北极地区水环境中PPCPs的污染现状研究进展

药物及个人护理产品(PPCPs)是一种国内外广泛关注的新污染物,其在北极地区水环境中的出现引起了多国政府与环保组织的高度重视。通过归纳北极地区水环境中PPCPs的来源、浓度、分布及归趋,发现近北极地区的河流输送、大气与海洋长距离传输、废液的直接排放和污水处理厂排放是PPCPs进入北极地区水环境的主要途径。北极地区水环境中典型的PPCPs为抗癫痫药、非甾体抗炎药(NSAIDs)、抗抑郁药、兴奋剂和增塑剂,其具有“假性持久性”,相似于非北极地区水环境中PPCPs的环境行为。目前,有关北极地区PPCPs污染控制技术、北极地区淡水环境中PPCPs污染水平的调查、北极地区水环境中PPCPs的性质以及环境行为等方面的研究有待加强。

北极地区极昼气候突变现象及转型成因研究

基于1979—2018年的NCEP-DOE Reanalysis II逐日再分析数据,采用模糊C均值聚类算法(Fuzzy C-Means Algorithm,FCMA)将北极地区极昼期间的气候分为寒干型、半寒干型、半暖湿型及暖湿型4种。在夏季北极海冰快速减少的气候背景下,这4种气候型控制的区域也相应发生了明显变化。其中,寒干型气候面积以-7.241×10^(4) km^(2)·a^(-1)的速率快速减少;半寒干型气候面积以6.489×10^(4) km^(2)·a^(-1)的速率快速增加,且洋面上的气候型变化比陆地更为显著。1999年前后,北极地区主控气候发生突变现象:由寒干型气候为主转化为半寒干型气候为主,尤其在楚科奇海和东西伯利亚海表现突出。成因分析表明海冰面积—净短波辐射—大气增暖增湿—向下长波辐射—气候型转变之间存在密切联系,极昼期海冰面积异常减少对其气候转型突变起到了重要作用。

从第三极到北极:积雪变化研究进展

在全球气候变化背景下,第三极和北极地区积雪是地表最活跃的自然要素之一,其动态变化对气候环境和人类生活产生重要影响。通过回顾第三极和北极积雪研究进展,阐述了降雪、积雪范围、积雪日数、积雪深度和雪水当量在第三极和北极地区的时空分布特征和变化趋势。结果表明:近50年,特别是进入21世纪以来,第三极和北极地区降雪比率均呈下降趋势;积雪范围、积雪日数、积雪深度、雪水当量总体均呈减小趋势,融雪首日有所提前。同时就积雪变化对生态系统与气候系统的影响进行了论述,评估了积雪的反馈作用。通过总结第三极和北极积雪变化研究进展,凝练研究中存在的不足和未来发展趋势,为提升积雪对气候变化及经济社会发展影响的认识提供重要科学支撑。

基于Landsat数据的1975—2015年中国海岸线时空变化分析（英文）

海岸线是表征陆地和海洋边界的最重要的地理要素,具有独特的地理、形态和动力学特征,海岸带是人类经济活动最活跃和集中的区域之一.在经济发展进程的影响之下,中国海岸线发生了巨大的变化.本研究基于Landsat遥感影像数据,采用改进的归一化差异水体指数,提取了1975—2015年共5期中国海岸线长度及海岸带面积的时空变化信息.结果显示,1975、1990、2000、2010、2015年期中国海岸线的长度分别为15 945.7、17 045.8、17 234.2、17 377.7以及17 364.9km,各期海岸带面积相较于上一期分别增加了4 336.5、1 510.4、3 447.2、3 100.4km2.总体来说,中国海岸线呈现出人工岸线取代自然岸线的趋势.该研究结果可以为沿海区域的资源管理以及海岸规划提供参考.

