从第三极到北极： 湖冰研究进展

在全球气候变暖背景下, 第三极和北极地区的增温尤其明显, 冰冻圈对气候变化有着更为敏感的响应。湖冰作为冰冻圈的重要组成部分, 其变化不仅是气候的指示器, 同时也通过改变能量平衡、 大气环流、 辐射平衡等影响区域气候。通过对比不同观测手段及主要模型模拟方法在湖冰研究中的优缺点及适用性, 总结了第三极和北极湖冰变化的时空特征, 结果表明：第三极和北极地区湖冰均显示初冰日推迟、 消融日提前、 封冻期缩短的趋势; 第三极和北极地区湖冰厚度呈持续减少趋势; 未来湖冰的这些变化将更加显著。第三极和北极地区湖冰的变化主要受到气温的影响, 同时也受到风速、 湖泊理化性质的限制。在系统梳理第三极和北极地区湖冰变化的基础上, 总结了湖冰研究面临的问题和挑战, 为未来湖冰研究提供科学依据。     

北极地区盆地分类与油气资源分布规律

北极地区油气资源潜力大,且油气勘探开发尚处于初期,是未来国内外油气工业发展的重要战略领域。文中综合运用全球领先信息服务公司埃信华迈（IHS）和美国地质调查局（USGS）的最新资料及已有研究成果,对北极地区的盆地类型和油气资源分布规律展开研究。结果表明:北极地区至少发育35个沉积盆地,具体划分为裂谷盆地（5个）、被动大陆边缘盆地（16个）、克拉通盆地（5个）、前陆盆地（5个）和大洋盆地（4个）。裂谷盆地是北极地区油气最富集的盆地类型,发现油气探明和控制可采储量（简称2P储量）441.12×108 t油当量,占北极地区油气总储量的74.6%,其次为前陆盆地、被动大陆边缘盆地和克拉通盆地。北极地区大部分油气储于白垩系、侏罗系和二叠系的碎屑岩储集层,仅有小部分油气储于石炭系和泥盆系碳酸盐岩储集层,且不同国家、不同含油气盆地的主力储集层存在明显差异。北极地区的油气主要源自侏罗系和白垩系的烃源岩,三叠系和泥盆系烃源岩次之。此外,复合圈闭是北极地区油气藏的主要圈闭类型,其次是构造圈闭。北极地区盆地类型和油气宏观分布规律的研究将为中国石油公司在北极地区的长远发展奠定基础。      

中国参与北极油气资源开发利用前景与方向

北极地区丰富的油气资源近年来引发全世界的广泛关注。评估结果显示,北极油气资源分布不均,主要集中在俄罗斯、美国阿拉斯加、挪威、加拿大和丹麦格陵兰。不同国家和地区北极油气资源勘探开发特点不同,在新形势下可能还会发生变化。中国是油气消费大国和进口大国,俄罗斯北极地区已日渐成为中国重要油气供应地之一。综合分析几个主要北极国家北极油气开发利用现状和未来发展前景,与中国目前参与北极油气开发利用的情况,对未来中国如何参与北极油气资源开发利用提出建议,将俄罗斯作为中国北极油气开发的长期合作伙伴,与其开展项目投资、技术入股、航道建设等多个方面的合作。      

与全球变化有关的几个北极海洋地质问题

极地区域是全球变化研究的重点区域 ,在北极地区与全球变化有关的地质问题主要是北极地区的海陆变化对全球变化的影响 ,以及全球变化在地层中的记录。这涉及到北极形态变化及与其它大洋沟通的水道开闭情况 ,地形起伏对大气、大洋环流的影响 ,地壳升降与海平面变化对河流流量和海岸稳定性的影响 ,气体水合物及有机碳等变化对全球碳循环的影响 ,以及这些影响与气候变化信息在极地沉积物中的记录。文章在对上述影响及海洋地质研究状况进行探讨后 ,又简要介绍了中国的首次北极考察海洋地质研究状况     

北极快速增暖背景下冰冻圈变化及其影响研究综述

北极具有独特的地理位置和战略地位,是当前全球变化研究的热点区域之一。北极增暖是全球平均值的两倍以上,被称为“北极放大”现象。在北极快速增暖背景下,冰冻圈尤其是海冰显著萎缩,对北极乃至中纬度天气气候产生深远影响。对北极快速增暖背景下冰冻圈主要要素（包括海冰、冰盖、冰川、积雪和冻土）时空变化特征及未来预估进行了综述,同时总结了海冰变化对北极气候系统（大气圈、水圈、岩石圈和生物圈）以及中纬度极端天气气候事件的影响。指出当前北极冰冻圈变化研究受观测资料缺乏及模式模拟不确定等问题限制,其机理及对中纬度天气气候影响机制仍存在争议。未来还需要加强北极地区的综合监测,提高模式对北极气候系统物理过程的模拟能力,进行多模式、多数据、多方法的集成研究。     

