夏季北冰洋浮冰-水道热力学特征现场观测研究

中国第3次北极科学考察期间首次开展了浮冰-水道热力平衡的现场观测。观测结果表明,观测期间气温低于0°C,调查区域正从消融期向生长期过渡,至8月23日水道逐渐封冻。之后表面薄冰的反照率为0.46(±0.03),水道内水温垂向梯度逐渐减小,水道内和冰底的水温逐渐下降。至8月底,浮冰底部的生消达到平衡;侧部仍处于融冰期,对应的平均融解潜热通量为19(±6) W/m2;对观测区的海冰而言,至8月下旬,相对于底部和表面的生消,侧部融化对其物质平衡贡献较大。     

温度不断升高 北极持续变化——北冰洋到2030年夏季可能无海冰

北极海冰夏季每10年减少11．5％ 观看介绍海冰一年当中增加和减小的电影,有点像看肺部吸气和呼气一样。在秋季和冬季的几个月中,北极海冰稳步扩展,直至达到最大范围;一般在3月,海冰从某个地方开始减少,通常在9月减到最小。     

2010年夏季北极海冰反照率的观测研究

雪和海冰作为北极地区反照率最高的地表类型,可以将大部分入射辐射能量反射回天空,其表面反照率的变化对整个地表-大气辐射平衡系统和全球气候变化都会有重要影响。在2010年中国第4次北极科学考察期间用ASD光谱仪对北极太平洋扇区不同类型的海冰表面反照率进行了现场测量,观测时段为7月27日至8月23日,地理范围在72°18′-87°20′N和152°34′-178°22′W之间。观测结果表明积雪覆盖海冰的反照率最高,干雪覆盖时均值达到0.82,融化的湿雪覆盖时反照率会有一定程度地降低。夏季北极地区存在大量融池,融池海冰按颜色划分为白冰,蓝冰和灰冰,白冰的平均反照率为0.54,蓝冰的为0.31,灰冰的只有0.20,融池水的反照率只有0.16。融池是北极夏季反照率变化的重要原因。     

夏季南大洋南极大磷虾种群分布、结构及生长研究

利用2007/2008年和2008/2009年南极夏季高速采集器和IKMT网走航采样样品,结合同步环境调查资料,研究了南极大磷虾(Euphausia superba)的水平分布、生长状况及种群结构。结果表明,南极大磷虾在威德尔海域丰度高于普里兹湾海域,两个海域的磷虾丰度都低于历史同期。从两个年度南极考察的整个调查海区来看,南极大磷虾处于正常生长状态,但也存在个别生长状况较差站位,推测与海冰回退时间较晚或叶绿素浓度较低有关。利用高速采集器采集的大磷虾样品,在海冰边缘区域站位,未成体磷虾占有很大比例;而在海冰已经消退较长时间的海域,成体磷虾占比例较大,这反映了大磷虾未成体与成体不同的分布特征。南极大磷虾在不同海域种群结构存在一定的差异,对种群补充产生一定的影响。     

中国2003年北极海冰调查及未来北极海冰研究战略

以建立气候模式中的海冰模式为主线 ,首先回顾了国际上海冰模式发展现状和趋势 ,从现有模式机理上存在的问题说明认识海冰各物理过程的现场和实验室调查研究的关键科学问题。之后介绍了中国第二次北极科学考察中的海冰调查内容。最后结合国内调查研究能力和国际上海冰科学发展走向 ,根据国内外资料和极地海冰的客观现象 ,提出 6项战略 ,希望作为以后中国北极海冰理论和模式为背景的现场和实验室研究的方向。     

北极海冰细菌产胞外酶及主要环境因子的初步研究

覆盖在北极海洋上的广阔海冰为其内部生存的微生物群落提供了一个独特的生境。研究表明 ,大量海冰细菌能够分泌产生胞外酶 ,其中产蛋白或脂质水解酶细菌的比例远高于产多糖水解酶的细菌。温度、盐度是直接影响海冰细菌生存与活力的 2个主要环境因子。 76%的产酪蛋白酶海冰细菌为低温菌 ,菌株只能在 <35°C条件下生长 ;而 98%的酪蛋白酶最适作用温度≥ 35°C ,其中 62 %的酶最适作用温度≥ 45°C。几乎所有的产酪蛋白酶海冰细菌都耐盐或嗜盐     

