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。     

广义坐标系η中的位涡方程

给出了在广义坐标系（η）中导出的位涡方程,以及它分别在笛卡尔坐标（z)、气压坐标（p）或等熵坐标（θ）时的具体表达式。结果表明,由此得出的各坐标系的位涡方程和过去人们在各坐标系中分别推出的位涡方程一致。并且得出位涡在绝热和无摩擦的条件下守恒。     

近30a北极平流层臭氧的季节和年际变化特征

综合利用1978-2011年TOMS（Total Ozone Mapping Spectrometer）和OMI（Ozone Monitoring Instrument）臭氧总量资料,MLS（Microwave Limb Sounder）臭氧廓线资料以及NCEP/NCAR再分析气象场资料,对比研究了近30a南北极臭氧总量的年际变化和季节变化差异,重点分析了2010/2011年冬末春初北极臭氧出现的异常损耗现象,探讨北极春季臭氧低值产生的原因。结果表明：与南极地区一年四季都保持一个臭氧低值中心明显不同,北极臭氧总量的减少则是伴随着整个春夏季（4-8月）,在秋季（10月）达到最低值,冬季（11月-次年2月）北极臭氧快速恢复,这主要是由于南北半球极地地区环流差异和温度差异造成的。南北两极年均O3总量呈下降趋势,两极地区O3总量年际变化最大的季节是春季。近30a,北极在1997和2011年春季（3-4月）分别达到极低值355DU和361DU,但近年来两极臭氧年际变化趋势不明显。2011年春季,北极地区出现的较严重臭氧低值现象从3月中旬至4月中旬持续了近1个月,2010/2011年冬春季平流层低温和臭氧低值对应关系很好。     

北极涛动、极涡活动异常对北半球欧亚大陆冬季气温的影响

利用1951-2012年NCEP/NCAR全球月平均500 hPa高度场、气温场等再分析资料,北极涛动（AO）指数,北半球及其4个分区的极涡指数等资料,分析极涡和AO对北半球特别是欧亚大陆冬季气温异常分布的影响。北半球极涡面积指数与北半球气温相关场呈由北向南的“+、-”分布,显著正相关中心位于极区,显著负相关中心位于欧亚大陆中高纬度地区;AO指数与气温的相关场分布与此反位相。极涡各分区面积指数体现与各大洲气温显著相关的地域特征,尤其是亚洲极涡面积指数比AO的相关区域更偏向亚洲和中国东部及沿海地区,能表征亚洲大陆冬季风向中低纬度爆发的某些特征。2006年以来AO指数呈较明显的下降趋势,北半球、亚洲区极涡面积指数呈显著的上升趋势,这是有利于欧亚大陆近几年连续冬季气温异常偏低的年代际背景;2009-2011年北半球欧亚大陆冬季大范围低温事件,不仅与冬季AO负位相明显变强有关（2011年除外）,与北半球以及亚洲区极涡面积指数偏大联系更为密切,亦表明该区域冬季变冷的自然变率明显增强。     

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。     

GPS、GLONASS、GALILEO三大系统间时间系统以及坐标系统的转换

在当今的三大定位导航系统中,它们各自用着自己的时间标准和坐标框架,这使得我们在进行多样数据处理与数据融合时很不方便。这就需要我们对此三个系统的时间系统以及坐标系统进行有效的转换,本文就是基于这样的需求,详细介绍并分析了此三大系统中各自的时间系统与坐标系统,通过对多方资料的综合、推证与计算,综合得出GPS、GLONASS以及GALILEO三大系统间的时间转换方法及坐标转换模型与公式。而且,这些转换公式与方法所得出的结果是完全能满足绝大多数用户的精度需求的。     

