域外国家参与北极科学合作的路径——以北极科学部长级会议机制为例

北极科学部长级会议(ASM)是由北极国家发起的覆盖全球主要北极事务相关国家和国际组织的政府间高级别合作交流平台,主要目标是增强国际北极科学合作和协作。本文结合国际北极研究的最新情况,从北极科学部长级会议发起的背景和发展的特点来对其内在的发展机制和发展方向进行解析,认为ASM体现了美国提振北极科学研究、发挥全球领导力的诉求,尽管ASM给北极域外国家提供了以平等身份参与北极科学合作和表达立场的机会,但是目前其主要框架仍受到北极理事会深刻影响和主导,对各国的北极研究和合作是一种软性的信息交流和督促机制,北极域外国家需在科技战略对接、科技项目合作以及深入介入北极观测网和数据共享方面展现出更加积极的态度和措施,来提升北极治理的影响力。

国际极地科学研究概况和热点计量分析

由于南北两极在地球气候系统中的重要作用和自然资源潜力,两极的科学研究已成为世界大国关注的焦点,近年来的投入和产出持续增强。极地领域的科学研究内容广泛,涉及天文学、大气科学、海洋科学、地质学、生物学等多领域,本文首次通过文献计量学的方法对2015—2017年国际极地研究格局进行全面系统分析,从发文趋势、主要发文国家、发文机构、研究领域分布、研究主题等角度进行可视化分析,帮助科研团队识别潜在前沿、合作对象和技术拥有者,为极地科技管理者提供研究概况数据支撑,从而为我国下一步的极地研究科技布局和国际合作提供启示性建议。

北极楚科奇海北部特征水团对浮游植物空间分布的调控

通过楚科奇海北部–加拿大海盆西侧交接地带的生态调查,我们发现0~150 m海域水体中以融冰水(MW,0~20 m)、白令海夏季水(sBSW)和阿拉斯加沿岸流(ACW)等水团为主。水温和营养盐变化与水团息息相关,物理–生化的耦合作用进一步影响了浮游植物分布和群落结构。叶绿素a浓度最大值多位于约50 m深、富含营养盐的sBSW和ACW暖水团中。sBSW和ACW中分别以小型(占比约74%)和微微型(占比约65%)浮游植物为主。藻华初期,溶解无机氮(DIN)虽呈相对限制状态,但仍高于浮游植物生长所需阈值。双单元混合模型显示:浮游植物对氮去除明显,氮吸收量与叶绿素a浓度呈正比,且在温度略高的ACW水团中氮吸收量高于sBSW水团。在北极变暖、波弗特流涡增强以及ACW和sBSW营养盐补给下,该区域的浮游植物的叶绿素a浓度(均值:(0.327±0.163)mg/m^(3),范围:0.04~0.69 mg/m^(3))与历史数据相比有所提高。这将增加北极海区的碳吸收通量,有利于其作为碳汇区的发展。

基于双层聚类信息的极光亚暴自动检测

极光亚暴与太阳风和地球磁场的耦合过程有着紧密的联系,对其发生和发展机制的研究,有助于深入地分析行星际磁场、地球磁层和地球电离层的相互作用,了解太阳风携带的大量能量在地球空间的输运过程,对地球空间环境预警具有重要的意义。Polar卫星搭载的紫外极光图像成像仪能够全天候地获取紫外极光图像,在紫外极光图像中可以完整地展示出极区极光的亮度和尺度变化,尤其是可以清晰地展示出亚暴膨胀相的极光点亮和亮斑膨胀现象。现有的极光亚暴事件检测方法通常需要人工设计特征和相关规则库,耗时耗力。本文利用紫外极光图像提出了基于双层聚类信息的亚暴事件检测方法,实现了紫外极光图像数据中的亚暴事件自动检测。同时,针对极光亚暴事件检测依赖手工设计特征,设计了子空间聚类指导的三维卷积特征自动提取网络;针对极光图像帧间存在成像角度差异,利用地磁纬度和磁地方时信息对极光序列中图像的空间位置进行校正;针对卫星成像位置变化导致的成像噪声,利用极光图像级聚类保留极光亮斑区域和剔除未成像或噪声区域。主观和客观实验结果表明,本算法提升了亚暴事件检测的查全率。

