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     

快速变化中北冰洋CO2汇研究进展

作为高纬度吸收CO_2重要海区之一,北极气候和生态环境正发生快速变化,这些变化使得北冰洋CO_2的源汇格局及相关过程发生相应改变,并带来巨大的不确定性。表层海水CO_2分压(pCO_2)是评估CO_2源汇的重要参考指标,其调控因子较为复杂,特别是对于环境具有区域性显著差异的北冰洋。综合目前国内外对北冰洋碳汇的研究进展,阐述了北冰洋pCO_2和CO_2源汇的空间分布特征、重要影响因素及其在北极快速变化过程中的关键作用,同时提出预测未来变化的不确定性。由于北极快速变化,北冰洋的海洋生物地球化学碳循环过程及机制变得更为复杂,进而影响碳汇能力及CO_2源汇分布格局。根据目前的研究结果,最近20年间,随着海冰的快速退缩,北冰洋已经逐渐增强为重要的CO_2汇,最新的评估数值可高达180TgC·a~(–1)(1Tg=1012g),其中楚科奇海陆架CO_2汇几乎占到整体的1/3。未来的快速变化中,预测北冰洋碳汇将继续增强,但受限于营养盐的补给、升温以及海水酸化效应,其增长潜力低于预期。     

海鸟活动对北极新奥尔松苔原—大气CO2交换的影响

北极高纬度地区是全球重要的海鸟活动区,海鸟粪为苔原土壤带来了丰富的养分,影响了苔原碳循环过程,但目前还未见有文献报道海鸟活动对北极苔原CO2通量的影响。2009年夏笔者采用密闭箱法对北极新奥尔松地区（Ny-?lesund）鸟类保护区和非鸟类活动区苔原的CO2夏季通量和日通量进行了对比监测,探讨了海鸟活动对苔原CO2通量的影响。结果表明：鸟类密集区（HB）、鸟类活动较少区（MB）和基本无海鸟活动的边缘区（LB）CO2净通量（NEE）平均分别为（-107.6±19.2）、（21.7±9.7）和（67.5±12.4）mg/(m2.h);光合速率平均分别为（-243.6±25.5）、（-105.5±7.6）和（-45.6±12.0） mg/(m2.h )。HB区NEE和光合速率显著高于MB和LB 区,表明鸟类活动显著增加了苔原生态系统NEE和光合速率;而呼吸速率平均分别为（136.0±16.5）、（127.2±15.6）和（113.0±6.8）mg/(m2.h),且差异不明显,表明海鸟活动对呼吸速率影响较小。非鸟类活动区苔原（海边苔原和煤矿区苔原）在夏季整体上表现为CO2排放源,平均NEE分别为（6.91±4.8）和（17.5±41.6）mg/(m2.h)。综合分析表明：NEE和呼吸速率与土壤温度呈正相关。综合三类不同苔原区域23个观测点CO2通量的结果表明：海鸟活动及其粪便增加了苔原土壤养分,从而促进了苔原植被发育,显著增强了北极高纬度地区苔原的碳汇功能。     

南极和北极地区变化对全球气候变化的指示和调控作用——第四次IPCC评估报告以来一些新认知

政府间国际气候变化专门委员会（IPCC）2007年发布了第4次评估报告后,全球气候变化问题再次成为国际社会、科技界和社会公众关注的焦点之一,并迅速成为了一个重要的国际科学和政治议题。 2007年以来,尤其是第4次国际极地年的实施,越来越多的观测和研究事实表明,北极和南极地区正在出现快速地变化着,这些变化也正在从量上到质量变化,当在跨越这种变化的阈门时,可能出现：北冰洋会在2040年前后出现夏季无海冰所引起的北半球大范围的持续暴雪的寒冷冬季;2050年左右南极上空臭氧空洞可能消失并恢复到上世纪80年代水平,南极地区可能会快速升温并引起东南极冰盖和海冰快速融化,使海平面升高加速;极区海水温度快速升高会驱动极区表层海洋和上覆大气之间CO2分压平衡加速,极区海洋也会大量吸收大气CO2,并诱发海水酸化及对极区生态系统产生不可逆的破坏。因此,南极和北极地区的快速变化,正在扮演对全球气候变化的指示和调控作用。     

