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…     

北极地区碳循环研究意义和展望

全球变暖引发了北极地区的快速变化。北极地区苔原冻土带退化、海冰面积退缩和厚度变薄将使北极生态系发生重要变化 ,因而引起碳的生物地球化学循环过程变异。为精确评估北极地区对人为大气CO2 的吸收通量 ,围绕北极苔原、边缘海和极区海域的碳循环研究引起了重视。调查表明 ,北冰洋和亚北冰洋海冰区是海洋吸收大气CO2 的重要汇区 ,北冰洋具有吸收大气CO2 约 1×GtC/a的能力 ,北冰洋夏季冰缘区的长光照和高生产力促进了对大气CO2 的吸收能力 ,北冰洋深水环流和通风作用也有利于表层碳向深水转移。最近有些调查表明 ,如温度继续升高 ,北极苔原有可能从碳汇转变成大气碳源。国际上正加强北极地区碳循环研究的规划和计划 ,企图通过改进现场调查观测手段以及研究方法 ,来定量研究和模式预测变化中北极地区的碳汇潜力及其对地球气候的影响。     

前言

<正>南北极是地球系统中的重要组成部分,是全球气候变化最显著、响应最敏感的区域,也是研究地球气候系统的关键区域,对过去全球气候变化起着极其重要的作用和影响。自从1999年中国首次北极科学考察以来,国家海洋局极地考察办公室组织并实施了五次北极科学考察;尤其值得一提的是,2012年中国第五次北极科学考察期间,"雪龙"号首次穿越北冰洋,到达北大西洋极区的格陵兰海和挪威海,并访问了冰岛。在中国首次至第五次北极科学考察期间,"雪龙"号分别在亚北极的白令海和鄂霍茨克海、北冰洋、格陵兰海、挪威海以及冰岛周边海域进行了海洋地质调查,共获得了199个站位的箱式样,61个站位的多管     

北极海冰消融情景下环北极国家利益争端的动态博弈建模技术

以气温升高为主要特征的全球气候变化,致使北极海冰持续融化,北极地区丰富的资源、便捷的航行通道、重要的战略地位以及军事价值逐渐凸显出来。北冰洋沿岸的美国、俄罗斯、加拿大、丹麦和挪威等国家纷纷加入到北极利益争夺的行列中。为模拟和评估环北极国家在利益追逐中的合作与冲突行为的演化,基于博弈论思想,构建了环北极五国博弈的动态争端模型,提出了物质收益、惩罚损失和名誉收益等三个机制,综合考虑了气候变化、物质收益、国家关系与国家威望、国际法律法规等因素对环北极五国行为的综合影响。针对当前环北极各国在北极问题上的合作与争端开展了动态博弈建模,并对北极海冰完全消融情景时环北极各国在多种不同合作模式下的争端情况进行了模拟预估与实验仿真。     

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。     

加拿大北极群岛区域海洋环流及水文特征变化及其影响因素研究进展

作为北冰洋淡水输出的重要通道,加拿大北极群岛的海洋环流及水文特征变化会对其下游及北大西洋地区的海洋环境、生态系统等产生深远影响。此外,加拿大北极群岛内的西北航道海况变化也会对未来北极通航规划与安全保障起到关键作用。然而,由于地理特征的复杂性和气候条件的限制,目前对于加拿大北极群岛海洋环流和水文变化的认识还存在明显不足。本文梳理了目前国内外有关加拿大北极群岛海水体积通量、淡水通量、热通量、温盐结构和环流特征等主要方面的相关研究,分析并总结了影响这些变化的主要因素和控制机理,包括海表面高度、风应力、大气压力和密度分布等因素,并在前人研究的基础上对未来需要关注的重点研究问题予以展望。     

白令海峡区域太平洋入流水主要特征及其影响因素研究进展

作为北极海洋要素的重要来源之一,白令海峡区域的太平洋入流水在北冰洋表层海洋环流和物质能量输运过程中发挥着重要作用,对区域乃至全球气候和生态系统产生深远影响,然而现今的研究对太平洋入流水出现的新变化以及其如何参与北冰洋的海洋–大气过程了解得还不够深入。本文梳理了目前国内外有关太平洋入流水流量、环流与水团等主要特征的相关研究进展,总结了太平洋入流水的流量变化和驱动机制、环流路径和影响因素,以及与太平洋水有关的水团特征,并在前人研究的基础上对未来的研究方向予以展望。     

