1979-2012年北极海冰范围年际和年代际变化分析

利用美国冰雪中心发布的海冰密集度数据,对1979—2012年北极海冰范围进行年际和年代际变化分析。结果表明:(1)海冰在秋季融化速度最快,其次为夏季、冬季、春季。2000年后春季下降速率变缓,而其他季节融化速度加快;(2)由于多年冰的融化,太平洋扇区在夏秋季节融化速度要高于其他海区。而大西洋扇区在冬季和春季海冰的融化速度要快于夏秋季节,主要是因为大西洋海温升高;(3)东半球在夏秋季节海冰融化的范围要大于西半球,因此东北航道比西北航道提前开通应用。而整个北极区域近几年春季融化速度变缓,则主要是西半球的作用;(4)从空间分布年代际变化来看,1989—1998年最接近气候态,1979—1988年密集度偏大区域主要在巴伦支海和东西伯利亚海,2009—2012年海冰密集度较常年显著偏小,东半球密集度减小幅度比西半球更大,尤其是冬春季在巴伦支海,夏秋季在楚科奇海。春季时由于风的作用,白令海附近海冰密集度异常偏大;(5)北极区域海冰范围在冬春季比夏秋季突变明显,基本在2003年前后,海冰范围变化周期为6年。     

北冰洋入海径流变化状况及其与近岸海冰关系

北极入海径流是北冰洋最主要的淡水来源之一,也是影响北极变化的重要因素。利用Dai和Trenberth发布的1979—2010年全球河流流量和陆地径流数据集、全球径流数据中心(GRDC)数据集和美国国家冰雪中心数据集,以入海口位置划分研究区域为楚科奇海区、东西伯利亚海区、拉普捷夫海区和喀拉海区;以流量特征,选取注入北冰洋的前12条大河中的6条主要河流为代表,采用Mann-Kendall趋势分析方法,检测了不同海区入海径流在不同季节的变化特征及趋势,并对其与边缘海区海冰覆盖面积的关系进行分析。结果表明:所有河流的季节特征明显且一致,径流量集中在4—11月, 6月前后的洪峰流量远大于春季和秋季的径流量,且叶尼塞河和勒拿河洪峰时期的流量是其他河流的3—4倍。径流季节变化明显,在全球变暖的影响下,径流总体呈现显著增长趋势,春季径流量增加最为明显,其中东西伯利亚海域入海径流增长最快。楚科奇海春季径流量与融化开始时间显著相关,径流量每增加5.9 km3·a–1,海冰融化时间提前一天。东西伯利亚海夏季径流量与融化开始时间(8月)显著相关,径流量每增加30.7km3·a–1,海冰融化时间提前一天。东西伯利亚海8月最大日径流量与当月冰情显著相关,最大日径流量发生时间平均提前于海冰低谷发生时间8天。不考虑其他因素的情况下,最大日径流量每增加15.7km3·a–1,海冰低谷距平降低1%,表明其促进融冰期海冰的融化,导致冰情减轻。东西伯利亚海秋季径流的增大加速了结冰后期海冰的冻结。     

东西伯利亚海海冰季节变化特征及主要影响因素分析

利用1997-2005年美国国家冰雪中心提供的卫星遥感数据,对东西伯利亚海海冰周年变化特征及其动力和热力学机制进行详细分析,以1999年海冰状况为例讨论了该海域海冰的周年变化。按照海冰变化的区域特征和融化机制差异,将全年的海冰变化过程分为密集冰封期、陆坡开裂期、西部融化期、全面融化期和秋季结冰期。不同年份各个阶段发生的具体日期不尽相同,海冰覆盖面积最小值及其发生时间有所差异,但是,各年海冰变化的5个阶段都清晰可辨。海冰融化时间持续3个月,冻结时间仅为1个半月左右。每年5月份东西伯利亚海陆坡处海冰发生开裂,主要是该时期风场辐散的作用。1999年,除5月份以外的其他月份,东西伯利亚海海表面风场是辐聚风场,不利于海冰融化和开阔水域面积的扩大。东西伯利亚海海冰融化的决定性因素是陆地径流,因迪吉尔卡河、科雷马河、亚纳河和勒拿河四条河流在海冰融化过程中发挥主要作用。海冰覆盖面积最小值出现的时间一般是9月下旬,整个海域的沿岸带海冰全部消失,形成大范围的开阔水。夏季北半球气温的升高和太阳辐射的加热作用,为海冰融化提供持续的热量。     

