我国参与MOSAiC气候多学科漂流冰站计划的概况

2020-02-24雷瑞波

极地研究 2020年4期

关键词：北冰洋海冰极地

雷瑞波

极地动态

我国参与MOSAiC气候多学科漂流冰站计划的概况

雷瑞波

(自然资源部极地科学重点实验室, 中国极地研究中心, 上海 200136)

0 前言

与中低纬度相比, 北极气候变暖呈现放大效应。在过去40年里, 北极表面气温在各个季节都有不同程度的增温趋势, 其中秋冬尤为突出。《巴黎协定》指出, 各方将加强对气候变化威胁的全球应对, 把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2°C之内, 并为把升温控制在1.5°C之内而努力。北极地区的升温幅度已经超过了《巴黎协定》设定的全球尺度的阈值。正是因为北极近地面气温的升高, 北极海冰呈现快速减少的趋势, 北极的大气、海洋和陆地环境也随之发生诸多不可逆的变化, 北极成为了全球气候变化的震中。越来越多的研究表明北极气候变化和海冰减少与北美和欧亚大陆的冷冬及雪暴等极端天气存在密切的关系, 甚至会影响我国冬季季风和华北地区的雾霾扩散。北极海冰的变薄和缩退使得北冰洋适航性显著提高。对于常水船舶, 1979—2005年9月北极东北航道的适航概率为40%, 而2006—2015年则提高至60%~71%。

针对北冰洋中心区域气-冰-海相互作用过程, 尤其是冬季过程, 观测数据的匮乏制约了我国对北极海冰与海洋环境变化认知水平的提高以及海冰预测预报能力的提升。冰站观测是北冰洋考察区别于其他大洋考察的最主要手段, 南大洋以季节性海冰为主, 年周期的冰站观测也难以实施。同时, 冰站观测也是获得北冰洋气-冰-海相互作用过程的最直接和有效的手段。冰站考察的科学设计源自挪威的探险家弗里乔夫·南森。南森利用特殊设计的“弗拉姆号”木帆船于1893年9月—1896年8月完成了自拉普捷夫海北部至弗拉姆海峡的穿极漂流探险, 证实了穿极流的存在。第4次国际极地年期间, 在欧盟资助的北极研究计划Damocles的支持下, 欧盟的科学家为重温南森穿极之旅, 同样利用了一艘帆船“塔拉”号在拉普捷夫海北部几乎相同的位置开始考察, 观测内容包括大气边界层、海冰物质平衡和上层海洋物理结构等。2006年9月—2007年12月完成了至弗拉姆海峡的穿极漂流考察, 与“弗拉姆号”的实验相比, 证明了穿极流有加速的趋势, 可能是近年北极海冰快速减少的主要原因之一。自1937年, 前苏联就开始实施北极浮冰站计划, 1954年往后每年都会实施1~3个浮冰站观测。苏联解体后, 1991—2002年该计划中断了21年, 之后2003年该计划重启。至今, 该计划实施了40多个浮冰站的观测。然而, 随着北极海冰的减少变薄, 依靠在冰上建立营地实施无船舶支持的漂流冰站观测越来越困难, 俄罗斯从2016年起中断了其有人值守的冰站考察计划。美国自然科学基金委员会支持的SHEBA (The Surface Heat Budget of the Arctic Ocean) 冰站观测项目致力于通过开展一系列气-冰-海相互作用多学科的综合观测, 定量刻画气-冰-海界面能量交换, 为优化关键参数的参数化方案提供基础数据。SHEBA冰站现场观测开始于1997年10月, 浮冰站受波弗特涡流驱动, 漂移跨越了加拿大海盆、楚科奇边缘地和楚科奇海台, 最后进入门捷列夫海盆, 于1998年10月结束观测。SHEBA实验获得了历史上针对北冰洋气-冰-海相互作用最为完善的完整冰季的观测数据, 支持建立数值模式参数化方案的观测数据沿用至今。然而“塔拉”航次的冰站考察受制于后勤支撑能力, 能开展的现场观测非常有限; SHEBA的冰站考察则主要针对当时盛行的多年冰。目前的北冰洋逐渐从多年冰站占主导过渡成以一年冰为主, 多年冰覆盖范围的减小趋势远大于海冰总的减小趋势。一年冰的动力学过程明显加剧, 北冰洋气-冰-海相互作用过程越来越接近南大洋的特征, 海冰变得更加难以预测; 北冰洋大西洋扇区全年都呈现显著的海冰退缩趋势, 冬季的退缩趋势甚至比夏季更加明显, 加快了北冰洋大西洋扇区的水文动力和生态过程大西洋化。以多年冰为背景的SHEBA观测数据, 不再适用于气候模式和海冰预报模式的发展。