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     

国际北冰洋地质、地球物理大洋科考进展

受常年海冰限制, 北冰洋科学考察程度远低于其他大洋。系统的北冰洋科学调查始于20世纪90年代, 得益于科考破冰船、潜艇等新型调查设备和手段的使用, 科研人员可以主动选择研究目标和对象, 并成功开展了多次地质与地球物理科学考察, 包括海冰科学探索项目(SCICEX)、北极洋中脊考察航次(AMORE 2001)、加科尔洋中脊热液硫化物考察(AGAVE)、北极钻探航次(IODP 302)等。回顾了北冰洋地质与地球物理科学考察进展, 归纳了主要科学问题: 北冰洋主要地质单元大地构造属性及演化、超慢速扩张洋中脊构造与成矿特征、北冰洋新生代古海洋演化。北冰洋地质与地球物理科学考察进展表明: (1)调查手段是制约北冰洋科考水平的关键因素; (2)破冰船与常规探测手段结合是北冰洋科考的重要发展趋势; (3)近底探测手段有助于解决北冰洋主要地质科学问题。     

北冰洋地质与地球物理科学考察进展

受常年海冰限制,北冰洋科学考察程度远低于其他大洋。系统的北冰洋科学调查始于20世纪90年代,得益于科考破冰船、潜艇等新型调查设备和手段的使用,科研人员可以主动选择研究目标和对象,并成功开展了多次地质与地球物理科学考察,包括海冰科学探索项目(SCICEX)、北极洋中脊考察航次(AMORE2001)、加科尔洋中脊热液硫化物考察(AGAVE)、北极钻探航次(IODP 302)等。回顾了北冰洋地质与地球物理科学考察进展,归纳了主要科学问题:北冰洋主要地质单元大地构造属性及演化、超慢速扩张洋中脊构造与成矿特征、北冰洋新生代古海洋演化。北冰洋地质与地球物理科学考察进展表明:(1)调查手段是制约北冰洋科考水平的关键因素;(2)破冰船与常规探测手段结合是北冰洋科考的重要发展趋势;(3)近底探测手段有助于解决北冰洋主要地质科学问题。     

太平洋入流及其与北冰洋异常变化的联系

太平洋水通过白令海峡进入北冰洋 ,对北冰洋的海冰、水团和环流产生重要影响。在过去的十几年中 ,北冰洋的海冰和海洋系统发生了前所未有的异常变化 ;与此同时 ,白令海峡太平洋入流水的流量和性质发生了改变 ,太平洋水在北冰洋中的运移路径和影响范围也有所不同 ,这些变化之间的关系有待于进一步的研究。本文综述了有关的研究进展 ,探讨了北冰洋异常变化与太平洋入流变化之间的可能联系。     

Assessing algal biomass and bio-optical distributions in perennially ice-covered polar ocean ecosystems

Under-ice observations of algal biomass and seasonality are critical for understanding better how climate-driven changes affect polar ocean ecosystems. However, seasonal and interannual variability in algal biomass has been studied sparsely in perennially ice-covered polar ocean regions. To address this gap in polar ocean observing, bio-optical sensors for measuring chlorophyll fluorescence, optical scattering, dissolved organic matter fluorescence, and incident solar radiation were integrated into Ice-Tethered Profilers (ITPs). Eight such systems have been deployed in the Arctic Ocean, with five profilers completing their deployments to date including two that observed an entire annual cycle in the central Arctic Ocean and Beaufort Sea respectively. These time series revealed basic seasonal differences in the vertical distributions of algal biomass and related bio-optical properties in these two regions of the Arctic Ocean. Because they conduct profiles on daily or sub-daily scales, ITP bio-optical data allow more accurate assessments of the timing of changes in under-ice algal biomass such as the onset of the growing season in the water column, the subsequent export of particulate organic matter at the end, and the frequency of intermittent perturbations, which in the central Arctic Ocean were observed to have time scales of between one and two weeks.     

