极地冰钻关键技术研究进展

极地冰钻技术是获取冰芯,研究冰盖-冰架-海洋相互作用,以及获取极地冰下基岩与冰下水环境样品,开展冰下环境探测的重要手段。目前极地冰钻技术的难点与前沿主要包括深冰芯钻探、冰架热水钻、冰下基岩钻和冰下水环境采样与观测技术。本文针对以上4个极地冰钻关键技术,对国内外相关技术的研究进展与项目开展情况进行了总结与梳理。综合来看,虽然我国开展极地钻探技术研究起步较晚,但随着我国极地战略不断推进,我国的极地冰钻关键技术与装备的研究正持续向着赶超极地钻探强国方向迈进,这必将为我国的极地科学研究提供强有力的技术支撑。     

海底沉积物孔隙压力原位长期观测技术回顾和展望

海底沉积物孔隙压力对海底地质灾害过程反应敏感,是表征海床稳定性的一个重要指标,通过海底沉积物的孔隙压力观测可以判断海床的稳定状态,对于海底地质灾害预测预警具有重要意义。海底沉积物孔隙压力观测存在(1)超高背景压力下的高精度测量;(2)贯入过程传感器超量程破坏;(3)系统长期供电及传感器漂移;(4)深海海底布放和回收等技术难点。国际上海底孔隙压力观测技术从20世纪60年代开始发展,逐渐形成了系列核心监测技术和成熟的商业化设备产品。挪威岩土工程研究所NGI与美国伊利诺伊大学共同研发的NGI-Illinois压差式孔隙压力观测系统,是已知最早的海底沉积物孔隙压力观测设备。此后,美国地质调查局USGS、美国桑迪亚国家实验室、英国牛津大学等相继研发了不同结构的观测设备,覆盖浅海到深海。其中,英国海洋科学研究所研发成功的深海孔隙压力原位长期观测设备PUPPI是一个重要的历史节点,该设备能够在6 000 m水深的环境中连续运行一年,成为当时最成功的海底孔隙压力观测设备,其现代化的设备结构和设计理念被后续的观测设备广为借鉴。21世纪以来,得益于海洋科学技术的整体进步,国际孔隙压力观测技术发展呈现加速趋势。法国海洋开发研究院IFREMER研发的Piezometer系列孔隙压力观测探杆,代表了当今世界的先进水平,可能是目前应用次数最多的海底孔隙压力观测设备。我国在深海探测、观测技术领域起步较晚,在深海沉积物孔隙压力原位长期观测技术方面几乎空白,发展很不成熟。其中,中国海洋大学、自然资源部第一海洋研究所等单位进行了较多的探索性研发工作。近年来,以港珠澳大桥建设、南海天然气水合物试采等为标志的大批国家级海洋建设项目如火如荼,深海油气矿产资源开发、深海天然气水合物开采利用等海洋新兴产业快速起步,深海孔隙压力原位长期监测关键核心技术等“卡脖子”问题仍然突出,严重制约了我国海洋工程产业发展的步伐。因此,迫切需要发展具有自主知识产权和关键核心技术的国产深海沉积物孔隙压力原位长期监测技术。本文回顾了国际、国内海底孔隙压力观测技术的相关研究进展,旨在分析总结孔隙压力观测技术及其应用中涉及的一些核心技术和亟待解决的关键问题,以期为我国该项技术的发展和应用提供借鉴。     

底基三脚架在深海观测中的应用

底基三脚架是海底观测的平台之一,它能装备多种观测仪器,长期、稳定地立于海底,进行几乎无干扰的原位观测.底基三脚架已成功应用于深海化学、物理、生物和地质过程的现场观测,取得了大量的重要成果,但在我国的深海研究中还未开展.简述了底基三脚架的概念和发展历史、工作原理、应用及前景等,希望引起我国海洋工作者的兴趣和关注,推动底基三脚架在我国深海观测中的应用和发展.     

美国极地钻探科学目标分析与钻探技术进展

极地钻探是获取极地冰层或冰下环境样品和在极地冰层或冰下布放科学观测仪器的最直接方法,是开展极地科学研究的必要技术手段。美国是开展极地钻探较早的国家之一,也是极地钻探强国。相比美国,我国极地钻探技术尚处于起步阶段。本文以《美国冰钻委员会长期科学规划2021-2031》为基础,结合其官方网站和相关文献资料,梳理了美国极地钻探科学目标和极地钻探技术现状,并简要介绍了过去10年美国极地钻探的现场工作情况及其在未来3年的工作计划,以期为我国极地钻探发展提供参考。     

