北冰洋浮冰和开阔海面上的能量平衡特征

利用中国首次北极考察队于 1 999年 8月 1 9日～ 2 4日在北冰洋浮冰区获得的大气近地层垂直廓线和辐射等资料 ,依据相似理论方法 ,对比分析了北冰洋无冰海面和冰面上热平衡参数的变化特征。结果表明 ,海面与大气和冰面与大气之间相互作用的边界层物理过程差异十分明显。冰面吸收的净辐射仅为海面的 6%左右 ,主要消耗于感热输送和冰面融化过程 ,不足部分由水汽在冰面上凝结释放的潜热和冰中的热通量来补充。海面吸收的净辐射主要消耗于潜热输送过程 ,占净辐射的 50 % ,其余热量传向水体深层和用于感热输送 ,分别占净辐射的 2 6%和 2 4 %。由此可见 ,在北冰洋夏季 ,无冰海面有大量的水汽向大气输送 ,这对研究北冰洋地区大气边界层的季节变化过程是至关重要的     

北冰洋浮冰区的气象要素特征

利用中国首次北极科学考察队观测的气象资料 ,初步分析研究了 1 999年 8月 1 9～ 2 4日北冰洋浮冰 ( 75°N,1 60°W)上的温、压、湿、风、云量、辐射、海表温度、冰面及冰中温度等气象要素变化特征 ,并结合 50 0 h Pa高度场分析了该期间的天气过程。结果表明 :在考察期间海面与冰面温度日变化差异明显。除晴天夜间出现逆温外 ,气温随高度增大而减小 ,冰面为热源 ,不断有向上的热量输送。海温则稳定少变。冰中热交换主要发生在冰下 0～ 40 cm深度。由于有海上湿平流等影响 ,存在“逆湿”现象。晴天反射率具有明显日变化 ,早晚大 ,中午小。海冰表面平均反射率约为 0 .76。辐射与云量特别是低云量的关系密切     

夏季北冰洋浮冰-水道热力学特征现场观测研究

中国第3次北极科学考察期间首次开展了浮冰-水道热力平衡的现场观测。观测结果表明,观测期间气温低于0°C,调查区域正从消融期向生长期过渡,至8月23日水道逐渐封冻。之后表面薄冰的反照率为0.46(±0.03),水道内水温垂向梯度逐渐减小,水道内和冰底的水温逐渐下降。至8月底,浮冰底部的生消达到平衡;侧部仍处于融冰期,对应的平均融解潜热通量为19(±6) W/m2;对观测区的海冰而言,至8月下旬,相对于底部和表面的生消,侧部融化对其物质平衡贡献较大。     

北冰洋浮冰站大气边界层结构的观测研究

利用2003年8月23日-9月3日我国第二次北极科学考察队在北冰洋浮冰站探测的50次大气廓线及相关资料,对北冰洋的大气边界层垂直结构进行了研究。结果显示,观测期间北冰洋(78°N附近,143°-148°W)浮冰区白天的对流边界层高度大于夜间的稳定边界层高度。大气边界层可分为稳定型、不稳定型和多层结构等几种类型。个例分析表明来自高空较强的暖湿气流与冰面近地层冷空气强烈相互作用,会形成强风切变和逆温、逆湿过程,有时100m高度内的风切变达10m/s,逆温达8℃。此种过程会导致北冰洋高纬度地区的大块海冰破裂,形成新的无冰海域,加强了海/冰/气的相互作用。该观测事实将有助于进一步提高对北冰洋高纬度边界层特征及其影响的认识。     