北冰洋海冰/气候系统及其对全球气候的影响

结合前人对北冰洋海冰、气候系统的研究成果和 1 999年 8月在北冰洋对海冰的现场观测 ,本文综述了海冰分布、厚度的变化 ,海冰表面特征、积雪变化及北冰洋天气、气候特征和分区。讨论了北极海冰与南极海冰的差异。文章认为 ,北冰洋与周围地区气候变化趋势的不一致 ,主要是由于夏季在北冰洋海冰与开阔水域的相间分布、海冰漂移、融化吸热 ,均衡了周围大气、海洋温度的变化。     

北极科学考察计划简介

北极是全球变化最敏感的地区之一。由于全球变暖,北冰洋在最近几十年发生了明显的异常变化,对全球和我国气候都产生了重要影响。深入、持续地研究北极的海洋与海冰过程,探讨海洋与海冰变异对全球以及我国气候的影响成为当务之急。2007—2008国际极地年期间,在北冰洋中心区以及北极太平洋和大西洋扇区等关键海区,依托“雪龙”号破冰考察船,组织2008和2009年两个夏季航次的多国联合考察,参加其他国家的航次考察,系统观测海洋、海冰和大气变化,研究北极海洋和海冰快速变化对我国及全球气候系统的影响。1目的意义我国是北半球国家,处于中纬度地…     

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...     

近30年北极海冰异常变化趋势

在过去30年间,北极气候发生了前所未有的异常变化,北极海冰变化更是经历了令人瞩目的、从平缓到突变的缩减过程,因此,北冰洋及其海冰的研究得到广泛的重视。综述当前国内外有关北极海冰快速变化的研究工作,对这些大气的现场观测和卫星遥感资料的分析,以及一些全球和区域气候模拟的结果,基本上一致地指出了近3O年来北极海冰的快速衰减趋势,尤其是夏季北极海冰正以每lO年超过10％的变化幅度快速减少。从海冰的基本物理特征、与大气海洋相互作用的物理过程、及其对全球和北极气候变化的响应和反馈机制,研究形成这种快速变化的因子--海表面气温增暖,太平洋与大西洋人流的热盐性质变化,以及大气环流模态的影响等。     

中国第二次北极科学考察海冰物理数据的解释

2003年7-9月间,为了探讨北冰洋海冰变化同气候的关系,中国第二次北极科学考察对海冰物理及其相关的物理海洋、大气边界层进行系列合作观测。观测的冰形态、海洋和气象要素将用于确定调查期间大气海冰海洋之间的热力和动力交换。本次考察获得的冰物理性质方面的原始观测数据将在中国南北极考察网公布。为了方便各方人员使用这些数据,本文给出这套资料的描述和解释。     

排水造林对泥炭沼泽湿地碳循环的影响概述

湿地仅占全球陆地表面很小的一部分,却是全球陆地生态系统的碳汇,在全球碳循环中发挥着重要的作用。湿地排水后,地表水位下降,湿地土壤有氧层增加,CO2排放速率增加,CH4排放速率减少,进而影响湿地生态系统的碳汇功能。综述了当前国内外有关湿地排水对土壤CO2和CH4温室气体和土壤有机碳储量影响的研究进展,研究表明:森林湿地选择适当择伐可能有利于减缓大气温室气体(CO2和CH4)的排放。这将为我国基层林业局湿地恢复和碳管理,以及湿地经营提供参考价值。     

