2016年南极中山站固定冰冰厚观测分析

极区海冰是全球气候系统的重要组成部分,南极的固定冰普遍存在于其沿海地区,中山站周边固定冰一般在11月中下旬达到最厚。海冰厚度是海冰的重要参数之一,2016年在南极中山站附近3个站点(S1、S2、S3站点)共布放了4套温度链浮标,包括1套SIMBA (Snow and Ice Mass Balance Array)温度链浮标和3套太原理工大学温度链浮标(TY温度链浮标),SIMBA温度链浮标每天观测4次,TY温度链浮标每小时观测1次。利用浮标观测的温度剖面以及海冰和海水间不同介质温度差异计算得到海冰厚度。在S3站点,同时布放了SIMBA温度链浮标和TY温度链浮标。温度链浮标计算冰厚和人工钻孔观测冰厚比较结果显示,S1站点TY温度链浮标计算的海冰厚度平均误差和均方根误差分别为3.3 cm和14.7 cm,S2站点和S3站点分别为6.6 cm、6.9 cm以及4.0 cm、4.8 cm。S3站点的SIMBA温度链浮标计算冰厚和人工观测冰厚的平均误差和均方根误差为8.2 cm和9.7 cm。因而S3站点TY温度链浮标计算的海冰厚度更接近人工观测的结果。进一步对Stefan定律海冰生长模型进行对比,模型计算得到的海冰生长率为0.1～0.8 cm/d,生长率快于TY温度链浮标的结果,且受积雪影响明显。相比于卫星遥感反演冰厚的误差和观测时段的限制以及有限的人工观测,2种温度链浮标未来对于中山站附近海冰的长期监测均有重要的应用价值。     

南极威德尔海陆缘固冰区叶绿素a及硅藻的分布

本文描述了1985年1月-2月联邦德国“极星”号极地考察船沿威德尔海陆缘固冰区调查期间所获得的冰柱状样内叶绿素a以及硅藻的分布,对三个不同区域柱状样的分析结果表明,底部10-30cm的海冰多呈褐色,其内由大量藻类,特别是由硅藻细胞的富集而形成,丰度变化大.在融化的底部冰样中,细胞数高达10⁸个/l,叶绿素a浓度高达2220mg/m³,中部常见到大量小型的失去色素乃至死亡的硅藻细胞.初步鉴定出26种硅藻,其多数隶属于茧形藻属(Amphiprora),斜纹,藻属(Pleurosigma),菱形藻属(Nitzschia),盒形藻属(Biddulphia),角刺藻属(Corethron),海毛藻属(Thalassiothrix),海链藻属(Thalassiosira),以及脆杆藻属(Fragilaria)等,本文还记录了两种不同的底部生态群落:寡种和多种集群的生态类型,并对硅藻的富集和分布成因作了一些讨论.     

利用专题微波辐射成像仪(SSM/I)检测东南极陆面亮温变化

介绍了微波辐射测量面目标表面亮度温度的原理,分析了冰雪的微波辐射特性与亮温特征。利用专题微波成像仪 (SSM/I) 数据研究了 1988 年 1－8 月份东南极内陆冰雪表面亮温变化。首先根据 37 GHz 水平极化辐射亮温 175 oK 等温线推算南极大陆冰外缘线,然后利用 37 GHz 数据计算分析了东南极内陆 1988 年年内 1－8 月的地面亮温均变化。结果表明在东南极内陆的地面亮温年内月均变化不大;在东南极的边缘,其受大洋季候风变化影响发生很大的变化。     