从第三极到北极:多年冻土碳循环研究进展

多年冻土区储存着大量的土壤有机碳,其碳库变化及生态系统碳反馈机制是当前全球气候变化研究中备受关注的热点问题。为了增强对多年冻土碳循环的认识,通过综合第三极和北极地区多年冻土碳循环研究,概述了土壤有机碳库大小、脆弱性及生态系统碳交换过程,分析了涉及大气、海洋和陆地综合影响的多年冻土区生态系统碳循环。研究表明:第三极和北极多年冻土区碳储量不确定性较大,影响和控制有机碳分解和生态系统碳交换的生物地球化学过程仍需进一步研究,进而改进生态系统碳循环相关的模拟研究。在全球气候变化背景下,研究多年冻土碳库变化及其对气候变化的响应,是预估未来气候变化的关键环节。

从第三极到北极:热喀斯特及其对碳循环影响研究进展

北半球多年冻土区储存着大量的土壤有机碳,气候变暖加剧了多年冻土退化,多年冻土退化最明显的特征是热喀斯特。热喀斯特会直接导致活动层及多年冻土层土壤有机质暴露,并改变水文、植被和土壤生物环境条件,对生态系统碳循环具有重要影响。热喀斯特对碳循环的影响是评估多年冻土碳循环和气候变化关系不确定性的关键问题之一。然而,在气候变暖背景下热喀斯特地貌的发育及其对碳循环影响有多大,目前对这个问题仍然缺乏足够的认识。通过综合比较第三极和北极热喀斯特相关研究,分析了第三极和北极地区热喀斯特地貌特征及其变化趋势,阐述了热喀斯特对植被演替、土壤碳损失和生态系统温室气体排放过程的影响,并提出了未来热喀斯特研究可能遇到的挑战。认识热喀斯特碳循环过程,是评估气候变化对多年冻土碳循环影响的关键环节,有助于加强多年冻土区生态系统碳循环与气候变暖之间反馈关系的认知。

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。

南极和格陵兰冰盖物质平衡研究进展

冰盖物质平衡状态对全球海平面具有重大影响,是预测海平面上升的最大不确定性来源。近20年来随着卫星遥感技术的快速发展,冰盖物质平衡研究取得巨大进展。研究系统介绍了近20年来冰盖物质平衡估算方法以及相应卫星数据的发展,归纳和总结了国内外利用测高法、重力测量法、通量法和融合法进行南极和格陵兰冰盖物质平衡评估的结果,详细分析了每种方法的不确定性和误差来源,为未来冰盖物质平衡研究提供参考。冰盖物质平衡仍将是全球变化研究未来的重点,提升卫星性能以降低观测数据的不确定性,创新估算方法以降低估算结果的不确定性,加强地面观测验证是研究热点。

积雪对祁连山区黑河上游活动层热状态的影响研究

积雪对多年冻土活动层和近地表的热状态具有重要影响。然而,积雪对祁连山区黑河上游地区多年冻土热状态的影响机制尚不清楚,迫切需要可靠的野外观测数据进行定量研究。基于两个典型野外监测站点2012—2019年观测数据,分析积雪对表面能量平衡、5cm地表热通量及活动层热状态的影响。结果表明:厚度约21cm的积雪在秋冬季对活动层具有保温作用;2013—2018年,俄博岭(EB)和野牛沟(PT1)监测场,活动层厚度分别为61~86cm和159~164cm,平均活动层厚度分别为74.2cm和162.1cm。受积雪影响,相隔两年(2015—2017年)的活动层厚度变化达25cm。定量分析了祁连山积雪对多年冻土热状态的影响,为未来祁连山相关研究提供重要资料。