北极陆架沉积碳埋藏及其在全球碳循环中的作用

陆架边缘海有机碳的堆积速率比大洋高一个数量级 ,全球大约有 80 %以上的沉积有机碳埋藏于陆架地区。北极陆架是世界上最大的陆架 ,占全球陆架面积的 1 / 4 ,然而由于相关的工作较少 ,目前对北极沉积有机碳埋藏情况及其对全球的贡献还知之甚少。北极地区沉积有机碳埋藏主要取决于生物泵 ,而生物泵过程一个主要的限制因子是海冰的覆盖。近几十年来随着全球变暖 ,北极海冰覆盖面积正在快速减小。本文从北极沉积有机碳的来源、河流携带的沉积物输入、海冰覆盖率、营养盐来源等方面初步讨论了陆源输入和生物泵过程对沉积碳来源和埋藏时空变化的影响。结合两次北极考察的初步结果指出 ,全球变暖很可能使北极陆架边缘海成为沉积有机碳的高效汇区。     

Carbon cycle in the Arctic terrestrial ecosystems in relation to the global warming

１ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＩｎａｌｏｎｇｈｉｓｔｏｒｙｏｆｔｈｅｇｌｏｂｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎ,ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＣＯ２ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｓｃｉｌａｔｅｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｃｈａｎｇｅｓｉｎａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎ...     

中国第26次南极考察南大洋碳通量评估

南大洋是大气CO2的重要汇区,而近几十年来这个汇出现了明显变化并成为了研究的热点。利用中国第26次南极考察期间雪龙船绕南极航行所获得的现场碳及相关参数观测数据,分析推导出海水pCO2及其主控因子(叶绿素和水温)之间的经验关系,并结合相关卫星遥感数据建立遥感外推算法,计算南大洋50°S以南海区碳通量分布,评估该海区对大气CO2的吸收能力。计算结果表明,2009年11月从90°E到90°W(顺时针方向),50°—75°S海域为CO2输送大气的弱源,平均输入大气通量为9.482 mol·m-2·month-1,碳释放量为0.001 779 5×1015gC;2009年12月从90°W—90°E(顺时针方向),50°—75°S海域为吸收大气CO2的弱汇,平均碳通量为-12.451 mol·m-2·month-1,碳吸收量为0.026 656×1015gC。将经验关系推导至该月份的50°—75°S整个南大洋的计算中发现,2009年11月南大洋为大气CO2的源,碳释放量为0.002 789 6×1015gC;在2009年12月南大洋为大气CO2的汇,碳吸收量是-0.003 503 5×1015gC。相比之前我们所观测的结果,南大洋的碳汇吸收能力呈现明显下降。     

利用卫星遥感技术估算区域性海-气CO_2通量研究综述

海-气CO2通量的估算是碳循环研究的重要内容。随着卫星遥感技术的发展和外推算法的不断改进,基于海表层水CO2分压的调控影响因子,在不同的海域发展了不同参数的海表p CO2遥感外推算法,获得了区域性多时空尺度长时间序列的海域碳"源-汇"时空变化特征。本文针对单参数算法、双参数算法和多参数算法的发展过程和存在问题,综述了主要海区海-气CO2通量遥感外推算法的研究现状,并评述了在南大洋和北极海域利用遥感算法进行海-气CO2通量研究的应用。     

北冰洋阿尔法脊晚第四纪沉积有机质的来源变化及其古环境意义

为探讨晚第四纪有机碳埋藏情况变化与海冰覆盖和环流等变化之间的关系,分析了北冰洋阿尔法脊08B85-D孔沉积物的Mn和Ca含量、粒度组成、有机碳含量和有机碳δ13C组成。结果表明有机碳含量并不具备冰期-间冰期旋回性,有机碳来源具有4种不同模式,海冰覆盖程度和波弗特环流的强度共同决定了阿尔法脊处有机碳来源的构成,在MIS7内若干时段海冰覆盖极少,极盛的波弗特环流可将陆源有机质直接输送至阿尔法脊处,使沉积有机质中陆地来源占主导,形成了具有地层对比意义的独特信号。在MIS6-MIS1,08B85-D孔有机碳始终以海洋源贡献占主导,与海冰覆盖程度维持在较高水平,限制了陆源有机碳的输送有关,特别是在MIS6和MIS4-MIS3时,海冰很盛,波弗特环流有可能消亡。     

