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。     

南极半岛邻近海域夏季POC分布特征及其影响因素

海水中的颗粒有机碳(POC)与生物的生命过程、初级生产力关系密切,是海洋食物链中重要的物质基础和能量来源,因此POC的分布特征可以有效反映其生物地球化学环境。利用中国第33次南极考察期间(2016年12月至2017年1月)在南极半岛邻近海域采集的海水颗粒物样品,研究POC的空间分布特征及其影响因素。结果表明,斯科舍海0—200 m的POC浓度范围为7.44—193.52μg·L~(-1),平均浓度为(48.84±35.09)μg·L~(-1);南斯科舍海岭0—200 m的POC浓度范围为9.13—62.17μg·L~(-1),平均浓度为(29.76±14.12)μg·L~(-1);鲍威尔海盆0—200 m的POC浓度范围为5.87—270.72μg·L~(-1),平均浓度为(48.57±38.92)μg·L~(-1)。表层POC高值出现在斯科舍海区和鲍威尔海盆区,而低值出现在海岭区,与叶绿素a(Chla)的变化趋势一致,与营养盐的变化趋势相反。垂向分布上,各个区域POC平均浓度随深度的增加而减少,鲍威尔海盆和斯科舍海POC最高值都出现在25 m层。分析结果表明光合浮游植物是研究海域POC的主要来源, POC的主要影响因素为温度、水团混合以及海冰环境。斯科舍海与鲍威尔海盆整体非生命POC占比高,可能是由于高磷虾生物量、海冰碎屑以及陆源输入的干扰;南斯科舍海岭整体非生命POC占比低。     

Simulation of quasi-linear mesoscale convective systems in northern China: Lightning activities and storm structure

Two intense quasi-linear mesoscale convective systems(QLMCSs) in northern China were simulated using the WRF(Weather Research and Forecasting) model and the 3D-Var(three-dimensional variational) analysis system of the ARPS(Advanced Regional Prediction System) model.A new method in which the lightning density is calculated using both the precipitation and non-precipitation ice mass was developed to reveal the relationship between the lightning activities and QLMCS structures.Results indicate that,compared with calculating the results using two previous methods,the lightning density calculated using the new method presented in this study is in better accordance with observations.Based on the calculated lightning densities using the new method,it was found that most lightning activity was initiated on the right side and at the front of the QLMCSs,where the surface wind field converged intensely.The CAPE was much stronger ahead of the southeastward progressing QLMCS than to the back it,and their lightning events mainly occurred in regions with a large gradient of CAPE.Comparisons between lightning and non-lightning regions indicated that lightning regions featured more intense ascending motion than non-lightning regions;the vertical ranges of maximum reflectivity between lightning and non-lightning regions were very different;and the ice mixing ratio featured no significant differences between the lightning and non-lightning regions.     

渤海的海冰数值预报

根据渤海气候和冰情特点,在已有海冰模式研究基础上,提出模拟海冰增长、消融和漂移的动力－热力学模式。模式冰厚分布由开阔水、平整冰和堆积冰三要素表示。该模式已与数值天气预报模式、大气边界层模式、潮流模式联结,并于１９９０年到１９９６年在国家海洋环境预报中心进行渤海和北黄海冰情预报。其数值预报产品包括冰厚、密度集、冰速、冰外缘线、冰脊参数、局地冰厚以及接近石油平台的冰漂移轨迹等,传送到国家海洋预报台和渤海石油公司等有关用户。为了客观评价模式和检验预报结果,在逐日预报后进行统计检验。本文概述渤海冰情、卫星遥感应用、冰模式及其预报结果和检验。     

2019年6月黄河口6次局地冰雹实例分析

利用常规气象资料、多普勒雷达资料、加密自动气象站资料及第五代欧洲中心再分析资料(ERA5),分析了2019年6月发生在黄河口地区的6次局地冰雹天气过程。结论如下：1）6次降雹过程是在有利的环境条件下产生的,大尺度影响系统是东北（华北）冷涡与横槽、中纬度高空槽;冰雹天气即将发生前,对流层低层多存在逆温,有对流抑制,对流有效位能在1 000 J·kg-1以上,环境比较干,0 ℃层与-20 ℃层之间的厚度在1.8～2.3 km,两温度层的高度较经验值偏低。2）雹暴云在发生发展阶段存在最大组合反射率（MaxREF）、回波顶高（ET）和垂直累积液态水含量（VIL）的迅猛跃增;6次雹暴云气柱内冰水含量偏多,且积累迅速,液态水含量较少,雨水含量最少,因而造成降雹时多伴有弱降水。3）雹暴云的中层风场特征表现为雷达径向风的水平切变与垂直切变,而在对流层低层则表现为风向辐合与风速脉动。4）6次冰雹天气发生的地点多在黄河口的沿岸地区;特殊的地理位置有利于在对流层低层形成中尺度风场辐合线,在有利的环流背景下,可激发局地对流或使移入的雷暴云得到迅猛发展,这是导致该地对流频发的原因。     