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.     

Circulation in the Arctic Ocean

Much information on processes and circulation within the Arctic Ocean has emerged from measurements made on icebreaker expeditions during the past decade. This article offers a perspective based on these measurements, summarizing new ideas regarding how water masses are formed and how they circulate. Best understood at present is the circulation of the Atlantic Layer and mid-depth waters, to depths of about 1700 m, which move in cyclonic gyres in the four major basins of the Arctic Ocean. New ideas on halocline formation and circulation are directly relevant to concerns regarding changes in ice thickness. The circulation of the halocline water in part mimics that of the underlying Atlantic Layer. A number of large eddies contributing to water mass transport have been observed. The circulation of freshwater from the Pacific Ocean and from river runoff has been better delineated. Circulation within the surface layer resembles the circulation of ice, but is different in several respects. Least understood is the circulation of the deepest waters, though some information is available. Recent observed changes in the surface waters and warm Atlantic Layer have been correlated with the North Atlantic Oscillation. While these changes are dramatic, the qualitative circulation pattern may not have been altered significantly.     

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。     

北冰洋浮冰和开阔海面上的能量平衡特征

利用中国首次北极考察队于 1 999年 8月 1 9日～ 2 4日在北冰洋浮冰区获得的大气近地层垂直廓线和辐射等资料 ,依据相似理论方法 ,对比分析了北冰洋无冰海面和冰面上热平衡参数的变化特征。结果表明 ,海面与大气和冰面与大气之间相互作用的边界层物理过程差异十分明显。冰面吸收的净辐射仅为海面的 6%左右 ,主要消耗于感热输送和冰面融化过程 ,不足部分由水汽在冰面上凝结释放的潜热和冰中的热通量来补充。海面吸收的净辐射主要消耗于潜热输送过程 ,占净辐射的 50 % ,其余热量传向水体深层和用于感热输送 ,分别占净辐射的 2 6%和 2 4 %。由此可见 ,在北冰洋夏季 ,无冰海面有大量的水汽向大气输送 ,这对研究北冰洋地区大气边界层的季节变化过程是至关重要的     

Holocene lake sediment records of Arctic hydrology

Although paleoclimatic research in the Arctic has most often focused on variations in temperature, the Arctic has also experienced changes in hydrologic balance. Changes in Arctic precipitation and evaporation rates affects soils, permafrost, lakes, wetlands, rivers, ice and vegetation. Changes in Arctic soils, permafrost, runoff, and vegetation can influence global climate by changing atmospheric methane and carbon dioxide concentrations, thermohaline circulation, and high latitude albedo. Documenting past variations in Arctic hydrological conditions is important for understanding Arctic climate and the potential response and role of the Arctic in regards to future climate change. Methods for reconstructing past changes in Arctic hydrology from the stratigraphic, isotopic, geochemical and fossil records of lake sediments are being developed, refined and applied in a number of regions. These records suggest that hydrological variations in the Arctic have been regionally asynchronous, reflecting the impacts of different forcing factors including orbitally controlled insolation changes, changes in geography related to coastal emergence, ocean currents, sea ice extent, and atmospheric circulation. Despite considerable progress, much work remains to be done on the development of paleohydrological proxies and their application to the Arctic.     

夏季北冰洋楚科奇海微微型、微型浮游植物和细菌的丰度分布特征及其与水团的关系

本文利用2008年我国第三次北极科学考察的机会,分析了夏季楚科奇海微微型、微型浮游植物和细菌丰度的分布特征,并探讨了它们与楚科奇海水团之间的关系。结果表明：与北冰洋的其它海域相比,楚科奇海的微型浮游植物丰度相对较高（0.03~10.23×103 cells/mL）,微微型浮游植物则大致相同（0.01~2.21×103 cells/mL）,而浮游细菌丰度明显较高（0.21~9.61×106 cells/mL）。白令海陆架水与海冰融化混合水和阿纳德尔水浮游植物群落结构不同,夏季随着太平洋水入流水对楚科奇海的日益影响,其水体本身的群落结构可能被外来群落替代。     

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