我國參與MOSAiC氣候多學科漂流冰站計劃的概況

雷瑞波

極地動態

我國參與MOSAiC氣候多學科漂流冰站計劃的概況

雷瑞波

(自然資源部極地科學重點實驗室, 中國極地研究中心, 上海 200136)

0 前言

與中低緯度相比, 北極氣候變暖呈現放大效應。在過去40年里, 北極表面氣溫在各個季節都有不同程度的增溫趨勢, 其中秋冬尤為突出。《巴黎協定》指出, 各方將加強對氣候變化威脅的全球應對, 把全球平均氣溫較工業化前水平升高控制在2°C之內, 并為把升溫控制在1.5°C之內而努力。北極地區的升溫幅度已經超過了《巴黎協定》設定的全球尺度的閾值。正是因為北極近地面氣溫的升高, 北極海冰呈現快速減少的趨勢, 北極的大氣、海洋和陸地環境也隨之發生諸多不可逆的變化, 北極成為了全球氣候變化的震中。越來越多的研究表明北極氣候變化和海冰減少與北美和歐亞大陸的冷冬及雪暴等極端天氣存在密切的關系, 甚至會影響我國冬季季風和華北地區的霧霾擴散。北極海冰的變薄和縮退使得北冰洋適航性顯著提高。對于常水船舶, 1979—2005年9月北極東北航道的適航概率為40%, 而2006—2015年則提高至60%~71%。

針對北冰洋中心區域氣-冰-海相互作用過程, 尤其是冬季過程, 觀測數據的匱乏制約了我國對北極海冰與海洋環境變化認知水平的提高以及海冰預測預報能力的提升。冰站觀測是北冰洋考察區別于其他大洋考察的最主要手段, 南大洋以季節性海冰為主, 年周期的冰站觀測也難以實施。同時, 冰站觀測也是獲得北冰洋氣-冰-海相互作用過程的最直接和有效的手段。冰站考察的科學設計源自挪威的探險家弗里喬夫·南森。南森利用特殊設計的“弗拉姆號”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峽的穿極漂流探險, 證實了穿極流的存在。第4次國際極地年期間, 在歐盟資助的北極研究計劃Damocles的支持下, 歐盟的科學家為重溫南森穿極之旅, 同樣利用了一艘帆船“塔拉”號在拉普捷夫海北部幾乎相同的位置開始考察, 觀測內容包括大氣邊界層、海冰物質平衡和上層海洋物理結構等。2006年9月—2007年12月完成了至弗拉姆海峽的穿極漂流考察, 與“弗拉姆號”的實驗相比, 證明了穿極流有加速的趨勢, 可能是近年北極海冰快速減少的主要原因之一。自1937年, 前蘇聯就開始實施北極浮冰站計劃, 1954年往后每年都會實施1~3個浮冰站觀測。蘇聯解體后, 1991—2002年該計劃中斷了21年, 之后2003年該計劃重啟。至今, 該計劃實施了40多個浮冰站的觀測。然而, 隨著北極海冰的減少變薄, 依靠在冰上建立營地實施無船舶支持的漂流冰站觀測越來越困難, 俄羅斯從2016年起中斷了其有人值守的冰站考察計劃。美國自然科學基金委員會支持的SHEBA (The Surface Heat Budget of the Arctic Ocean) 冰站觀測項目致力于通過開展一系列氣-冰-海相互作用多學科的綜合觀測, 定量刻畫氣-冰-海界面能量交換, 為優化關鍵參數的參數化方案提供基礎數據。SHEBA冰站現場觀測開始于1997年10月, 浮冰站受波弗特渦流驅動, 漂移跨越了加拿大海盆、楚科奇邊緣地和楚科奇海臺, 最后進入門捷列夫海盆, 于1998年10月結束觀測。SHEBA實驗獲得了歷史上針對北冰洋氣-冰-海相互作用最為完善的完整冰季的觀測數據, 支持建立數值模式參數化方案的觀測數據沿用至今。然而“塔拉”航次的冰站考察受制于后勤支撐能力, 能開展的現場觀測非常有限; SHEBA的冰站考察則主要針對當時盛行的多年冰。目前的北冰洋逐漸從多年冰站占主導過渡成以一年冰為主, 多年冰覆蓋范圍的減小趨勢遠大于海冰總的減小趨勢。一年冰的動力學過程明顯加劇, 北冰洋氣-冰-海相互作用過程越來越接近南大洋的特征, 海冰變得更加難以預測; 北冰洋大西洋扇區全年都呈現顯著的海冰退縮趨勢, 冬季的退縮趨勢甚至比夏季更加明顯, 加快了北冰洋大西洋扇區的水文動力和生態過程大西洋化。以多年冰為背景的SHEBA觀測數據, 不再適用于氣候模式和海冰預報模式的發展。