美国专家为北极政策问题建言

正研究表明至21世纪中叶,北冰洋可能会出现夏季无冰的现象,这将为开发北极地区富含的油气和矿产资源提供新的机遇。然而一些前所未有的新问题也开始显现,如北极边界冲突、环境破坏和北极土著居民保护等相关的法律和政策问题。对此,麻省理工学院城市与环境规划教授、哈佛大学谈判项目中心教育副主席Lawrence Susskind提出了一些看法与建议:     

冰冻圈关键地区雪冰化学的时空分布及环境指示意义

采用雪冰常量化学元素示踪体系, 系统分析了冰冻圈关键地区的南极冰盖、北极格陵兰和北极中心地带、以及以青藏高原为中心的高亚洲地区现代降水(表层雪冰)化学的空间分布、季节变化特点. 研究表明, 两极和高亚洲地区雪冰化学反映了全球或局地大气环境本底:南极现代雪冰化学代表了南半球或全球本底, 北极格陵兰地区代表了北半球对流层中部本底, 青藏高原海拔5 000 m以上的高海拔地区雪冰化学则代表中纬度地区对流层中上部本底. 其中, 离子浓度在两极冰盖和喜马拉雅山高海拔地区接近, 而在青藏高原北部高海拔地区则高得多. 三个地区雪冰化学的季节分布特点是: 在南极冰盖, 海盐气溶胶的"丰"季形成雪层化学峰值, 在北极, 冬春季污染物(所谓"北极霾")和漂尘形成季节峰值, 在高亚洲, 主要是春季降尘形成明显污化层. 青藏高原上大风季节与干季重叠, 静风季节与湿季重叠, 决定了干湿沉积过程具有明显季节转换. 总之, 主要阴、阳离子在南、北极和高亚洲雪层中的时空分布揭示了大气气溶胶的源区和传输, 其形成过程与大尺度大气环流、季风和局地尘暴等事件密切相关.     

环北极地区冰川（盖）物质平衡研究进展

回顾了环北极各分区冰川物质平衡观测,研究的历史与现状,过去３０ａ间,北极冰川（帽）波动与全球平均变化保持同步。相对于中低纬地区冰川,北极地区的小型冰川（帽）对全球气候变化反应更灵敏,北极冰川物质平衡的变化对气候变化具有更好的指示意义。１９世纪末以来的百年时间里,除本世纪６０年代出现短暂的相对冰时外,环北极冰川表现出普遍退缩趋势。     

北极区域传统和新型POPs研究进展

北极由于独特的地理位置和自然条件,在全球气候环境变化的研究中占有举足轻重的地位。该区域常年低温,可能累积来自于中低纬度的持久性有机污染物(POPs),对简单脆弱的北极生态系统造成极大的压力。近40年来,尤其在2009年斯德哥尔摩公约新增9种POPs之后,北极地区的新型POPs引起的环境问题进一步受到科学家、政府和公众的关注。目前对传统POPs在北极的迁移转化过程的了解有限,新型POPs更是需要深入研究。通过对北极地区POPs相关研究进行归纳总结,重点阐述北极大气、水体、沉积物和生物体内传统和新型POPs的赋存水平、历史演变、生物富集以及来源,在此基础上进一步展望未来的变化趋势并提出一些亟待解决的关键问题。     

AMAP评估报告解读:短寿命气候强迫因子特征及其对北极气候变化的影响

基于北极理事会北极监测与评估计划(AMAP)工作组于2021年发布的“短寿命气候强迫因子(SLCFs)对北极气候、空气质量和人类健康的影响”科学评估报告,本文系统解读了黑碳(BC)、甲烷(CH₄)、臭氧(O₃)与硫酸盐(SO₄^2-)气溶胶等短寿命气候强迫因子特征及其对北极气候变化的影响。报告指出:BC、O₃和CH₄共同促进了北极地区的快速变暖,而SO₄^2-气溶胶对北极气候变化具有致冷效应,由此减缓了由CO₂和SLCFs导致的部分增暖效应。全球人为源CH₄排放量以及北极大气中的CH₄含量持续增加,苔原退化、泥炭地融化、森林火灾频发等导致北极地区BC和有机碳气溶胶排放日益增多,气候变暖进一步导致更大范围且更加频繁的森林火灾和冻土退化,对BC与CH₄等释放以及气候效应形成正反馈。因此,SLCFs减排将有利于北极地区生态环境的健康可持...     

