Geomagnetic Ultra Low Frequency(ULF)are terrestrial manifestations of the propagation of very low frequency magnetic fluid waves in the magnetosphere,and it is critical to develop near real-time space weather products to monitor these geomagnetic disturbances.A wavelet-based index is described in this pa-per and applied to study geomagnetic ULF pulsations observed in Antarctica and their magnetically conju-gate locations in West Greenland.Results showed that(1)the index is effective for identification of pulsa-tion events in the Pc4-Pc5 frequency range,including transient events,and measures important characteris-tics of ULF pulsations in both the temporal and frequency domains.(2)Comparison between conjugate lo-cations reveals the similarities and differences between ULF pulsations in northern and southern hemi-spheres during solstice conditions,when the largest asymmetries are expected.Results also showed that the geomagnetic pulsations at conjugate locations respond differently according to the Interplanetary Magnetic Field condition,magnetic field topology,magnetic latitude of the observation,and other conditions.The ac-tual magnetospheric and ionospheric configurations and driving conditions in the case need to be further studied.
北极地区的极端环境孕育了许多独特抗逆性的微生物群落.融雪期,雪冰界面的藻类大量繁殖从而形成有色雪.为了解这种微型生态系统,本研究对新奥尔松地区有色雪和白雪中细菌进行分离培养和 16S rRNA基因测序,并分析雪样中的藻类多样性.本研究共分离获得 272 株细菌,分别属于变形菌门、放线菌门、拟杆菌门和厚壁菌门中的 32 个属、74 个种,其中 16 株分离菌为潜在新种.有色雪中分离到放线菌和拟杆菌,但是白雪中未分离到.在有色雪中,藻类群落以Sanguina nivaloides和Chloromonas nivalis为主,白雪中以Monochrysis sp.和Sanguina nivaloides为主.橘雪中优势的β变形菌纲与拟衣藻存在关联,相互促进生长.本研究结果表明,新奥尔松地区有色雪中微生物多样性较高,并为有色雪生境中的藻菌关联研究提供了基础信息.
抗冻蛋白(antifreeze protein)是一类能够控制冰晶、帮助生物免受低温损害的蛋白,具有多种优良的抗冻活性.本文全面讨论了抗冻蛋白多种抗冻活性(冰面结合活性、热滞活性、重结晶抑制活性、冰晶修饰活性和冰粘附活性),介绍了抗冻活性鉴定方法及其最新的进展.在此基础上,总结了抗冻蛋白研究存在的问题与挑战,并对其研究前景进行了展望.
启发式算法被广泛用于移动巡检单元的路径规划中.然而在一些特殊场合(例如南极中山站),有限的通信带宽、能源和计算能力要求移动巡检单元在路径规划算法中更有效率.为了解决上述困难,本研究提出了 1 个网络交换和分布式通信设施的设计方案,并将其作为实现数字孪生传感网络的基础.同时,本研究提出了1种改进型灰狼优化的路径规划算法,结合联邦学习机制,以提高路径规划算法的效率,减少资源消耗.通过一系列的仿真研究和南极中山站现场试验,验证了该算法在启发式全局路径规划、规划成本评估和区域动态路径规划方面取得了良好的性能.本研究设计的硬件平台功能符合实际任务要求,新型启发式路径规划算法优于同类其他算法,联邦学习机制提高了规划算法中参数设置的效率,算法模型使南极中山站移动巡检单元的路径规划更加高效和可靠.
气候变暖在北极呈现了"放大效应",这使得北极气候和陆地环境变化更为显著,这些变化对北极乃至全球的工业经济产生了影响.本文针对北极采矿业、制造业、建筑业、生产和供应业 4 个工业部门,分别总结了它们在北极地区的经济体量,并按各自生产要素,综述了它们受北极气候和陆地环境变化影响的方式及现有研究进展.最后,从北极气候和陆地环境变化对工业影响方式、现有研究对各工业部门及工业整体的认识、适应性策略的制定和实施、多样化数据和方法的探索、对中国参与北极工业建设活动的启发和意义 5 个方面,对现有关于北极气候和陆地环境变化对工业经济影响研究所存在的问题进行了分析与总结,并对未来趋势进行了展望.研究结果可为探索和认识北极,以及中国参与北极环境保护、工业投资和建设提供参考.