夏季北冰洋楚科奇海微微型、微型浮游植物和细菌的丰度分布特征及其与水团的关系

本文利用2008年我国第三次北极科学考察的机会,分析了夏季楚科奇海微微型、微型浮游植物和细菌丰度的分布特征,并探讨了它们与楚科奇海水团之间的关系。结果表明：与北冰洋的其它海域相比,楚科奇海的微型浮游植物丰度相对较高（0.03~10.23×103 cells/mL）,微微型浮游植物则大致相同（0.01~2.21×103 cells/mL）,而浮游细菌丰度明显较高（0.21~9.61×106 cells/mL）。白令海陆架水与海冰融化混合水和阿纳德尔水浮游植物群落结构不同,夏季随着太平洋水入流水对楚科奇海的日益影响,其水体本身的群落结构可能被外来群落替代。     

影响北极地区迅速变化的一些关键过程研究

最近研究证明 ,近半个世纪来 ,北极地区正在发生迅速变化。部分地区温度上升了 2- 3°C ,北冰洋海冰退缩 5 %,中心地区海冰厚度变薄 ,海面压力降低 ,中上层水淡化和变暖 ,吸收CO2 能力增加 ,臭氧耗损和紫外线辐射增强。中国于 1 999年开展了“中国首次北极科学考察” ,在楚科奇海、加拿大海盆、白令海以及临近海域开展了海冰气相互作用的多学科综合考察 ,对北极的区域特征及其在全球变化中的作用研究获得一些新的认识。观测到加拿大海盆中层水持续增暖的现象 ,揭示了西北冰洋与白令海水体交换的途径和次表层暖水结构 ,发现了加拿大海盆是北冰洋河水的主要储存区。利用联合冰站观测数据 ,模拟了北冰洋夏季大气边界层结构和下垫面能量平衡的变化特征 ,定量给出了北冰洋夏季海 /气和冰 /气之间湍流通量和边界层参数的差异。海 /气CO2 的通量观测表明 ,考察区的大部分海域均为大气CO2 汇区 ;西北冰洋海冰区具有较高的生物泵运转效率 ,楚科奇海陆架是一个高效的有机碳“汇”区 ,寒冷水体中微生物活动并未受到明显抑制。沉积物的地球化学过程研究表明 ,海底表层沉积物中碘含量存在着由低纬度到高纬度增加趋势 ,北极地区可能是碘的汇区 ,碘可作为极区古海洋中的地球化学元素变化的重要指标。楚科奇海、白令海     

北极航道相关海域科学考察研究进展

我国从1999年开始已实施了四次北极科学考察,对白令海、楚科奇海、波弗特海、加拿大海盆和马卡若夫海盆进行了广泛的考察。全球变化导致的北冰洋夏季海冰覆盖面积不断减少,导致冰期以来北极东北航道和西北航道的首次同时开通。北极航道集中在陆架海域,不仅是海冰变化最为显著的海域,同时也是陆地－北冰洋相互作用最为显著的区域,对北冰洋区域气候、生态系统和生物多样性、以及经济和当地土著居民生活等具有重大影响。本文对北极航道关键海域近年来国际相关科学考察进行了总结,对科学考察背后的各国北极策略进行分析,并从科学需求的角度对我国在今后北极科学考察中针对北极航道相关海域应开展的科学考察与研究提出了相关建议。     