南极长城站哨声波监测仪设备及其初步观测

在子午工程二期项目的支持下,武汉大学(Wuhan University,WHU)联合中国极地研究中心研制了一套甚低频(very low frequency,VLF)波动探测系统,并在2022年由中国极地研究中心部署于南极洲的中国长城站(Great Wall Station,GWS,62.22°S,58.96°W).该探测系统的动态范围为~110 dB,时间精度为~100 ns,可为空间物理和空间天气研究提供高分辨率的波动观测数据.本文详细介绍了WHU VLF(子午工程编码:OCHCH_WHWM01)波动探测系统在GWS的初步观测结果,充分验证了系统的优越性能和稳定性.在过去一年的常规运行中,此系统能精确探测北美和欧洲等区域内各种地基VLF台站信号的动态变化.初步分析结果表明,在多次X级太阳耀斑爆发期间,GWS观测到的人工VLF台站信号特性与以往的研究结果高度一致.由于HWU-GWS(HWU为发射台站的名称)路径穿过南大西洋异常(south Atlantic anomaly,SAA)区域,观测结果同时表明,在磁暴期间,HWU VLF信号的扰动与磁层电子沉降在时空关系上具有很强的关联性.此外,此设备也能观测到闪电激发的宽频带哨声波,在频谱图上呈现特有的清晰色散结构.因此,在南极独特的地理位置,地基哨声波监测仪的观测结合其它仪器的观测,有利于深入开展与极区哨声波传播、低电离层扰动、地面闪电放电和辐射带粒子沉降等相关的空间天气学研究,对开展全天时空间环境监测具有重要意义.

长江口及其邻近海域表层水中溶解Mn浓度的季节变化特征

锰(Mn)是海洋中的生命必需痕量元素。河口位于河流和海洋的交界区域,其对Mn的改造作用会影响陆源Mn向海输送的生物地球化学过程。本研究使用自动固相萃取−电感耦合等离子体联用技术对2019年9月(秋季)、2021年3月(春季)和2021年7月(夏季)长江口及其邻近水域的表层溶解Mn浓度进行了测定和分析。结果显示,溶解Mn的平均浓度和河口行为表现出了季节性差异:夏季的溶解Mn浓度最高,表现为先移除后添加的分布特征;秋季的溶解Mn浓度次之,表现为添加型分布;春季的溶解Mn浓度最低,表现为保守型分布。显著性分析结果表明,长江携带的溶解Mn仅在淡水端元浓度值较高的季节会显著影响长江口及其邻近水域溶解Mn的分布;当长江淡水端元浓度值较低时,长江口溶解Mn则受多种生物地球化学过程的共同主导。长江口的中低盐度海水中高悬浮颗粒物浓度是造成该区域溶解Mn移除的重要因素,而高盐度海水中溶解Mn的添加机制则有待进一步研究。

南极冰盖深部结构、冰下过程及其对冰盖稳定性和海平面的影响

冰盖结构、冰下过程对冰盖稳定性、气候环境变化和全球海平面上升的影响正成为南极科学研究的前沿与热点。然而,目前针对不同时空尺度上影响南极冰盖稳定性的关键物理过程及其效应仍缺乏系统研究,致使多年来国际极地科学界在有关南极冰盖冰下过程对全球气候变化的影响机理的议题上存在广泛的争议。利用中国自2015年以来开展的东南极冰盖伊丽莎白公主地考察及其航空地球物理探测资料,通过归纳最近南极冰盖研究的新认识,厘清南极冰盖深部结构与冰下过程涉及的关键科学问题,阐述将冰盖典型区域的强化观测和冰盖数值模拟相结合来研究南极冰盖冰下深部结构与冰下过程的物理机理可能遇到的问题和解决方式,并提炼出与冰盖稳定性变异机制及其对海平面上升影响相关的研究目标、核心内容、有效途径及科学价值。期望对定量估算南极冰盖的物质平衡及其对未来海平面上升的影响这一人类迄今认识最少的南极冰盖研究领域作出科学贡献。