南极阿蒙森海冰间湖的时空变化及其影响因素

本文利用由卫星微波辐射计数据反演获得的薄冰厚度和产冰速率数据,分析了南极阿蒙森海冰间湖(Amundsen Sea Polynya, ASP)在2003—2010年和2013—2020年期间的时空变化特征,结合大气再分析数据中的表面风速和气温数据,进一步探究了影响阿蒙森海冰间湖变化的因素。研究表明,阿蒙森海冰间湖位于斯维茨固定冰舌(Thwaites Fast-ice Tongue, TFT)以西的沿岸海域,大体呈现反L形,即在风的作用下,阿蒙森海冰间湖从TFT西侧向西发展,从多特森冰架(Dotson Ice Shelf, DIS)沿岸向北发展。此外,阿蒙森海冰间湖在南极冬半年的4—10月期间基本维持开放状态,但是其面积与产冰速率在相邻的两天常常发生大幅度变化,并且与其上空的风速之间具有良好的相关性。研究发现,东风分量通过调节冰间湖内部海冰的输运,主导了阿蒙森海冰间湖的面积变化;南风分量携带来自DIS沿岸陆地的冷空气加剧阿蒙森海冰间湖表面的热损失,是冰间湖产冰速率增加的决定因素。     

渤海冰-海洋耦合模式Ⅱ.个例试验

以渤海1998~1999和2000~2001年度冬季的海冰发展过程为例,采用实时气象数值预报场作为大气强迫,利用渤海冰海洋耦合模式模拟渤海整个冬季的海冰生消和演变以及渤海冰季冰气、冰水和气水界面的热收支.模拟结果显示大气和海洋的热力效应对渤海的海冰发展非常重要,特别在海冰的冻结和融化阶段,海洋热通量在热力耦合中起着重要作用.模拟还显示了冰覆盖内部区域和冰外缘线附近不同的热力特征,分析讨论了冰区内和冰边缘两个特征点冰厚分布、界面热量收支和海表水温等.     

南极普里兹湾达恩利角固定冰附近局地高密陆架水的来源

本文采用固定冰数据集和南极象海豹获取的现场观测数据集,分析了南极达恩利角固定冰附近局地高密陆架水的变化。结果表明：首先,达恩利角固定冰存在显著季节变化,对于达恩利角冰间湖及局地高密陆架水的生成都具有重要影响。其次,达恩利角固定冰在2000−2014年期间年际变化很小,无显著增减趋势。第三,达恩利角固定冰附近局地高密陆架水有两个显著来源：（1）3−4月,达恩利角固定冰快速生成时伴随着强烈的盐析作用,进而局地生成高密陆架水;（2）5月,达恩利角固定冰达到最大范围,局地盐析作用减弱至很小,而上游在冰架水抑制作用减弱后,麦肯基湾冰间湖海域的高密陆架水生成增强,能够向西北输运至达恩利角固定冰附近。本研究初步证明达恩利角固定冰除了维持达恩利角冰间湖存在的作用外,对局地高密陆架水生成也可能有重要影响,同时指出一条重要的水团输运路径,这有助于提高对达恩利角附近冰−海相互作用的理解,对该地区开展更多观测或模拟研究是必要的。     

暖池季节变化的数值模拟及其对海表热力和动力强迫的敏感性

对比3套不同来源的海表热通量和风应力资料在热带太平洋和印度洋区域的差异,然后把这些海表强迫场作为一个全球海洋环流模式(LICOM)的上边界条件,进行动力和热力强迫的敏感性试验.通过对比分析试验结果,评估了LICOM对印度洋和西太平洋暖池季节变化的模拟能力,探讨了印度洋和西太平洋暖池对动力和热力强迫的敏感性.首先,模式结果表明LICOM能较真实地模拟出印度洋和西太平洋暖池面积和强度的季节变化特征以及两海区暖池季节变化的差异,而且上层海洋垂向分层的加密能有效改善混合层深度季节变化的模拟.其次,模式中暖池的季节变化基本由海表净热通量和混合层深度的季节变化共同决定,但是试验结果中难以反映垂向挟卷和湍流混合对暖池区混合层深度的影响,可能原因是气候态月平均强迫场时间分辨率较粗,不能真实反映一些重要的天气尺度过程对混合层动力过程的影响,故有必要增加强迫场时间分辨率做进一步研究.最后,不同强迫场的敏感性试验对比分析结果表明,印度洋暖池对海表动力和热力强迫场的差异均较为敏感,而西太平洋暖池则只对海表热量强迫场的差异较为敏感,对动力强迫场的差异不敏感.     