白令海和楚科奇海表层沉积硅藻分布特征

对我国第二次和第三次北极科学考察在白令海和楚科奇海获取的部分表层沉积物样品进行了详细的硅藻分析,旨在了解白令海和楚科奇海表层沉积硅藻的主要分布情况。研究发现海冰对北极硅藻有着显著的影响,在最小冰边缘线以北海域,由于常年被海冰覆盖,表层沉积物中的硅藻数量极少甚至缺失,而在此范围以南海域,硅藻含量则甚为丰富。白令海和楚科奇海表层沉积物中最主要的硅藻种类及组合有：角毛藻休眠孢子(Chaetoceros resting spores),海冰硅藻组合(以Fragilariopsis oceanica和Fragilariopsis cylindrus为代表),极地硅藻组合(优势种有Bacterosira bathyomphla,Thalassiosira antarctic v. borealis及其休眠孢子),沿岸底栖硅藻组合(主要有Paralia sulcata和Delpheneis surirella),诺氏海链藻(Thalassiosira nordenskioeldii)和塞米新细齿藻(Neodenticula seminae)等。上述硅藻种类及组合具有显著的空间分布差异性,并与现代海洋环境因素密切相关,因此对于白令海和楚科奇海古海洋环境研究具有重要意义。     

北极加拿大海盆2003年和2008年上层海洋热含量的差异分析

主要利用2003年和2008年两次夏季北极科学考察的CTD数据处理了加拿大海盆上层海洋的热含量(这里上层海洋指的是200m以上的海洋),定量分析了热含量随深度的变化,并比较分析了这两年在夏季海冰融化期间热含量的垂向差异变化,以及影响热含量变化的因素,给出了上层海洋热含量在加拿大海盆的空间分布。2008年与2003年相比最显著的变化是在加拿大海盆开阔水域的增加,这将导致太阳辐射能进入海洋中的能量增加,同时海冰的大量融化带来了大量淡水,这些变化改变了上层海洋的温盐性质。海冰大量融化主要产生两个效应：一是上层海洋的普遍增暖,二是太平洋入流水体的下移。文中还分析了近年来在加拿大海盆中变化显著的次表层暖水现象,由于次表层暖水蕴含着不小的热含量,其在上层海洋热量平衡中的作用不容忽视。     

楚科奇海和白令海的海洋低温微生物调查

在 1 999年北极夏季期间对楚科奇海和白令海的海洋低温微生物进行了调查。在楚科奇海 ,海洋细菌和海洋真菌的检出率分别为 1 0 0 %和 >94% ,其相应的总量一般分别为 >1 0 3 cells/cm3 和 1 0 1— 1 0 3 cells/cm3 ;在大多数站位 ,海洋细菌的总量通常都高于海洋真菌的总量 ;从表层至 1 0 m或 3 0 m深层的海水区域 ,分布有丰富的海洋微生物。调查结果还显示 ,不同站位间的海洋微生物总量存在明显差异 ,海冰的融化和海水中的盐度可能是影响这一海区海洋微生物总量的重要因素。在白令海 ,海洋细菌的检出率为 1 0 0 % ,其总量一般在 1 0 2 — 1 0 3 cells/cm3 ;海洋真菌的检出率 >84% ,其总量一般也在 1 0 2 — 1 0 3 cells/cm3 。白令海不同站位间的海洋微生物总量也存在较大的差异。调查结果证实在楚科奇海和白令海的确存在大量的低温海洋微生物 ,在所研究的海洋细菌中 ,分别有 81 %的楚科奇海细菌和 88.9%的白令海细菌能够在低温条件下 (<1 0℃ )良好生长 ,而且有部分菌株能够在低温条件下分解利用淀粉或纤维素等多糖物质以满足自身生长的营养需求。这些海洋低温菌株为进一步开发利用这些海域的海洋微生物资源提供了充足的材料     