极区电离层N_(m)F_(2)观测与国际参考电离层对比研究

利用南北极极隙区与极光带纬度3个台站对电离层F2层峰值电子密度(N_(m)F_(2))长达1个太阳活动周的观测数据,对国际参考电离层IRI-2016模型在极区的适用性进行系统的定量研究。结果表明,在极光带纬度的北极Tromsø站,IRI预测与观测符合最好,大部分季节相对误差在40%以内,在太阳活动高年略好于太阳活动低年。在极隙区纬度的南极中山站和Longyearbyen站,IRI预测精度在太阳活动低年高于太阳活动高年。在中山站和北极Longyearbyen站仅个别月份相对误差在20%以内,大部分月份相对误差超过40%,冬季相对误差接近100%,特别是Longyearbyen站,在太阳活动高年冬季相对误差超过100%。从季节上看,3个台站都是冬季符合最差,夏季符合最好。IRI-2016模型对极区电离层进行预测时,难以如实反映极区等离子体对流和能量粒子沉降等极区特有的物理过程对极区电离层N_(m)F_(2)的影响。

极地气溶胶及雪冰中非海盐硫酸根与甲基磺酸 时空分布及环境指示

非海盐硫酸根(nssSO_(4)^(2-))和甲基磺酸(MSA)是极地气溶胶和雪冰介质中主要的含硫化合物。空间尺度上,南半球nssSO_(4)^(2-)和MSA具有明显的纬度效应特征;时间尺度上,nssSO_(4)^(2-)和MSA具有季节变化特征(夏高冬低),南极冰芯中MSA和nssSO_(4)^(2-)浓度均在冰期增大,北极冰芯记录出现MSA浓度在冰期减小、但是nssSO_(4)^(2-)浓度在冰期仍然增大的现象。利用极地nssSO_(4)^(2-)和MSA可以指示海洋初级生产力、大气温度、海冰范围变化以及人类活动影响等气候环境信息,并对利用nssSO_(4)^(2-)和MSA开展全球变化研究进行了展望。

极地雪冰中高氯酸盐的研究进展

环境中普遍存在着自然条件下产生的高氯酸盐(ClO_(4)^(–)),其同位素组成的显著特征(如17O异常和/或36Cl正值)表明这些ClO_(4)^(–)很可能来自于大气平流层且臭氧(O3)参与了其形成过程。极地冰盖是保存大气来源ClO_(4)^(–)的天然档案,能够提供大气来源ClO_(4)^(–)的含量、空间分布、长时间尺度内的变化序列及不同历史时期的来源等信息。这些信息对于明确人类活动对大气来源ClO_(4)^(–)的影响,大气中产生ClO_(4)^(–)的机理,以及大气中ClO_(4)^(–)的产量与大气化学、环境条件之间的关系具有重要意义。在总结了极地雪冰中ClO_(4)^(–)的来源、含量水平、时间变化序列及大气中产生ClO_(4)^(–)的机理等方面的研究进展之后,提出今后应利用极地雪冰样品研究不同区域ClO_(4)^(–)的大气圈层(平流层、对流层)主要来源,并开展雪冰中ClO_(4)^(–)的沉积后过程研究,从而能够更好地理解ClO_(4)^(–)的大气化学过程,并获取大气中ClO_(4)^(–)的产量及其变化的真实信息。

适应极地快速变化海冰模式的研发与挑战

极地海冰是地球气候系统的重要组成部分,也是气候环境变化的指示器和放大器。极地海冰复杂的多尺度物理过程和极地观测资料的匮乏,给海冰模式的研发带来了巨大的挑战。在过去的半个多世纪中,大气-海冰-海洋的复杂相互作用和冰内物理过程在海冰模式中的数学描述取得了重大的进展,但海冰模式对一些重要物理过程的描述仍很不完善,尤其是近年来极地海冰的快速变化及其物理特性的变化,极大地增加了海冰模式物理参数化方案和模拟结果的不确定性。因此,迫切需要具备完善物理过程、适应海冰多尺度快速变化的高分辨率海冰模式,并应用于全球气候变化的研究和预测以及极地的开发利用。本文从海冰模式的发展历程和现状、极地海冰快速变化给海冰模式带来的挑战以及适应极地快速变化海冰模式的改进和发展研究方向三个方面进行了阐述和讨论。

