2010-2018年北极夏季中国北极科学考察航行期间被动微波遥感海冰密集度与船基目视观测资料的比较

为了更有效地将卫星数据应用于北极航行导航,被动微波（PM）产品的海冰密集度（SIC）与从中国北极科学考察中收集到的船基目视观测（OBS）资料进行了比较。在2010、2012、2014、2016和2018年的北极夏季总共收集了3667组目测数据。PM SIC取自基于SSMIS传感器的NASA-Team（NT）、Bootstrap（BT）以及Climate Data Record（CDR）算法和基于AMSR-E/AMSR-2传感器的BT、enhanced NT（NT2）以及ARTIST Sea Ice（ASI）算法。使用PM SIC的日算术平均值和OBS SIC的日加权平均值进行比较。比较了PM SIC和OBS SIC之间的相关系数,偏差和均方根偏差,包括总体趋势以及在轻度/普通/严重冰况下的情况。使用OBS数据,浮冰尺寸和冰厚对不同PM产品SIC反演的影响可以通过计算浮冰尺寸编码和冰厚的日加权平均值来评估。我们的结果显示相关系数的范围为0.89（AMSR-E/AMSR-2 NT2）到0.95（SSMIS NT）,偏差的范围为-3.96%（SSMIS NT）到12.05%（AMSR-E/AMSR-2）,均方根偏差的范围为10.81%（SSMIS NT）到20.15%（AMSR-E/AMSR-2 NT2）。浮冰尺寸对PM产品的SIC反演有显著的影响,大多数PM产品倾向于在小浮冰尺寸情况下低估SIC,而在大浮冰尺寸情况下高估SIC。超过30 cm的冰厚对于PM产品的SIC反演没有明显影响。总体来看,在北极夏季,SSMIS NT SIC与OBS SIC之间有着最好的一致性,而AMSR-E/AMSR-2 NT2 SIC与OBS SIC的一致性最差。     

中国北极科技外交论析

鉴于北极特殊的地理位置和自然环境,北极科技外交往往是各国参与北极事务的起点和实现北极利益的先导。中国也概不能外,北极科技外交对保障北极科研装备、提高北极认识水平和促进北极资源开发等都具有重要意义。回溯中国参与北极事务的历程,北极科技外交是其中的主要线索和核心内容,现已取得了一些成绩。但作为域外国家和发展中国家,中国北极科技外交还面临着缺乏顶层设计、政策和资金支持不足以及若干国际因素的掣肘。对此,中国应通过充分发挥政府的主导作用、强化和完善运行机制、扩展北极科技外交的广度和深度等加以改进。     

Arctic sea-ice motion and its relation to pressure field

Daily Arctic sea-ice motion maps during the winter seasons (December–March) from December 1988 to March 2003 derived from NSCAT, QuikSCAT, SSM/I, and AMSRE data by a wavelet analysis method have been merged with those derived from buoy data. These merged sea-ice motion data have been used to study the circulation regimes and winter-to-winter variability of Arctic sea-ice motion. The relation between sea-ice motion and the pressure field in the Arctic Ocean was also studied by applying Principal Component Analysis (PCA) to the monthly merged sea-ice motion data and the monthly pressure field data from IABP. The mean Arctic sea-ice motion map of the 15 winter seasons has two distinct features: the Beaufort Gyre and a cyclonic circulation system in the Eurasian Basin, which moves ice from the Laptev Sea to Fram Strait. The strengths and sizes of the two features change from one winter season to another. Seasons with a strong or normal Beaufort Gyre alternate with seasons with a weak or no Beaufort Gyre every one to three seasons. The principal components of the first two modes of PCA of the monthly sea-ice motion are closely correlated with their counterparts of the monthly pressure field in the Arctic Ocean. The mode-one components of these two anomalies alternate between anticyclonic and cyclonic circulation systems. The correlation between Arctic Oscillation indexes and the principal components of the first mode of PCA of the monthly Arctic sea-ice motion is low but statistically significant.     

