南极绕极波的行波与驻波共存系统分析

南极绕极波(ACW)是近10年来海洋和大气科学领域研究的重要内容之一,其特征表现为一种海气耦合的年际信号在南大洋的明显东向传播。文中依据波动的基本原理,利用非线性拟合方法得到了绕极波行波的平均波速、波数和角频率和印度洋驻波的表达形式,得出行波和驻波具有相同的角频率。针对绕极波纬圈传播的不连续现象,提出了南极绕极波是行波和驻波共存系统的新见解。行波与驻波共存系统由三部分组成:在南大洋的太平洋西侧发生SLP振动,与发生在太平洋中低纬度的过程有关;在太平洋和大西洋存在传播的行波,行波在太平洋最强,到大西洋明显减弱;在印度洋SLP系统表现为局地变化,体现明显的驻波特征。三部分有共同的周期,表明三部分是统一的动力学系统,证实了行波与驻波共存系统可以很好地表达南极绕极波的时空特性和传播特征。     

1999/2000年夏季环南极表层海水叶绿素a和初级生产力

中国第 1 6次南极考察期间 ,作者随雪龙船于 1 999年 1 1月 2 2日至 2 0 0 0年 1月 1 8日从澳洲西南部到达东南极普里兹湾 ,后经南印度洋 -南大西洋 -德雷克海峡 -南大西洋 -南印度洋返回普里兹湾。航渡中定时采集表层海水 ,进行水温、盐度、营养盐、浮游生物现存量和光合作用速率的现场观测 ,研究环绕南极海域表层水叶绿素 a和初级生产力的分布特征。结果表明 ,南大洋表层水营养物质、浮游生物现存量和初级生产力分布具明显的区域性特征 ,南极辐合带以南的南极水营养盐浓度高于亚南极水和亚热带水。叶绿素 a浓度与营养物质的分布趋势一致 ,南极水、亚南极水和亚热带水的平均叶绿素 a浓度分别为 1 .77、1 .40和 0 .2 1 μg/dm3。在环绕南极的大洋中 ,南大西洋海域营养物质丰富 ,海水最为肥沃 ,叶绿素 a浓度和初级生产力高于南印度洋和德雷克海峡。在短期往返东南极 -西南极 -东南极的航渡观测中 ,由于南极夏季水温的升高 ,陆缘冰融化 ,冰藻释放 ,长城湾至普里兹湾的西 -东向航渡中观测的初级生产力、浮游植物细胞丰度、叶绿素 a浓度和光合作用同化数分别比普里兹湾至长城湾的东 -西向航渡中高 1 45%、1 1 3%、68%和 1 8%。与 1 0年前的观测结果比较 ,南大西洋仍为高生物量和高生产力海区 ;1 999/2 0 0 0     

白令海CO_2源汇与控制因素研究进展

白令海是北冰洋太平洋扇区的边缘海,是亚北极生态系统向北极生态系统过渡的典型区域,白令海CO_2源汇的研究可为高纬度边缘海相关的研究提供重要的参考。在全球持续变暖的背景下,白令海正在发生着一些气候和环境的变化,这些变化对CO_2源汇以及控制CO_2源汇的生物地球化学过程产生重要影响。对目前白令海CO_2源汇特征及其控制因素相关研究进行了归纳总结,预测了白令海CO_2源汇的未来变化趋势并提出了展望。以往的研究都认为白令海是一个大气CO_2的汇区,但是碳汇研究结果差异较大,最近的研究结果表明白令陆架区的碳汇约–6.81 Tg C·a~(–1)(1 Tg=10~(12)g),整个白令海的碳汇约–34 Tg C·a~(–1)。在未来白令海气候和环境变化继续加剧的条件下,使得白令海碳汇增强或减弱的因素将同时存在,因此,未来白令海的碳汇是增强还是减弱尚无定论。     