氣候模擬比較計劃(Coupled Model Intercomparison Project)為北極海冰未來的變化提供了長期預測結果。通過參數化方案和數據同化方案的優化、子模塊耦合方案的優化等工作, 針對北極海冰的變化, 第6階段的數值模式(CMIP6)相對第3階段的數值模式(CIMP3)給出了與觀測結果更加吻合的結果。CMIP6的結果表明, 模式模擬結果差異還很大。其中影響數值模式模擬結果的一個主要因素是對海冰及其與大氣和海洋相互作用過程參數化方案的合理性, 目前大多數參數化方案都基于以往對北極多年冰/厚冰的現場觀測, 而我們對于多年冰/一年冰混雜區的氣-冰-海相互作用知之甚少。2013年, 世界氣象組織(WMO)世界天氣研究計劃(WWRP)正式設立了極地預報計劃(Polar Predication Project, PPP, 2013—2022), 旨在通過有效的國際合作, 實現極地從小時到季節尺度預測預報能力的顯著提升。其中, 極地海冰和天氣預報是該項目關注的焦點問題, 并致力于發展綜合的極地預測系統(Global Integrated Polar Prediction System, GIPPS), 優化極地氣象與環境的預測預報服務。極地預測計劃(PPP)啟動了極地預報年(The Year of Polar Prediction, YOPP, mid-2017 to mid-2019), 致力于加強現場觀測與數值模式的融洽對接能力, 提高不同時間尺度的極地氣象與環境的預測預報能力。

為了把脈北極氣候環境的變化, 探索北極海冰快速減少的機制, 提升對北極天氣和海冰的預報能力以及對氣候的預測能力, 也為了致敬126 年前的挪威探險家弗里喬夫·南森和“弗拉姆”號帆船穿極漂流的壯舉, 北極科學委員會經過10 余年醞釀, 正式啟動了其旗艦項目MOSAiC(Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate; 北極氣候研究多學科漂流冰站項目)。該國際計劃由德國阿爾弗雷德·魏格納研究所暨亥姆霍茲極地海洋研究中心(Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung, AWI)組織實施, 涵蓋了大氣、海冰、海洋、生態和生物地球化學循環等學科, 是迄今學科最齊全、支撐能力最強的北極科考計劃。MOSAiC漂流浮冰站的完整冰季觀測將成為YOPP的重要支撐。

北極特殊的海冰環境孕育了一個與冰相關的特殊生態系統。已有研究表明, 在北極增溫的大背景下, 該系統已受到北極海冰消退的顯著影響, 如無冰期延長導致陸架區初級生產力增加, 海冰變薄導致春季出現冰下浮游植物水華等。但相關研究主要集中在陸架區, 目前國際上對北冰洋中央區生態學研究近乎空白, 存在多種挑戰, 如冬季無光條件下生物群落的生存策略、海冰運動對外來物種的輸運作用、海冰表面融池的生態作用、海冰厚度變化對冰下生物群落的潛在影響; 中央區的生物群落及其與氮循環的關系, 冰區微生物區系在中心區甲烷通量中的貢獻等。鑒于北冰洋生態環境的特殊性和重要性, 以及生態系統對氣候環境的潛在影響, 相對SHEBA計劃, MOSAiC計劃特別增加了生態過程和生物地球化學循環過程的觀測和學科組設置。

1 MOSAiC航次概述

MOSAiC冰站的主要依托平臺是德國的“極星”號破冰船, 其它支撐平臺包括直升機、固定翼飛機、雪地摩托、水下機器人、無人機以及合作伙伴的破冰船。2019年9月20日, “極星”號船和“費德羅夫院士”號船組成考察船隊向北極進發, MOSAiC正式啟動。考察船隊在進入冰區后開始搜尋確定主冰站位置。至10月3日考察隊確定了主冰站浮冰, 正式開啟了漂流冰站考察。自此, “極星”號主要負責主冰站的建站工作, 而“費德羅夫院士”號則負責開展外圍浮標陣列觀測網(Distributed Network, DN)的布設工作。浮標陣列觀測網主要包括3個大型浮冰觀測站(L site)和8個中型浮冰觀測站(M site)以及60余個小型觀測站點(P site), 在后續的航段中, 進一步增加了P級冰站的布置。至10月17日, DN工作完成,“極星”號負責的主漂流冰站建設也宣布完成, “費德羅夫院士”號隨之離開了MOSAiC觀測區域,“極星”號繼續開展漂流考察作業。