长时间序列北极海冰密集度遥感数据的比较评估

基于空间分辨率和精度更高的BLM海冰密集度数据集, 评估了两种时间跨度较长、 应用广泛的25 km分辨率海冰密集度遥感数据集——NSIDC数据集和SICCI数据集。两种数据集与BLM数据集的海冰面积变化趋势相同, 但均低于基于BLM数据集得到的海冰面积, 其中基于SICCI数据集得到的海冰面积更接近BLM数据集。相比于NSIDC数据集, SICCI数据集的年、 月平均和日海冰面积偏差分别低81.88%、 80.90%、 81.44%, 且其海冰密集度平均偏差为-3.28%, 低于NSIDC数据的4.36%, 因此在进行北极地区整体海冰面积及海冰密集度分析时应选用SICCI数据集。按纬度、 海冰密集度值分情况对两种数据进行比较, 发现NSIDC数据集对开阔水域和浮冰区的区分效果较差, 其在低纬度和低密集度区域的平均偏差分别为10.11%和13.13%, 而SICCI数据集的平均偏差达到0.05%和0.44%, 是研究低纬度和中低海冰密集度区域的首选数据。与之相对, NSIDC数据集对中高纬度高海冰密集区域, 特别是近北极点区域的反映能力优于SICCI数据集, 平均偏差为1.08%, 均方根偏差为7.76%, 因此进行中高纬度高海冰密集度区域分析时首选NSIDC数据集。对两类数据集在北极东北航道上的分段评估结果发现, 低纬度海冰边缘地带或中低海冰密集度区域占比较高的航段区, SICCI数据集更接近BLM数据集, 这些航段应使用SICCI数据集进行分析; 而在中高纬度高海冰密集度区域占比较高的航段区, NSIDC数据集更加贴合, 应为首选数据集。     

基于FY-3 MWRI数据的北极海冰密集度反演研究

以ASI算法（ARTIST sea ice algorithm）为基础, 得到基于风云3C气象卫星（FY-3C）微波辐射计（MWRI）数据的纯水与纯冰系点值, 利用插值方法确定基于FY-3 MWRI数据的ASI海冰密集度计算公式, 采用大津法（Otsu算法）得到基于MWRI数据的天气滤波器阈值。以2016年1月数据为例, 对北极海冰密集度进行反演, 并与美国国家冰雪数据中心（NSIDC）以及德国不莱梅大学提供的海冰密集度产品进行对比验证。结果表明： 基于MWRI数据得到的1月平均海冰面积以及平均密集度均介于二者之间, 其中平均密集度与不莱梅产品更接近, 仅相差1.310%。与风云卫星空间分辨率为250 m的中分辨率光谱成像仪（MERSI）数据得到的结果进行对比, 发现二者的海冰外缘线基本一致, MERSI数据得到的海冰密集度以及海冰面积比MWRI数据得到的结果分别高出5.029%、 9.318%。因此, 应用该方法可有效推进MWRI数据反演北极海冰密集度, 进而监测北极海冰分布和变化。     

基于IceBridge数据的南极别林斯高晋海的海冰厚度研究

海冰变化与全球气候、 生态系统和人类活动密切相关, 海冰厚度是海冰变化研究的重要参数之一。全面立体高精度观测海冰厚度的最有效手段是航空遥感, 而冰桥计划（IceBridge）是当前南北极最大的航空遥感工程。基于2009 - 2014年冰桥计划的激光雷达高程数据和数字测图系统相机光学影像对南极别林斯高晋海的海冰厚度进行研究, 并结合降雪量等气象数据探讨该区域海冰厚度变化的原因。研究发现该海域的海冰厚度在2009 - 2014年间整体呈微弱增长趋势（0.07 m·a^-1）, 但是在95%置信水平下不具有显著性。2009 - 2011年呈现先增加后减少的大幅度变化, 其中2010年达到极大值2.42 m, 之后开始缓慢增加。海冰厚度的年际变化与降雪和近地表温度等气象要素相关, 二者相比较而言降雪为主要影响因素。     

利用三维GPR探测北极夏季海冰厚度及下表面形态特征分析

海冰在全球气候系统中扮演着重要角色。在中国第二次北极科学考察中，使用3D雷达探测结合冰钻进行海冰测量。雷达剖面上可清楚识别冰-水界面，与冰钻测量结果较好地吻合。雷达3D图像清晰显示了冰底界面在3D方向的起伏变化以及冰内构造的空间展布情况。对三维探测区域内海冰厚度统计显示，所测冰盘的平均厚度为4．15m，较厚的区域位于左下角，最大厚度约为6．4m，较薄的区域是在中央和左上角区域，最小的厚度小于3．0m。经过进一步计算可提供如海冰上下表面面积、海冰体积等参数，为遥感和数值模拟提供地面校核数据，也为海冰形成机制和动力作用过程研究提供佐证和依据。     