中国极地冰盖数值模拟研究进展

冰盖数值模拟是一种基于多源观测数据,通过构建并求解冰流动力学方程组,理解冰流运动物理机制以及诊断和预估其演化过程的方法,目前已被广泛应用于冰盖变化研究。本文简要介绍了极地冰盖数值模拟方法,归纳综述了近十余年我国学者在极地冰盖数值模拟方面的研究进展,厘清我国在冰盖数值模拟领域遇到的瓶颈和关键问题。阐述了如何与我国的极地冰盖科考优势区域深度结合,协同多源强化观测和数值模拟,研发和改进冰盖模式,提高冰盖模拟能力,对定量估算极地冰盖的物质平衡及其对未来海平面上升的影响做出实质贡献。通过逐步发展冰盖模式的研究能力,有望将来在冰盖关键动力过程和机制的科学认识上有所突破。

融合空间物理参数的小样本极光涡旋自动分类研究

复杂的空间物理过程导致极光出现各类复杂的形态.极光形态的自动分类有助于分析极光发生机制以及了解空间物理过程.当前的极光分类主要采用传统的机器学习或深度学习的方法,需要大数据作为支撑.但在实际发生的极光事件中,一些事件相比其他极光事件出现频率小(如极光涡旋),这样的事件是小样本事件.本文提出一种基于注意力机制,结合空间物理参数信息的小样本极光事件分类方法.从北极黄河站2003—2017年全天空极光数据集中,构建了一个有85个极光涡旋序列的实验数据集.利用该方法,对极光涡旋这一类特殊小样本极光事件进行分类研究.研究结果显示,加入空间物理参数有助于极光涡旋的分类,分类准确率从56.37%提升到66.25%,同时也表明空间环境参数对极光涡旋的产生有着明显的调制作用.

长江口及其邻近海域表层水体Co的季节分布

钴(Co)对海洋中的生物地球化学循环过程起着不可或缺的作用.河口是陆源物质进入海洋的重要界面,而Co在长江口界面的生物地球化学行为尚不明确.本文使用自动固相萃取-电感耦合等离子体联用技术对长江口及其附近海域2019年9月(秋季)、2021年3月(春季)和2021年7月(夏季)的表层水中的溶解Co进行了分析.结果显示,秋季Co浓度的范围在0.05—0.24 nmol·L^(−1),均值为0.10 nmol·L^(−1);春季为0.05—0.37 nmol·L^(−1),均值为0.13 nmol·L^(−1),略高于秋季;夏季为0.03—0.54 nmol·L^(−1),均值高达0.26 nmol·L^(−1),浓度最高.Co与盐度、营养盐、叶绿素及溶解氧在不同季节表现出不同的相关性,表明长江口Co的行为受多因素的影响.长江口溶解Co浓度自河口向外海逐渐降低,整体表现为移除型分布类型.长江口Co移除率秋季>夏季>春季,向海有效输送通量夏季>春季>秋季.

基于冰基浮标数据的2018−2019年北极海冰运动特性时空变化分析

海冰运动是影响北极海冰平流输运和物质平衡空间重新分布的重要因素。本研究基于2018年9月至2019年8月期间北冰洋66个冰基浮标位置记录数据,结合大气再分析数据,计算得到了海冰运动速度、冰速与风速的比值和海冰运动惯性强度,以刻画北极海冰运动学特征参数在一个冰季的时空变化,并讨论了不同区域冰速与风速比与海冰密集度的关联性。海冰漂移速度在波弗特–楚科奇海、东北极中央区和西北极中央区呈秋冬降低春夏升高的季节变化特征。格陵兰海月均海冰漂移速度((0.32±0.06)m/s)最大,其次是弗拉姆海峡((0.17±0.07)m/s)和波弗特–楚科奇海((0.14±0.05)m/s),而东北极中央区((0.09±0.02)m/s)和西北极中央区((0.07±0.03)m/s)较低。在月尺度上,冰漂移速度与风速的比值主要受海冰漂移速度支配。弗拉姆海峡和格陵兰海受较强的表层海流影响,冰速与风速比值较大,西北极中央区、东北极中央区和波弗特–楚科奇海的冰速与风速比值随着海冰密集度的增加趋近,并分布在0~0.02之间。所有浮标的月平均惯性运动指数为0.158±0.144,秋冬季过渡期间,海冰对风的响应以及海冰运动的惯性信号逐渐减弱,春–夏季随着海冰融化又开始增强,因此上述两个参数都可以作为指示海冰冰场固结程度的重要指标。