气候模拟比较计划(Coupled Model Intercomparison Project)为北极海冰未来的变化提供了长期预测结果。通过参数化方案和数据同化方案的优化、子模块耦合方案的优化等工作, 针对北极海冰的变化, 第6阶段的数值模式(CMIP6)相对第3阶段的数值模式(CIMP3)给出了与观测结果更加吻合的结果。CMIP6的结果表明, 模式模拟结果差异还很大。其中影响数值模式模拟结果的一个主要因素是对海冰及其与大气和海洋相互作用过程参数化方案的合理性, 目前大多数参数化方案都基于以往对北极多年冰/厚冰的现场观测, 而我们对于多年冰/一年冰混杂区的气-冰-海相互作用知之甚少。2013年, 世界气象组织(WMO)世界天气研究计划(WWRP)正式设立了极地预报计划(Polar Predication Project, PPP, 2013—2022), 旨在通过有效的国际合作, 实现极地从小时到季节尺度预测预报能力的显著提升。其中, 极地海冰和天气预报是该项目关注的焦点问题, 并致力于发展综合的极地预测系统(Global Integrated Polar Prediction System, GIPPS), 优化极地气象与环境的预测预报服务。极地预测计划(PPP)启动了极地预报年(The Year of Polar Prediction, YOPP, mid-2017 to mid-2019), 致力于加强现场观测与数值模式的融洽对接能力, 提高不同时间尺度的极地气象与环境的预测预报能力。

为了把脉北极气候环境的变化, 探索北极海冰快速减少的机制, 提升对北极天气和海冰的预报能力以及对气候的预测能力, 也为了致敬126 年前的挪威探险家弗里乔夫·南森和“弗拉姆”号帆船穿极漂流的壮举, 北极科学委员会经过10 余年酝酿, 正式启动了其旗舰项目MOSAiC(Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate; 北极气候研究多学科漂流冰站项目)。该国际计划由德国阿尔弗雷德·魏格纳研究所暨亥姆霍兹极地海洋研究中心(Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung, AWI)组织实施, 涵盖了大气、海冰、海洋、生态和生物地球化学循环等学科, 是迄今学科最齐全、支撑能力最强的北极科考计划。MOSAiC漂流浮冰站的完整冰季观测将成为YOPP的重要支撑。

北极特殊的海冰环境孕育了一个与冰相关的特殊生态系统。已有研究表明, 在北极增温的大背景下, 该系统已受到北极海冰消退的显著影响, 如无冰期延长导致陆架区初级生产力增加, 海冰变薄导致春季出现冰下浮游植物水华等。但相关研究主要集中在陆架区, 目前国际上对北冰洋中央区生态学研究近乎空白, 存在多种挑战, 如冬季无光条件下生物群落的生存策略、海冰运动对外来物种的输运作用、海冰表面融池的生态作用、海冰厚度变化对冰下生物群落的潜在影响; 中央区的生物群落及其与氮循环的关系, 冰区微生物区系在中心区甲烷通量中的贡献等。鉴于北冰洋生态环境的特殊性和重要性, 以及生态系统对气候环境的潜在影响, 相对SHEBA计划, MOSAiC计划特别增加了生态过程和生物地球化学循环过程的观测和学科组设置。

1 MOSAiC航次概述

MOSAiC冰站的主要依托平台是德国的“极星”号破冰船, 其它支撑平台包括直升机、固定翼飞机、雪地摩托、水下机器人、无人机以及合作伙伴的破冰船。2019年9月20日, “极星”号船和“费德罗夫院士”号船组成考察船队向北极进发, MOSAiC正式启动。考察船队在进入冰区后开始搜寻确定主冰站位置。至10月3日考察队确定了主冰站浮冰, 正式开启了漂流冰站考察。自此, “极星”号主要负责主冰站的建站工作, 而“费德罗夫院士”号则负责开展外围浮标阵列观测网(Distributed Network, DN)的布设工作。浮标阵列观测网主要包括3个大型浮冰观测站(L site)和8个中型浮冰观测站(M site)以及60余个小型观测站点(P site), 在后续的航段中, 进一步增加了P级冰站的布置。至10月17日, DN工作完成,“极星”号负责的主漂流冰站建设也宣布完成, “费德罗夫院士”号随之离开了MOSAiC观测区域,“极星”号继续开展漂流考察作业。