晚更新世阿蒙森海生产力和冰筏输入的变化对表层海洋环境和西南极冰盖演化的指示

阿蒙森海是当前全球变暖背景下西南极冰盖消融的核心区域。本文分析了中国第34次南极考察采集自阿蒙森海的ANT34-A5-7岩芯中生产力和冰筏碎屑含量等指标,旨在重建研究区深海氧同位素MIS 6期以来表层海洋环境和西南极冰盖演化历史。研究结果显示,阿蒙森海生产力呈现间冰期高、冰期低的特征。在末次间冰期（MIS 5.5）具有比当前更高的生产力水平,同时伴随着西南极冰盖的严重消融。这个现象归因于MIS 5.5更暖的海表温度、更少的海冰覆盖,以及向南入侵的绕极深层水的上涌。该研究结果可对预测未来气候变化提供必要的理论依据。     

2011～2012年度大亚湾海域浮游植物群落的季节变化

于2011年12月至2012年11月采集了大亚湾海域9个站位表层水样, 对大亚湾海域的浮游植物群落结构进行了周年调查。本次调查共鉴定出浮游植物93种, 其中硅藻门40属55种, 甲藻14属33种。秋季浮游植物种类较为丰富, 春季和夏季较低。浮游植物细胞密度为41～396个/mL, 年平均值为72.5个/mL。浮游植物细胞密度夏季较高, 春季较低。硅藻是浮游植物优势类群, 年均占浮游植物总细胞密度的83.6%, 优势硅藻主要有拟菱形藻(Pseudo-nitzschia spp.)、丹麦细柱藻(Leptocylindrus danicus)、中肋骨条藻(Skeletonema costatum)等。甲藻细胞密度一般较低, 各季节甲藻的百分比含量为1.5%～32.6%, 春季血红哈卡藻(Akashiwo sanguinea)大量出现, 最大细胞密度高达82.3 个/mL。浮游植物种类多样性指数(H′)和均匀度(J)在冬季和秋季较高, 夏季较低; 远岸站点较高, 近岸站点较低。研究结果说明虽然大亚湾浮游植物群落结构仍以硅藻占据优势, 但甲藻种类与数量及百分比具有明显上升的趋势, 同时近岸海域的富营养化导致了浮游植物种类多样性的下降。     

夏季巴拉望岛西北部海域净热通量的时空变化特征和形成机理初析

利用OAFLUX气候态月平均热通量资料及TMI云量、降雨、SST和QuikScat风场资料,对南海、特别是巴拉望岛西北海域净热通量的时空特征进行了深入分析.研究发现,夏季在巴拉望岛西北海域存在一局域净热通量极小值区,在7月份该海域海洋甚至呈现失热达20 W/m2情况.分析认为该局地净热通量异常可能与南海暖水的发生、发展有关,即由于西南季风爆发,巴拉望岛西北海域对流加强,一方面,蒸发增大使得潜热增大、云量增多,导致入射太阳短波辐射的减少;另一方面,降水的增大使得该海域出现障碍层现象,障碍层导致的局地海温正反馈进一步增强了局地对流,从而加剧海洋失热过程,促成了巴拉望岛西北海域净热通量局地异常的出现.进一步的经验正交模态（EOF）分析表明,在季节变化尺度上,南海净热通量的第一模态（89.1%）呈同位相变化,反映了南海受冬、夏季风的交替驱动特征;其中南海北部（海南岛至台湾海峡南段的带状海域）为振幅最大区,这与该海域存在年平均最大风速有关;第二模态（10.0%）以吕宋岛至雷州半岛一线为界,南北两侧反相,并具有显著的局域特征;不仅反映了黑潮入侵与南海环流的季节变化,而且还发现巴拉望岛西北海域存在一局地极值域,对应夏季净热通量异常区.     