Climate states and variability of Arctic ice and water dynamics during 1946–1997

Recently observed changes in the Arctic have highlighted the need for a better understanding of Arctic dynamics. This research addresses that need and is also motivated by the recent finding of two regimes of Arctic ice - ocean wind-driven circulation. In this paper, we demonstrate that during 1946-1997 the Arctic environmental parameters have oscillated with a period of 10-15 years. Our results reveal significant differences among atmosphere, ice, and ocean processes during the anticyclonic and cyclonic regimes in the Arctic Ocean and its marginal seas. The oscillating behaviour of the Arctic Ocean we call the Arctic Ocean Oscillation (AOO). Based on existing data and results of numerical experiments, we conclude that during the anticyclonic circulation regime the prevailing processes lead to increases in atmospheric pressure, in ice concentration and ice thickness, river runoff, and surface water salinity - as well as to decreases in air temperature, wind speed, number of storms, precipitation, permafrost temperatures, coastal sea level, and surface water temperature. During the cyclonic circulation regime the prevailing processes lead to increased air and water temperatures, wind speed, number of storms,open water periods, and to decreases in ice thickness and ice concentration, river runoff, atmospheric pressure, and water salinity. The two-climate regime theory may help answer questions related to observed decadal variability of the Arctic Ocean and to reconcile the different conclusions among scientists who have analysed Arctic data obtained during different climate states.     

利用HY-2微波辐射计数据反演北极区域海冰密集度方法研究

HY-2是中国自主研发的海洋卫星。 本文研究了利用HY-2卫星扫描微波辐射计亮温数据反演北极海冰密集度的方法。参考NASA TEAM方法,我们对典型海区光谱梯度率和极化梯度率进行了统计分析,确定了计算海冰密集度所需的亮温特征值;利用天气滤波器有效去除了开阔海域由于大气中水蒸气、云中液态水、降雨等现象引起的海冰密集度计算错误。本文计算了2012年全年的北极海冰密集度产品并对产品精度进行了初步验证,验证结果表明：三个海冰类型已知区域的海冰密集度结果与理想值比较接近,多年冰密集度的反演精度需要进一步提高;本文结果与美国冰雪数据中心和德国不来梅大学提供的两种业务化海冰密集度产品一致。本研究为利用HY-2卫星监测极区海冰密集度变化,发布实时产品奠定了基础。     

南极普里兹湾碳循环研究进展

普里兹湾是南大洋碳循环研究典型代表海区,也是中国历次南大洋考察的重点调查区域。从初级生产力、营养盐、叶绿素、海-气CO₂通量、真光层颗粒有机碳（POC）输出通量,净群落生产力（NCP）等方面综合阐述了其碳循环特征。生物泵运转效率和海冰过程是碳吸收的主要控制因素。普里兹湾总体上可以从陆坡划界,分为湾内和湾外两大部分。两者碳循环特征差异显著。湾内碳循环过程活跃,是南大洋夏季的高生产力区域。湾外则表现出高营养盐、低叶绿素（HNLC）特征,初步认为存在Fe限制。总体上,溶解有机碳（DOC）、POC、营养盐、叶绿素、二氧化碳分压（pCO₂）等存在从湾内向湾外随纬度递增或递减的规律。海冰消长对碳循环过程影响剧烈。夏季融冰造成的冰藻释放、水体垂直稳定性增加是提高生物生产力的首要原因。总体上普里兹湾的碳循环受各种生物、物理过程及其耦合作用控制,对南大洋碳循环机制研究有重要意义。