南北两极作为全球治理新焦点、科技竞争新高地、海上新通道和资源新产地,已成为人类活动发展的新疆域以及世界大国经略全球的战略要地。为落实习近平总书记
认识南极、保护南极、利用南极等关于极地的批示精神,充分发挥国家自然科学基金根据国家科技发展战略,吸引和调动全国高等院校、科研机构的力量解决国家重大需求背后的基础科学问题的支撑作用,为突破极地变化预测的关键技术瓶颈奠定理论基础,为我国应对气候变化和参与全球治理提供科学支撑。国家自然科学基金委员会现启动极地基础科学前沿专项项目,
从冰下基岩和湖泊科学钻探、南极气候环境演化和北极多圈层相互作用三个角度,开展探索极地海-陆-气-冰-生态耦合系统的基础科学问题研究。

“国际极地年中国行动计划”顺利实施 451

新华社上海10月8日电记者从8日在沪召开的“2019中国极地科学学术年会”上获悉,作为我国极地科学研究的主要力量之一,中国极地研究中心成立30年来取得累累硕果。

一、科学目标

国际极地年活动始于1882年,是全球科学家共同策划、联合开展的大规模、高强度的极地科学考察活动,被誉为国际南北极科学考察的“奥林匹克”盛会。因历史原因,我国未能参加前3次国际极地年活动,也失去了参加早期极地考察和占据有利建站位置的机会。第四次国际极地年活动自2007年3月启动至2009年2月结束,共有100多个国家和国际组织、4万多名科学家参加,规模空前。

据自然资源部中国极地研究中心主任杨惠根介绍,自1989年成立以来,中国极地研究中心致力于科学研究,注重学科建设。在成立之初的极地冰川、空间物理和生物生态学等3个学科基础上,进一步发展了极地海洋学、南极天文学两个特色学科,并建立极地战略研究室,推动了我国极地人文社会科学发展。

发展极地深冰钻、多平台协同观测等技术手段,揭示极地多圈层相互作用过程和机理,评估南极冰盖-冰架-海冰系统的不稳定性及其潜在影响,解析北极快速变化的关键物理-化学-生物过程与主要驱动因素,提高对极地变化的预测能力,增强我国在极地科学领域的学术话语权。

2006年4月,国家海洋局会同12个有关部委和机构成立了国际极地年中国行动委员会,在该委员会的指导下,中国科学家们制订了国际极地年中国行动计划。该行动计划自2007年2月启动至2010年12月结束,聚焦极地科学前沿,围绕国际极地年六大科学主题,结合了中国在南北极若干区域的考察和研究基础,主要包括4个部分:南极普里兹湾—埃默里冰架—冰穹A的综合断面科学考察与研究计划,北极科学考察计划,国际合作计划与数据共享计划,科学普及与公众宣传计划。

与此同时,中国极地研究中心稳步推进创新基地建设发展,先后建立了国家海洋局极地科学重点实验室、南极中山雪冰和空间特殊环境国家野外观测研究站、南极长城生态国家野外观测研究站。今年,极地科学数据中心成为首批20个国家科学数据中心之一。

二、拟资助研究方向和研究内容

第一,南极普里兹湾—埃默里冰架—冰穹A的综合断面科学考察与研究计划。该计划是由中国科学家牵头组织的大型南极考察与研究计划,是第四次国际极地年的核心科学计划之一。考察断面北起普里兹湾海域、南至南极冰盖最高点冰穹A,沿断面涵盖了东南极冰盖最大的冰流系统、南极第三大冰架、南大洋冷水团的重要生成区等全球变化关键区域。PANDA计划通过这条包含海洋、冰架、裸岩、冰盖、大气和近地空间等要素的综合考察断面,观测各圈层相互作用过程,在关键地点钻取冰芯样品,将现代过程研究与历史演化相结合,研究南极地区与全球变化的关联,预测未来变化。

在极地冰川研究领域,建立了“普里兹湾-艾默里冰架-冰穹A”观测断面和冰穹A地区冰川学综合观测体系,在国际上首次揭示南极冰盖的形成和演化过程;实施冰穹A深冰芯钻探,找到了东南极冰盖小冰期的冰芯证据;构建南极固定翼飞机综合科考系统,伊丽莎白公主地航空调查填补国际空白区,发现了南极第二大冰下湖。

东南极古大陆的早期演化

按照该计划,我国在第24次、第25次、第26次南极考察期间,在普里兹湾海区累计完成11条断面137个海洋站位的观测,开展物理、化学、生态和地质学综合调查。

在极地海洋学研究领域,揭示了环流和海洋热通量等要素变化,对海冰和冰架的潜在影响,提高了对极地冰-海相互作用的科学认知;自主研发的“海-冰-气无人冰站观测系统”在北冰洋实现了1年以上连续观测,将作为我国构建极地海洋观测网核心装备,参与北极气候研究漂流观测国际计划。