基于Icepack海冰柱模式的融池反照率模拟研究

基于Icepack一维海冰柱模式,以2014年中国第6次北极科学考察长期冰站ICE06的3个融池的辐射参量和气象参量的连续观测作为大气强迫数据,对融池反照率及相关参量进行了模拟。本文引入观测的融池深度及海冰厚度作为初始条件,通过考虑融池覆盖率的作用,改进了平整冰融池参数化方案中海冰干舷的计算,修正了冰上可允许的最大融池深度,成功实现了对融池参数变化的模拟;同时,还修正了入射辐射分量比例系数与对应反照率分量权重系数不一致的问题。标准试验中,模拟的3个融池的反照率与观测结果之间的平均误差分别为0.01、0.05和0.13;入射辐射比例的敏感性试验结果表明,当可见光辐射比例增大8%时,融池反照率的模拟结果增大了6%~8%;融池表面再冻结试验的结果显示,当再冻结冰层厚度小于2 cm时,模拟冰面反照率的增加不足0.006,由此引起的表面能量收支减少了约1.1 W/m^(2)。本文研究指出,准确的入射辐射比例对于改善北极海冰反照率模拟是必要的;并指出目前模式仍存在融池表面再冻结参数化、热收支计算、表面吹雪效应等有待解决的问题。

海冰形变对北极冬季CICE模式冰厚模拟结果的影响

海冰数值模式是研究海冰动力热力状态参量及之间联系的有效途径。目前对冰厚数值模拟结果的分析远远少于对海冰范围/面积和密集度的研究,对冰速与海冰形变对冰厚分布影响的研究也尚欠缺。本文利用Los Alamos sea ice model(CICE)海冰模式模拟了1980-2018年的北极海冰变化,并使用遥感、同化冰厚数据进行比对验证,分析了模拟冰速和海冰形变对冰厚的影响,计算了冰速的散度和切变偏差对冰厚偏差的贡献。结果显示,CICE对北极70°N以北区域平均冰厚和冰速的年际变化模拟基本合理,但模拟的平均冰厚和冰速多年变化趋势均小于同化数据的变化率;模拟和观测冰厚的空间分布差异与冰速和形变率的偏差有密切联系,主要表现为波弗特海的正偏差和北极中央区至弗拉姆海峡的负偏差。泛北极区域散度和切变偏差在3月之前对冰厚偏差的贡献在13%~16%之间变化,3-4月则由16%跃变至27%。散度偏差主导了11月、12月波弗特海区域的冰厚正偏差,切变偏差主导了冬季加拿大群岛以北海域和穿极流区域的冰厚负偏差。

液态降水与地表气温对北极海冰开始融化时间的影响

海冰最早开始融化时间(EMO)是体现海冰融化的重要指标,也是影响海冰热收支的关键因素。本文使用EMO遥感数据、ERA5再分析资料和海冰密集度数据分析研究了地表气温和液态降水对EMO影响的相对贡献。研究显示,在5个研究海区中,大西洋扇区南区EMO提前最显著,1979-2021年的变化率为-3.3 d/(10 a)。北极各海区的地表气温与EMO有着持续1~2个月的显著相关时段,其中太平洋扇区南区、大西洋扇区北区和南区的地表气温较液态降水与EMO相关的持续时间更长,相关性也更强;而对太平洋扇区北区和北极中央区,只有在EMO发生前的2~3周,液态降水对其EMO有着更高的贡献。对于太平洋扇区北区,大气环流提供的强水汽输送通道伸入该海区,使对流层低层饱和水汽增多,500 hPa位势高度的多年变化趋势具有三波绕极环流加强的结构,也有利于经向的热量交换,使比湿的垂向梯度进一步增加,为该海区EMO的提前起到一定的促进作用。对于北极中央区,在EMO提前的年份,液态降水较常年偏高33%,不仅气候态意义下的太平洋水汽通道的输送加强,欧亚大陆上空的水汽通道也与之汇合,促使北极东部形成气旋式水汽输送模态,为EMO的提前发生提供了有利条件。

欧空局哨兵卫星Sentinel-2A/B数据特征及应用前景分析

Sentinel-2A/B卫星是欧空局哥白尼计划中发射的第2组卫星,其搭载的MSI载荷延续并扩展了Landsat系列卫星和SPOT系列卫星的对地观测任务.介绍了Sentinel-2A/B卫星,并对Sentinel-2A/B、Landsat-8、SPOT-6、环境-1B、资源三号及高分二号卫星进行性能对比分析.描述了不同级别数据产品的特点及配套软件SNAP,分析了Sentinel-2A/B卫星在陆地监测、灾害支援、气候环境监测以及海洋与极地监测等方面的实际应用前景.