南大洋环极表层水浮游植物分级生物量、初级生产力和颗粒有机碳的分布

198 9/1 990年夏季作者在中国第六次南极考察环极航行中 ,对南大洋不同海区的浮游植物细胞大小分级叶绿素 a和初级生产力、颗粒有机碳及有关环境参数进行了测定。结果表明 ,在南极水域中以南大西洋最为肥沃 ,叶绿素 a浓度平均超过 2 μg/dm3 ,POC的平均浓度也最高 (>1 0 0 μg/dm3 ) ,而德雷克海峡和南印度洋较低。叶绿素 a和 POC的空间变异具有同步的波动。分级叶绿素 a结果表明 ,在肥沃的南大西洋以细胞 >2 0 μm的绢滤浮游生物 (主要是小型浮游生物 )所占比重最高 (6 5 %) ,而在较贫瘠的南印度洋则以微微型浮游生物 (<2 μm)最高 (47%)。分级初级生产力的结果表明 ,在南大西洋和德雷克海峡对总初级生产力的贡献以微微型浮游生物为最大 ,微型浮游生物和小型浮游生物的贡献大致相当。微微型浮游生物相对高的光合作用生理活性显示了它们在南大洋海洋生态系中的重要性。与南极水域相比 ,亚南极和亚热带水域较为贫瘠。     

海洋热浪多时间尺度变化特征与机理

在系统梳理国内外海洋热浪相关研究文献的基础上,本文综述了海洋热浪季节、年际和年代际变化特征与长期变化趋势及其形成机理的主要研究进展。已有的研究表明：(1)由于夏季海洋混合层深度较浅,海表温度对海面加热过程更敏感,导致海洋热浪多发生于夏季且强度最强,冬季则相反。复杂的局地海洋与大气强迫也使得海洋热浪的季节变化具有显著的区域性特征。(2)海洋热浪的年际变化主要受厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和印度洋偶极子（IOD）等年际尺度海气耦合模态的影响,其中ENSO对海洋热浪的影响最为显著,其影响范围覆盖了全球大部分海域,IOD的影响主要集中在热带印度洋和热带太平洋,北大西洋涛动和大西洋纬向模态主要影响区域分别位于北大西洋和非洲西岸近海。(3)年代际太平洋涛动、太平洋十年涛动等低频气候波动对太平洋、热带大西洋以及东南印度洋海洋热浪的年代际变化具有重要作用。(4)海洋热浪长期变化趋势主要受人类活动的影响。全球气候模式的结果表明,在RCP8.5情景下,到2100年海洋热浪的强度将是RCP4.5的2倍,并且全球大部分海洋将陷入“永久性”的海洋热浪状态。最后,本文讨论了海洋热浪研究一些亟待解决的重要科学问题...     

1979—2013年南大洋海冰变化特征及与典型气候变化因子的相关性分析

全球气候变化导致的南大洋海冰变化已引起广泛关注,基于近35年来该区域海冰覆盖范围的时空变化规律,运用Pearson相关和聚类分析等方法,探讨多元厄尔尼诺指数（MEI）、海洋尼诺指数（ONI）以及臭氧空洞面积气候变化因素与海冰覆盖范围的关系。南大洋海冰呈1.1%（±0.6%）小幅度增长,近5年印度洋海域海冰增长最快。1—6月别林斯高晋/阿蒙森海域、6—9月和11月威德尔海域海冰的多年变化趋势均为负增长。在南大洋5大片区中海冰与气候变化因子的关系不同,其中ONI影响别林斯高晋/阿蒙森、威德尔、印度洋、罗斯海海域;MEI主要影响印度洋和罗斯海海域;臭氧空洞主要影响罗斯海和威德尔海域。海冰变化对气候变化的响应存在不同程度的滞后性。     

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。     

南极大气CO_2、CH_4和N_2O本底趋势特征分析

对南极大气温室气体CO_2(含δ~(13)C-CO_2和δ~(18)O-CO_2)、CH_4和N_2O长期测值进行比较分析。结果表明,南极是全球大气温室气体浓度(CO_2稳定同位素丰度值)随纬度分布变化中的最低(高)区域。南极大气温室气体浓度值变化趋势、年增长率与全球整体上一致,但在具体数值上存在差异。南极CO_2平均年增长率(1958—2014年)为(1.43±0.59)mg·L~(–1)·a~(–1),低于同期赤道(1.51±0.72)mg·L~(–1)·a~(–1),但1980—2014年和2000—2014年年增长率均高于南半球中纬度地区。δ~(13)C-CO_2和δ~(18)O-CO_2丰度趋势揭示了化石燃料排放和全球尺度过程对CO_2的影响,但南极是受影响最小的区域。1983—2014年南极CH_4平均增长率为(6.2±4.9)μg·L~(–1)·a~(–1),低于北半球中纬度(6.5±5.6)μg·L~(–1)·a~(–1)而高于赤道(5.6±5.3)μg·L~(–1)·a~(–1)和南半球中纬度(6.1±4.9)μg·L~(–1)·a~(–1),这与CH_4人为排放增强主要在北半球中纬度地区而显著被OH氧化在赤道和中纬度地区的事实是吻合的。南极N_2O平均年增长率为(0.87±0.15)μg·L~(–1)·a~(–1)(2005—2013年),与南半球中纬度地区接近但低于北半球而高于赤道地区。     