基于冰下基岩钻探、各类露头剖面和地球物理方法等,研究南极大陆早期陆核的形成过程及其与澳大利亚、非洲等大陆的亲缘关系,揭示后期大陆块体聚合的时限、过程和机制,构建东南极古大陆从初始成核到最终聚陆的历史框架。

连续开展了3次埃默里冰架系统综合考察,获取大量珍贵的观测数据和样品,为深入研究冰盖、海洋和南极气候系统奠定了基础。

在极地生物学研究领域,构建了极地微生物菌种资源保藏与研究技术平台,发现并报道了一批微生物新物种及新型活性酶与酶基因,提出了环境污染物全球长距离传输机理与来源解析的一系列新认识。

南极冰下湖科学钻探选址与研究

成功开展了3次内陆冰盖综合考察,构建起内陆冰盖观测体系,在包括《自然》《地球物理研究杂志》《冰川学杂志》《科学通报》等期刊上发表了系列研究论文。2009年~2010年度,成功实施格罗夫山综合考察,新收集陨石1618块,并运用冰川地质地貌、土壤、沉积岩、孢粉组合及宇宙核素等各种方法,精确描述格罗夫山地区新生代以来冰盖进退的历史过程,并与相应时期北半球主要气候环境事件进行对比,加深了对行星地球气候变化机制的理解。

在极区空间物理研究领域,构建了极隙区空间环境南北极共轭观测体系,研制国际领先水平的钠荧光多普勒激光雷达系统;在极光亚暴发生区建立了中-冰联合极光观测台,获得日侧极光的综合观测分布特征,发现了一类新的极光形态——“喉区极光”;首次获得磁暴袭扰地球期间,极区电离层等离子体云块演化的直接观测证据。

通过冰雷达和航空遥感等技术手段,开展冰下湖科学钻探选址,对冰层热熔钻孔倾斜和纠斜机理、钻孔闭合及其对钻具冻胀机理、冰下湖体系的理化参数与水质特征进行研究,探索南极冰下湖的形成演化过程和冰下环境的生命形态。

第二,该行动计划中的北极科学考察计划,主要包括两个航次的北极科学考察。由于全球气温变化,北冰洋在最近几十年发生了明显的异常变化,海冰面积和厚度持续显著减小、海水结构变异、海洋流动减弱、北极气候巨变,并对全球和我国气候产生了重要影响。阐明北极变化的规律和原因,是揭示北极对全球气候影响的关键。

在南极天文研究领域,与中科院紫金山天文台等合作提出国家重大科技基础设施“中国南极昆仑站天文台”的概念方案和项目建议;开展黑洞与星系共同演化研究,发展了一套利用氢和氦元素示踪黑洞周边气体的新方法,首次获得了物质吸入黑洞过程的直接观测证据。

南极冰盖结构与动力学模型

我国于2008年和2010年分别展开了第三次和第四次北极考察。

利用航空遥感和现场观测等技术手段,研究东南极冰盖的冰层结构和底部融水过程,分析冰下地热通量和深部冰温分布,获取冰盖接地线区域的冰下精细地形,构建可靠的冰盖动力学模型,定量估算冰盖的物质平衡和稳定性。

第三次北极考察以进一步研究北极快速变化过程中海洋、海冰和大气系统发生的耦合变化,以及对中国产生的影响等问题为主要科学目标,对白令海、楚科奇海、加拿大海盆的大面积海域和冰区,进行涉及海洋、海冰、生物、大气、地质等多学科的综合观测。经过76天日夜奋战,科考队共完成132个海洋学调查站位、1个长期和8个短期冰面观测站位,获得了大量珍贵的科考数据。

东南极海洋环流与冰架的相互作用

第四次北极考察以“北极海冰快速变化”与“海洋生态系统响应研究”为主题,考察站位区域覆盖南北纵贯2300海里,东西横跨1100海里,总航程82天。“雪龙”号船最北到达北纬88度26分,创造了我国科考船航海到达最北记录。部分队员乘船载直升机抵达北极点并开展科学考察,是我国首次依靠自己的能力到达北极点。

通过高分辨率数值试验和观测资料分析,研究东南极多尺度海洋环流对冰架底部质量平衡的影响、冰架出流水对海洋环境的影响、冰架-海洋界面的边界层过程及其参数化方案,提高对冰架-海洋耦合系统的模拟和预测能力。

