北冰洋夏季开阔洋面和浮冰近地层热量平衡参数的观测估算

利用中国北极科学考察队在北冰洋浮冰站和“雪龙号”考察船获得的大气边界层观测资料, 采用涡旋相关法和廓线法对1999年8月19~24日北冰洋浮冰和开阔水面近地层的热量平衡参数进行了估算. 结果表明, 冰面的净辐射仅为开阔海面的8%, 主要消耗于感热输送和融化, 冰面损失的热量超过了吸收的净辐射, 并由冰的深层热传导来补偿, 潜热通量对冰面热平衡的贡献较小. 开阔海面吸收的净辐射主要以潜热和感热向大气输送, 分别占52%和25%, 剩余部分向深层水体传导. 观测事实说明北冰洋夏季开阔海面/大气和冰面/大气之间的热量交换过程有显著差异, 开阔洋面有大量的水汽向大气输送, 这对研究北冰洋地区海/冰/气相互作用对气候过程的影响是十分重要的.     

北冰洋中心区夏季大气边界层结构特征及其与海冰范围变化的关系

利用中国第4~6次北极考察获得的北冰洋中心区(80°~88°N))GPS探空资料和NCEP再分析资料,分析了大气垂直结构、边界层参数的变化特征及其与海冰和温度变化的关系.结果表明,2010、2012和2014年夏季北冰洋中心区的对流层顶、边界层高度、逆温强度及风速和风向的垂直结构均存在明显差异.通过分析1979~2014年9月温度与海冰范围变化的关系,解释了其差异的原因.2012年9月北极海冰范围最小,减少了44%,具有明显的增温过程.2010年和2014海冰分别减少了22.6%和17%,出现的是降温过程.对比2种过程反映出海冰变化对大气边界层结构有重要影响.近30年北冰洋中心区(80°~90°N)1000和850hPa的温度变化呈显著的升温趋势,并与海冰范围呈显著的负相关.表明北极海冰的持续减少,会使地表至对流层中层持续增温.     

北冰洋、白令海226Ra的分布及其水文学意义

中国首次北极科学考察期间(1999年7～9月),于北冰洋、白令海分别采集了13份和20份大体积水样,用于226Ra的分析.结果表明,北冰洋、白令海表层海水中226Ra含量分别介于0.28～1.56和0.25～1.26 Bq/m3之间,平均含量分别为0.76和0.71Bq/m3,明显低于其他中低纬度开阔大洋表层水的数值,说明部分研究海域受海冰融化水的影响.白令海表层水226Ra的空间分布呈现由南向北降低的趋势,体现出低226Ra海冰融化水与高226Ra太平洋水的混合交换.北冰洋表层水中226Ra的空间分布呈现由南向北、由西向东增加之态势,与水团组成中河水份额的变化趋势相一致.这与河水具有高226Ra的特征相吻合.北冰洋加拿大海盆226Ra的垂直分布显示,"上跃层水"所处的200 m深度存在226Ra的极大值,鉴于高226Ra特征主要出现在太平洋水或与沉积物交换的水体中,说明该极大值主要来自太平洋水或底部陆架水的输入,与2H和18O示踪剂获得的结果相吻合.     