21 世纪以来,南极臭氧总量经历了逐渐恢复的过程.本文基于近 41 年(1979-2019 年)BS填充臭氧总量(Bodeker Scientific Filled Total Column Ozone)数据集和同期的ERA5再分析数据,分析了20世纪末(1979-1999年,损耗期)和21世纪初(2000-2019年,恢复期)南极春季(9-11月)臭氧总量和平流层环流的主要变化特征,研究了不同时期平流层环流异常与臭氧总量的关系,并通过行星波诊断了影响臭氧总量变化的可能途径.结果表明,(1)南极臭氧总量在损耗期以51.5 Du.(10 a)-1的速率显著减小,在恢复期以14.2 Du.(10 a)-1 的速率持续增加;与臭氧总量存在显著相关的平流层云(PSC)面积、平流层下部极区温度、中部极区位势高度以及 60°S 平均纬向风在损耗(恢复)期也经历了快速(缓慢)变化;(2)在整个分析时段,臭氧总量与PSC面积、平流层温度、位势高度以及纬向风保持着显著且稳定的关系;其中恢复期臭氧总量与上述平流层各要素的关系更加显著;(3)与损耗期相比,恢复期由于平流层存在较强的Eliassen-Palm(EP)通量,伴随平流层中上部极区EP通量辐合和更大的负涡旋热通量,使得平流层温度升高,极涡减弱,不仅导致PSC面积减小,而且有利于南极臭氧总量恢复.
通过对中国第 30 次南极科学考察期间在东南极普里兹湾采集的岩芯ANT30/P1-02 进行重金属含量的分析,探讨了末次间冰期以来 ANT30/P1-02 岩芯重金属的富集特征和来源变化.结果表明,重金属富集系数变化趋势与重金属含量变化趋势一致,在不同时期重金属含量变化趋势明显,可以被用来指示冰期-间冰期旋回特征.Pb、Zn、Ba元素均呈现富集现象,其中Ba元素有明显的富集,Ge、Cd、Fe元素均没有富集或者富集不明显,且富集系数在冰期与间冰期变化不明显,Ca元素在末次间冰期有明显的富集.通过不同来源输入的估算,发现5种元素来源输入相差较大,Fe、Ge元素在末次冰期来源输入相差较大,Ba、Ca、Zn元素在末次间冰期来源输入相差较大.Fe、Ca元素更大程度上受岩源输入影响,Ge、Ba、Zn元素更大程度上受生源性物质输入的影响.Fe、Ge、Ba、Zn和Ca元素不同来源输入相差较大的原因与富集系数特征相符.
在全球气候变暖的背景下,北极海冰的快速变化对北冰洋的自然环境、水文状况、生态系统等均产生显著的影响.作为全球气候变化的重要指示器,加强对北极海冰未来变化的精确预估将增进对北极乃至全球气候变化趋势的理解和认识.当前,数值模式是有效预估海冰未来变化的主要手段之一,然而由于影响模式准确度的因素众多,模式之间的结果差异较大.因此,本文梳理了目前国内外有关北冰洋短期预报以及中长期预估模式的研究进展,着重对各类模式在北极海冰的密集度、覆盖范围和面积、厚度以及漂移速度等关键要素的模拟精度进行研究,分析了当前模式对北极海冰未来变化趋势的预估,并展望了数值模式在北极海冰预估方面的研究与应用前景.