Modelling the annual cycle of landfast ice near Zhongshan Station,East Antarctica

A high resolution one-dimensional thermodynamic snow and ice(HIGHTSI) model was used to model the annual cycle of landfast ice mass and heat balance near Zhongshan Station, East Antarctica. The model was forced and initialized by meteorological and sea ice in situ observations from April 2015 to April 2016. HIGHTSI produced a reasonable snow and ice evolution in the validation experiments, with a negligible mean ice thickness bias of(0.003±0.06) m compared to in situ observations. To further examine the impact of different snow conditions on annual evolution of first-year ice(FYI), four sensitivity experiments with different precipitation schemes(0, half, normal, and double) were performed. The results showed that compared to the snow-free case,the insulation effect of snow cover decreased bottom freezing in the winter, leading to 15%–26% reduction of maximum ice thickness. Thick snow cover caused negative freeboard and flooding, and then snow ice formation,which contributed 12%–49% to the maximum ice thickness. In early summer, snow cover delayed the onset of ice melting for about one month, while the melting of snow cover led to the formation of superimposed ice,accounting for 5%–10% of the ice thickness. Internal ice melting was a significant contributor in summer whether snow cover existed or not, accounting for 35%–56% of the total summer ice loss. The multi-year ice(MYI)simulations suggested that when snow-covered ice persisted from FYI to the 10 th MYI, winter congelation ice percentage decreased from 80% to 44%(snow ice and superimposed ice increased), while the contribution of internal ice melting in the summer decreased from 45% to 5%(bottom ice melting dominated).     

夏季南极普里兹湾氮吸收受融冰调控

本研究将稳定同位素（¹⁵N）与放射性核素（²²⁶Ra）示踪相结合,探讨了2006年夏季南极普里兹湾融冰过程对氮吸收的调控作用。硝酸盐及铵盐的比吸收速率均与浓度呈正相关关系,表明底物浓度效应的存在。开阔洋区具有较高的f比值,而在埃默里冰架附近f比值低得多。f比值与冰融水份额之间存在负相关关系,暗示融冰过程在调控水体氮吸收方面起着重要作用。融冰改变了当地上层水体的层化条件,显著地影响南大洋的生物泵效率及对大气二氧化碳的吸收。本研究为南大洋上层水体碳、氮动力学的调控机制提供了新的认识,且有助于对历史记录的解读及对未来气候变化的预测。     

Distribution of dissolved organic carbon in and near the Prydz Bay, Antarctica

INTRODUCTIONDissolvedorganiccarbon (DOC)makesupthesecondlargestofthebioactivepoolsofcar bonintheocean ,secondtothelargestpoolofdissolvedinorganiccarbon .Theglobaldissolvedorganiccarbonpoolisestimatedtobe 6 85Gt,avaluecomparabletothemassofCO2 intheat mosphere (Hedges,1 992 ) .Thesizeofthereservoir,aswellasitsdynamics ,indicatesthatDOCplaysacentralroleintheoceancarboncycle .AsitrelatestogreenhousegasessuchasCO2 andassociatesclimatecycle ,oceanicDOCbiogeochemicalcycleshavebeenoneoftheh…     

