摘要：南极和北极是地球上的气候敏感地区,也是多个国际计划研究全球气候变化的关键地区。极地包含了大气、海洋、陆地、冰雪和生物等多圈层相互作用的全部过程,在全球气候的形成和变化中有重要的作用。极地大气科学考察与研究是极地科学研究的重要组成部分。到2008年初,我国自主组织了24次南极考察,2次北冰洋考察和4次北极站考察;建成了南极长城站、中山站和北极黄河站,并在南极冰盖设置了5个无人自动气象站;开展了有关极地大气科学与全球变化的研究。在南北极地区,进一步加强国际合作,继续监测包括近地面温度在内的大气要素的变化,提高极地气象业务水平;拓展极地气象业务和大气科学考察研究领域,积极获取气候代用资料;进一步量化和认识极地在全球变化中的作用,及其对我国天气气候和国民经济可持续发展的影响;建立完善极地大气科学研究体系,提高极地大气科学研究水平,仍是我国极地大气科学与全球变化研究的重要内容之一。
关键词：南极; 北极; 大气科学; 全球变化;
Abstract：The Arctic and Antarctic are climatic sensitive areas on the Earth, and are also key regions of many international research programs for climate change. Polar Regions are important to the formation and variation of global climate because they comprise all interactive processes among atmosphere, hydrosphere, lithosphere, cryosphere and biosphere. Expedition and research on polar atmospheric science is an important component of polar science. By the early time of 2008, China has organized expedition to Antarctica for 24 times, twice to Arctic Ocean, and 4 times to Arctic station independently, and built the Great Wall station and Zhongshan station in Antarctica and Huanghe station in Arctic. Moreover, 5 automatic meteorological stations were also set up on the ice sheet of Antarctica. Researches relating to polar atmospheric science and global climate change are developing. However, many works need to be done to enhance our researches on polar atmospheric sciences and global climate change, such as further promoting international cooperation, keeping monitoring changes of atmospheric elements including near surface temperature, improving operational capability on polar meteorology, expanding investigating and studying fields on polar atmospheric science, getting climatic proxy data actively, further recognizing and quantifying the role of polar zones in global change and its impact on weather/climate and sustainable development of economy in China, and setting up an integrated system for polar atmospheric science research.