2010-2016年国际极地研究综合评价分析

极地在气候系统、全球资源和战略中具有重要意义,并且随着人类对它的开发,极地研究也日益成为地球与环境科学领域的核心和热点议题。基于Web of Science数据库收录的2010-2016年SCI文章,利用文献计量方法,结合国际政策和战略,分析了2010-2016年极地研究的发展格局和变化趋势。结果表明：（1）近年来国际极地研究论文年发文量总体呈持续增长态势,年均增幅为3.6%。（2）发达国家及高纬度国家是极地领域的主要研究力量,美国占据绝对优势。（3）在SCI发表的国际极地研究论文来源期刊共计915种,来自57个国家,美国期刊占1/3。（4）结合欧盟极地研究优先领域和文献计量方法得出,极地研究未来新的发展方向侧重于人文及社会因素,重点提倡人类对极地的影响以及新技术应用。建议我国科研人员密切关注国际极地研究的发展态势和进展,鼓励海洋学、气象学、地质学、环境生态学、生物学、社会学和政治学等领域专家有计划地开展极地研究,为我国赢取极地研究国际发言权和参与度。     

中国极地冰盖数值模拟研究进展北大核心CSCD

冰盖数值模拟是一种基于多源观测数据,通过构建并求解冰流动力学方程组,理解冰流运动物理机制以及诊断和预估其演化过程的方法,目前已被广泛应用于冰盖变化研究。本文简要介绍了极地冰盖数值模拟方法,归纳综述了近十余年我国学者在极地冰盖数值模拟方面的研究进展,厘清我国在冰盖数值模拟领域遇到的瓶颈和关键问题。阐述了如何与我国的极地冰盖科考优势区域深度结合,协同多源强化观测和数值模拟,研发和改进冰盖模式,提高冰盖模拟能力,对定量估算极地冰盖的物质平衡及其对未来海平面上升的影响做出实质贡献。通过逐步发展冰盖模式的研究能力,有望将来在冰盖关键动力过程和机制的科学认识上有所突破。     

东海海洋环境监测网浮标观测站布设及其科学意义

基于海洋环境监测现状与发展,针对目前东海区浮标站位较少、布局不均和观测功能设置不完善等限制了其在海洋预报、防灾减灾、维权执法等方面保障功能的提高问题,为满足东海区观测形势需要,结合重要流系和重要海洋现象监测、台风与风暴潮预警预报、海洋权益维护及保障等需求,设计了较为科学合理的东海区浮标观测网布局。在现有浮标观测系统的基础上增加18个浮标站位,其中包含11个10m浮标、7个3m浮标和3个潜标,新的东海区浮标观测网系统将与海洋(台)站、海上平台、海基床、岸基雷达等观测系统共同构建东海区实时立体海洋观测网。     

海底CORK观测30年:发展、应用与展望

过去50年深海钻探计划(DSDP)、大洋钻探计划(ODP)及综合大洋钻探计划(IODP)等国际间综合深海钻探计划的实施,使我们对地球和海洋的认识取得了显著进步。海底井控观测装置(CORK)的研发和应用是上述深海钻探计划带给我们的最宝贵财富之一。目前地球科学和海洋科学已由过去的间断性观测模式升级为现在的连续性原位观测模式,海底CORK观测系统为地球科学、海洋科学与生命科学领域的科学家对海底洋壳复杂而又相互关联的深部过程进行数秒至数十年时间尺度的研究提供了新手段和新机遇。通过对海底CORK观测系统的发展演变、在ODP和IODP航次中的使用以及在此过程中获得的科学经验和教训进行总结,对CORK系统如何应用于我国洋壳地质学、水文学、微生物学及生物地球化学过程研究提出看法。     

从海洋内部研究海洋

几百年来,人类总是从海洋外面——在船上或者岸上研究海洋。随着技术的最新发展,人类现在可以从海洋内部来研究海洋。简要讨论了海底观测系统和活动观测平台为各领域的海洋研究提供的空前机遇,并指出中国发展海洋科学必须对这一新趋势给予密切注意。     

中国极地冰冻圈数据库设计

以世界各国极地冰冻圈数据为基础，我国极地冰雪数据为核心，全面、系统地存储南极和北极地区冰盖、冰川、冻土、积雪、海冰、冰雪化学、地形等方面的基础信息和观测资料，建成了我国极地冰冻圈数据库，在Windows NT平台上，利用Power Builder和Visual C^ 语言开发客户／服务器（Client/Server)模式下的数据库管理系统（SQL Server），其中空间地形数据与地理信息系统软件ARC／INFO）格式兼容，极地冰冻圈数据库系统与国际互联网（Internet)相连接，通过建立极地冰冻圈数据库系统网页，向用户提供WWW服务网址，用户在权限范围内可以方便地实现对网上资源的检索、浏览、打印、下载等所有功能。     