环境治理既是南极国际治理的核心议题,又是各国锚定参与南极事务的关键目标之一.纵观南极环境决策机制,既有南极条约协商会议(ATCM)、南极环境保护委员会(CEP)以及南极海洋生物资源养护委员会(CCAMLR)等南极条约体系制定机构的引领,又有南极旅游组织者协会(IAATO)等活跃在南极的非政府组织的积极参与.非政府组织以其非政府性、非营利性和国际性的优势在制定行业规范、供给科学知识、参与议题设置、强化舆论引导等方面发挥了独有作用,进一步促进了南极环境决策机制的透明化和民主化.作为南极条约协商国,我国在参与南极环境治理时应辩证看待非政府组织所发挥的作用,既要关注其在南极造法进程中的重要贡献,又要警惕非政府组织"政府化"和"唯资本化"倾向对我国造成的扰动.此外,我国要以南极研究科学委员会(SCAR)为纽带加强同非政府组织在科学层面的合作,同时鼓励并引导国内社会组织参与南极事务,不断提升在南极治理中的话语权和国际地位.
冰冻是极地船舶最常见的问题,会影响船舶的安全性和设备系统的可操作性,所以暴露在寒冷天气下的船舶系统和设备应满足相应的防寒要求,以实现防冰和除冰效果.本文梳理了中国船级社(CCS)的相关防寒规范指南,并通过分析全船不同区域对象的防寒需求,重点对机舱通风、冰海水门、液舱防冻和甲板机械等设备系统的防寒技术进行了研究,总结了相应的主要防冻措施,以期对航行于寒冷地区船舶的设计有所指导.
西南极玛丽伯德地冰盖底部地热通量的不确定性对准确模拟其演化有着重大的影响,探究地热通量的变化对冰盖温度场和速度场的影响具有重要意义.本文基于 2021 年更新的BedMachine V2 中的南极冰盖底部基岩高程、表面高程数据,添加表面温度、表面质量平衡和地热通量等边界条件,利用 Full-Stokes 三维模型 Elmer/Ice 对西南极玛丽伯德地的部分区域(76.8°S—77.3°S,138°W—142°W)进行了静态模拟.实验通过美国冰雪中心 2020 年更新的 MEaSUREs 项目的遥感冰盖表面流速数据(MEaSUREs In-SAR-Based Antarctica Ice Velocity Map),对Elmer/Ice中的冰盖底部滑动系数和格伦增强因子两个参数进行约束,以模拟得到的表面冰流速和遥感表面冰流速之间的均方根误差(RMSE)作为评价指标,获得适合区域模拟的最佳参数.当滑动系数为 0.1,格伦增强因子为 0.26 时取得最小RMSE(4.140 m·a-1).以此参数进行模拟,并对地热通量进行调节,得到了研究区域的速度场、温度场、应力场等实验结果.实验结果表明,地热通量改变时冰盖底部温度场变化较大.
大洋表层海水氧稳定同位素比率(δ18O)能够准确指示多种海洋循环过程,也可以用来重建古气候变化.随着近几十年采样范围的扩大和分析技术的提高,大洋表层海水δ18O研究取得了重要进展,其主要体现在δ18O的时空分布特征及归因等研究方向.但是,受到海洋调查范围的限制,现在仍存在对 δ18O 时空范围深入认知的不足.本文对大洋表层海水δ18O的相关研究方法和研究进展进行了梳理和归纳,以期为未来的深入研究提供参考.
冰盖的数字高程模型(digital elevation model,DEM)是对冰盖形状的刻画,是研究南极冰盖必不可少的基础数据[1].然而,受气候变化影响,西南极冰盖发生了剧烈的消融,冰盖的 DEM 也随之不断地变化.Ice,Cloud and land Elevation Satellite-2(ICESat-2)是美国国家宇航局(National Aeronautics and Space Admini-stration,NASA)于 2018 年发射的最新一代激光测高卫星,星上搭载的先进地形激光测高系统(Advanced Topographic Laser Altimeter System,ATLAS)对南极冰盖表面进行了高密度的精确观测.本文利用这一观测数据,使用最小二乘拟合法制作了 1 km×1 km网格的南极冰盖DEM.使用NASA冰桥(IceBridge)计划采集的机载激光雷达测高数据评估发现,随着冰盖表面坡度的降低,该 DEM的精确度逐渐提高.整体来看,该ICESat-2 DEM与IceBridge高程数据的差值的中位数、均方根和十分位距分别为-0.45 m,17.51 m和17.93 m.在不同坡度范围内,该 ICESat-2 DEM 的精确度均优于前人基于 ICESat-2 数据所得到的南极冰盖的DEM.