Keyword：Antarctic; Arctic; Atmospheric Science; Global Change;
极地是南极和北极地区的统称,位于地球的南北两端,大部分地区终年为冰雪所覆盖,自然环境恶劣,是地球上的气候敏感地区,也是多个国际计划研究全球气候变化的关键地区[1,2]。全球大气是一个相互作用和影响的统一整体,要了解包括全球气候变化在内的全球变化,必须对极地有所研究。
1极地在全球气候系统中的作用
南极地区,通常指60°S以南地区,包括南极大陆、亚南极岛屿和环绕南极大陆的南大洋;北极地区,通常指北极圈(66°33′N)以北地区,包括北冰洋、边缘陆地海岸带及岛屿。南极是一块被海洋包围的冰雪大陆;而北极则是一片被大陆包围的冰雪海洋。
全球气候系统由大气、海洋、陆地、冰雪和生物等圈层组成,极地包含了上述五大圈层相互作用的全部过程。大气是人类不可缺少的生存环境, 大气科学是一门研究整个大气性质、结构和运动的学科,包括气象学、气候学、大气物理学和大气化学等分支。极地大气科学考察研究,历来是极地科学研究的重要组成部分,对极地大气和环境变化的监测和研究也是全球变化研究的重要内容。极地大气科学考察研究不仅具有深远的政治意义,对气象学、冰川学、海洋学、地质学、生物学、地理物理学及环境科学等研究领域有重要的科学意义,而且具有潜在的经济和社会效益[3,4]。
极地是地球大气的主要冷源,在全球大气环流和天气气候形成,南北两半球热量、动量和水份的交换中起重要作用。特别是南极洲95%以上地区被冰盖、冰架和终年不化的积雪所覆盖,平均厚度2 000 m,加上周围海域的海冰,形成了一个名副其实的冰大陆,储存了全球冰雪总量90%以上,具有能使全球海平面升高60 m 的水量;北冰洋及其周围陆地,被冰雪覆盖的时间也很长,其中格陵兰冰盖也具有能使全球海平面升高6 m 的水量。要了解地球上的气候变化,就必须对极地地区太阳辐射和热量平衡特征,极地大气、海洋、陆地和冰雪之间的相互作用过程,以及极地对全球气候环境的相互作用和影响等进行深入的研究。在中长期天气预报模式、全球气候动力诊断和摸拟模式中,都需要对两极地区下垫面和大气相互作用过程和各种热力和动力参数有深刻了解。
海洋是驱动大气能量的主要供应者和调节器,极地大洋环流和海冰变化与极地大气环境有密切关系,在全球能量平衡中起重要作用。极地冷水通过沉降从海底向较低纬度地区输送,由海水温度、盐度不同而形成的全球“温盐环流”,对全球各大洋的热量和气体交换起重要作用。温盐环流的异常将会对全球的天气和气候发生重大影响。海冰覆盖状态的变化也严重地影响着海冰区的能量收支和海洋—大气之间的热交换。
极地冰盖及海相和湖相沉积物中保留着地球大气地质时期和历史时期气候变化的详细记录,是获取极地气候代用资料的载体[5]。每年沉降到终年不化冰盖表面的降雪都给冰盖增加了新的气候记录。在南极钻探的冰岩芯和陆上的露岩包含了长达45亿年以上的全球变化记录。例如,根据对南极东方站和DOME—C冰岩芯同位素、气泡成份及微量物质的研究,科学家就获得了近42万年和近74万年以来南极地区温度和二氧化碳等痕量气体浓度变化的资料[6,7];用生物地球化学等方法,通过对南极企鹅粪、海豹毛等沉积物中元素的分析,能了解近几千年企鹅、海豹数量的变化,并揭示企鹅、海豹种群与南极环境和温度变化的关系[8,9]。
南极和北极是影响全球气候变化的敏感地区之一,极地气候变化是全球气候变化的指示器。南极是地球的“冷极”和“风极”。南极东方站实测地面最低气温为-89.2℃,比在西伯利亚测得的北半球地面最低气温(-71℃)低18℃;南极迪·迪尔维尔站实测最大瞬时风速达96 m/s ,是全球地面风速最大的地方[10]。南极和亚南极环境的各种参数对全球变化十分敏感,就气候变化而言,南极洲是地球上“惯性”最大的地区。大陆腹地降水少,有“白色沙漠”之称,冰原的代谢率极慢,在气候系统中具有易控制、稳定的特点,对其变化应十分关心。南极冰盖物质平衡研究将对研究温室效应的增温作用及全球海平面变化有重要意义。在全球变暖的大背景下,近年来,北极地区也发生了一系列变化,特别是海冰范围减少、厚度变薄,其指示意义不可忽视。