大气冰核浓度对对流云降水过程影响的数值模拟

在已有的三维对流云模式的基础上新植入了同质冻结和异质核化方案,结合一次山地雷暴个例,通过敏感性试验来探讨大气冰核浓度对对流云微物理过程和降水的影响。模拟结果表明:①冰核浓度的改变会对对流云的动力场及各水成物粒子产生明显作用。增加冰核浓度,冰相粒子的数浓度随之增加;同时,凝华过程中释放大量潜热导致云中上升气流增强。由于水汽含量一定,各水成物粒子"争夺"水汽,使得云滴、冰晶和霰的增长均受到抑制,难以成为较大尺寸的降水粒子。②冰核浓度的增加,"贝吉龙效应"导致云滴的尺度减小,削弱了云-雨转化过程。雨滴、云滴混合比的减小抑制了雨滴对云滴的收集。同时,小尺度的霰粒子削弱了霰融化为雨滴的物理过程,最终导致地面累积降雨量降低。     

2013/2014年东亚冬季风异常偏弱的可能成因

2005年之后东亚冬季风连续7年强度偏强,而2013/2014年冬季,东亚冬季风强度突然由强转弱,原因可能与前期秋季北极海冰的异常有关,受2013年秋季北极海冰异常影响,冬季西伯利亚高压偏弱,进而导致东亚冬季风偏弱以及我国气温偏高。季内,东亚冬季风强度变化显著,前冬偏弱,后冬偏强。受冬季风季节内变化影响,我国前冬暖、后冬冷;此外,前冬暖、后冬冷还受到北太平洋上空阻塞高压的异常活动影响,北太平洋地区的阻塞高压加强西移至日界线以西,导致东亚地区经向型环流加强,改变了前冬以纬向型为主的环流,前冬高纬地区堆积的冷空气向东亚地区侵袭。加之,前冬我国气温偏高,导致后冬我国多地降温显著,气温由偏高转偏低。而阻塞高压的西移可能与平流层环流的异常活动有关。     

94/220 GHz星载雷达双波长比对非球形冰晶云参数敏感性分析

利用不同形状冰晶的散射特性,获得了非球形冰晶云的94/220 GHz测云雷达双波长比,探讨了非球形冰晶云的双波长比与云内微物理参数的关系,分析了衰减前后的星载雷达反射率因子及双波长比的垂直廓线。结果表明:（1）双波长比可以反映小到0.1 mm中值尺度的冰粒子,对粒子总数、谱的形状参数不敏感,对粒子大小、形状、云衰减较敏感。（2）雷达灵敏度一定时,星载雷达可测云厚与雷达波长、冰含水量（IWC）的垂直分布、云厚及衰减有关;没有进行衰减订正时,双波长比和衰减有关,冰含水量越大,波长越短,衰减越大,双波长比最大值与可探测云厚有关。两部雷达可探测冰含水量为0.001—0.1 g/m3、厚2 km的冰云;当云厚5 km、冰含水量垂直分布在0.001—0.2 g/m3时,云厚的94%基本可以被220 GHz云雷达探测到。（3）如果两部雷达气象方程中用水的介电因子,测量回波强度应进行介电因子的订正后再计算双波长比。      

冬季北极海冰运动主模态的构成及其与海平面气压变化的关系

利用国际北极浮冰运动观测资料（IABP）（1979-1998）以及NCEP／NCAR月平均海平面气压再分析资料（1960-2002）,通过求解海冰运动异常的复斜方差矩阵,研究了冬季北极海冰运动主模态构成及其与海平面气压变化的关系。冬季海冰运动主模态是由两个海冰运动优势模态的一个线性组合构成,与这两个运动优势模态有直接关系的海平面气压变化主要发生在北极海盆及其边缘海区。尽管北极涛动（北大西洋涛动）通过影响海平面气压进而影响北极海冰运动,但是,北极涛动（北大西洋涛动）并不是决定海冰运动主模态的关键性因素。     

A numerical model of the partitioning of trace chemical solutes during drop freezing

Partitioning of volatile chemicals among the gas, liquid, and solid phases during freezing of liquid water in clouds can impact trace chemical distributions in the troposphere and in precipitation. We describe here a numerical model of this partitioning during the freezing of a supercooled liquid drop. Our model includes the time-dependent calculation of the coupled processes of crystallization kinetics, heat transport, and solute mass transport, for a freezing hydrometeor particle. We demonstrate the model for tracer partitioning during the freezing of a 1000 μm radius drop on a 100 μm ice substrate, under a few ambient condition scenarios. The model effectively simulates particle freezing and solute transport, yielding results that are qualitatively and quantitatively consistent with previous experimental and theoretical work. Results suggest that the ice shell formation time is governed by heat loss to air and not by dendrite propagation, and that the location of ice nucleation is not important to freezing times or the effective partitioning of chemical solutes. Even for the case of nucleation at the center of the drop, we found that dendrites propagated rapidly to form surface ice. Freezing then proceeded from the outside in. Results also indicate that the solid-liquid interfacial surface area is not important to freezing times or the effective partitioning of chemical solutes, and that the rate aspects of trapping are more important than equilibrium solid-liquid partitioning to the effective partitioning resulting from freezing.