在冰站上设置了海洋(Ocean City)、大气(Met City)、系留气艇(Balloon town)、水下机器人(ROV Oasis)和遥感(Remote Sensing Site)观测站点, 地球化学循环、积雪物理以及多学科冰芯等采样和观测点, 以及海冰厚度和遥感观测断面。除了多学科冰芯采样点, 其他观测和采样站点构成了MOSAiC的中心观测区(Central Observatory), 多学科冰芯采样点则布置在离母船约1.5 km的区域, 被定义为黑暗区, 也就是探照灯够不到的区域。采样时只能用带红光的照明工具, 不能用白光, 避免了光合作用波段人造光源对生物的影响, 保持本底的生存环境。同时, 考察船“极星”号也是漂流过程中的主要观测平台。船头布放了6 个集装箱临时实验室作为观测平台, 布设了大功率的激光雷达和气溶胶等测量实验室。在直升机甲板上, 根据业务观测要求, 每天开展2次GPS探空观测。冰上海洋观测站的CTD 受制于绞车的作业能力, 只能下放到1 000 m, 全水深的CTD 剖面则利用船上的CTD通过船边钻洞下放完成观测。船头临时假设的气象塔连同船基的常规气象观测站, 构成了完善的大气边界层观测系统, 与冰上的气象观测站相关观测形成互补。船舶顶部甲板也为卫星遥感对比观测设备提供了平台。直升机主要用于浮标布放和机载观测, 极夜期间主要开展红外皮温和机载高度计观测, 有阳光的季节则增加机载电池感应冰厚测量和可见光成像观测。

MOSAiC航次由5个航段组成, 分别在2019年12月中旬、2020年3月初、5月中旬和8月初进行了航段之间的人员轮换。其中前2次轮换都是依托于俄罗斯的破冰船“德拉尼岑船长”号完成。进入第三航段后, 受到新冠疫情的影响, 很难再寻找破冰船支持轮换, 所以第三/四和四/五航段的轮换都采用了折中的方式, “极星”号临时离开主冰站在斯瓦尔巴群岛附近利用普通船舶进行轮换。

至8月1日, MOSAiC航次进入了第四航段末期, “极星”号考察船及其周边的浮标阵列漂流至了弗拉姆海峡。考察队对主冰站以及L和M级冰站的主要观测设备进行了回收, 之后考察队重新返回到了北冰洋中心区域。8月19日MOSAiC考察队及“极星”号考察船到达了北极点, 观测到北极点附近区域海冰密集度只有大约70%~80%, 冰面融池覆盖率接近50%。8月底至9月初在北极点附近区域重新寻找了一个浮冰开始漂流观测, 并利用浮标构建了二期的MOSAiC浮标阵列, 用于比较两年的气-冰-海相互作用过程。第二期的漂流观测维持至9月底, 考察队离开了冰站, 至10月12日返回到了“极星”号母港德国的不莱梅港。

整个航次为期389天, 共442人次作为考察队管理人员、科学家、记者和科普宣传员, 以及船员和其他后勤保障人员参加了该航次的现场工作, 并在“费德罗夫院士”号上举办了一期“MOSAiC School”, 让年轻学生亲身经历了航次的现场作业工作。科学家来自20个国家80个研究所, 科研项目来自37个国家。通过一年的漂流观测, 研究北冰洋中心区域大气、海冰、海洋和生态系统复杂的相互作用, 并在气候模式中更好地表达这些相互作用过程, 提高极地气候和海冰的预测预报能力, 成为了不同国家科学家的共同愿望。观测结果证实了北极海冰随着厚度减小, 冬季的动力学过程变得更加强烈, 夏季融化期加长则促进了融池的形成和海冰破碎。MOSAiC漂流期间冬季的气温相对126年前“南森”时代的观测结果高了约10°C。漂流考察所获得的观测数据和样品成为了人类共同的财富。