Two decades of polar ozone research via airborne science investigations: Addressing a NASA mandate in atmospheric composition

The comprehensive investigation of polar ozone photochemistry and dynamics has required data obtained from as full a complement of available platforms as possible (ground-based, balloon, aircraft, and satellites). Perhaps the most detailed process studies have been conducted using measurements from aircraft, taking advantage of their targeting capabilities coupled with the potential for enabling measurements at high spatial and temporal resolution. The US National Aeronautics and Space Administration (NASA) conducted the first airborne science investigation of polar ozone in an effort to establish the causes of the recurring seasonal depletion of the Earth's stratospheric ozone layer over Antarctica that was identified in the mid-1980s. Subsequent airborne studies in the polar regions of both hemispheres benefitted from extensive successful collaborations among international scientists and the integration of the aircraft measurements with those obtained using ground-based, balloon-borne, and satellite instruments. This article provides an historical perspective of NASA's utilization of its airborne assets to advance our understanding of the chemical and physical processes that control the abundance of stratospheric ozone in both the Antarctic and Arctic.     

基于生态系统的海洋管理理论与实践

海洋孕育了丰富的生态系统服务功能,包括为人类提供多种海产食物、净化海洋环境和提供宜人景观及发展空间等。随着工程科技水平的提高,人类对海洋资源和空间的开发利用越来越多、越来越快,对海洋生态系统的影响也越来越大,这一问题在我国尤为突出。近20年来一些发达国家通过推行基于生态系统的海洋管理(MEBM),在海洋生态系统的框架下规范和管理开发活动,特别是在解决区域性海洋管理问题方面取得了一定成效,值得我们借鉴。概述了海洋生态系统及其服务功能,回顾了海洋开发中存在的问题以及MEBM的发展历程,系统阐述了MEBM的原则和措施,剖析了国内外MEBM的成功案例,探讨了在中国实施MEBM的必要性和前提条件。近年来,我国依据海洋功能区划来管理海洋开发已取得一定的成果。建议以此为基础,强化相关生态科学研究及相应技术和法规支撑,从而为我国海洋经济可持续发展提供保障。     

南极和北极地区在全球变化中的作用研究

近半个世纪的调查基本揭示了极地在地球系统中的作用。两极保持了世界 99%的冰川 ,相当于全球淡水的 78% ,全部融化将使地球海平面上升 70m。极区又是世界气候系统中最活泼的组成 ,通过其冰盖、大气和周围海域的强烈耦合过程而影响全球。同时 ,南极上空臭氧空洞的出现 ,北极地区冻土带的北移等都表明全球变化也在明显地影响着两极。中国 2 0年来对南极的考察过程中 ,建立两个南极科学考察站 ,拥有极地考察破冰船 ,1999年开展了中国首次北极科学考察 ,对南北极的区域特征及其在全球变化中的作用提出了新的认识。     

东南极冰盖/冰架变化监测与预测技术研究

南北极是研究全球变化的关键区域。＂十一五＂期间我国在南极地区系统开展了东南极冰盖/冰架变化监测与预测技术研究,对认识全球气候变化具有重要作用。通过项目实施,建立和发展了一批现场观测体系,发展了冰盖观测新技术并集成应用于东南极冰盖的综合观测,拓展了对冰穹A地区的新认识和新发现;在冰穹A边缘地区钻取的一支浅冰芯恢复了过去约780年的气候记录,记录了东南极地区存在小冰期的明显证据;发展了东南极冰盖积累和等时年层流动模型,研究在冰盖浅层、中层和深部的变化特征,反演了冰穹A地区的古积累率分布。本文概要介绍该项目基本情况。     

Evolution in sea ice from 1978 to 2012

In this paper, the intra-annual and interannual variability of the sea ice is analysed over the period 1979–2012 from the data and images facilitated by the “National Snow and Ice dates Center”. These data are related to the annual average temperature. The annual average of the marine ice surface area (1979–2012) is very similar in both poles, although its temporary evolution is opposed in both hemispheres. In the Arctic Ocean there is an abrupt reduction of the surface area of the ice during this period. As opposed to it, the marine seas surrounding the Antarctic show an increase of the extension of the ice, especially in the last 15 years, with a maximum value in 2012. With respect to the total of the marine ice over the period 1979–2012, there is an overall deficit balance, because the reduction of the Arctic ice is greater than the increase of the Antarctic ice.     

