基于走航观测评估大气再分析中的南大洋大气河

大气河直接影响南极海-陆-冰-气相互作用,但对其开展的探空观测尚不多,造成数值模式和再分析数据的结论存在不确定性。本研究使用了中国第37次南极科考获得的走航探空数据,针对一次南大洋大气河事件评估了4种大气再分析数据——ERA5,CFSv2,JRA-55和MERRA-2。评估结果表明:虽然所有大气再分析数据对南大洋水汽通量(IVT)的描述都与观测比较接近——包括在大气河期间,但这部分是因为再分析数据高估了大气整层(地表至300 hPa)湿度场的同时低估了大气整层风速。进一步分析发现,大气湿度和风速在垂直方向的协变项被多数再分析数据显著低估甚至给出了与观测相反的结果;而协变项的偏差对IVT影响与整层大气湿度和风速相当。ERA5在协变项的表现显著优于其他再分析数据。与此同时,ERA5也给出了大气河期间与观测最为一致的逆湿和低空急流结构。因此,仅就本次观测而言ERA5对南大洋大气河的描述能力是最佳的。

晚更新世冰期旋回成因的南大洋机制及其对北极冰盖形成的启示

目前,学术界普遍认为南大洋对调节晚更新世冰期/间冰期大气二氧化碳分压(pCO_(2))变化发挥了重要作用。在晚更新世,冰期大气pCO_(2)比间冰期大气pCO_(2)下降约90×10^(−6)。而在约2.7 Ma,随着北极冰盖快速扩张(intensification of Northern Hemisphere Glaciation,iNHG),冰期旋回振幅增大,大气pCO_(2)也骤降。探究晚更新世冰期及iNHG时期大气pCO_(2)下降的原因,对构建完整的冰期旋回理论意义重大。本文综合晚更新世冰期南大洋北部的亚南极区(Subantarctic Antarctic Zone,SAZ)和南部的南极区(Antarctic Zone,AZ)的洋流、海冰、生产力等记录,分析了两个区域在晚更新世冰期可能的储碳机制,并结合iNHG时期各项地质记录,讨论南大洋洋流、碳储库在iNHG期间所发生的变化。结果认为,SAZ和AZ使冰期大气pCO_(2)下降的机制不完全相同,铁肥输入增强导致SAZ生物泵效率增强,增加了海洋固碳,而在AZ,深水通风减弱、海冰扩张、深海分层增强是加强深海碳封存的关键机制。同时,iNHG时期洋流、碳储库等记录表明,南源水向北大西洋、北太平洋深部显著扩张,南大洋海冰扩张,铁肥输入增强,太平洋碳储库增大,暗示iNHG时期南大洋机制可能是大气pCO_(2)下降的原因,直接造成了晚上新世北极冰盖的最终形成。

基于Aqua卫星AIRS数据的南大洋大气逆温和逆湿特性研究

南大洋大气普遍存在着逆温和逆湿现象,其分布和变化对海-冰-气之间的物质和通量交换具有重要影响。利用Aqua卫星上搭载的大气红外探测器(AIRS)观测数据,提取了南大洋大气的逆温和逆湿特性,并研究了其时空分布与变化特征。此外,以全球无线电探空数据集的探测结果为参考值,分析了AIRS在进行大气逆温和逆湿探测过程中受到云量影响的特征。结果表明,AIRS估计的逆温特性受云量的影响较小,在多云条件下AIRS也可精确地估计逆温特性。利用AIRS最新的第7版(V7)数据产品对2004-2020年南大洋大气逆温和逆湿的频率(强度)进行研究,发现秋冬季比春夏季高(强),在龙尼冰架、罗斯冰架和南极半岛附近的海域的大气出现逆温和逆湿现象较其他区域更频繁,且强度更强。

南大洋人为二氧化碳的吸收、分布、储存与输运研究进展

海洋吸收了工业化以来大约30%人为二氧化碳(简称人为碳,Anthropogenic carbon dioxide,Cant)而显著地影响了全球海洋碳源汇格局。据估计,南大洋35°S以南区域吸碳潜力占全球大洋高达40%左右,但该估计也被认为存在着很大的不确定性,主要是因为缺乏对Cant在南大洋吸收、分布、储存和输运方面的系统性认知。本文基于国内外有关南大洋碳吸收和储存及输送等数据库和研究,分别从海-气界面CO_(2)通量角度和海洋内部Cant的分布、储存和输送等方面,综述归纳了南大洋开阔大洋区及近岸区碳源汇格局的研究进展;探究目前在南大洋碳汇模型与实测数据存在明显差距原因,以及季节性冰区碳源汇强度估算不确定性较大的问题;讨论了相关方法在人为碳计算中的优点与不足以及影响人为碳储量的主要输送机制。本文将有助于对南大洋海-气CO_(2)通量、源汇格局变异以及输出过程的进一步了解,以及更准确估算南大洋乃至全球海洋碳汇。