南大洋和南极考察航线海表超微型浮游生物分布及影响因子

南极考察航线跨越全球多个大洋,对认识超微型浮游生物在全球尺度分布及变化具有重要意义。依托中国第33次南极考察,利用流式细胞仪对航线海表水样中的超微型浮游生物进行了现场测定。结果表明,在热带与温带海域,超微型浮游生物量可占总叶绿素a浓度的60%以上,在南大洋则集中在15%~40%;原绿球藻主要分布在40°S以北海域,聚球藻主要分布在50°S以北海域,而超微型真核藻类和异养细菌则在沿线各海域均有明显分布。在纬向上,原绿球藻、聚球藻、超微型真核藻类和异养细菌的平均丰度分别为(5.50±9.09)×10^(3) cells/mL、(13.56±20.33)×10^(3) cells/mL、(3.87±3.08)×10^(3) cells/mL和(6.39±4.78)×10^(5) cells/mL;南大洋海域,超微型真核藻类和异养细菌的平均丰度分别为(3.31±1.46)×10^(3) cells/mL和(4.68±4.39)×10^(5) cells/mL,在少数站位检测到较低丰度的聚球藻,平均值为(0.38±0.39)×10^(3) cells/mL。纬向上,超微型真核藻类与温度呈显著负相关,原绿球藻与温度呈正相关,盐度与营养盐对其影响较弱;南大洋海域,超微型浮游生物与营养盐显著相关,在南极半岛海域大量消耗硝酸盐、磷酸盐和硅酸盐,而在罗斯海则主要利用硝酸盐与磷酸盐。

日侧伴随电子加速的离子上行事件的分布特征

本文基于2005年1月和7月DMSP F13卫星的观测数据,研究了日侧伴随电子加速的顶部电离层离子整体上行事件的分布特征.结果表明,离子上行主要发生在磁纬70°~80°MLAT范围内,加速电子磁层源区对应低纬边界层和等离子体片边界层;冬季上行存在明显的"晨昏不对称性",主要发生在晨侧(06∶00—09∶00 MLT),夏季上行主要发生在磁正午(09∶00—15∶00 MLT),以磁正午为中心近似呈对称分布,并且冬季离子上行发生率显著高于夏季;离子上行发生率在中等地磁活动时期显著增强,上行区域随着地磁活动的增强向低纬度方向扩展;行星际磁场Bx>0时,对应等离子体片边界层13∶00—18∶00 MLT和06∶00—09∶00 MLT区域内上行发生率增加,行星际磁场By的方向会导致上行高发区以磁正午为中心发生反转,行星际磁场南向时,上行发生率增强;冬季离子上行平均速度高于夏季.