极地,尤其南极,是目前全球最少受人类活动影响 环境污染的地区。极地大气化学特征、大气本底环境的分析和研究,对了解人类活动与全球环境变化的关系、人类活动对全球环境变化影响程度有重要的意义,也能为各国政府制定与全球环境变化有关的政策提供参考依据。目前因人类活动引起的大气中二氧化碳和氟里昂等气体浓度的增加已经引起了人们的忧虑,前者能通过“温室效应”使全球气候增暖,而后者则通过平流层中的光化学反应破坏臭氧层,其影响在北极和南极反映最为明显。目前地球上气温、二氧化碳等环境要素的变化强度已超出了自然界变动的界限[2],因此,在极地对气温、二氧化碳和大气臭氧等环境要素的监测更有意义。对极地温度和极冰范围的监测及对冰原稳定性的研究能为判断“温室效应”的影响程度提供依据;开展大气臭氧变化规律和氟里昂等气体向两极输送过程的研究将为揭示“南极臭氧洞”产生机理,以及人类活动对臭氧层破坏的影响程度提供线索。
极地气候和大气环境变化对我国天气气候及国民经济可持续发展都会产生影响。我国位于北半球,人们对来自北极地区的冷空气活动的影响都有亲身体会,而事实上,来自南半球的冷空气活动对北半球的大气环流和天气气候也会发生影响。极地气候和大气环境变化对我国天气气候影响的研究,将为寻找影响我国短期气候的强预测信号提供参考依据[11,12]。
极地是地理和地磁极点所在地,是研究各种大气物理现象和日地关系的好场所。极区最适宜进行有关电离层、磁层、平流层—对流层特性及相互作用的探测研究,也可进行太阳活动及其长期变化对中低层大气活动影响和极区天气气候变化对太阳活动变化的响应的观测研究。
鉴于上述原因,随着近百年来极地科学考察事业的发展,极地大气科学考察与研究也取得了较大的进展。
2中国极地大气科学考察研究
早在1957年,著名气象学家、中国科学院竺可桢副院长就指出,“中国是一个大国,要研究极地。地球是一个整体,中国自然环境的形成和演化是地球环境的一部分,极地的存在和演化与中国有密切关系”,并专门派出了留学生赴前苏联专修“极地冰川”。我国系统的南北极实地科学考察起步较晚,其中南极实地科学考察研究始于20世纪80年代,1983年和1985年成为“南极条约”缔约国和协商国,1986年才成为国际“南极研究科学委员会(SCAR)”成员国;而我国对北极的实地考察和研究,始于20世纪90年代,比南极的实地考察还要晚10年,1996年才成为“国际北极科学委员会(IASC)”成员国。目前初步形成了以南极长城站、中山站、北极黄河站、南极冰盖自动气象站和“雪龙号”破冰科考考察船为主体的极地考察硬件支撑体系[11,12]。
2.1 中国的南极大气科学考察
中国的南极考察是由国家南极考察委员会(现为国家海洋局极地考察办公室)归口管理的,从1980年起,国家南极考察委员会多次派人赴国外的南极考察站进行气象考察,为我国独立建站积累了经验。1981年中国气象科学研究院卞林根参加了澳大利亚南极莫森站的越冬考察, 是第一个赴南极考察的中国气象学家。秦大河参加了“国际徒步横穿南极考察队”,于1989年12月12日到达南极点,成为第一个徒步横穿南极考察的中国科学家。到2008年初,我国共组织了24次国家南极考察,有160余人次的气象人员参加了这些考察。
目前,在南极科学考察站中中国建有长城气象站和中山气象台,常规气象观测是其主要科学考察活动之一。
中国南极长城气象站(62°13′ S , 58°58′ W, 10 m)建成于1985年2月,位于西南极的乔治王岛,站号为89058。
中国南极中山气象台(69°22′ S , 76°22′ E, 14.9 m)建成于1989年2月,位于东南极的拉斯曼丘陵,站号为89573。从1993年起,中山站用BREWER臭氧探测仪器进行了大气臭氧总量、二氧化硫、二氧化氮总量及紫外UV-B观测。
前面所述的各项考察都是在长城站、中山站站区及邻近地区进行的。随着中国南极考察向南极内陆的延伸,在赴DOME—A及格鲁夫山考察时也进行了气象考察。