基于漂流式海气界面浮标的南大洋海气界面通量观测分析

南大洋的海洋观测设备稀少,是认识南大洋物理过程的主要障碍之一。2019—2020年中国第36次南极考察和2020—2021年中国第37次南极考察期间,“雪龙”号科考船在南大洋一共布放了4套国产漂流式海气界面浮标(Drifting Air-sea Interface Buoy,DrIB)。为检验其在南大洋的海气界面热通量观测质量,本文将观测结果与欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代再分析产品(ECMWF Reanalysis v5,ERA5)进行对比,主要开展了海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)、海表面气温(Surface Air Temperature,SAT)、风速(Wind Speed,WS)、相对湿度(Relative Humidity,RH)、海表面气压(Sea-Level Pressure,SLP)等5种数据变量的分析。在此基础上,使用块体算法计算得到潜热通量(Latent Heat Flux,LHF)和感热通量(Sensible Heat Flux,SHF),再与ERA5再分析数据的通量数据进行对比,并针对这7个物理参量进行了分析。结果表明:4套漂流式海气界面浮标观测数据与相应ERA5再分析数据基本吻合。虽然ERA5再分析数据存在不确定性,但在一定程度上佐证了国产漂流式海气界面浮标基本具备了开展南大洋海气界面通量观测的能力,为未来进一步开展精细化科学观测计划提供了重要参考。

全球变暖下南大洋吸热的季节变化特征

本文基于第六次耦合模式比较计划的未来高排放情景试验模拟结果,研究全球变暖背景下未来南大洋吸热的季节变化。发现在未来变暖气候下南大洋占全球海洋累积吸热的近一半。未来南大洋海洋吸热有明显季节变化:南半球春、秋季吸热峰值大致位于63°S,夏季70°S附近吸热最小,冬季58°S附近吸热全年最大。秋、冬季海洋吸热的空间结构由湍流热通量主导;春、夏季高纬度海洋吸热主要受辐射通量影响。进一步研究发现,南大洋60°S以南海区净热通量变化趋势与海冰变化有关。春、夏季海冰消融通过海冰-反照率反馈机制产生较大的海洋吸热,而秋、冬季海冰消融加强了海洋向大气放热,造成海洋吸热减少,年平均下二者显著抵消。在南大洋30°S—60°S海区,海洋吸热主要受湍流热通量变化影响,夏、秋季吸热较少,冬、春季吸热较大,这与气候态混合层深度的季节变化有显著关系。此外,本文研究还发现,南大洋上层海洋热量的经向输送对全球变暖的响应也存在显著的季节变化,冬、春季经向热输送的增强范围相较于夏、秋季向赤道和向下延伸,与气候态混合层深度和西风增强的季节变化有关。

南大洋大气有机胺分布及来源特征研究

依托中国第36次南极科学考察,利用船载走航气溶胶及气体组分在线分析仪对南大洋大气中气态和颗粒态有机胺进行了在线观测。获得了南大洋开阔海域及普里兹湾大气中高分辨气态和颗粒态有机胺的组成及分布,并对其来源特征进行了分析。结果表明:南大洋大气有机胺以气态三甲胺(TMA)和二甲胺(DMA)为主要存在形态,其均值分别为(104.0±285.2)、(3.5±6.0)ng/m^(3)。普里兹湾大气中有机胺的平均浓度显著高于南大洋开阔海域,气态TMA和DMA均值分别达到(289.0±396.6)、(5.6±16.1)ng/m^(3)。南大洋大气中气态TMA、DMA和氨气(NH_(3))在不同区域内均具有良好的线性关系,表明三者具有同源性。从来源分析,南大洋大气有机胺主要受到海洋生物活动的影响,但在海冰边缘区及南极近岸海域,企鹅等动物的生物活动会导致大气中有机胺的浓度显著升高。