北极孔斯峡湾表层沉积物中溶解有机质的来源与转化历史

在北极地区孔斯峡湾采集28个表层沉积物样品,测定了其中水溶性有机质(也称溶解有机质,DOM)的分子量分布、紫外/可见吸收光谱和三维荧光光谱特征,并利用平行因子分析(PARAFAC)模型对DOM的荧光组分和来源进行了解析。结果表明:孔斯峡湾表层沉积物中有色溶解有机质(CDOM)及其中的荧光溶解有机质(FDOM)含量均从内湾向外湾方向呈逐渐累积的趋势,但CDOM中的FDOM所占比例逐渐减小,与DOM趋于老龄化密切相关。沉积作用减弱以及长期的光化学降解和微生物降解作用对此起主要贡献,并导致腐殖质和小分子组分在沉积物DOM中所占的比例呈逐渐递增的趋势。沉积物DOM包含陆源类腐殖质、自生源类腐殖质和类蛋白等三个荧光组分,但是其组成比例空间差异很大。吸收光谱斜率比(S_R)随自生源所占百分比增加而减小,随DOM腐殖质组分中陆源与自生源的比值增加而增加;腐殖化指数(HIX)随类腐殖质与类蛋白质比值和水深的增加而增加,生物源指数(BIX)随自生源比例增加而增加。峡湾沉积物DOM的组成和来源存在着高度的空间差异,在冰川湾区由水体颗粒有机质(POM)的近期转化和迁移而来,而在峡湾中央及口门附近以较老的腐殖质为优势,主要源于水体DOM长期迁移和转化。研究表明,FDOM/CDOM,S_R,HIX和BIX等构成的CDOM光谱指纹信息可以作为揭露沉积物溶解有机质来源及迁移转化历史的工具,对探索海洋与冰川相互作用影响下的峡湾环境演变有着重要意义。     

西北冰洋表层沉积物中重金属的赋存形态研究

用连续提取法对选自西北冰洋的32个表层沉积物进行分析,测定了Cr、Cu、Pb在全样中及其在P1-2、P3、P4、P5中的含量.结果表明随着离岸距离增加,水深加深,Cr、Cu、Pb含量呈增高的趋势.研究区陆架沉积物中Cr、Cu、Pb含量分别为60.66、14.77、16.65μg/g;深海沉积物中Cr、Cu、Pb的含量分别为80.40、41.70、25.62μg/g.元素赋存形态分析表明,Cr、Cu、Pb主要赋存在残渣态,残渣态中三元素的含量平均值分别为64.97、19.67、17.56μg/g,占元素总量的比例分别为93.58%、75.02%和83.76%.三元素在各赋存形态中的含量分布是:Cu为残渣态>有机质和硫化物态>铁锰氧化态>可交换及碳酸盐态;Pb和Cr则为残渣态>铁锰氧化物态>有机质硫化物态>可交换态及碳酸盐态.研究区重金属元素在不同赋存形态中的含量分布与北太平洋深海沉积物中类似.     

北冰洋西部表层沉积物粘土矿物分布及环境指示意义

楚科奇海及邻近的北冰洋深水区表层沉积物中粘土矿物的分布受源区母岩和海区环流结构所制约。来自加拿大马更些河的物质富含高岭石和伊利石,对研究区东北部和北部沉积物的影响较大;来自阿拉斯加西北部的河流和海岸带物质富含绿泥石,高岭石含量变化较大,对阿拉斯加西北部近海沉积物的影响明显;来自西伯利亚的物质富含绿泥石,对研究区西部沉积物的影响较为明显。自白令海峡进入的太平洋水携带富含蒙皂石的育空河物质横穿楚科奇海陆架向北扩散,导致楚科奇海中部沉积物中的蒙皂石含量高;同时,粘土矿物自身的粒度分异在某种程度上也促使蒙脱石在离岸距离较远的中部海区富集。     