中国陆地净初级生产力时空特征模拟

应用生态系统机理性模型估算1981～1998年中国陆地生态系统净初级生产力 (NPP) 的时空变化,并分析了NPP对年际间气候变化的响应。结果表明,中国陆地生态系统1981～1998年NPP总量波动于2.86～3.37 Gt C/yr之间,平均约为3.09 Gt C /yr ,单位NPP平均约为342 g C m²/yr。在研究时段内,NPP有缓慢增长趋势,年增长率约为0.32%,NPP总量平均值从 1980年代 (1981～1989年) 的3.03 Gt C/yr上升到1990年代 (1990～1998年) 的3.14 Gt C/yr。在一些厄尔尼诺 (El Nino) 发生年,NPP有明显的下降,但由于地域差异和季风环流的影响,NPP同ENSO的关系还十分复杂。从全国来看,在厄尔尼诺现象发生的1982年、1986年、1991年和1997年,NPP都有一定程度的减少。但在1993年和1994年两个厄尔尼诺发生年,NPP并没有表现为明显的下降趋势,1994年NPP总量甚至比上一年增加了0.12Gt,这主要是由于温度和降水量在不同地区的分布差异以及不同地区对厄尔尼诺现象的响应差异造成的。     

天山北麓山地-绿洲-荒漠生态系统净初级生产力空间分布格局及其季节变化

以天山北麓总面积达93 936 km~2的山地-绿洲-荒漠生态样带为例,利用生态-遥感光能利用率模型NPP-PEM,使用1 km分辨率SPOT/VEGETATION遥感等数据资料,估算了生态样带净初级生产力(NPP)空间分布及其季节变化.结果表明山地-绿洲-荒漠生态样带平均NPP为161.06 g C·m~(-2)·a~(-1),样带陆地生态系统年总碳吸收量或年总NPP累积量为15.081 Tg C(1Tg=10~(12)g),其中绿洲农田、山地草甸草原、平原荒漠草原和山地森林对的碳吸收贡献率分别为32.67%、28.16%、12.41%和9.15%.夏季是各类生态系统NPP增加量最大的季节,而沙漠由于早春短命植被覆盖而具有生长双峰现象.样带NPP空间分布及其季相变化特征是自然环境、地貌、气候以及人类生产活动长期共同作用和影响的结果,其中水热条件和基质是控制干旱区陆地生态系统NPP空间格局的决定因子.结果检验表明模拟效果较为合理,证明NPP-PEM模型在干旱生态系统的应用是可行的.研究为干旱区陆地生态系统碳循环研究开辟了途径,可为干旱区生态系统评估、监测和管理提供研究方法和参考依据.     

亚热带山地丘陵区植被NPP时空变化及其与气候因子的关系————以湖南省为例

以湖南省为研究区,采用250 m×250 m空间分辨率的MODIS-NDVI数据,结合相应时间段的气象数据,使用改进的CASA模型,模拟并分析该区域2000-2013年间的植被NPP的时空变化特征,并借助统计分析方法对不同土地覆盖类型中植被NPP的变化趋势及其显著性,NPP与气候因子的相关性进行量化分析.结果表明:① 该区域的净初级生产量年际变化特征明显,年净初级生产量分布在41.62~125.40 Tg C/yr之间,平均值为86.34 Tg C/yr,总体来看,14年间湖南省植被净初级生产量呈波动减少趋势,年际减少趋势为2.70 Tg C/yr;② NPP空间分布差异较大,基本特点是西高东低,南高北低,从西南向东北呈逐渐递减趋势,其中,各植被分区的NPP有明显差异;③ 2000-2013年,湖南省植被NPP呈极显著增加(slope >0,p < 0.01),显著增加(slope > 0,0.01 ≤ p < 0.05),无明显变化(p ≥ 0.05),极显著减少(slope < 0,p < 0.01)和显著减少(slope < 0,0.01 ≤ p < 0.05)的区域分别占总面积的比例为5.40%,2.02%,61.64%,16.79%和14.15%.植被NPP变化趋势总体上显示为减少的趋势,而不同土地覆盖类型的植被NPP变化趋势及显著性存在较大差异,其中草地的NPP变化趋势最为显著,接着依次是森林,其他土地,建设用地和农田;④ 分析不同土地覆盖类型的植被NPP对气候因子的响应,发现NPP与降水量之间的相关关系强于其与温度的相关关系.     