冰期旋回中南大洋与热带太平洋相互作用过程与机制

南大洋翻转环流推动南半球高低纬度之间水团的交换,热带太平洋是全球水汽和热量的重要源区,推动着哈德利和沃克环流以及厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)等关键过程的发生。这些过程有效地将热量从热带地区传送至高纬度地区,也在年际至年代际时间尺度上促进了南半球高低纬度之间大气环流的相互作用。热带太平洋与南大洋之间在冰期旋回中呈现出错综复杂的海洋与大气环流间的相互作用,涉及物质、能量与水汽的交换,对全球气候变化产生明显影响。迄今为止,高纬冰芯和沉积岩心记录已深入地揭示了冰期旋回中受类ENSO过程影响出现南大洋海水温度和海冰与南极降雪等的演变过程。同时,热带沉积岩心记录也显示在冰期旋回期间,印度洋-太平洋暖池次表层的升温是南大洋积累的过剩热量,通过浅层翻转环流向北,经由亚热带环流向低纬度传输的结果。这些记录不仅支持南大洋流通性增强会影响低纬度大洋生物地球化学循环的观点,同时也表明冰期旋回中,印-太暖池升温引发的类ENSO式变化可能主导着热带太平洋大气环流模式,并对南大洋地区的大气环流产生影响。然而,由于目前在多时间尺度上与热带遥相关有关的古海洋记录有限,使得目前对南大洋与热带太平洋相互作用过程和机制的理解与评估仍存在诸多不确定性。因此,持续开展多指标环南极柱状沉积物的调查分析工作可以为热带遥相关气候模型提供更真实的环境变化参数,从而减少这些不确定性。

南大洋及南极大陆上空气溶胶铁的研究进展

铁(Fe)是重要的海洋微量营养要素,是影响海洋浮游植物生长和碳吸收的重要因素。南大洋是世界上最大的“高营养盐、低叶绿素”海区,由于常年铁缺失,虽营养盐较高但初级生产力很低。因此,大气中的铁输入可缓解南大洋的缺铁营养要素限制,进而提高海洋生产力,促进海洋对二氧化碳的吸收,并影响全球气候变化。本文总结了近年来南大洋及南极大陆上空气溶胶铁的研究进展,包括以下几个方面:(1)厘清大气气溶胶铁的形态、浓度和溶解度的分布特征及其溶解度影响因素。大气气溶胶中总铁的观测浓度范围为0.1~150 ng·m^(-3),总铁可分为生物活性铁与不溶性铁,而生物活性铁包含可溶性铁与不稳定铁两种形态;可溶性铁主要有Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)两种形态,二者含量差异较大,且受季节变化影响;铁的溶解度分数变化范围较广,为0.01%~90%,受大气老化过程(包括酸溶解过程、有机络合过程、光还原溶解过程和云过程)和气溶胶铁的自身特性(如粒径大小、比表面积)以及气团来源等因素影响。(2)探索大气气溶胶铁的来源,包括矿物粉尘源、生物质燃烧源、化石燃料燃烧源以及南极本地源。矿物粉尘源是大气气溶胶铁的主要来源,随着人类活动加剧和工业化发展,大气气溶胶人为源铁沉降对南极可溶性铁含量的贡献持续增加。同时,随着海冰融化加速导致开阔无冰海域面积扩大,南极大陆铁源也需引起重视。(3)探讨大气气溶胶铁的沉降通量并评估南大洋对大气沉降过程的响应。总铁沉降通量为1.31×10^(-6)~297.33×10^(-6)g·m^(-2)·a^(-1),南大洋对大气沉降响应敏感,例如2019年澳大利亚林火引起气溶胶中可溶性铁含量显著增加,造成了以浮游植物快速生长为标志的藻华现象。此外,基于目前研究现状进行了展望,可为今后南大洋及南极大陆深入开展大气气溶胶铁的相关研究提供基础参考。

南大洋普里兹湾沉积物中生物硅含量与分布

利用中国第18,21次南极考察获得的沉积物样品,对南大洋普里兹湾沉积物中生物硅（BSiO2）的含量以及分布特征进行了初步研究.结果表明：普里兹湾表层沉积物中生物硅含量丰富,生物硅含量在4.89%-85.41%之间变化,平均为30.90%.最高值出现在湾内的IV-10站.生物硅的垂向分布与间隙水中硅酸盐呈现相反的变化趋势.表层沉积物中生物硅和有机碳分布趋势与表层海水中叶绿素a、初级生产力的分布趋势密切相关,最大值均出现在普里兹湾环流中心区域,较好地反映了上层水体中初级生产力的变化状况.