加拿大海盆上、下跃层水形成机制的同位素示踪

中国首次北极科学考察期间(1999年8月9日至8月21日), 于加拿大海盆3个站位获得S, T, 营养盐(NO₃^-, PO₄^3-, SiO₃^2-), 溶解氧, ²H, ¹⁸O等水文、地球化学与同位素数据. 结果表明, 在33.1等盐线附近 (150 m)存在营养盐, NO, PO^*极大值, 而300 m层存在NO, PO^*极小值, 分别呈现出上跃层水与下跃层水的特征. 采用S-δ¹⁸O-PO^*, S-δD-SiO₃^2-两个示踪体系确定了研究站位各层水样中大西洋水、太平洋水、海冰融化水和河水所占的份额. 2个示踪体系的计算结果均表明, 上跃层水对应深度存在太平洋水份额的极大值, 而下跃层水具有高份额的大西洋水. 结合NO/PO比值的变化, 说明上跃层水的形成缘于太平洋水通过白令海峡的输入. 该水体于楚克奇、东西伯利亚陆架区发生变性, 获得高盐、高营养盐特征, 经水平平流进入加拿大海盆. 下跃层水为通过巴伦支海进入的大西洋水于陆架区发生变性, 产生低营养盐、高溶解氧特征的水体, 经水平平流输送进入加拿大海盆产生NO, PO^*的极小值. 河水份额的垂直分布显示, 其含量随深度增加逐渐降低, 至300 m以深已观察不到河水的存在. 研究海域河水积分储量明显高于北冰洋其他海盆, 证实加拿大海盆是北冰洋河水的主要储存区. 除表层水外, 研究海域均为净海冰生成区, 且往北推移, 净海冰生成总量逐渐增加.     

东太湖水温变化与水-沉积物界面热通量初探

水温对沉水植被的生长和分布具有重要作用,水-沉积物界面热通量对浅水湖泊水温变化的影响值得关注.东太湖是我国东部典型的草型浅水湖区,采用自2013年11月至2015年10月对东太湖湖心进行的不同深度水体及沉积物温度高频观测数据,结合东太湖表层沉积物的热力学性质计算了水-沉积物界面热通量,分析了东太湖水温和水-沉积物界面热通量的变化特征并探讨了其影响因素.结果表明：东太湖各深度水体日升温过程随水深增加后延,升温过程夏季延长,冬季缩短;表层水温日变幅最大,底层水温日变幅次之,沉积物温度日变幅最小,各深度温度日变幅夏季最小、冬季最大;春季和夏季升温过程中各深度日均温变化沿水深存在约1天的延迟,秋季和冬季无此现象;2015年与2014年东太湖温度变化趋势相同,同比月均温差与气温差呈线性相关.沉积物8：00-19：00向水体放热增加或从水体吸热减少,19：00至次日8：00放热减少或吸热增加;3-9月从水体吸热,为热汇,10月至次年2月向水体放热,为热源,沉积物全年为湖泊热源;逐日水-沉积物界面热通量每月6至15日存在相对年变幅较小幅度的正弦式波动.水温和水-沉积物界面热通量的变化主要受太阳辐射和气温的影响,二者对气象参数的响应具有迟滞现象;水-沉积物界面热通量与水温呈负相关,其变化相对水温迟滞,水-沉积物界面热交换的主要作用为缓冲湖泊水体的热量变化;夏季,沉水植物能降低湖泊各层水温和垂向水温差.     

德雷克海峡的打开对海洋环流的影响——基于一个箱式模型的研究

本文研究了德雷克海峡的打开对海洋环流的影响.德雷克海峡未打开时,南半球中高纬度之间风应力旋度产生的流涡促进了中高纬度之间的热量交换;德雷克海峡打开后,南极绕极流(ACC)形成,绕极流区的强锋面阻隔了南半球低纬度向高纬度的热量传输.基于以上认识,本文利用一个箱式模型分析了德雷克海峡闭合时的风应力和打开时的海洋温度锋面分别对南极底层水(AABW)和北大西洋深层水(NADW)形成的影响.实验发现:(1)德雷克海峡闭合时,风应力产生的流涡强度增大,可导致AABW形成减少、NADW形成增多;南半球高纬度增温,整个大洋底层水的温度也同时升高.(2)德雷克海峡打开时,只有温度梯度达到一定强度才会有AABW形成,并导致南半球高纬度地区和大洋大部分底层水变冷;而当锋面强度小于临界值(本模式中为4.03℃)时,没有AABW形成,海盆中大部分区域的海温都偏高.模式实验结果表明,德雷克海峡打开的过程中,风应力的改变与海洋温度锋面的形成影响了AABW和NADW的形成,从而改变了大洋经向翻转环流的状态.     