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。     

白令海夏季水文结构年际变化特征研究

基于2008、2010、2012和2014年我国北极科学考察期间在白令海获取的水文观测数据,结合历史共享资料,通过对白令海水团、上层海洋热含量、净热通量变化、风场及海平面气压分布情况等的分析,探讨了白令海水文结构的年际变化特征及其原因。研究发现,白令海夏季的水团包括白令海上层水团(BUW)、中层水团(BIW)、深层水团(BDW)和白令海陆架水团(BSW)。白令海温盐分布差异最大、年际变化最剧烈的情况主要集中在上层水团。对比4年水团分布情况,最明显的变化是2012年7月调查区上层海水温度偏低,2014年7月上层海水温度偏高。这种异常变化在热含量方面表现为:2012年7月调查区各个测站上的热含量异常低,而2014年7月测站上的热含量都高于平均水平。着重研究了2014年7月海温偏高的原因,认为是由于陆架和海盆区分别有两种不同的形成机制造成:陆架区累积净热通量偏高,海水吸收热量升温;海盆区在异常强大而持久的海面气压(SLP)高压系统下,海面负的风应力旋度得到加强,从而引起持续的暖平流输送及强烈的Ekman抽吸作用,最终导致了上层海水偏暖。     

2011年夏季北极王湾细菌群落结构分析及浮游细菌丰度检测

采用PCR-DGGE方法,对2011年夏季北极王湾表层海水及沉积物细菌的群落分析结果表明,沉积物中的细菌多样性指数高于海水。深水站位(S1和S3)的沉积物细菌群落不但与浮游细菌群落存在差异,并且与浅水站位(S5)也存在差异。位于湾口、湾内的浮游细菌群落组成也存在一定差异。测序结果显示,王湾海洋细菌的多样性组成包括α-变形细菌、γ-变形细菌、δ-变形细菌、放线菌、拟杆菌及厚壁菌等类群。基于定量PCR方法的检测结果表明,位于湾口、湾内的浮游细菌丰度相似,但湾内玫瑰杆菌支系的丰度明显低于湾口。研究结果表明,与湾口相比,王湾湾内的细菌群落受陆源性淡水输入的影响明显,不但表现在细菌群落的多样性组成上,也表现在某些特定细菌类群的数量分布上。     

淮河中上游浮游植物时空分布特征及关键环境影响因子识别

浮游植物是水生态系统的初级生产者,直接影响着水生态系统的结构、功能与稳定性。基于2012-2014年淮河流域沙颍河—淮干中游浮游植物和水质4次汛期和非汛期采集数据,利用物种优势度和多样性指数对浮游植物的时空分布进行表征,并利用冗余度分析、偏相关性分析等方法探索了淮河中上游流域的多种水环境因子对浮游植物时空分布的影响。结果表明,从时间变化上看,2012-2014年浮游植物密度呈现逐年递减趋势;从空间变化上看,物种丰度呈现从上游至下游逐渐减少趋势。从时空变化的影响因素上看,非汛期总磷和电导率影响最大,其解释度分别为：10.96%和8.36%;汛期总磷、总氮和氨氮影响最大,其解释度分别为9.47%、8.08%和6.96%。     