2002—2008年,我国先后在从南极中山站到南极大陆冰盖最高点的剖面上,设置了5个中澳/中美合作自动气象站。这五个自动气象站都直接通过卫星传输资料,在北京通过国际互联网调用资料。
除上述项目外,在中国南极考察站还进行过降水及冰雪样品化学组分测定、酸雨监测、气溶胶和凝结核特性及沉积物样品采集等大气环境特性的观测;在“向阳红十号”、“极地号”和“雪龙号”等科学考察船赴南极考察航渡期间,考察船上都进行了常规的海洋气象观测和大洋综合考察,近年来还进行了有关地面臭氧、紫外UV-B和大气成份等大气环境监测[11]。
2.2 中国的北极大气科学考察
自20世纪90年代起,在国家南极考察委员会(现为国家海洋局极地考察办公室)、国家自然科学基金会、中国科学院和中国科协、中国科学探险协会等单位支持下,我国科学家先后参加了中外合作及我国政府和民间组织的多次北极综合考察。其中,影响较大的有:
1991年在国家南极考察委员会和国家自然科学基金会的支持下,中国科学家参加挪威、苏联和冰岛科学家的北极考察;1994年中国科学院和美国合作进行了阿拉斯加科学考察;1995年中国科协组织了北极徒步探险,并到达了北极点;1997年中科院大气所和中国气象科学研究院的气象工作者与挪威合作,在北极海冰上进行了大气边界层结构和湍流通量输送的试验研究。
1999年7~9月,中国首次北极科学考察队,搭乘中国“雪龙号”极地考察破冰船,在北冰洋及白令海,以考察船、直升飞机、浮冰站为观测平台,进行了海洋—海冰—大气—生物的多学科联合综合观测。除在考察航线上进行海洋气象、地面臭氧、紫外UV-B、臭氧探空等观测外;还在北极浮冰上的联合冰站进行了近地层大气物理(梯度和超声)、边界层大气结构(TMT软气象塔)、高空大气探测(GPS探空和臭氧探空)、极区大气化学和海水微量元素以及大气气溶胶和低层大气温室气体采集[13]。
2001—2003年在中国科学院、国家自然科学基金会和中国科协、中国科学探险协会等单位组织和支持下进行了民间的中国伊力特·沐林北极探险考察,在斯瓦尔巴群岛的朗伊尔地区进行了有关大气、冰川、地质和植物等学科的综合考察,这是极地科学工作者首次利用企业赞助进行较大规模的北极科学考察研究。这些民间考察活动,对我国北极科学考察研究的开展及我国北极考察站的建立起了促进作用。
2003年7~9月,中国第二次北极科学考察队,再次搭乘中国“雪龙号”极地考察破冰船,在北冰洋及白令海,以考察船、直升飞机、浮冰考察站和冰下机器人为观测平台,进行了大气—海洋—海冰的多学科联合综合观测。考察地点超越了80°N。中国首次北极考察时,浮冰考察站所在的浮冰面积仅3 km2,而第二次北极北冰洋考察时,浮冰考察站所在的浮冰面积达300 km2[14]。
2004年我国在北极斯瓦尔巴群岛的新奥尔松建立了中国第一个北极陆地科学考察站。中国是1925年“斯瓦尔巴条约”成员国之一,根据该条约规定,中国人有权在该地区从事科学考察,建立科学考察站;此外的北极地区绝大部分陆地已有领土归属,中国不能建站。到北极黄河站的交通十分方便,有飞机可以到达,如果协调得好,从北京出发,当天就可到达黄河站,现在我国每年都有考察人员赴北极黄河站考察。
3从极地大气科学考察,了解全球影响
我国对极地气象的认识至少可追溯到上世纪的30年代,一位年轻的中国留德博士(已故北京大学教授李宪之先生)利用当时极为稀少的气象资料,作出了“侵袭东亚的强冷空气可以穿过赤道到达印尼和澳大利亚,并在那里形成特大暴雨”及“北半球西太平洋台风的生成与南半球强寒潮侵袭有关”的大胆论断[15,16],这一些结论已被近代气象观测资料和数值模拟结果所证实。
从1984年到2008年初,我国先后组织了24次南极考察和6次北极考察,建成了中国南极长城、中山站和北极黄河站3个有人的科学考察站,并在南极冰盖设立了5个自动气象站。在进行极地考察的同时,开展了有关极地气象和全球变化、地—气相互作用物理过程的考察和研究工作。
近年来,随着在全球变暖的大背景下, 南北极都发生了一系列变化,极地得到了世界的广泛关注。2007年3月23日世界气象日的主题是“极地气象:了解全球影响”,这包括两层意思,一是全球气候变化在极地有哪些反映?二是极地气候和环境变化对全球有哪些影响?