南大洋沉积物间隙水中营养盐分布及扩散通量研究

利用中国第18次南极考察获得的沉积物样品,对南大洋沉积物间隙水中营养盐的含量及分布特征进行了研究,估算了营养盐的底部通量.结果表明,南大洋沉积物间隙水中的营养盐以高含量的硅酸盐、铵盐为主.在垂向分布上,硅酸盐在沉积物-水界面呈现出明显的浓度梯度,这种分布特征表明,在硅的早期成岩过程中溶出是主要过程.沉积物中有机物的降解反应主要在还原状态下进行.硅酸盐与铵盐存在明显的向上释放的通量.

利用南大洋漂流浮标数据评估AMSR-E SST

利用AOML(Atlantic Oceanographical and Meteorological Laboratory)SVP漂流浮标的海表面温度数据,针对30°S以南的南大洋海域,对目前主要使用的微波遥感产品(AMSR-E,Ad-vanced Microwave Scanning Radiometer for the Earth Observing System)反演的SST进行了较为系统的评估。结果表明,AMSR-E SST比浮标数据偏冷,偏差为-0.01℃,标准差为0.70℃。夏季的偏差为0.004℃,标准差为0.64℃;冬季的偏差为-0.06℃,标准差为0.75℃,冬季的偏差和标准差较大。温差ΔT受流速影响,随着流速的增大而减小,且这种趋势在夏季更为显著。具备托伞结构的浮标与总体情况基本一致,而无托伞结构的浮标受流速的影响要大一些。同时,温差ΔT受水汽的影响,随着水汽的增加而减小,且这种影响在冬季更大一些。进一步对4个穿极和绕极浮标的追踪分析表明,温差ΔT受大洋海流系统的影响显著。在海流大的大西洋边界流和南极绕极流中,温差ΔT的不确定性要明显大于总体情况。

南海夏季风爆发与南大洋海温变化之间的联系

利用1979—2009年NCEP第二套大气再分析资料和ERSST海温资料,分析南海夏季风爆发时间的年际和年代际变化特征,考察南海夏季风爆发早晚与南大洋海温之间的联系.主要结果为:(1)南海夏季风爆发时间年际和年代际变化明显,1979—1993年与1994—2009年前后两个阶段爆发时间存在阶段性突变;(2)南海夏季风爆发时间与前期冬季(12—1月)印度洋—南大洋(0—80°E,75°S—50°S)海温、春季(2—3月)太平洋—南大洋(170°E—80°W,75°S—50°S)海温都存在正相关关系,当前期冬、春季南大洋海温偏低(高)时,南海夏季风爆发偏早(晚).南大洋海温信号,无论是年际还是年代际变化,都对南海夏季风爆发具有一定的预测指示作用;(3)南大洋海温异常通过海气相互作用和大气遥相关影响南海夏季风爆发的迟早.当南大洋海温异常偏低(偏高)时,冬季南极涛动偏强(偏弱),同时通过遥相关作用使热带印度洋—西太平洋地区位势高度偏低(偏高)、纬向风加强(减弱),热带大气这种环流异常一直维持到春季4、5月份,位势高度和纬向风异常范围逐步向北扩展并伴随索马里越赤道气流的加强(减弱),从而为南海夏季风爆发偏早(偏晚)提供有利的环流条件.初步分析认为,热带大气环流对南大洋海气相互作用的遥响应与半球际大气质量重新分布引起的南北涛动有关.

南大洋深海嗜冷菌2-5-10-1及其低温脂肪酶的研究

从南大洋普里兹湾的水样中筛选到一株产低温脂肪酶的深海嗜冷菌25101,对其生长及产酶情况和酶性质做了初步研究.该菌株的最适生长温度为5℃,此时分泌的胞外脂肪酶最多;添加Tween80,橄榄油可显著促进脂肪酶的产生.该脂肪酶的最适作用温度为35℃,在0～20℃均保持较高的酶活性,在0℃可保持37%的相对酶活性;酶的最适作用的pH值为7.5,在pH6～9的范围内均存在较高酶活性;对热较敏感,在60℃保温15min可丧失50%以上的酶活性.该脂肪酶的催化作用不需要金属离子的参与,Cu2+和Zn2+对酶活有着强烈的抑制作用.