北冰洋中心区表层海水营养盐水平及浮游植物群落对快速融冰的响应

本文依托2010夏季中国第四次北极科学考察,通过对高纬度极地冰下水和冰芯的营养盐的连续观测及表层水颗粒物的藻类色素分析,获取了夏季快速融冰下冰水界面营养盐和光合色素的分布信息。结果表明调查期间表层水磷酸盐和硅酸盐相对于无机氮更丰富（依据Redfield比值）,表现为显著的氮限制。而冰芯无机氮浓度相对更高,融冰释放对水体无机氮有一定的补充。色素分析显示岩藻黄素（Fuco）和叶绿素a（Chl a）是水体颗粒物的主要光合色素。在8/15至8/18期间,叶绿素c（Chl c）、硅藻黄素（Diato）、硅甲藻黄素（Diadino）和岩藻黄素（Fuco）分别达到6,22,73和922μg/m3,体现了硅藻在群落中的优势地位。岩藻黄素（Fuco）的浓度在融冰快速期间有巨大的提升,主要来源于冰芯底部释放的衰老的冰生硅藻和浮游硅藻的生长。此外,青绿黄素（Prasino）和叶黄素（Lut）与岩藻黄素（Fuco）分布模式有明显的差异,暗示青绿藻和绿藻与硅藻对海冰融化的不同响应。     

北冰洋海冰和海水变异对海洋生态系统的潜在影响

最近30年来,北冰洋海冰和海水发生了急剧变化:海冰覆盖面积减少、冰层变薄、水温升高、淡水输入增加、污染加剧,正威胁着现有与海冰关系密切的生态系统。预期随着变化的持续,与海冰相关的食物链将在部分海域消失并被较低纬度的海洋物种所取代、总初级生产力有望增加并为人类带来更多的渔获量、而北极熊和海象等以海冰作为栖息和捕食场所的大型哺乳动物的生存前景堪忧。今后人类将更为重视对北冰洋生态环境变化规律的认识并加以运用、关注北冰洋特有物种的命运并加以力所能及的保护、评估北冰洋生态系统的变化对人类社会经济的影响以期及早采取应对措施。数据积累是目前制约北极研究的最大障碍,但随着 SEARCH 等大型国际研究计划的实施,对北冰洋生态系统的监测和研究将更为系统和全面。     

2010年夏季北极海冰数值预报试验

为保障我国第四次北极科学考察的顺利开展,于2010年6～8月开展了北极海冰预报预测服务。预报试验基于MITgcm （麻省理工学院通用环流模式）,以NCEP GFS（美国国家环境预测中心全球预报系统）资料为大气强迫,初始化分别使用美国冰雪中心SSM/I（专用微波成像仪）或德国不莱梅大学AMSR-E（地球观测系统先进微波扫描辐射计）北极海冰密集度卫星资料。对2010年6～8月预报结果的初步评估表明,预报结果同卫星观测资料比较一致。在发生快速海冰变化的太平洋扇区,预报结果优于惯性预报,表明模式具有较好的局地海冰数值预报能力。     

北冰洋浮冰站大气边界层结构的观测研究

利用2003年8月23日-9月3日我国第二次北极科学考察队在北冰洋浮冰站探测的50次大气廓线及相关资料,对北冰洋的大气边界层垂直结构进行了研究。结果显示,观测期间北冰洋(78°N附近,143°-148°W)浮冰区白天的对流边界层高度大于夜间的稳定边界层高度。大气边界层可分为稳定型、不稳定型和多层结构等几种类型。个例分析表明来自高空较强的暖湿气流与冰面近地层冷空气强烈相互作用,会形成强风切变和逆温、逆湿过程,有时100m高度内的风切变达10m/s,逆温达8℃。此种过程会导致北冰洋高纬度地区的大块海冰破裂,形成新的无冰海域,加强了海/冰/气的相互作用。该观测事实将有助于进一步提高对北冰洋高纬度边界层特征及其影响的认识。     

北冰洋78°N冰站近地层参数的观测研究

利用2003年8月22日-9月3日中国北极科学考察队在北冰洋78°N浮冰站获得的近地层观测资料,采用整体输送法对北冰洋浮冰近地层特征参数进行了分析研究。结果表明,在考察期间,雪面吸收的净辐射仅为3.6 W/m2,其中以感热和潜热向大气输送的能量分别占52%和31%,向海冰深层传导的热量很少;近中性层结条件下的平均拖曳系数Cdn为1.16×10-3,略小于75°N北冰洋浮冰上近中性层结的Cdn。与1999年75°N附近冰站观测结果的对比表明,当海冰密度及冰站所在浮冰的尺度不同时,海冰与大气相互作用的热力学和动力学过程的差异显著,在研究北冰洋地区海/冰/气相互作用对气候过程影响时,应考虑这一问题。     