南极中山站附近冰盖近地面层湍流参数的观测研究

利用2007/2008年中国第24次南极考察队在南极中山站附近冰盖上观测试验获得的湍流脉动及相关资料,对原始资料通过坐标旋转订正后,应用涡动相关法计算分析了冰盖近地面层的湍流强度(I)、稳定度参数(z/L)、摩擦速度(u*)、拖曳系数(Cd)、地表粗糙度(z0)及动量通量(τ)和感热通量(H),并与空气动力学方法的计算结果进行对比。结果表明,Louis方案能够较好地模拟近地面层湍流通量;在平均状态下,全天雪面以感热形式从大气获得净的能量;近中性层结下地表粗糙度z0为4.54×10-4m,拖曳系数Cd=1.7×10-3,在非中性条件下,稳定度越小Cd越大,反之,则稳定度越大Cd越小。     

半干旱区沙尘天气近地层湍流通量及起沙研究

利用2005年春季朱日和气象站20 m气象塔的观测资料,结合同期的PM10质量浓度资料,分析了半干旱地区不同沙尘天气下近地层湍流通量的变化特征以及PM10质量浓度与起沙之间的关系。结果表明,动量通量在15:00左右达到极大值;感热通量在白天为正值,中午12:00左右达到峰值,而晚上变为负值,并在凌晨达到谷值;由于3月份下垫面湿度大,导致潜热通量经常全天为正值,并在16:00左右达到峰值;PM10质量浓度与摩擦速度的二次方呈正比,临界起沙风速和临界摩擦速度分别为7 m·s－1和0.7 m·s－1。     

北冰洋海冰和海水变异对海洋生态系统的潜在影响

最近30年来,北冰洋海冰和海水发生了急剧变化:海冰覆盖面积减少、冰层变薄、水温升高、淡水输入增加、污染加剧,正威胁着现有与海冰关系密切的生态系统。预期随着变化的持续,与海冰相关的食物链将在部分海域消失并被较低纬度的海洋物种所取代、总初级生产力有望增加并为人类带来更多的渔获量、而北极熊和海象等以海冰作为栖息和捕食场所的大型哺乳动物的生存前景堪忧。今后人类将更为重视对北冰洋生态环境变化规律的认识并加以运用、关注北冰洋特有物种的命运并加以力所能及的保护、评估北冰洋生态系统的变化对人类社会经济的影响以期及早采取应对措施。数据积累是目前制约北极研究的最大障碍,但随着 SEARCH 等大型国际研究计划的实施,对北冰洋生态系统的监测和研究将更为系统和全面。     

夏季西北冰洋表层淡水分布的总碱度示踪研究

利用中国第三次北极科学考察在西北冰洋所进行的海水总碱度的测量,通过海水、海冰融化水以及河源淡水三个端元总碱度特征的显著差异计算西北冰洋夏季表层海水中淡水所占的比例。研究表明,西北冰洋海冰融化水所占比例最大区域在加拿大海盆区75°N附近,这是冰缘带位置,往北向高纬度的冰密集中逐渐增加。而河源淡水的组份则与北冰洋的环流密切相关,并且在西北冰洋水体中逐渐累积。     

南极瑞穗站上空动量和感热等湍流通量的观测研究

本文根据南极瑞穗站气温、风等平均廓线资料,利用相似理论通量一廓线关系计算得出了该站的湍流通量,并与西太平洋热带海域和北京地区湍流通量计算结果进行了比较。     

沙漠地区春季近地层气象要素分布规律的观测研究

利用2005年1月至2006年4月朱日和地区20 m气象塔的风向、风速、气温、相对湿度的观测资料,分析沙漠地区春季近地层气象要素的分布规律。结果表明: 春季温度回升,风速最大,相对湿度最小,利于起沙,故沙尘天气频繁。风速满足幂指数率分布规律,并且幂指数m能够很好的反映出风速梯度的变化情况;在沙尘暴、扬沙、背景、浮尘的天气条件下,春季近地面层风速梯度依次增大,湍流动量、热量交换系数依次减小;风向以西南为主。浮尘、扬沙天气各气层平均增温率分别大于或小于同时段的背景大气;沙尘暴期间温度下降,平均降温率为0.61 ℃\5h-1。春季相对湿度的平均递减率(递增率)与平均增温率(降温率)的大小正相关。浮尘天气相对湿度的平均递减率大于同时段的背景大气;扬沙天气相对湿度的平均递减率小于同时段的背景大气;沙尘暴天气相对湿度增大,平均增大率为2.80%\5h-1。     