北极海冰减退引起的北极放大机理与全球气候效应

自20世纪70年代以来,全球气温持续增高,对北极产生了深刻的影响。21世纪以来,北极的气温变化是全球平均水平的2倍,被称为"北极放大"现象。北极海冰覆盖范围呈不断减小的趋势,2012年北极海冰已经不足原来的40%,如此大幅度的减退是过去1 450年以来独有的现象。科学家预测,不久的将来,将会出现夏季无冰的北冰洋。全球变暖背景下北极内部发生的正反馈过程是北极放大现象的关键,不仅使极区的气候发生显著变化,而且对全球气候产生非常显著的影响,导致很多极端天气气候现象的发生。北极科学的重要使命之一是揭示这些正反馈过程背后的机理。北极放大有关的重大科学问题主要与气—冰—海相互作用有关,海冰是北极放大中最活跃的因素,要明确海冰结构的变化,充分考虑融池、侧向融化、积雪和海冰漂移等因素,将海冰热力学特性的改变定量表达出来。海洋是北极变化获取能量的关键因素,是太阳能的转换器和储存器,要认识海洋热通量背后的能量分配问题,即能量储存与释放的联系机理,认识淡水和跃层结构变化对海气耦合的影响。全面认识北极气候系统的变化是研究北极放大的最终目的,要揭示气—冰—海相互作用过程、北极海洋与大气之间反馈的机理、北极变化过程中的气旋和阻塞过程、北极云雾对北极变化的影响。在对北极海冰、海洋和气候深入研究的基础上,重点研究极地涡旋罗斯贝波的核心作用,以及罗斯贝波变异的物理过程,深入研究北极变化对我国气候影响的主要渠道、关键过程和机理。     

北极海冰与全球气候变化

最近有关北极海冰在全球气候系统中作用的研究发现，北冰洋边缘海域大洋深水的形成与海冰发育有关，海冰冻融过程对盐度层结具有重要影响，海冰变化可引起盐度突变层的灾变和热盐环流的突然停止，热盐环流的变化与北大西洋海冰１０年际变化相联系，北大西洋气候的不稳定性与热盐环流变化密切相关。北极海冰－海洋－大气间耦合作用，使北极海冰构成了北大西洋和全球气候反馈循环中的重要环节。     

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。     

1936—2017年北极勒拿河流域气候变化及其对径流的影响

北极河流径流的变化会影响海冰热力过程和海洋温盐环流。基于全球降水气候学中心（GPCC）及俄罗斯水文气象部提供的1936—2017年间的气温、 降水和径流数据, 分析了北极勒拿河（Lena River）流域近80年来的气候和径流变化特征, 并探究了气候变化对径流的影响。通过分析得出： 研究期内勒拿河流域气温上升0.18 ℃·（10a）^-1, 降水量增加率为4.7 mm·（10a）^-1, 径流增加399 m³·s^-1·（10a）^-1。各个季节的径流均呈增加趋势, 其中春季径流增加最为明显, 冬季次之。春季径流的增加主要是由春季气温升高所致的积雪加速消融造成的, 其次是春季降水的补给。夏、 秋季径流增加的主要原因是降水的贡献, 气温升高加剧蒸发反而使径流减少。冬季径流的增加, 是由于气温升高导致冻土退化或活动层厚度增加, 促进更多冻结水进入径流过程, 致使径流增加。     

从第三极到北极： 气候与冰冻圈变化及其影响

第三极和北极地区对于区域和全球环境、 社会经济以及国家战略的重要性日益凸现。通过对第三极和北极气候与冰冻圈研究的现状、 趋势进行梳理总结, 为未来的系统研究提供借鉴。结果显示, 第三极和北极气候系统与冰冻圈正在发生显著变化并预计将持续下去。第三极和北极地区气温在以全球平均升温速度两倍的速率变暖, 且在20世纪70年代以来, 变化总体趋势高度一致; 降水变化总体呈增加趋势, 但变率和不确定性较大; 极端事件（尤其是极端降水）的频率增加; 积雪范围总体上呈现减少趋势, 雪水当量、 积雪天数的变化存在区域和周期性差异; 多年冻土温度升高, 活动层厚度增加, 亦呈现较大的区域差异。这些变化不仅对生态、 水文、 碳循环产生重要影响, 而且对基础设施、 社会经济以及人类健康产生不可忽视的影响, 包括重金属污染、 食品安全等。气候及冰冻圈快速变化会通过反照率反馈、 水汽反馈等机制被放大, 并通过一系列大气及海洋环流过程, 对周边乃至全球气候系统产生广泛影响。目前第三极和北极研究中面临的重要共同问题包括极度稀疏的地面观测资料、 模型物理机制和精细化描述不足以及缺少与周边地区乃至全球系统关联的量化研究和可靠证据。这些问题的解决都需要依赖地面监测网络的扩展以及对冰冻圈和气候系统物理过程理解的提升。从第三极到北极, 不仅是研究视角的扩大, 更是全面理解第三极和北极在地球系统中作用的必经之路。