highly abundant in studied sea ice brine samples.     

Phototrophic and heterotrophic nano- and microorganisms of sea ice and sub-ice water in Guba Chupa (Chupa Inlet), White Sea, in April 2002

Autotrophic and heterotrophic flagellates, microalgae and ciliates sampled at four stations in the White Sea in April 2002 were studied using epifluorescence microscopy. The concentrations of phototrophic 1.5 μm algae in the middle and lower part of the ice core were very high: up to 6.1 ± 10⁸ cells I⁻¹ and 194 μg C I⁻¹. Heterotrophic algae made up the largest proportion of the nanoplankton (2-20 μm) and microplankton (20-200 μm) at depths 10-25 m below the ice. The proportion of ciliates ranged from about 0.01% to 18% at different stations and depths. Most of the ciliate biomass in the ice was made up of typical littoral zone species, whereas the water under the ice was dominated by phototrophic Myrionecta rubra . Ice algae, mainly flagellates in the upper ice layer and diatoms in the bottom ice layer, supported the proliferation of heterotrophs, algae and ciliates in early spring. Small heterotrophs and diatoms from the ice may provide food for early growth and development of pelagic copepods. Mass development of the ice algae in early spring appears typical for the seasonal ice of the White Sea. Ice algae differ in species composition from the spring pelagic community and develop independently in time and space from the spring phytoplankton bloom.