Circulation on the north central Chukchi Sea shelf

Mooring and shipboard data collected between 1992 and 1995 delineate the circulation over the north central Chukchi shelf. Previous studies indicated that Pacific waters crossed the Chukchi shelf through Herald Valley (in the west) and Barrow Canyon (in the east). We find a third branch (through the Central Channel) onto the outer shelf. The Central Channel transport varies seasonally in phase with Bering Strait transport, and is 0.2 Sv on average, although some of this might include water entrained from the outflow through Herald Valley. A portion of the Central Channel outflow moves eastward and converges with the Alaskan Coastal Current at the head of Barrow Canyon. The remainder appears to continue northeastward over the central outer shelf toward the shelfbreak, joined by outflow from Herald Valley. The mean flow opposes the prevailing winds and is primarily forced by the sea-level slope between the Pacific and Arctic oceans. Current variations are mainly wind forced, but baroclinic forcing, associated with upstream dense-water formation in coastal polynyas might occasionally be important.Winter water-mass modification depends crucially on the fall and winter winds, which control seasonal ice development. An extensive fall ice cover delays cooling, limits new ice formation, and results in little salinization. In such years, Bering shelf waters cross the Chukchi shelf with little modification. In contrast, extensive open water in fall leads to early and rapid cooling, and if accompanied by vigorous ice production within coastal polynyas, results in the production of high-salinity (>33) shelf waters. Such interannual variability likely affects slope processes and the transport of Pacific waters into the Arctic Ocean interior.     

变暖背景下北极海冰减少在冬季北半球高纬大陆降雪增加中的作用

过去的几个冬季中,北美、欧洲、西伯利亚和东亚大部分地区经历了冷冬和强降雪,而这与北极海冰的快速减少有关。尽管北极海冰减少在冷冬和强降雪中的作用仍存在争议,但这种新兴的气候反馈在未来变暖背景下是否会持续仍值得关注。中等排放情境下的气候模式模拟结果揭示,欧洲东北部、亚洲中部北部、北美北部的冬季降雪增加会成为贯穿21世纪的一个稳健的特征。21世纪这些区域冬季降雪增加的主要原因是北极秋季海冰的减少（很大的外部强迫）,而冬季北极涛动的变化（北半球主要的自然变化形态）对降雪增加的作用很小。这一结果不仅体现在多模式平均上,而且每个单独模式的结果依然如此。我们认为海冰-降雪之间的强反馈作用可能已经出现,并且在接下来的几十年中这种强反馈作用可能会增强,北半球高纬地区的强降雪事件也会增加。     

北极快速变化的生态环境响应

北冰洋由于其特殊的地理位置,成为全球变化响应最为敏感的地区。本文聚焦北极海冰变化幅度最大的西北冰洋,从营养盐、叶绿素、浮游植物群落和沉积碳埋藏等变化来讨论海洋生态环境对北极快速变化的响应。尽管太平洋北向流和北极周边河流输入加强可以增加西北冰洋上层营养盐储库,但由于夏季硅藻旺发向沉积物迁出大量生源元素,使得上层营养盐相对亏损,部分海域存在显著的氮限制和硅限制。随海冰减退,尽管夏末海盆区浮游植物呈现小型化趋势,但西北冰洋总体上浮游植物现存量和初级生产力呈现增高的趋势;伴随叶绿素极大层下移、北扩,以硅藻为代表的生物泵过程得以更高效的运转。在沉积物埋藏的有机碳中,除原先北冰洋生态系统占据重要比份的冰藻外,硅藻等藻类的有机碳埋藏也逐渐增加。西北冰洋海洋初级生产力的增加不仅促进了生物泵的运转和碳的埋藏,而且给海洋生态系统提供了更多的食物来源。北极海域目前已成为全球碳源汇格局变化最大、海洋生态系统改变最显著的地区之一。     

极地环境监测网的设计及其在南极普里兹湾的应用

为了保护南极和北极的生态系统和环境,中国自20世纪90年代初开始推行和实施了极地环境监测计划,部署了各学科监测传感器阵列;采集了多学科数据,包括海洋、大气、冰冻圈、生物圈等主题;架构了"R/V雪龙号破冰船—极地考察站—国内基地"之间的快速数据传输网络;建立了海洋环境监测系统、太阳能地面空间监测系统、生态环境监测系统等系列监测系统。为了实现长期监测,达到预测和预警目标,本文针对国内外现状,在现有基础上设计了一套中国极地环境长期监测网(Polar Environment monitoring network of China,CPEMN)。该监测网集成各监测系统并在监测指标设计上覆盖我国极地所有常规监测/观测任务,且根据国际科研动态和长期监测规划拓展了预期监测范围。最后本文利用南极普里兹湾进行的破冰导航应用示范验证了CPEMN具有可执行性。