2 我国参与MOSAiC航次的情况介绍

近年来, 我国加大了对北极事务的参与力度, 并于2018年1月26日发布了《中国的北极政策》白皮书。“不断深化对北极的探索和认知”和“保护北极生态环境和应对气候变化”是中方提出参与北极事务5项主要政策主张中的2项。1999—2020年, 我国共实施了11次北极考察。除了船基观测外, 每次北极考察还会实施1个为期约10天周冰站观测和6~8个持续几个小时的日冰站观测。日冰站侧重于冰雪样品采集和浮标布放, 周冰站侧重于气-冰-海相互作用过程的观测。相对国际重大研究计划的冰站考察, 我国的冰站考察存在以下问题: (1)观测局限于夏季, 不能支撑完整冰季的观测; (2)观测时间较短, 周冰站一般在10天内; (3)学科综合程度不高, 观测要素单一。

在国家海洋局极地考察办公室的统一策划下, 中方先后3次组团参加MOSAiC计划的科学设计和现场实施研讨会, 中方明确表示不但会在后勤上给予MOSAiC 大力支持, 还会组织队伍参加MOSAiC 所有学科组的现场观测工作。极地科学考察是世界各国展示综合国力和科技水平的重要舞台, 最近几年MOSAiC成为了这个舞台的焦点之一。

中方派遣了来自7家科研机构的17名队员参加了MOSAiC航次中4个航段的现场观测工作, 涉及所有学科组。参与人数仅次于德国、美国和俄罗斯, 与瑞典和挪威等北极国家相当, 是重要的参与国之一。贯穿整个航次, 中方队员主要完成了以下工作。

在气-冰-海相互作用方面, 为构建MOSAiC浮标阵列中贡献了主要力量。中方一共布放了1套“海冰气无人冰站观测系统”、26套海冰物质平衡浮标、23套海冰漂流浮标、5套冰基拖曳式浅层海洋剖面浮标以及1套固定层位海洋浮标。观测数据为研究海冰物质平衡过程及其与上层海洋耦合机制的季节变化奠定了基础。海冰物质平衡观测空间尺度约100 km, 涉及不同类型和不同初始状态的海冰, 观测数据具有较高代表性, 能支持海冰热力学数值模拟参数化研究。同时, 通过参加站基的水文周期性观测, 利用CTD、ADCP、MSS90湍流仪等设备获取了北冰洋冬季温度、盐度、流速、混合等高时间分辨率观测数据, 为揭示海洋上层混合层在季节尺度上变化规律及其对海冰生消的影响奠定了基础。

在冰区生态学方面, 为研究冰下生物过程及其对生物地球化学循环影响做出了贡献。在北冰洋中心区布放了冰基沉积物捕获器1套, 采集了约280天的冰下颗粒物样品, 为提高对冰下“生物泵”的认识奠定了基础。获得了水下原位激光粒度仪31次剖面观测, 通过获取北极海洋悬浮颗粒物在粒度组成和浓度上的时空分布, 有助于理解北极海洋生态系统的物质循环过程, 了解北极冰下海洋生物活动的季节变化特征。开展了北冰洋冰下的碳沉降通量的观测, 提高了对冰下碳循环过程的认识。

在冰区生物地球化学循环方面, 通过在“极星”号上安装全自动温室气体走航观测系统, 开展了CO2、CH4、N2O及CO等温室气体及碳同位素走航观测, 同时采集水体、海冰融池温室气体N2O水样, 并在现场开展了冰-气界面的N2O和CO观测。为进一步研究北冰洋温室气体循环及其调控过程, 评估温室气体在海-冰-气三相界面的交换通量及其气候效应, 揭示北冰洋碳循环源/汇过程及其对气候和海冰变化的响应和影响奠定了基础。

在大气环境方面, 通过船基大气汞在线监测分析仪, 对全航段大气气态单质汞浓度进行了自动在线观测。基于观测数据将进一步探究北冰洋是否会发生大气汞亏损事件现象、大气汞浓度的(日、季节)变化特征及相应影响机制。揭示大气汞的大量氧化及沉降机制, 评价汞在极地生物体内富集和放大对海洋生态环境的影响。