位温、等熵位涡与锋和对流层顶的分析方法

等熵位涡分析是位涡理论的分析基础。此文的目的是介绍等熵位涡分析所必需掌握的基本概念和方法。文中从位温和位涡、对流层和平流层、锋和对流层顶的基本性质出发,讨论了锋和对流层顶在剖面图、等压面图及等位温面（即等熵面）图上的特征。文中给出了各种分析实例图形,并通过分析和对比指出：平流层的高位涡是对流层顶以上位温随高度急剧增加位温垂直梯度特别大的结果;位温垂直梯度是决定位涡分布的主要因子;等熵位涡图主要反映极地气团的活动,同时也是与极地气团密切关联的锋、急流、对流层顶的综合反映。最后提出了等熵位涡分析中需要避免的一些错误认识,特别是不能将等位温面上的流线当成轨迹的错误,并由此得出平流层空气侵入对流层下部的错误推论。     

北半球500百帕极地环流与厄尔尼诺、南方涛动及我国气温场的遥相关

本文用1951—1984年的资料对500百帕、65°N以北的高度场作自然正交展开,用模糊聚类对典型场归类。指出,极涡月平均场有三种形态,1月份平均场形态较特殊;大尺度距平场也有三种形态,4月份距平场形态较特殊。此外,研究了典型场的时间权重系数与厄尔尼诺、南方涛动的关系。指出,厄尔尼诺现象发生的当年4月、10月极地大尺度距平场有明显的异常特征。这种极地环流异常已明显影响到我国4月份、10月份的气温场。因而,可能是厄尔尼诺年我国气温4月偏低、10月偏高的一个重要原因。     

地形追随坐标系下埃特尔位涡的计算

随着数值天气预报模式的日益普及以及位涡在不同天气、气候时、空尺度上的广泛应用,对采用模式输出资料计算的埃特尔（Ertel）位涡的精度提出了更高要求。将气象要素从中尺度模式普遍采用的地形追随坐标系向定义位涡的z或p坐标系的插值过程（插值法）,是导致埃特尔位涡计算误差的主要原因。文中利用地形追随坐标系与z（p）坐标系的变换关系,导出了z坐标系定义的埃特尔位涡在地形追随坐标系中的表达形式,实现了直接在模式格点上计算埃特尔位涡（直接法）,在提高计算精度的同时,保留了其在z坐标系中的物理意义,方便了分析与应用。为了进一步分析直接法在减少计算误差方面的作用,使用WRF模式对2016年7月发生在华北地区复杂地形背景下的一次黄淮气旋爆发过程进行了模拟,利用模式输出资料对此次天气过程中强降水时段插值法计算误差的分布进行了分析。结果表明,利用直接法计算位涡可有效减少插值法引入的计算误差,中低层均方根误差可达0.5 PVU,中高层可达0.3 PVU。将其应用到中小尺度对流性天气精细化结构的分析及气候统计研究中,可以有效减少插值法误差对结果产生的不良影响,提高计算和分析准确度。      

300 hPa北极涡年际及年代际变化特征的研究

利用NCEP/NCAR 1949—2002年月平均再分析高度场资料,通过线性倾向估计、二项式系数加权平均、Morlet小波分析等诊断方法,系统地讨论了300 hPa北半球极涡面积、强度及中心位置的年际和年代际变化特征,结果表明:(1)年平均北极涡的面积在20世纪70年代中期之前在总的上升趋势中有几次较小的波动,之后在总体下降趋势中有几次较大的起伏;Ⅰ、Ⅱ区的线性变化趋势非常小,Ⅳ区最大,夏季的年际变化相对明显一些,秋季变化最弱,各季节均有线性收缩趋势,冬季幅度最大,秋季最小。(2)年平均极涡强度的年际、年代际变化特征与极涡面积有相似之处,但不同年份存在显著差异;各分区的强度变化与北半球类似(特别是Ⅰ区);夏季的年际变化幅度最大,春、夏季年代际变化的特征明显,秋季最弱。(3)北极涡中心位置通常并不在北极点,各分区极涡总面积所占的百分比有明显差异,且有月际变化,这些差异与海陆热力差异造成的环流的差异密切相关;极涡的主要位置有一定的年际、年代际变化特征;极涡中心位置主要偏向亚洲大陆及太平洋一侧。