北冰洋中心区表层海水营养盐水平及浮游植物群落对快速融冰的响应

本文依托2010夏季中国第四次北极科学考察,通过对高纬度极地冰下水和冰芯的营养盐的连续观测及表层水颗粒物的藻类色素分析,获取了夏季快速融冰下冰水界面营养盐和光合色素的分布信息。结果表明调查期间表层水磷酸盐和硅酸盐相对于无机氮更丰富（依据Redfield比值）,表现为显著的氮限制。而冰芯无机氮浓度相对更高,融冰释放对水体无机氮有一定的补充。色素分析显示岩藻黄素（Fuco）和叶绿素a（Chl a）是水体颗粒物的主要光合色素。在8/15至8/18期间,叶绿素c（Chl c）、硅藻黄素（Diato）、硅甲藻黄素（Diadino）和岩藻黄素（Fuco）分别达到6,22,73和922μg/m3,体现了硅藻在群落中的优势地位。岩藻黄素（Fuco）的浓度在融冰快速期间有巨大的提升,主要来源于冰芯底部释放的衰老的冰生硅藻和浮游硅藻的生长。此外,青绿黄素（Prasino）和叶黄素（Lut）与岩藻黄素（Fuco）分布模式有明显的差异,暗示青绿藻和绿藻与硅藻对海冰融化的不同响应。     

2012年夏季北极浮冰生物群落结构及垂直分布特征研究

海冰生物群落是北极生态系统的重要组成部分,在北冰洋初级生产和碳循环中扮演着重要角色。本文利用荧光显微分析技术对2012年度夏季采集于北冰洋中心区的浮冰生物群落进行了分析,结果显示：柱总生物量平均为105.85±53.41 mgC •m^-2,其中细菌占生物量的47.2%,而后依次是硅藻（26.7%）,鞭毛虫（18.2%）,鞭毛藻（6.9%）和纤毛虫（1.0%）。最高纬站位（123°43.454′E 87°39.598′N）出现冰底鞭毛藻藻华现象,生物量可达329.6 μg C•L^-1,该站位生物群落处于硅藻藻华后期,海冰上层存在较大程度的融冰作用,底部冰芯营养盐N/P比较高,可能形成有利于鞭毛藻生长的小生境。与已有研究结果的对比表明,近年来夏季北极海冰的快速融化对浮冰生物群落结构产生了明显影响,异养类群生物量升高,细菌取代硅藻成为优势类群。     

利用海冰密集度数据分析北极冰间湖变化

冰间湖内存在强烈的海-气相互作用和结冰析盐过程,在极区以及全球气候系统中起着重要作用。本文基于数字图像处理技术,从AMSR-E高分辨卫星遥感海冰密集度数据中提取了长时间序列的冰间湖变化信息,研究北极冰间湖内的净水面积、净水表面的净热通量(向上为正)、产冰量和产盐量的季节和年际变化,比较不同冰间湖区域之间的差异。研究结果表明:总净水面积分别在结冰初期和末期存在极大值,而由于总净水面积季节变化幅度不是很大,总产冰量和产盐量的季节变化主要受净热通量影响,在1月份存在极大值;在不同冰间湖区域内净水面积的季节变化中,进入结冰期越早的冰间湖内净水面积越快达到首次极大值;净热通量的年际变化趋势总体上是减小的,总净水面积是增加大的,其中靠近太平洋和大西洋入流口的冰间湖内净热通量减小的速率要比其他区域快,靠近亚欧大陆的冰间湖内净水面积增长速率要比其他区域大;总产冰量的年际变化同总净水面积基本一致,也是呈增加趋势。最后通过研究冰间湖的年际变化信息同海冰范围变化的相关性,发现如果连续多年冰间湖内年平均净热通量为负的异常,那么海冰范围将出现一次极小值。