与人类排放到大气中的污染物有关的全球变暖和臭氧层减薄是各国政府和人民普遍关心的热点问题,这两个问题在极地都有十分敏感的反映。
在全球变暖的大背景下,西南极,也就是在南极大陆靠近南美洲的那一侧,增温十分明显,在个别站上,近百年温度增加了2.5℃,大大地超过了20世纪全球平均增温0.6℃的幅度;此外,近年来西南极还经常发生了冰架融化和崩塌,如2002年从2月27日到3月5日,不到一周时间,位于南极半岛的拉森陆缘冰架发生了大面积塌陷,200 m厚的冰架塌陷后变成小的冰山和碎块,塌陷的陆缘冰面积约有3 250 km2。那么,是否南极大陆冰盖也在崩塌呢?答案居然是否定的。
南极地区的气候变化从时间、空间上来说都是多样的,气候系统十分复杂。近50年来,南极地区的显著增温主要发生在南极半岛地区,而东南极大陆并不明显,近10余年来,还有较明显的降温趋势[17]。中国南极长城站和中山站的观测也证实了这一点。除南极半岛地区的显著增温,在南极洲大陆上没有出现外,近年来西南极经常发生的,大范围的冰架融化和崩塌,在东南极也没有发生。冰川学研究也表明,在西南极地区冰盖物质的补充小于消融,冰盖是不稳定的;而在东南极地区冰盖物质的补充大于消融,冰盖是稳定的。南极地区的气候变化时空多样性的提出,为进一步全面认识极地对全球变化的响应提供了重要线索。
春季南极臭氧洞的出现,是大自然对人类发出的又一警告。臭氧是大气中由三个氧原子组成的一种微量气体,主要分布在平流层中,通常最大浓度出现在离地22~27 km的地方。虽然臭氧在大气中含量很少,在一个大气压的标准情况下,大气臭氧总量的全球平均累积厚度仅为3 mm,也就是大致只有二个五分硬币那么厚。但由于它能大量吸收阳光中对人体和生物造成伤害的那部分紫外线,对地球生态系统和大气环境有重要影响。大气中的臭氧减少后,照射到地面的紫外线就会增加,将使人类遭受皮肤癌、白内障、免疫系统缺陷和发育停滞等疾病的袭击,还会使农作物减产,浅海浮游生物等受损。如果臭氧层消失了,我们赖以生存的地球,就会成为一个不设防的城市,杀伤生物的紫外线便无遮无拦长驱直入了,结果将是地球上生灵的灭绝。
春季南极臭氧洞是在上世纪80年代中期发现的。在春季,南极地区臭氧总量急剧减少,会出现低于全球平均值30%~40%的区域,与周围地区相比, 就显得南极洲上空出现一个臭氧低值的“空洞”,这就是南极臭氧洞。南极臭氧洞只在南极春季出现,并不是全年都存在的。通常南极臭氧在7月下旬开始减少,8月中旬后就出现较为明显的臭氧洞,9月下旬到10月上旬臭氧洞的面积最大,10月底后臭氧急剧增加, 臭氧洞逐渐填塞,12月中旬恢复正常,就不再有臭氧洞了。南极臭氧洞的强度和范围时大时小,各年是有变化的,“空洞”中的最低值也是波动的。近十年来,南极臭氧洞最大时面积已超过28百万平方公里,差不多有三个中国那么大,占据了整个南极洲,其中心地区的臭氧总量与正常值相比耗损了70%左右;而在南极臭氧洞最小的年份,洞面积不到3 百万平方公里,只有近10年来平均值的1/7。