双扩散在南极文森湾海域热盐结构演变中的作用

利用22头象海豹携带的CTD观测到的2012年3—4月南极文森湾中西部海域的海水温盐剖面数据,研究了双扩散效应在海水热盐演变过程中的作用。结果显示,该海域双扩散效应显著,其中"扩散对流"作用在水柱中所占比例超过50%,并普遍存在于500—800 dbar深度的深层水中;"盐指对流"作用在水柱中所占比例不超过10%,存在于300—500 dbar的中层水中;随着时间进入南极冬季,海水结冰盐析过程会使水体中重力不稳定状态加剧。"扩散对流"会产生向上的热通量和盐度通量,热通量大约在0.02—0.5 W·m~(–2),盐度通量平均在10–8 m·s~(–1)左右;"盐指对流"则会产生向下的热通量和盐度通量,平均热通量约为–0.5 W·m~(–2),平均盐度通量约为–10–8 m·s~(–1)。在结冰初期,文森湾陆架海域的海表结冰过程对低温高盐水体的产生具有补充作用,进而通过扩散对流作用使得高密度陆架水(DSW)在水体内部得到补充生长与积累。因此,双扩散作用对于该海域高密陆架水的形成有不可忽视的贡献。     

南大洋及相邻温带海域夏季小型浮游动物的摄食作用

小型浮游动物在海洋食物网中扮演着重要的角色。2012年12月—2013年3月,利用稀释培养方法开展了南大洋及温带海域小型浮游动物对浮游植物的摄食实验研究。结果表明,浮游植物的生长率为0.04—0.89 d~(–1),小型浮游动物对浮游植物的摄食率为0.07—1.29 d~(–1)。浮游动物日摄食量占浮游植物现存量的6.4%—72.5%,对浮游植物初级生产力的摄食压力也较大,为14%—776.9%。尽管本实验中浮游动物的摄食率可能被高估,但在南大洋及温带海域生态系统中,小型浮游动物对浮游植物仍具有重要的调控作用。     

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。     

罗斯海和普里兹湾海域海冰范围变化对比分析

海冰范围的变化对气候变化、生态系统以及人类活动都会产生重大的影响,近年来极地海冰范围的变化受到广泛关注。对南极罗斯海与普里兹湾海域海冰范围进行时间序列分析,研究发现海冰范围季节性变化在罗斯海与普里兹湾海域差异较大,罗斯海地区表现出"快速缩小、迅速扩大"的特性,普里兹湾海域表现出"快速缩小、缓慢扩大"的特性。两地区的海冰范围在年际变化上都表现出扩大的趋势,2003—2014年罗斯海地区海冰变化趋势为(1.39±1.12)×104km2·a~(-1),普里兹湾海域海冰变化趋势为(0.61±0.26)×104km2·a~(-1)。罗斯海地区夏季的年际变化为减少趋势。     

全球气候变暖对西沙、南沙海域珊瑚生长的潜在威胁

利用近50年来西沙、南沙海域SST及全球温度资料,分析西沙、南沙海域SST的长期变化趋势及其与全球温度变化的关系,结果得出,西沙、南沙海域年均SST的增温率分别为(0.02±0.004)℃/a(1961-2007年)和(0.016±0.002)℃/a(1950-2007年),均高于全球温度的增温率[(0.012±0.001)℃/a,1950-2007年];西沙最热月6月份SST增温率高达(0.026±0.004)℃/a(1961-2007年),南沙最热月5月份SST增温率也达(0.011±0.003)℃/a(1950-2007年);并且西沙、南沙海域SST与全球温度存在显著的正相关性,意味着它们之间复杂的关系.预计到2030年西沙6月份SST将达30.6～1.3℃,南沙5月份SST将达30.3～30.8℃;到2050年西沙6月份SST将达31.0～32.3℃,南沙5月份SST将达30.6～31.4℃.依据珊瑚白化的温度上限(31℃),推测2030后,西沙、南沙海域将很有可能频繁地发生珊瑚白化现象,这对珊瑚生长极为不利.虽然珊瑚可能会调整自身以适应全球变暖,但采取一定的人为干预措施加以保护更为重要.     