北冰洋浮冰区的气象要素特征

利用中国首次北极科学考察队观测的气象资料 ,初步分析研究了 1 999年 8月 1 9～ 2 4日北冰洋浮冰 ( 75°N,1 60°W)上的温、压、湿、风、云量、辐射、海表温度、冰面及冰中温度等气象要素变化特征 ,并结合 50 0 h Pa高度场分析了该期间的天气过程。结果表明 :在考察期间海面与冰面温度日变化差异明显。除晴天夜间出现逆温外 ,气温随高度增大而减小 ,冰面为热源 ,不断有向上的热量输送。海温则稳定少变。冰中热交换主要发生在冰下 0～ 40 cm深度。由于有海上湿平流等影响 ,存在“逆湿”现象。晴天反射率具有明显日变化 ,早晚大 ,中午小。海冰表面平均反射率约为 0 .76。辐射与云量特别是低云量的关系密切     

北半球夏季中高纬度大气阻塞对北极海冰变化的影响

利用NCEP/NCAR再分析逐日500 h Pa高度场资料,对北半球夏季中高纬度大气阻塞特征进行统计分析,发现大气阻塞活动频率高的地区主要集中在白令海峡区域、鄂霍次克海区域、欧亚大陆区域及格陵兰区域。而通过NSIDC提供的卫星观测资料发现近30年夏季海冰容易减少的区域正好对应阻塞活动北部的高纬度地区。分别通过对以上4个区域有阻塞发生相对没有阻塞发生时的500 h Pa位势高度场、地面温度场、850 h Pa经向瞬变热通量输送和平流输送等异常变化场进行对比分析,结果发现夏季中高纬度阻塞频率的增加对海冰的减少有显著影响,主要体现在阻塞的发生发展可通过增加高纬度地面温度、对极地的热量输送和暖平流输送来加快海冰的融化。这种阻塞引起的热力作用在鄂霍次克海和欧亚大陆区域效果更为显著。     

楚科奇海浮冰区夏季短期颗粒有机物通量及其主要组分

中国首次北极科学考察期间 ,于 8月 2 0- 2 3日在楚科奇海浮冰区联合冰站实施了为期 4天的短期颗粒有机物通量研究。结果显示真光层的颗粒有机碳通量为 1 .582mgCm- 2 day- 1 ,2 2 0m深层为 1 .339mgCm- 2 day- 1 ,而相应的沉降颗粒物总通量分别高达 8.788和 1 0 .30 3mgm- 2 day- 1 。显示北极浮冰区的夏季融冰季节后期 ,颗粒有机碳通量的水平较低。与颗粒有机碳通量水平相似 ,生源硅和活性磷的通量水平也较低。对硅藻通量组份的分析表明 ,真光层沉降硅藻的优势种为Nitzschiacf.seriata、Naviculaglacialis和Melosirasp .,而 2 2 0m层则Lepto cylindrussp .占绝对优势 ,其丰度数量百分比均超过 70 %。硅藻碳通量的绝对值较低 ,为0 .1 0 7- 0 .1 1 3mgCm- 2 day- 1 。然而 ,真光层大型桡足类的碳估算值高达 1 0 8.67mgCm- 2day- 1 ,占浮游动物总碳量的 95 .3 % ,大型浮游动物的表观碳通量高于浮游植物碳通量 2- 3个数量级 ,显示楚科奇海夏季融冰期高浮游动物碳量、低浮游植物碳量的特点。但浮游动物表观碳量高的主要原因与浮游动物的昼夜垂直运动有关 ,却并非是实际向深层海洋传输的碳量