南海西南海域夏季上升流的地震海洋学研究

本文首次提出了一套从反射地震数据提取反射强度、反射体倾角和反射体波动振幅等属性参数的方法,并将其应用到南海西南海域.计算结果进一步表明南海西南海域在夏季主要的海洋学现象为西南季风诱发的冷流.它首先在越南东部海域自南向北流动,然后在约12°N附近开始向东弥散.海表面表现为温度低异常和海面高度低异常;水体内部则表现为以温度低异常为特征的底层冷水上涌.同时,由于地震海洋学数据具有高横向分辨率和全海洋深度成像的优点,从计算结果中还可以识别出3个视宽度为~20 km的上升流区;其上涌的视幅度约为50~150 m,且在不同的深度具有各自的特点.我们的结果可以为南海西南海域夏季上升流的精细化、定量化研究提供必不可少的数据支持;这套方法在其他海域的扩展应用也有望成为研究海水垂向分布横向变化的有力工具.     

我国北方干湿演变规律及其与区域增暖的可能联系

用中国地区60个站的月平均气温和月降水资料,计算了我国北方地区地表水分收支、蒸发等水分过程.以此为基础,分析了三北地区（西北、东北和华北）地表水分的历史演变规律及其与气温变化的关系,特别分析了和区域增暖的关系.结果指出：在北方地区,地表水分有其显著的演变规律,不同地区其变化规律不同.而实际蒸发和气温的关系存在明显的阶段性,在1965年前与1965年后的相关关系是完全相反的.分析的结果还指出：当前北方地区的普遍增温是干旱化加剧的主要原因.     

CMIP6气候模式对21世纪初全球增暖减缓现象模拟能力评估与归因分析

自工业革命以来,大气中温室气体浓度持续升高,但1998～2013年期间却出现了全球增暖减缓现象,挑战了现有的对全球温度变化机理的认识.第五次国际耦合模式比较计划(Coupled Model Inter-comparison Project Phase5, CMIP5)中众多当时最先进的气候模式都没能合理地模拟出该现象,引发了公众对气候模拟和预测的质疑.文章基于六种常用的全球表面温度观测资料集,评估了最近发布的28个CMIP6气候模式对21世纪初全球增暖减缓现象的模拟能力.结果显示,相对前一代的CMIP5模式,新一代的CMIP6模式尽管在年代尺度增暖速率模拟能力上有所提高,但大多数CMIP6模式依然未能重现出全球增暖减缓现象.在28个CMIP6模式中,只有4个成功模拟出了增暖减缓,其他模式普遍高估了1998～2013年期间的增暖速率,呈现出明显的增暖加速,而不是观测到的增暖减缓.进一步分析表明,气候模式能否成功模拟出增暖减缓现象的关键在于其能否准确区分并模拟出两种不同来源的温度变化信号,即人类排放温室气体导致的长期增暖信号和气候系统内部短期的自然变率信号,特别是年际、年代际和多年代际这三种尺度的自然变率. 4个复现出增暖减缓现象的模式都较为合理地模拟出了长期增暖趋势和三种关键尺度自然变率.上述评估结果为改进气候模式对短期气候变化的模拟和预测能力提供了一个新的视角.     

热分层对水库水质的季节性影响——以西安黑河水库为例

深水水库作为城市的重要供水水源,通常由于热量在垂向水体上的不均匀分配形成热分层.热分层会阻碍垂向上水体交换引发水质分层现象,在冬季水库发生“翻库”之后,水体混合导致水库的整体水质下降.结合热分层指数可以客观、直接地表达水库热分层的稳定程度.综合水库的气温、水体更新率和水质参数(溶解氧、pH、总磷、氨氮)的年度变化,对陕西黑河水库2008-2010年的热分层状况进行研究.研究表明:水库的热分层形成会直接恶化底部水质尤其会加速底部水体中溶解氧的消耗;热分层的年度变化主要受气温控制,但在特定时期较大的水体更新率可以在一定程度上弱化水体热分层,减缓底部水质恶化.该结果可使水库管理者在水库分层最稳定、水质恶化最严重时期以人工调节水体更新率的方式弱化热分层,为保证水质安全提供参考.     