在这两次北极考察所获得资料的基础上,我国科学家展开了多学科的综合研究。通过大气物理“近地层冰—气相互作用”的观测试验,为改进气候模式打下基础。

西南极冰-海相互作用与海洋生态系统

针对“海冰快速变化及其天气气候学效应”展开全方位科学研究;对“海—气—冰界面的物质能量交换及内部结构变化”的量化研究取得突破性进展;在北极海冰快速变化对东亚气候及全球变化影响的途径和物理机制方面进行了探索性研究。海气二氧化碳交换通量评估课题指出白令海入流水对北冰洋陆架生物碳泵的增强作用,被《自然中国》评为最新研究亮点。

通过环境与生态的多尺度综合观测、现场实验及数据与模型的综合分析,研究西南极冰-海环境和生态结构的时空变异、冰-海相互作用对海洋过程的调控机理,认知气候变化对生物生产力、种群结构和碳通量的潜在影响。

国际极地年期间,我国北极考察在物理海洋、海洋化学、海洋地质、海洋生态及北极航道研究方面,均取得进展。

南极海冰变化的机制及影响

第三,国际合作计划与数据共享计划,旨在加强极地领域的国际合作,进行科学计划的国际交流与协调,开展极地考察条件保障与科学研究的合作,在保存国际极地年期间积累的信息和数据的同时,对它们进行整理与整合,并建立信息与数据的共享门户。在此计划的指导下,我国做了多方面的工作。

利用耦合模式、卫星遥感数据及资料同化技术,研究南极海冰范围和体积在全球变化背景下的缓变与突变过程及机制,分析海冰变化对南极冰盖和气候系统的影响,为预估南极海冰变化及其全球效应提供科学依据和技术支撑。

在国际极地年计划旗舰项目——南极甘布尔采夫冰下山脉探测计划中,发挥冰穹A考察支撑保障和地面观测优势,为该计划做出了实质性贡献。

南极冰盖对全球增温的敏感性

与欧盟目前资助规模最大的北极环境研究项目——发展北极长期环境变化模式与观测能力研究,建立紧密合作关系,该项目参与我国第三次北极考察。

利用资料诊断、理论分析和数值模拟等手段,研究气候变暖对南极冰盖影响的程度、途径、时空变化特征及机理,建立全球增温影响南极冰盖的物理图像,评估南极冰盖对气候变暖响应的敏感性及可能产生的全球效应。

牵头国际极地年重要国际科研合作项目——柏拉图计划,考察南极冰穹A的天文观测状况,在冰穹A设立天文观测点。该计划有美国、澳大利亚、英国等国参加。

北极大气多要素变化观测与诊断研究

2008年,海南三亚召开太平洋北极工作组模式数据融合研讨会,作为轮值主席国召开第十届、第十一届亚洲极地论坛。

应用先进的地基和星基环境光学装备和技术等,开展北极大气痕量气体组分和气溶胶的长期监测,建立大气环境参数综合分析方法,获得对流层大气关键成分的区域和垂直分布特征,揭示大气辐射强迫对北极快速变化的贡献。

建立并运行名为“极地之门”的网络数据信息共享门户,该门户包含极地标本资源共享平台和极地科学数据共享平台,并涵盖气象、海洋与海冰、电离层、极光、极地样品与信息等一系列不同学科的主题数据库,实现了国际极地年数据和信息的共建共享。

北极快速变化的能量过程研究

第四,科普与公众宣传计划,是“国际极地年中国行动计划”的重要组成部分之一。在2007年~2009年期间,我国有计划地开展了形式多样的极地考察公众推广与科普活动。

通过北极海冰-大气与海冰-海洋界面上的热通量观测与分析,研究北极大气、海洋过程对北极气候系统中能量分布与输运的影响,揭示影响北极快速变化的能量收支关键过程,提升对北极未来变化趋势的预测能力。

开展国际极地年中国行动计划新闻报道和南北极考察航次宣传。国际极地年期间,中央电视台对极地考察的平均年度报道高达百余次,大幅提升了社会公众对我国极地考察的了解度和关注度。

环北极海洋初级生产过程与生源要素循环

通过该计划的实施,我国极地考察的研究领域得到新的拓展,各学科的整合更加系统;积累了组织实施大型国际性项目的经验,并逐步推行了以我国为主导的国际合作格局;建立了观测系统与数据样品共享平台,国家极地研究条件平台正在加速形成;全民极地意识增强,为造就新一代极地人才队伍奠定了坚实的基础。

通过对典型北极海冰快速减退区域走航、船基和遥感观测,冰浮标和潜标周年多要素同步观测,揭示北冰洋营养盐、初级生态过程和浮游植物的变化规律,评估海洋生源要素循环和生物泵过程对北极快速变化的响应和反馈。

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