南北极海冰变化及其影响因素的对比分析

海冰是海洋-大气交互系统的重要组成部分,与全球气候系统间存在灵敏的响应和反馈机制。本文选用欧洲空间局发布的1992—2008年海冰密集度数据分析了南北极海冰在时间和空间上的变化规律与趋势,并结合由美国环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)和美国大气研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)联合制作的NCEP/NCAR气温数据和ENSO指数探讨了南北极海冰变化的影响因素。结果表明,北极海冰面积呈明显的减少趋势,其中夏季海冰最小月的减少更快。北冰洋中央海盆区、巴伦支海、喀拉海、巴芬湾和拉布拉多海的减少最明显。南极海冰面积呈微弱增加趋势,罗斯海、太平洋扇区和大西洋扇区的海冰增加。北极海冰面积与气温有显著的滞后1个月的负相关关系(P0.01)。北极升温显著,北冰洋中央海盆区、喀拉海、巴伦支海、巴芬湾和楚科奇海升温趋势最大,海冰减少很明显。南极在南大西洋、南太平洋呈降温趋势,海冰增加。北极海冰减少与39个月之后ONI的下降、40个月之后SOI的上升密切相关;南极海冰增加与7个月之后ONI的下降、6个月之后SOI的上升存在很好的响应关系。南北极海冰变化与三次ENSO的强暖与强冷事件有很好的对应关系。     

北极海冰与大气环流耦合主模态的时空特征分析

对1979—2009年月平均的CFSR（The Climate Forecast System Reanalysis）海冰密集度（SIC）和海平面气压（SLP）资料进行多变量经验正交函数分解（MV—EOF）,得出耦合主模态,并通过对温度、位势高度和风场的回归分析,进一步探寻海冰与大气环流的关系,第一模态SLP的特征为北极涛动（AO）,SIC呈离散的正负中心分布但大体为东西反位相,AO正位相时,喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海和鄂霍次克海海冰减少,巴芬湾、波弗特海、楚科奇海和白令海海冰增加。耦合第二模态的SLP呈偶极子分布,负、正异常中心在巴伦支海和波弗特海,SIC在巴伦支海,弗拉姆海峡,格陵兰海,拉布拉多海和白令海,鄂霍次克海地区有正异常,在喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海、楚科齐海和波弗特海为负异常。耦合第三模态SLP在冰岛地区存在负异常中心,在拉普捷夫海地区有正异常中心,SIC在巴伦支海北部、弗拉姆海峡、格陵兰海为负异常,其余地区全为正异常。 对SLP和SIC分别进行EOF分解,并与耦合模态进行比较,SLP的EOF主模态的时空分布与耦合模态中SLP的时空分布十分相似,SIC的EOF模态的时空分布则与耦合模态中SIC的时空分布有较大差别,说明耦合模态对SIC的分布影响较大,即大气环流对海冰分布的影响为主要的过程,海冰对大尺度的大气环流的模态的影响不明显。     

白令海和楚科奇海水文特征和水团结构的初步分析

根据我国首次北极科学考察所获 CTD资料 ,分析了白令海和楚科奇海的水文特征和水团结构。研究表明 :(1 )该两海域温、盐度的分布有着明显的区域性差异。楚科奇海的温、盐度普遍低于白令海。 (2 )夏季 ,白令海大部分水域温度垂直分布的突出特点是 :在 2 0 m和 2 5 0 m间存在温度低于 3°C的中层冷水。 (3 )在楚科奇海北纬 70°以北海域 ,不论是水温或盐度皆明显减小 ,从而在此区域形成强的温、盐度锋带。 (4)在白令海存在三种水团 ,而楚科奇海的水团则大致分为两类     

楚科奇海阿拉斯加沿岸冰间湖的变化及其影响因素分析

利用2003—2011年AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System)日平均海冰密集度数据,对楚科奇海阿拉斯加沿岸冰间湖进行了分析。针对冰间湖的特点,在阈值法的基础上,通过统计冰间湖出现的频率,限定冰间湖的最大范围,区分各个冰间湖。通过计算阿拉斯加沿岸冰间湖的面积,结合NCEP-DOE(National Centers for Environmental Prediction-Department of Energy)再分析风场数据和白令海峡潜标观测的温盐和海流数据,初步探讨冰间湖发生和发展的规律。为了排除海冰外缘区对判断冰间湖的影响,研究仅限于白令海峡完全冰封的1—4月,可得到以下结论:阿拉斯加西北沿岸海域每年冬季都会出现5个冰间湖,多数时间为紧靠大陆边缘的沿岸冰间湖,巴罗角附近海岸在3月和4月会出现位于沿岸固定冰之外的裂缝冰间湖。冰间湖面积每天都发生变化,表现出天气尺度的变化特征,经历长达数日的发展和消失的过程,与风场的转换有密切关系。离岸风有利于沿岸冰间湖的扩展,但是该海域1—4月的盛行风为东北风和北风,对于多数冰间湖而言为沿岸风,不利于冰间湖的形成,因而冰间湖有时消失长达数十日。在偏北风的影响下,太平洋入流对北部冰间湖几无作用,而对南部冰间湖的空间分布有着重要影响。     