基于温度链浮标获取南极普里兹湾积雪和固定冰厚度的研究

极地积雪和海冰厚度是气候变化的重要指标,也是船舶在冰区航行需要掌握的主要参数。2014和2015年在南极普里兹湾中山站附近布放了一种新式的温度链浮标,该浮标每天进行4次常规温度观测和1次加热升温观测,用于实时获取积雪和海冰剖面温度及厚度数据的研究。通过分析剖面温度曲线和升温曲线反映出的大气、积雪、海冰和海水4种介质的热传导特性差异,可利用人工识别的方法（人工经验法）获得大气/积雪、积雪/海冰和海冰/海水界面的位置。根据统计不同介质在升温响应和垂直温度梯度等方面的特性,找到合理阈值,可通过编写程序自动判断各界面的位置（自动程序法）。本文利用这两种方法来判断不同物质界面位置从而计算得到积雪和海冰厚度。与现场人工观测的海冰厚度相比,人工经验法的平均偏差和均方根偏差分别为2.1 cm和6.4 cm（2014年）以及4.3 cm和6.5 cm（2015年）,自动程序法的平均偏差和均方根偏差分别为-6.8 cm和6.4 cm（2014年）以及4.5 cm和 6.6 cm（2015年）;对于积雪,人工经验法与现场人工观测的平均偏差和均方根偏差分别为0.5 cm和 8.5 cm,而自动程序法的平均偏差和均方根偏差分别为4.7 cm和10.8 cm。自动程序法误差较人工经验法偏大,但考虑到整体冰厚和现场观测的误差,两种方法的结果均是可信的,精度是可以接受的。利用新式的温度链浮标实时获取南极普里兹湾积雪和海冰厚度是可行的。     

Annual cycle of fCO2 under sea-ice and in open water in Prydz Bay, East Antarctica

The annual cycle of dissolved nutrients and the fugacity of CO₂ (fCO₂), calculated from the concentration of dissolved inorganic carbon (DIC) and pH, was studied over a 14-month long period (December 1993 to February 1995) at a site in Prydz Bay near Davis Station, Vestfold Hills, East Antarctica. Significant spring decreases in fCO₂ began under the sea-ice in mid-October, when both water column and sea-ice algal activity resulted in the removal of nutrients and DIC and increased pH. Minimum fCO₂ (<100 μatm) and lowest nutrient and DIC concentrations occurred in December and January. The low summer fCO₂ values were clearly the result of biological activity. The seasonal depletion of dissolved nitrate reached 85% in mid-summer when chlorophyll-a concentrations exceeded 15 mg m⁻³. Oceanic uptake of carbon dioxide from the atmosphere, calculated from the fugacity difference and daily wind speeds, averaged more than 30 mmol m⁻² day⁻¹ during the summer ice-free period. This exchange replaced approximately half of the DIC consumed by biological activity. Apparent nutrient utilisation ratios (C/N/P) were close to Redfield values. In autumn fCO₂ began to rise, continuing slowly well into winter, and reaching a maximum close to modern atmospheric values between July and September. This increase can be attributed to a combination of local remineralisation of organic carbon in the water column and the steady increase in the mixing depth of the water column. At first glance, this suggests that air–sea equilibration occurred in winter despite the sea-ice cover, perhaps by horizontal circulation from regions outside the pack ice, or through openings in the ice. However, the persistent 15 to 20% undersaturation of dissolved oxygen throughout the winter suggests an alternate explanation. The late winter fCO₂ level may represent a characteristic established by global circulation, so that as a result of increasing atmospheric CO₂ concentrations, these Antarctic waters are in transition from being a winter-time source of CO₂ to the atmosphere to becoming a sink. Our fCO₂ observations emphasize the need to address seasonal variations in assessing Antarctic contributions to the oceanic control of atmospheric CO₂.     

南极普里兹湾邻近海域海冰生消发展特征分析

利用美国冰雪数据中心发布的2003—2008年高分辨率海冰密集度数据,分6个阶段对普里兹湾区域海冰季节性变化的空间分布特征进行了研究,并根据普里兹湾海区的地形和环流对这些特征的成因进行了分析。结果表明,普里兹湾海冰冻结过程和融化过程分别经历7个月和5个月,海冰融化速度最快月份是10月和11月,主要表现形式为海冰密集度的减少;海冰冻结速度4月和6月最快,海冰外缘线向北扩展。由于普里兹湾近岸达恩利角冰间湖、普里兹湾冰间湖和Barrier湾冰间湖的存在,海冰的融化呈现大洋区由北向南、近岸区由南向北的双向融化特征;而在普里兹湾口、弗拉姆浅滩和四女士浅滩均存在不易融化的冰舌,两者之间的低密集度海冰区,则对应于暖水侵入普里兹湾的通道。南极绕极流在流经凯尔盖朗海台中部时向北偏转,造成此处在盛冰期较其它经度的海冰外缘更靠北,可达57°S。南极辐散带的表层流场和上升暖流抑制海冰冻结和聚集,形成了低海冰密集度区域。     