BCC_CSM对北极海冰的模拟:CMIP5和CMIP6历史试验比较

本文利用北京气候中心气候系统模式(BCC_CSM)在最近两个耦合模式比较计划(CMIP5和CMIP6)的历史试验模拟结果,对北极海冰范围和冰厚的模拟性能进行了比较,结果表明:(1)CMIP6改善了CMIP5模拟海冰范围季节变化过大的问题,总体上更接近观测结果;(2)两个CMIP试验阶段中BCC_CSM模拟的海冰厚度都偏小,但CMIP6试验对夏季海冰厚度过薄问题有所改进。通过对影响海冰生消过程的冰面和冰底热收支的分析,我们探讨了上述模拟偏差以及CMIP6模拟结果改善的成因。分析表明,8-9月海洋热通量、向下短波辐射和反照率对模拟结果的误差影响较大,CMIP6试验在这些方面有较大改善;而12月至翌年2月,CMIP5模拟的北极海冰范围偏大主要是海洋热通量偏低所导致,CMIP6模拟的海洋热通量较CMIP5大,但北大西洋表层海流的改善才是巴芬湾附近海冰外缘线位置改善的主要原因。CMIP试验模拟的夏季海冰厚度偏薄主要是因为6-8月海洋热通量和冰面热收支都偏大,而CMIP6试验模拟的夏季海冰厚度有所改善主要是由于海洋热通量和净短波辐射的改善。海冰模拟结果的改善与CMIP6海冰模块和大气模块参数化的改进有直接和间接的关系,通过改变短波辐射、冰面反照率和海洋热通量,使BCC_CSM模式对北极海冰的模拟性能也得到有效提高。

利用被动微波探测青海湖湖冰物候变化特征

湖冰物候是气候变化的敏感因子,不仅能反映区域气候变化特征,还可以反映区域气候与湖泊相互作用。利用长时间序列(1978—2018年)被动微波遥感18GHz和19GHz亮度温度数据、MODIS数据(2000—2018年)、实测湖冰厚度数据(1983—2018年)和气温、风速、降水(雪)数据(1961—2018年),分析青海湖湖冰变化特征及其对气候变化的响应。结果表明:青海湖流域呈现显著的变暖趋势(1961—2018年),气温上升2.85℃,在这种气候条件下,青海湖湖冰封冻日推迟(0.23d·a^(-1)),消融日呈现明显的提前趋势(0.33d·a^(-1)),湖冰封冻期天数明显减少,减少速率为0.57d·a^(-1);同时,湖冰厚度以0.29cm·a^(-1)的速率减薄。此外,总结归纳了青海湖冻结-融化空间特征,青海湖主要由东部海晏湾地区开始冻结,从西部黑马河等地区开始消融,冻结和消融过程存在空间差异。通过分析湖冰冻融特征和气候因子关系发现,青海湖流域冬季气温是影响青海湖湖冰物候变化的主要因素,同时风速和降水(雪)也是影响湖冰发育和消融的重要因素。

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。

碳纤维增强复材补强含中心裂纹及缺陷孔钢板的疲劳性能研究

碳纤维增强复材(CFRP)加固是改善含裂纹钢结构疲劳性能的重要手段。基于试验和有限元分析方法,研究了CFRP加固含多缺陷孔钢板的裂纹扩展情况及疲劳寿命。疲劳试验结果表明:缺陷孔会降低钢板的疲劳寿命,但经CFRP加固后,疲劳寿命可接近于不含缺陷孔的加固试件。缺陷孔对裂纹的扩展路径及疲劳寿命均有影响,具体影响方式与程度取决于缺陷孔数量及分布方式。有限元分析表明:缺陷孔对裂纹扩展的影响主要在于改变应力强度因子幅值ΔKI和ΔKII的相对大小。