海洋沉积地层多功能取样钻具研制

目前,海洋钻探取心主要采用提钻或绳索打捞的方式获取岩心。随着对取心质量和采取率要求越来越高,再加上海底沉积层变化多样,单一的取样器具已经不能满足当前的取样需要。为此,本文研制了一种海洋沉积地层多功能取样钻具,能够根据海底地层性质,开展低扰动、高品质的取样操作。通过海洋钻进取样试验表明,针对海底的淤泥、粘土及砂质地层,超前取样钻具、液压剪切取样钻具和半合管取样钻具能够有效获取海底的沉积层岩样,平均采取率为73.34%。研制的多功能取样钻具采用超前取样和液压压入取样技术,降低了对沉积物岩心的扰动,提升了岩心品质和采取率,为下一步的工程化应用奠定了基础。     

南极考察回顾及今后极地研究展望

中国在南极建立了长城站和中山站,建成了中国极地研究所、国家极地档案馆和中国极地数据信息管理系统,拥有2万吨级的运输和科考两用的破冰船,已派出12支南极考察队,先后有5条远洋考察船11次赴南极,航行了25万海里,运送了2000多人次科学工作者和工程技术人员赴南极考察,完成了中国首次南大洋综合科学考察、“七五”和“八五”南极科考计划,开展了包括气象学、地球物理学、高空大气物理学、电波传输等常年观测以及冰川、地质、地貌、环境、测绘、地矿、生物学、人体医学、海洋学等多学科考察与研究,采集了大量宝贵的资料、标本、数据。我国科学家发表了数十部极地研究专著,填补了该研究领域的国内空白,其成果分别获得国家和部委科技进步奖、自然科学奖,有些研究成果已达到了国际先进水平。我国极地“九五”科考计划,将着重完善基础设施,围绕全球变化、环境监测和保护,争取在我国极地考察研究的一些优势项目中有所突破。     

大鹏湾海洋地质环境与地质灾害综合分析

广州海洋地质调查局在大鹏湾深圳海域开展了海洋地质环境与地质灾害综合调查研究。笔者根据调查所取得的海水化学、海底表层沉积物和海底工程地质条件(包括潜在地质灾害)等方面的资料，结合实测的海底地形地貌背景，对大鹏湾海域的海洋地质环境进行了单因子评价和多因子综合评价，认为大鹏湾的海洋地质环境总体呈良好状况，并对大鹏湾的海洋开发工程建设提出了有益建议。     

Milankovitch theory of ice ages: Hypothesis of ice-sheet linkage between regional insolation and global climate

J. D. Hays, J. Imbrie, and N. J. Shackleton (1976, Science194, 1121–1132) showed that the astronomical theory explained many features of late Quaternary ice-age climates, but they did not specify the physical mechanisms involved. Here it is proposed that interlocked variations of ice-sheet heat sinks in both polar hemispheres amplified and transmitted Milankovitch summer half-year insolation changes (a version of the astronomical theory) between 45° and 75°N into the globally synchronous climate changes recorded in geologic records. It is suggested that late Quaternary ice sheets had terrestrial components (grounded above sea level, melting margins, fluctuations controlled by climate) and marine components (grounded below sea level, drained largely by ice streams, limited melting margins, fluctuations controlled primarily by sea level and secondarily by climate, interior surface elevations coupled to downdraw through ice streams). Northern Hemisphere ice sheets were largely marine (with minor melting margins) in the Arctic and terrestrial (with major melting margins) in the midlatitudes. West Antarctic and peripheral East Antarctic ice was marine-based and lacked melting margins. Because of their geographic array, these terrestrial and marine components formed an ice-sheet system whose variations were coupled on a global scale. Milankovitch summer isolation changes near midlatitude Northern Hemisphere melting margins controlled most variations of this system, because advance or retreat of melting margins initiated concurrent eustatic sea-level change. Such sea-level change afforded the critical interlocking mechanism between terrestrial and marine components because it forced simultaneous expansion or contraction of marine margins in both polar hemispheres. This initiated an amplifying feedback loop among all marine components and influenced interior downdraw through ice streams. Arctic summer insolation change was less important because northern melting margins were relatively minor. Its greatest influence was on surface ablation of ice streams that controlled interior downdraw. This affected eustatic sea level and activated global linkage of marine sectors. By analogy with present-day Antarctica, late Quaternary ice sheets were enormous planetary heat sinks due to their reflective and radiative surface characteristics. It is suggested that the effectiveness of these ice-sheet heat sinks varied with their areal extent and interior surface elevation. Thus, it is postulated that concurrent growth or decay of these interlocked ice-sheet heat sinks in both polar hemispheres served as the global amplifier of regional Milankovitch summer insolation.