2007/2008年和2008/2009年夏季南大洋以及普里兹湾POC的分布与变化

在中国第24次和第25次南极科学考察期间,利用航渡表层水观测和普里兹湾定点观测,对颗粒有机碳(POC)的分布及其影响因素进行了研究。结果表明,南大洋表层水体的颗粒有机碳分布具有明显的区域性特征,表层水体POC的含量与营养盐和叶绿素a有着明显的相关分布趋势。南极水、亚南极水的表层POC浓度明显高于亚热带水和热带水,第24次南极科学考察期间亚热带和热带水、亚南极水和南极水的表层POC平均浓度为78.03,116.59和105.8μg·dm-3,要略高于第25次南极科学考察的49.36,59.39和71.54μg·dm-3,南大洋表层POC的年季变化,受多种因素的影响。第24次和第25次南极科学考察中普里兹湾及其邻近海域POC的浓度范围分别为12.78—363.73μg·dm-3和24.38—446.40μg·dm-3,表层分布主要表现出湾内高、湾外低的特点。湾内陆架区、陆坡区和湾外深水区的POC与Chl a都具有良好的正相关关系,相关系数R值分别为0.8248,0.8049和0.6989,说明POC主要来源于浮游生物的贡献。并且,在POC的垂直分布上,受到光照、营养盐及海流等各种因素的影响,在物理和生物的相互耦合作用,致使POC的最大值有从湾内的表层最大值向湾外的次表层最大值转变的趋势。

南大洋浮游植物现存量对颗粒有机碳的贡献

根据中国第15、16次南极考察观测的颗粒有机碳、叶绿素a浓度的数据 ,探讨浮游植物现存量对南大洋颗粒有机碳的贡献。结果表明 ,普里兹湾内浮游植物碳对颗粒有机碳的贡献高于湾北部的大洋区 ,真光层上部浮游植物碳对颗粒有机碳的贡献高于深层水。同时分析两个航次测区叶绿素a浓度和航程途中叶绿素a浓度的分布 ,以期了解浮游植物在南大洋颗粒有机碳来源中的作用。

西太平洋、东印度洋、南大洋和中山站海域气溶胶的化学组成及其来源判别

1999年11月至2000年4月,在中国第16次南极科学考察往返航线上的海域,采集了22个海洋气溶胶样品,用原子吸收分光法测定了样品中的Cu、Pb、Zn、Cd、Fe、Al、Mn、Cr、V、K、Na、Ca、Mg等13种元素的含量.研究表明气溶胶重金属微量元素的分布具有明显的地理区域性.应用元素富集因子、相关分析和因子分析等方法研究了西太平洋、东印度洋、南大洋、中国南极中山站邻近海域气溶胶中各元素的来源.

南大洋二氧化碳源汇分布及其海-气通量研究

在 1 999年 1 2月 - 2 0 0 0年 2月“雪龙”号科学考察船往返于中山站和长城站期间 ,进行了大气及海表层 CO2 分压的连续测量。研究结果表明 ,在 80°W- 0°- 80°E之间 ,南大洋基本上是大气 CO2 的汇 ,尤其在 45°W- 3 0°W及 1 0°W- 1 0°E之间 ,是 CO2 的强汇区 ,往返的两次观测结果十分相似。观测发现 ,南大洋 1月份吸收大气 CO2 的能力近两倍于 1 2月份 ,这是由于该海域1月的生产力比 1 2月份高 ,因而反映了初级生产对大气 CO2 吸收的显著影响。利用最新的 K值计算方法表明 ,1月份二氧化碳的入海通量为 3 .98mol/(m2 · a) ,1 2月份的为2 .1 3 mol/(m2 · a) ,综合两个月的值平均 ,南大洋夏季 CO2 的平均通量为 3 .0 6 mol/(m2 · a) 。

南大洋走航ADCP测流中的问题分析

在全面收集"雪龙船"走航ADCP数据的基础上,结合国内外对影响船载ADCP海流测量准确度因素的一般认识,通过对我国南大洋走航ADCP资料的处理分析,发现了影响海流信息提取的若干问题。指出了其具体原因、影响方式和程度以及可以采取的相应补救措施等,对今后的极地考察船走航ADCP海流观测具有参考和指导意义。