基于Landsat-8的东南极达尔克冰川季节性表面消融信息提取

冰盖表面消融是气候变化和全球变暖的敏感指示剂。冰雪消融会降低地表反照率进而影响全球能量平衡,表面融水会加剧裂隙的传播,降低冰架稳定性进而影响冰盖物质平衡。当前,高时空分辨率消融区分布数据的缺乏限制了南极冰盖消融发生机理和时空特征的深入探索。围绕南极冰盖大范围消融区(蓝冰、湿雪和融水)的提取研究,提出了一种基于改进的冰雪归一化消融指数(Modified Normalized Difference Water Index Adapted for Ice,MNDWIice)的消融区自动提取方法,采用2016年9月—2017年4月18景30 m分辨率的Landsat-8数据,获取了消融区自动提取的MNDWIice阈值,并以东南极达尔克冰川为例,实现了高空间分辨率的季节性消融信息提取和分析。结果表明:在云和地形阴影干扰较小的情况下,基于Landsat-8反射率数据计算的MNDWIice采用单一阈值(0.136)对消融区的提取精度在67.7%—94.2%之间,平均精度为81.5%;达尔克冰川消融面积、消融区MNDWIice均值表现出明显的季节性时空变化特征;消融发生的时间不晚于Landsat-8数据观测的最早时间(9月7日);消融最早出现和主要分布区在地形下降剧烈的东部接地线处。

北极海冰密度变化分析及其对海冰厚度估算的影响

海冰密度是海冰和气候模型的重要物理变量,也是利用卫星测高数据估算海冰厚度的关键参数。目前各国北极科学考察虽开展了海冰物理观测,但对近期北极海冰密度现场观测资料的综合分析和挖掘应用不足。在此背景下,收集了近15年来北极海冰密度现场观测资料,分析北极海冰密度的变化特征;对海冰密度实测数据进行克里金插值,将插值结果输入静力平衡方程模型计算海冰厚度,探讨海冰密度对海冰厚度卫星测高反演的影响。结果表明,2000—2015年北极海冰密度变化范围为750—950 kg·m^–3,1—9月海冰密度总体上随月份变化呈减小的趋势;6—9月北极海冰密度随着纬度的增加而减少(75°N—90°N);通过对比分析表明,相较于使用海冰密度固定值参与估算海冰厚度,采用经现场观测数据空间插值后的海冰密度估算海冰厚度的结果更为准确。北极海冰密度现场观测资料的整理分析可为海冰与气候变化等进一步研究提供参考。

南极埃默里冰架“松动牙齿”冰裂缝内冰雪填充物监测

冰架裂缝的冰雪填充物(Mélange)分布和变化受冰架变化的影响,同时会影响冰架的稳定性.2019年9月25日,东南极埃默里冰架"松动牙齿"裂缝系统发生崩解,形成了面积>1600 km^(2)的冰山,裂缝内的填充物出现部分流失.采用Landsat-8卫星光学数据和哨兵1号卫星SAR影响数据,结合CryoSat-2卫星测高数据和南极参考高程模型计划(REMA)8 m分辨率DEM产品,对埃默里冰架"松动牙齿"裂缝L1、T1、T2的填充物表面形态特征及其变化进行了定量评估.结果显示:T1裂缝填充物的高程平均高于T2裂缝,表面起伏变化更明显;2016-2018年L1裂缝系统填充物高程逐年降低;在诸多影响因素中,冰流缝合区的存在对填充物冰厚度的影响不容忽视;裂缝中填充物的存在很可能促进裂缝的延伸发育.