海洋天然气水合物分布与"气-水-沉积物"动态体系--大洋钻探204航次调查初步结果的启示

海洋天然气水合物是潜在的天然气资源, 研究海洋天然气水合物分布及其影响机制是当前国内外相关领域十分重要的一个方面. 大洋钻探204航次对东太平洋水合物海岭的钻探发现, 水合物海岭南峰地区不同构造部位中天然气水合物在天然气水合物稳定带中的分布、富集和产状是十分不均匀的. 以该航次初步成果为例, 分析和探讨天然气水合物的不均匀分布与它所赋存的"气-水-沉积物"动态体系中的几种主要因素的关系, 指出主要受到气、流体来源与流量变化、岩石学属性和特征、地质构造和古海洋环境变化、微生物活动等因素和营力的控制和影响. 有关分析是基于204航次对会聚板块边缘增生体钻探得到的启示, 当未来在世界各海域有更多钻探实际资料后, 有必要深入分析和探讨各海域不同构造环境下, 如我国海域天然气水合物分布与"气-水-沉积物"动态体系这类问题.     

海洋天然气水合物分布与“气-水-沉积物”动态体系

海洋天然气水合物是潜在的天然气资源, 研究海洋天然气水合物分布及其影响机制是当前国内外相关领域十分重要的一个方面. 大洋钻探204航次对东太平洋水合物海岭的钻探发现, 水合物海岭南峰地区不同构造部位中天然气水合物在天然气水合物稳定带中的分布、富集和产状是十分不均匀的. 以该航次初步成果为例, 分析和探讨天然气水合物的不均匀分布与它所赋存的“气-水-沉积物”动态体系中的几种主要因素的关系, 指出主要受到气、流体来源与流量变化、岩石学属性和特征、地质构造和古海洋环境变化、微生物活动等因素和营力的控制和影响. 有关分析是基于204航次对会聚板块边缘增生体钻探得到的启示, 当未来在世界各海域有更多钻探实际资料后, 有必要深入分析和探讨各海域不同构造环境下, 如我国海域天然气水合物分布与“气-水-沉积物”动态体系这类问题.     

新安江水库(千岛湖)热力学状况及热力分层研究

利用2012年1-12月在新安江水库(千岛湖)6个点位的每月一次的水温及其他环境因子的周年观测资料,分析了水库水温逐月变化、季节变化、垂直分布及温跃层的形成与变化,探讨了温跃层特征量(温跃层深度、厚度、强度)与表层水温、水体透明度的关系.新安江水库表层和中层水温与气温存在显著的线性相关,又以表层水温线性关系最好,而下层水温与气温没有显著相关性,说明下层水温受气温的影响很小,全年处于相对恒温状态.水库表层和中层水温逐月变化明显,呈现夏季最高、春秋季次之、冬季最低的变化趋势,其中中层水温最高值出现的季节较表层水温明显后延,下层水温没有明显的逐月变化和季节变化.水温垂直分布显示,4个季节均存在不同程度的温跃层和温度分层现象,其中水深最深的大坝前水温分层最明显.小金山、三潭岛和大坝前3个典型点位从春季的4月份到冬季的2月份温跃层深度由1.61±0.47 m逐渐增加至39.37±5.35 m,而温跃层厚度和强度则在夏季最高、冬季最低,温跃层随着季节的变化呈现增强稳定减弱消失的周期变化.温跃层深度与水体透明度存在显著正相关,与表层水温存在显著负相关,并基于透明度和表层水温建立温跃层深度的多元线性回归模型.     