国内外7种常用南极被动微波海冰密集度产品的比较与评估

围绕国内外机构发布的南极被动微波海冰密集度产品(PM-SIC)的差异和精度问题,应用MODIS和Sentinel-1反演的海冰密集度,对德国不莱梅大学(产品UB-AMSR2/ASI)、美国冰雪数据中心(产品NSIDC-SSMIS/NT、NSIDC-SSMIS/CDR、NSIDC-AMSR2/NT2)、欧洲气象卫星应用组织海洋与海冰卫星应用中心(产品OSI-SAF/BR-BST)、国家卫星海洋应用中心(产品NSOAS-SMR/NT)和国家卫星气象中心(产品NSMC-MWRI/NT2)发布的7种南极海冰密集度产品进行比较与评估。结果表明:(1)NSIDC-SSMIS/NT与NSIDC-SSMIS/CDR海冰密集度具有较高的一致性(平均偏差为-0.08%,相关系数为0.99),NSOAS-SMR/NT与NSIDC-AMSR2/NT2间的差异最大(平均偏差为-14.41%,相关系数为0.81);(2)7种PM-SIC的变化趋势一致,NSOAS-SMR/NT和NSMC-MWRI/NT2与其他PM-SIC的偏差具有明显的季节性差异;(3)NSOAS-SMR/NT和NSMC-MWRI/NT2与其他PM-SIC均在印度洋扇区、别林斯高晋海和阿蒙森海扇区绝对偏差较大,在罗斯海扇区差异最小。偏差较大的区域主要分布在海冰边缘区及近陆地海域,在高密集度区域差异较小;(4)应用MODIS与Sentinel-1反演的海冰密集度对7种PM-SIC验证表明,NSMC-MWRI/NT2与验证数据的一致性最高。NSOAS-SMR/NT、UB-AMSR2/ASI和OSI-SAF/BR-BST海冰密集度偏低,而NSMC-MWRI/NT2、NSIDC-AMSR2/NT2、NSIDC-SSMIS/CDR和NSIDC-SSMIS/NT海冰密集度偏高。不同海冰密集度产品的比较与评估可为发展遥感反演算法、研制和应用高质量的海冰密集度产品,更好地监测南极海冰动态变化提供依据和参考。

2015—2020年中国臭氧污染时空演化及其与厄尔尼诺-南方涛动的关系研究

为研究2015—2020年我国近地面臭氧(O_(3))污染时空演化特征以及厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)对我国O_(3)污染的影响,本文基于2015—2020年我国近1500个监测站点的O_(3)浓度数据(不包括港澳台地区数据),综合运用空间自相关、热点分析、异常值分析及回归分析,研究2015—2020年我国O_(3)污染的时空演化、浓度异常特征及其与ENSO事件和气象因素的关系.结果表明:(1)2015—2019年我国O_(3)污染集聚效应不断增强,但2020年显著降低.(2)我国O_(3)浓度呈先升高(2015—2018年)后下降(2018—2020年)的特征,2017年、2018年O_(3)年均浓度分别较上一年升高8.72%、1.76%,2019年、2020年O_(3)年均浓度分别较上一年下降3.60%、3.66%.除2019年、2020年外,O_(3)浓度高值聚集区站点的O_(3)浓度峰值和高值天数(日均值大于120μg/m^(3)的天数)均大于O_(3)浓度低值聚集区站点.(3)O_(3)高浓度时期为每年的4—10月.O_(3)高浓度区域春、夏两季以华北为核心,秋季向华南和东南地区转移.(4)回归分析表明,我国O_(3)浓度正异常与ENSO负相拉尼娜相关,O_(3)浓度负异常与ENSO正相厄尔尼诺相关.我国东南部O_(3)浓度异常主要受ENSO期间太阳辐射异常和降水异常的影响,而西部和北部地区O_(3)浓度异常主要受ENSO期间风速异常的影响.研究显示,2015—2020年我国O_(3)平均浓度呈先升高后降低的变化趋势,O_(3)高浓度时期以春、夏两季为主,O_(3)高浓度区域随季节而发生变化,且不同区域O_(3)污染变化特征不同,ENSO对我国不同区域O_(3)污染的影响机制不同.

应用风云三号D星微波数据估算北极海冰面积和边缘线的精度评估

风云三号D星搭载的微波成像仪(microwave radiation imager,MWRI)可提供被动微波数据以实现全北极尺度的海冰面积和海冰边缘线研究。基于MWRI数据获取北极海冰面积和海冰边缘线的相关研究较少,且精度验证工作不足。使用基于6种算法的MWRI数据的海冰密集度结果,提取北极的海冰面积和海冰边缘线,将专用传感器微波成像仪/探测仪(special sensor microwave imager/sounder,SSMIS)和先进微波扫描辐射计(advanced microwave scanning radiometer 2,AMSR2)数据作为对比,使用中分辨率成像光谱仪(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)融合产品(2019年8月26日—12月31日)评估精度。结果表明,MWRI数据的海冰面积随时间变化的趋势与MODIS融合产品基本保持一致。MWRI提取的海冰边缘线相比SSMIS更接近MODIS融合产品获得的结果,均方根误差约为20~30 km。这些差异主要和数据间时空分辨率有关。总之,MWRI具有较优的性能,在北极海冰参数的监测研究中极具潜力。