近20 a中亚净初级生产力与实际蒸散发特征分析

中亚碳、水循环在气候变异和人为活动的影响下呈现新的时空特征。但由于观测数据稀缺,生态过程特殊,植被、土壤空间异质性强,中亚植被净初级生产力(NPP)、实际蒸散发(AET)的时空特征相关信息相对不足,且时效性不高。利用全球尺度的NPP、AET、土地覆被数据,气象站点与区域气候数据分析近20 a中亚地区NPP和AET的时空特征。结果表明：与1990年相比,2000年中亚地区农田NPP增幅小于自然植被,植被总固碳量增加了254.65 Tg C;近20 a中亚地区实际总蒸散量先增后降,农田对中亚水资源散失的贡献减小,自然植被的贡献增大,自然植被与农田面积变化决定中亚总蒸散量动态;北部农田区、东部山区及山前绿洲为NPP和AET的高值区,中西部荒漠为低值区。     

1979-2012年北极海冰范围年际和年代际变化分析

利用美国冰雪中心发布的海冰密集度数据,对1979—2012年北极海冰范围进行年际和年代际变化分析。结果表明:(1)海冰在秋季融化速度最快,其次为夏季、冬季、春季。2000年后春季下降速率变缓,而其他季节融化速度加快;(2)由于多年冰的融化,太平洋扇区在夏秋季节融化速度要高于其他海区。而大西洋扇区在冬季和春季海冰的融化速度要快于夏秋季节,主要是因为大西洋海温升高;(3)东半球在夏秋季节海冰融化的范围要大于西半球,因此东北航道比西北航道提前开通应用。而整个北极区域近几年春季融化速度变缓,则主要是西半球的作用;(4)从空间分布年代际变化来看,1989—1998年最接近气候态,1979—1988年密集度偏大区域主要在巴伦支海和东西伯利亚海,2009—2012年海冰密集度较常年显著偏小,东半球密集度减小幅度比西半球更大,尤其是冬春季在巴伦支海,夏秋季在楚科奇海。春季时由于风的作用,白令海附近海冰密集度异常偏大;(5)北极区域海冰范围在冬春季比夏秋季突变明显,基本在2003年前后,海冰范围变化周期为6年。     

基于GRACE反演南极物质平衡的研究

利用GRACE重力卫星提供的时变重力场反演了南极大陆冰雪质量变化。由于GRACE提供的C20项不准确,本文考虑利用SLR测得的C20项替换,反演结果显示南极西部冰雪在消融,东部基本保持平衡,整个南极以(-0.689±0.172)cm/a的速率在消融。     

新疆植被NPP及其对气候变化响应的海拔分异

利用2000—2017年MODIS NPP数据与气象观测数据,采用趋势分析及相关分析法,揭示了新疆地区植被净初级生产力(NPP)时空演变格局及其对气候变化响应的海拔分异性。结果表明:(1)18 a间,新疆植被NPP年均值为145.96 g C·m~(-2),以4.422 g C·m~(-2)·(10a)~(-1)速率呈不显著增长;受地形及区域水热条件的制约,植被NPP表现出北疆优于南疆、山区优于平原的分布规律。(2)NPP均值大体上随海拔的增加先增后减。在海拔1400 m区域内,植被NPP以增势为主,向好趋势集中在天山北坡、准噶尔盆地南缘及南疆西北缘等地;在1400～3800 m海拔区域内,植被NPP主要呈弱的负增长,其中天山山区及其南麓、阿尔泰山局部等高海拔山区NPP退化严重。(3)降水量是新疆植被生产力水平变化的主要驱动因素,但气温在高海拔(3900 m)地区取代降水成为限制植被活动的主导因子。在不同海拔梯度下,植被NPP与气温主要呈负相关性,与降水量呈正相关性,且相关性在海拔1400 m时有更突出的梯度差异。