南极普里兹湾1.5万年来气候演变的沉积记录

南极普里兹湾两沉积柱样代表了1.5万年来的沉积记录.其粒度特征、矿物成分、硅藻分布和地球化学等沉积特征表明,沉积记录对气候变化的反应十分敏感,尤其是发现14310aBP前后的Heinrich事件,据此将该区1.5万年来的古气候演化划分为8个阶段.     

南极普里兹湾外海沉降颗粒物通量、组成变化及其与罗斯海对比研究

在南极普里兹湾外开阔海域布放时间系列沉积物捕获器,研究沉降颗粒物中生源组分(生物硅、有机质、碳酸钙)通量、组成、来源及元素的摩尔比值的生物地球化学意义,结果表明Ⅲ-1+站在1000m处颗粒物总通量的变化为13.00~334.59mg/(d·m2),颗粒物中以生物硅为主,占总通量的80%以上;各组分通量呈现明显的季节性变化.结合罗斯海沉降颗粒物通量和元素的摩尔比值的对比研究表明,研究海域1000m深的沉降颗粒物中生物硅与有机碳元素摩尔比值、无机碳与有机碳的元素摩尔比值较高,表明研究海域生物硅与有机碳生物地球化学循环过程是非耦合的,生物活动有效地将CO₂由表层水中移出.     

An isotopic perspective on the correlation of surface ocean carbon dynamics and sea ice melting in Prydz Bay (Antarctica) during austral summer

The stable carbon isotope composition of particulate organic carbon (δ¹³C_POC) and naturally occurring long-lived radionuclide ²²⁶Ra (T_1/2=1600 a) were applied to study the variations of upper ocean (<100 m) carbon dynamics in response to sea ice melting in Prydz Bay, East Antarctica during austral summer 2006. Surface δ¹³C_POC values ranged from −27.4‰ to −19.0‰ and generally decreased from inner bay (south of 67°S) toward the Antarctic Divergence. Surface water ²²⁶Ra activity concentration ranged from 0.92 to 2.09 Bq/m³ (average 1.65±0.32 Bq/m³, n=20) and increased toward the Antarctic Divergence, probably reflecting the influence of ²²⁶Ra-depleted meltwater and upwelled ²²⁶Ra-replete deep water. The fraction of meltwater, f_i, was estimated from ²²⁶Ra activity concentration and salinity using a three-component (along with Antarctic Summer Surface Water, and Prydz Bay Deep Water) mixing model. Although the fraction of meltwater is relatively minor (1.6–11.9%, average 4.1±2.7%, n=20) for the surface waters (sampled at ~6 m), a positive correlation between surface δ¹³C_POC and f_i (δ¹³C_POC=0.94×f_i−28.44, n=20, r²=0.66, p<0.0001) was found, implying that sea ice melting may have contributed to elevated δ¹³C_POC values in the inner Prydz Bay compared to the open oceanic waters. This is the first time for a relationship between δ¹³C_POC and meltwater fraction to be reported in polar oceans to our knowledge. We propose that sea ice melting may have affected surface ocean δ¹³C_POC by enhancing water column stability and providing a more favorable light environment for phytoplankton photosynthesis, resulting in drawdown of seawater CO₂ availability, likely reducing the magnitude of isotope fractionation during biological carbon fixation. Our results highlight the linkage of ice melting and δ¹³C_POC, providing insights into understanding the carbon cycling in the highly productive Antarctic waters.