北冰洋、白令海226Ra的分布及其水文学意义

中国首次北极科学考察期间(1999年7～9月), 于北冰洋、白令海分别采集了13份和20份大体积水样, 用于²²⁶Ra的分析. 结果表明, 北冰洋、白令海表层海水中²²⁶Ra含量分别介于0.28～1.56和0.25～1.26 Bq/m³之间, 平均含量分别为0.76和0.71 Bq/m³, 明显低于其他中低纬度开阔大洋表层水的数值, 说明部分研究海域受海冰融化水的影响. 白令海表层水²²⁶Ra的空间分布呈现由南向北降低的趋势, 体现出低²²⁶Ra海冰融化水与高²²⁶Ra太平洋水的混合交换. 北冰洋表层水中²²⁶Ra的空间分布呈现由南向北、由西向东增加之态势, 与水团组成中河水份额的变化趋势相一致. 这与河水具有高²²⁶Ra的特征相吻合. 北冰洋加拿大海盆²²⁶Ra的垂直分布显示, “上跃层水”所处的200 m深度存在²²⁶Ra的极大值, 鉴于高²²⁶Ra特征主要出现在太平洋水或与沉积物交换的水体中, 说明该极大值主要来自太平洋水或底部陆架水的输入, 与²H和¹⁸O示踪剂获得的结果相吻合.     

西南峡谷型水库的季节性分层与水质的突发性恶化

选择西南云贵高原乌江流域的百花湖水库进行了气象、水温度和水化学(DO、FeⅡ和MnⅡ)的连续监测(13个月).结果表明,由于气候等原因,百花湖水库的水体在夏季形成分层,但是没有典型分层湖泊的温跃层变化,这种水体温度结构可以在4-10月保持稳定;这种"不显著的"温度分层结构,有效限制了上下水团的混合,形成显著的水体溶解氧分层,氧化/还原界面可达到水深8m左右.20世纪90年代初以来,贵州多座水库频繁出现的季节性水质恶化现象,与水库水体混合期(多为夏末初秋),水体分层结构失稳有关.上下层水体的垂直交替,使下层水体中的还原性物质带入上层湖水,造成表层水体缺氧和表观浑浊,鱼类窒息死亡.在百花湖水库的研究表明,西南地区深水水库,可以在夏季出现一定的水体温度分层结构,并导致显著的水体水化学(如溶解氧)分层,进而影响水库水环境质量.     

1951～2002年中国东、西部地区地面气温变化对比

利用1951～2002年全国733个测站经过非均一性检验的月平均气温资料,在剔除50万以上人口大城市测站后,分析了52年来中国东、西部及青藏高原地区的气温变化趋势的一致性和差异性,并讨论了其可能原因.结果表明我国东、西部地区年、季平均气温变化有着较好的一致性;近52年来,我国东、西部和青藏高原地区年平均气温均呈升温趋势,年平均气温的增温速率东部为026℃/10a,西部018℃/10a,东部比西部高008℃/10a;季平均气温东部地区冬、春季的增暖趋势大于西部和青藏高原,而其夏、秋季的增暖趋势小于西部和青藏高原.我国东、西部地区年、季平均气温变化关系密切,说明其主要是受全球气候变化的影响而变化,但东部年平均气温的增暖总趋势大于西部,又说明地域差异在气温变化中也有重要作用.     