海洋沉积物中活性铁(FeR)结合态有机碳(OC-Fe)具有长期保存潜质,准确测定其含量对评价其对碳埋藏的贡献(fOC-Fe)和在缓解全球变暖中的作用具有重要意义.目前尚无研究评估酸蒸法和酸洗法对估算OC-Fe和fOC-Fe的定量差异.本研究使用酸蒸法和酸洗法分别对南极普里兹湾 5 个表层沉积物的原样、还原实验后样品和对照实验后样品进行无机碳去除处理,测定对应的有机碳(OC)含量,计算这两种方法的OC-Fe 和 fOC-Fe.结果表明,对于原样、对照和还原实验后样品,酸洗法测得的 OC 含量比酸蒸法分别低34.82%±12.92%、32.80%±15.11%和 26.15%±20.51%,说明酸洗法能显著析出酸溶性 OC 和水溶性 OC.两种方法处理后得到的OC-Fe含量和fOC-Fe范围均差异显著,表明酸洗法会额外析出部分高结晶度态铁氧化物或低活性含铁硅酸盐结合的OC,放大fOC-Fe的差异,不利于准确评估OC-Fe对海洋沉积OC贡献量.因此,在开展OC-Fe研究时,建议采用酸蒸法去除无机碳.
利用GNSS-R(全球导航卫星系统反射测量)技术进行准确的雪深监测已成为传统雪深测量的重要补充手段.本文使用GNSS-R技术反演了2012—2018年美国阿拉斯加州4个GPS观测站附近的雪深结果,结合加拿大气象中心(Canadian Meteorological Centre,CMC)提供的雪深模型数据产品,以PBO(Plate Boundary Observatory)H2O项目组提供的雪深资料为参考值,分析了不同手段获取的雪深值在不同时间尺度上的变化特征,同时评估了GNSS-R反演雪深结果作为独立数据集验证CMC模型数据的能力.结果表明:GNSS-R、CMC和PBO得到的长时间序列雪深结果均具有较为一致的明显周期性变化,整体上GNSS-R反演结果比CMC数据精度更高,更能反映雪深的年际变化情况.GNSS-R反演值和CMC模拟值均能够反映各测站PBO雪深值的逐月变化规律,但GNSS-R反演值的精度和稳定性总体上优于CMC模拟值.GNSS-R反演结果比CMC模拟值与PBO雪深值的季节性变化更具一致性,且对于本文研究的4个测站,GNSS-R反演雪深的精度和稳定性在雪深值较大的春季和冬季较高,雪深值较小的秋季略差.此外,本文还证实了GNSS-R反演的雪深结果可用于评估CMC模拟雪深值的精度,且评估效果在冬春季优于秋季.
本研究利用ERA5数据对南半球环状模(Southern Annular Mode,SAM)正、负位相和ENSO(El Ni?o-Southern Oscillation)事件发生时罗斯海和阿蒙森海冬季风场、气温和海平面气压进行合成分析,并深入分析了SAM和ENSO对冬季阿蒙森低压(Amundsen Sea Low,ASL)的影响,通过对典型区域进行经验正交分解(Empirical Orthogonal Function,EOF),结合ASL中心的位置变化,解释了SAM和ENSO事件同时发生时该区域风场的变化特征.结果表明,在罗斯海和西阿蒙森海,主要由SAM和ENSO通过影响ASL的纬向位置来影响该区域的风场,当SAM正位相和拉尼娜事件同时发生时,ASL的位置显著靠东,造成了西罗斯海南风减弱,东罗斯海南风加强,西阿蒙森海沿岸东风减弱.而在东阿蒙森海,主要由SAM通过影响ASL的经向位置来影响该区域的风场,SAM负位相时,ASL中心位置靠北会造成东阿蒙森海东风增强.此外,ASL位置的偏移也会造成该区域大气环流的改变,当SAM正位相和拉尼娜事件同时发生时,ASL偏移至西阿蒙森海沿岸,而从南极大陆来的寒冷气流主导了该区域,造成气温异常降低,降幅最大超过3℃.