导致南极臭氧洞出现的罪魁祸首是人类自己。为制造冰箱和空调器等,人类发明和使用了氟利昂和溴化烃等含氯和溴的化合物,这类污染物质排放到大气中后,在平流层冰晶云表面,会通过光化学反应消耗大量臭氧。大气中存在有人类活动排放的氟利昂和溴化烃等含氯和溴的化合物,是春季南极臭氧洞形成的充分条件;而为光化学反应提供活动界面的平流层冰晶云,只有在温度低于-78℃时才出现,春季南极平流层极地涡旋中的低温,是形成平流层冰晶云的必要条件。只有在平流层冰晶云表面吸附了大气污染物质,才能通过光化学反应大量消耗臭氧,在南极春季形成臭氧洞[18]。
“人类只有一个地球”,环境被污染后,其影响往往很难消除。一个氟利昂分子分解产生的氯离子可以消灭一万个臭氧分子,而由溴化烃分解产生的溴离子对臭氧的破坏作用,比氯离子还要大50倍, 它们自身都能再生,在大气中寿命都很长。即使目前人们不再向大气排放这类污染物,其对臭氧的破坏影响仍可以维持几十年至100年。
中国是一个负责任的大国,除积极参与国际合作,采取切实措施逐步淘汰消耗臭氧层物质,大力开展臭氧层保护工作外,还加强了对全球臭氧变化和南极臭氧洞的监测和研究工作。目前,我国大陆有5个站进行大气臭氧监测,南极中山站的气象考察人员也正在密切监视着南极臭氧的变化情况[19]。
极地气候和大气环境变化对全球大气环流,特别是我国天气气候也会发生影响。冬季来自北极地区的冷空气对我国的影响早已为人们熟悉,对我国造成灾害的旱、涝、风、雹等天气气候事件也大多与冷、暖空气及其活动异常有关。全球大气是一个统一的整体,发生在南、北两极地区的气候和大气环境变化也是气象工作者十分关心的事。例如,在南极和北极,中心地区和外围地区的气压有人们称之为“涛动”的,像“翘翘板”一样的相反的变化。在南半球有“南方涛动”、“南极涛动”、“南极海冰涛动”等;在北半球有“北大西洋涛动”、“北太平洋涛动”、“北极涛动”等。这些“涛动”的活动及其异常对全球大气环流都会发生影响,也必然会影响中国的天气气候。即使是南极或北极冷暖和海冰状况也可能对我国夏季灾害性天气发生影响,从中可以找出预报我国短期气候的强预测信号[11]。
4结 语
无论是国外的极地大气科学考察与研究,还是我国的极地大气科学考察与研究,从一开始都是在全球变化的框架内进行的。南北极是地球上的气候敏感地区之一,极地所处的特殊地理位置及特有的生态环境决定了它对全球气候变化有着重要的作用与影响。在卫星遥感技术飞速发展的现代,南北极地区的实地地面气象观测仍是不可取代的。极地气象观测站网和大气科学考察仍将为监测和研究极地天气气候变化及其对全球变化的影响作出重要贡献。
“2007—2008 国际极地年”是我国在境外开展大型地球科学考察研究、推动我国全球变化研究走向国际前沿的难得机遇和挑战。在“2007—2008国际极地年”,我国紧紧围绕中山站—南极冰盖Dome—A断面的综合考察研究和赴南北极考察途中的海上综合考察研究,开展南极地区全球变化研究,并带动相关技术进步,大幅度提升我国极地与全球变化研究的水平。
在南北极地区,进一步加强国际合作,继续监测包括近地面温度在内的大气要素的变化,提高极地气象业务水平;拓展极地气象业务和大气科学考察研究领域,积极获取气候代用资料;进一步量化和认识极地在全球变化中的作用,及其对我国天气气候和国民经济可持续发展的影响;建立完善极地大气科学研究体系,提高极地大气科学研究水平,仍是我国极地大气科学与全球变化研究的重要内容之一。