前期风场控制的太湖北部湖湾水动力及对蓝藻水华影响

为明确前期风场对太湖北部湖湾水动力及蓝藻水华分布的影响,对2008年9月梅梁湾及贡湖湾水文、水质及气象开展了同步观测,结果表明:受前期东北风影响,梅梁湾及贡湖湾表层、中层及底层湖流流向均顺风向自湾内流向湾外,两个湖湾均不存在补偿流.表层湖流对风场变化响应敏感,而中场及底层流场对风场变化响应存在显著滞时.在偏南风作用下,梅梁湾表层湖流能快速形成顺时针环流.在偏西风作用下,贡湖湾表层湖流流向虽未发生偏转,但是湖流流速显著减小并导致流速沿水体垂向呈递增分布.观测期间水动力强度对太湖北部湖区叶绿素a浓度垂向分层及蓝藻水华水平漂移均具有重要影响.在水动力滞缓水域,蓝藻水华易在水表发生漂移堆积.在水动力强度较大水域,强烈的垂向混合作用能使蓝藻沿水深方向混合均匀,降低水华暴发风险.相对于水动力条件,营养盐对叶绿素a浓度空间分布的影响较弱.     

Prior wind field induced hydrodynamics and its influence on cyanobacterial bloom in northem bays of Lake Taihu, China

为明确前期风场对太湖北部湖湾水动力及蓝藻水华分布的影响,对2008年9月梅粱湾及贡湖湾水文、水质及气象开展了同步观测,结果表明:受前期东北风影响,梅梁湾及贡湖湾表层、中层及底层湖流流向均顺风向自湾内流向湾外,两个湖湾均不存在补偿流.表层湖流对风场变化响应敏感,而中场及底层流场对风场变化响应存在显著滞时.在偏南风作用下,梅梁湾表层湖流能快速形成顺时针环流.在偏西风作用下,贡湖湾表层湖流流向虽未发生偏转,但是湖流流速显著减小并导致流速沿水体垂向呈递增分布.观测期间水动力强度对太湖北部湖区叶绿素a浓度垂向分层及蓝藻水华水平漂移均具有重要影响.在水动力滞缓水域,蓝藻水华易在水表发生漂移堆积.在水动力强度较大水域,强烈的垂向混合作用能使蓝藻沿水深方向混合均匀,降低水华暴发风险.相对于水动力条件,营养盐对叶绿素a浓度空间分布的影响较弱.     

山西奇村水汞相关性分析与区域分布特征的研究 --剖析山西奇村水汞与空白样同步的原因

为揭示山西奇村水汞与空白样测值同步的原因,对水化热水井与空白样、水化热水井与制作空白样的冷水井、制作空白样的冷水井与空白样的特征进行了分析,并对忻定盆地南部近1 000 km2不同深度、不同水温的21眼井进行了水汞测量.研究表明,测区各井具有水汞含量一致、动态变化同步的基本特征,提出水汞动态可能反映了来自大构造及深层的变化信息的看法.     

凯尔盖朗海台岩石圈有效弹性厚度初步研究

本文基于弹性薄板模型,结合水深、空间重力资料,使用空间域褶积算法获取了凯尔盖朗海台岩石圈有效弹性厚度(Te)的空间变化特征,有效地揭示了凯尔盖朗海台岩石圈热力学特征.整个研究区域内,T_e的分布范围在5~35 km之间;其中在凯尔盖朗海台北部(NKP)的Te值较高,在25~35 km之间变化,说明CKP、SKP形成时负载于较强挠曲刚度的岩石圈之上;而在海台中部(CKP)以及南部(SKP),T_e值异常低,基本维持在10 km以内.经对比发现,海台载荷形成时刻的洋壳年龄与T_e值之间存在弱相关性,表明研究区域内岩石圈的热力学性质存在诸多不同.进一步结合凯尔盖朗热点喷发历史,可以推测:CKP、SKP的异常低T_e值和较深的莫霍面(~23 km)可能与当时非常高的岩浆通量有关.强烈的热点活动"烘烤"了周围地壳,降低了下覆岩石圈的挠曲刚度.NKP形成时岩浆喷发速率低,没有改变下覆岩石圈的热结构,从而保留了其一定的挠曲刚度.Elan Bank(EB)的T_e高值(~30 km),推测与此处的残留陆块有关.