楚科奇海和白令海毛颚类的分布

根据 1 997年 7─ 8月我国首次北极科学考察期间 ,分别在楚科奇海和白令海进行海洋综合调查的资料 ,分析了这两区毛颚类种类组成和生态类型的特征、丰度的水平分布、层状分布和昼夜垂直分布。同时还就其数量分布与某些环境因子的相关性进行初步探讨。研究表明 :( 1 )两区共记录毛颚类 7种 ,可分为 3个类群 ,在数量上 ,白令海的个体数明显高于楚科奇海 ;其平面分布的状况主要由优势种所左右 ,并且都呈现出南高北低的分布格局。 ( 2 )在楚科奇海 ,毛颚类的层状分布以 5 0─ 2 0 0m层数量较高 ,5 0 0─ 80 0m层最低。白令海毛颚类的昼夜垂直分布的趋势是 ,白天总个体数最高比值均出现在 2 0 0─ 5 0 0m层 ,而晚上─凌晨则密集于 1 0 0m以浅水域 ,尤以 0─ 5 0m层数量最高 ,表现出白天下降夜晚上升的分布规律。     

楚科奇海和白令海浮游植物的种类组成与分布

根据 1 999年 7月至 8月我国首次北极科学考察期间“雪龙”号考察船在楚科奇海 ( 66°0 .3′N75°1 8.6′N ,1 5 3°36.5′W 1 74°5 9.5′W )和白令海 ( 5 5°5 9.8′N66°0 .3′N ,1 73°2 1 .1′E1 75°5 3.9′W)采集的 5 1份网采样品和 2 4份水采样品 ,鉴定浮游植物 3个门类 38属 1 2 1种 (含变种和变型 ) ,都是真核藻类。其中楚科奇海有 33属 1 0 3种 ,白令海有 2 5属 71种 ,两海区共有种 49种。这些种类可分为 4个生态类群 :( 1 )北极类群 ;( 2 )北极、亚北极北方类群 ;( 3)北方温带类群 ;( 4 )世界性广温类群等。主要优势种有楚科奇海的格鲁菱形藻 (Nitzschiagrunowii)、诺登海链藻(Thalassiosiranordenskioldi)和聚生角毛藻 (Chaetocerossocialis)等和白令海的西氏细齿状藻(Denticulaseminae)、柔弱菱形藻 (Nitzschiadilicatissima)、成列菱形藻 (N .seriata)和长海毛藻(Thalassiothrixlongissima)等。楚克奇海浮游植物的平均丰度 ( 8.32× 1 0 7个 /m3)远高于白令海( 1 .5 8× 1 0 6个 /m3)。文中还讨论了调查区浮游植物的分布特点及其与环境的关系。     

1999年夏季中国首次北极考察区水团特征

依据 1 999年 7月至 9月中国首次北极考察队在白令海、楚科奇海和南加拿大海盆的现场调查资料 ,本文分析了三个海区的水团特征 :( 1 )白令海水团主要由季节变化显著的白令海上层水团和中层水团以及深层水团组成 ;( 2 )楚科奇海水文特征受融结冰过程影响较大 ,1 999年7月和 8月差异较大 ,其水团主要为浅海变性水团 ,包括两个次级水团 ,楚科奇海夏季水和来自北太平洋以及北冰洋变性的外海入侵水 ;( 3)南加拿大海盆的水团主要由受融结冰过程影响的表层水团、源于太平洋水的次表层水、源自北大西洋的中层水团和深层水团组成