利用ORAS5海洋-海冰再分析数据集,研究发现1979—2018年间巴伦支海海洋热含量存在显著的季节和年际变化特征,且有持续上升趋势.海-气热通量是控制巴伦支海海洋热含量季节变化的主要因素,而北大西洋流的海洋热输运则影响其年际变化和上升趋势.北大西洋流的温度和流速变化对其海洋热输运的年际变化均有贡献,而其海洋热输运的上升趋势则主要是来自于北大西洋流温度的增加.此外,巴伦支海开阔海域和冰区的海-气热交换呈现相反的趋势,在无海冰覆盖的开阔海域,海洋放热减少,海洋混合减弱;而在有海冰覆盖的海域,海洋放热则显著增加,海洋混合增强.
海冰厚度作为海冰的重要变量之一,相较于海冰密集度、海冰漂移速度、海冰范围等,数据时空完整性仍然不足.当前获取北极海冰厚度的主要手段为卫星遥感,除之前的CryoSat-2、SMOS等卫星,2018年11月又新增了ICESat-2卫星.目前,针对北极多源卫星海冰厚度的时空变化差异性对比以及数据精度评估的工作较少,因此,本研究通过选取最近的完整两年(2019—2020年)内的ICESat-2、CryoSat-2以及CS2SMOS(CryoSat-2和SMOS融合产品)海冰厚度数据进行对比分析,量化其时空差异.结果显示,整体上CryoSat-2卫星数据的平均海冰厚度最大,ICESat-2其次,CS2SMOS最小.三种卫星数据间的差异具有明显的时空变化特征,在海冰厚度高值区ICESat-2数据的厚度最大,CryoSat-2与CS2SMOS数据的厚度相近,而在海冰边缘区CryoSat-2数据的厚度最大,CS2SMOS最小.从区域来看,不同卫星数据反演的海冰厚度在东西伯利亚海和波弗特海区域差异较小,在巴伦支海区域差异较大.在此基础上,利用研究时段内的"冰桥行动"实地观测数据对多源卫星数据进行评估,结果表明,2019年4月CS2SMOS数据整体上与实地观测数据更接近,而ICESat-2数据与实地观测数据相差较大.
极地冰盖底部的冰-基岩界面记录了冰盖的历史演变,反映了冰层的几何特征和冰底环境属性,是推断冰盖动力学和解释冰下地貌的重要指标.机载冰雷达是一种有效的极地冰盖探测方法,但雷达数据受探测环境和仪器自身局限性的影响,会包含各类噪声.为了高效准确地提取冰雷达图像中基岩界面和冰面、降低噪声干扰,利用2015—2016年度中国第32次南极科学考察在伊丽莎白公主地的航空冰雷达观测数据,基于深度学习的pix2pix算法建立了一种自动化提取雷达图像冰面和基岩界面的模型.实验结果表明,该模型提取冰面/基岩界面的精确率为0.863/0.948,峰值信噪比为24.814 dB,均高于以往的K-SVD和CycleGAN同类算法,能更有效地去除噪声、提高图像质量,更高精度地还原现在通用的人工提取效果.
北冰洋海域的水声学研究在冰下通讯、导航定位、目标探测以及海洋环境参数反演等方面起着重要作用.而研发集成极区冰下浅表层声学监测浮标系统,获取长期连续气-冰-海界面的主要环境参数数据及冰下声学特性信息,是开展冰下水文和声学环境特性研究的重要手段.本文研究了一种极区冰下浅表层声学监测浮标系统的设计,该系统主要由主控制模块、供电模块、数据采集模块、数据远程传输模块、远程监控中心五部分组成,通过各个模块的开发与集成测试、数据的采集与传输测试、野外试验等,实现了对极区气-冰-海界面主要环境参数以及冰下浅表层声学特性参数数据的持续观测.本系统于2021年8月在中国第12次北极科学考察任务中完成现场应用,在极地低温恶劣环境下运行可靠稳定,实现了包括水声数据在内的极区各项环境观测参数的远程传输.