在冰站上設置了海洋(Ocean City)、大氣(Met City)、系留氣艇(Balloon town)、水下機器人(ROV Oasis)和遙感(Remote Sensing Site)觀測站點, 地球化學循環、積雪物理以及多學科冰芯等采樣和觀測點, 以及海冰厚度和遙感觀測斷面。除了多學科冰芯采樣點, 其他觀測和采樣站點構成了MOSAiC的中心觀測區(Central Observatory), 多學科冰芯采樣點則布置在離母船約1.5 km的區域, 被定義為黑暗區, 也就是探照燈夠不到的區域。采樣時只能用帶紅光的照明工具, 不能用白光, 避免了光合作用波段人造光源對生物的影響, 保持本底的生存環境。同時, 考察船“極星”號也是漂流過程中的主要觀測平臺。船頭布放了6 個集裝箱臨時實驗室作為觀測平臺, 布設了大功率的激光雷達和氣溶膠等測量實驗室。在直升機甲板上, 根據業務觀測要求, 每天開展2次GPS探空觀測。冰上海洋觀測站的CTD 受制于絞車的作業能力, 只能下放到1 000 m, 全水深的CTD 剖面則利用船上的CTD通過船邊鉆洞下放完成觀測。船頭臨時假設的氣象塔連同船基的常規氣象觀測站, 構成了完善的大氣邊界層觀測系統, 與冰上的氣象觀測站相關觀測形成互補。船舶頂部甲板也為衛星遙感對比觀測設備提供了平臺。直升機主要用于浮標布放和機載觀測, 極夜期間主要開展紅外皮溫和機載高度計觀測, 有陽光的季節則增加機載電池感應冰厚測量和可見光成像觀測。

MOSAiC航次由5個航段組成, 分別在2019年12月中旬、2020年3月初、5月中旬和8月初進行了航段之間的人員輪換。其中前2次輪換都是依托于俄羅斯的破冰船“德拉尼岑船長”號完成。進入第三航段后, 受到新冠疫情的影響, 很難再尋找破冰船支持輪換, 所以第三/四和四/五航段的輪換都采用了折中的方式, “極星”號臨時離開主冰站在斯瓦爾巴群島附近利用普通船舶進行輪換。

至8月1日, MOSAiC航次進入了第四航段末期, “極星”號考察船及其周邊的浮標陣列漂流至了弗拉姆海峽。考察隊對主冰站以及L和M級冰站的主要觀測設備進行了回收, 之后考察隊重新返回到了北冰洋中心區域。8月19日MOSAiC考察隊及“極星”號考察船到達了北極點, 觀測到北極點附近區域海冰密集度只有大約70%~80%, 冰面融池覆蓋率接近50%。8月底至9月初在北極點附近區域重新尋找了一個浮冰開始漂流觀測, 并利用浮標構建了二期的MOSAiC浮標陣列, 用于比較兩年的氣-冰-海相互作用過程。第二期的漂流觀測維持至9月底, 考察隊離開了冰站, 至10月12日返回到了“極星”號母港德國的不萊梅港。

整個航次為期389天, 共442人次作為考察隊管理人員、科學家、記者和科普宣傳員, 以及船員和其他后勤保障人員參加了該航次的現場工作, 并在“費德羅夫院士”號上舉辦了一期“MOSAiC School”, 讓年輕學生親身經歷了航次的現場作業工作。科學家來自20個國家80個研究所, 科研項目來自37個國家。通過一年的漂流觀測, 研究北冰洋中心區域大氣、海冰、海洋和生態系統復雜的相互作用, 并在氣候模式中更好地表達這些相互作用過程, 提高極地氣候和海冰的預測預報能力, 成為了不同國家科學家的共同愿望。觀測結果證實了北極海冰隨著厚度減小, 冬季的動力學過程變得更加強烈, 夏季融化期加長則促進了融池的形成和海冰破碎。MOSAiC漂流期間冬季的氣溫相對126年前“南森”時代的觀測結果高了約10°C。漂流考察所獲得的觀測數據和樣品成為了人類共同的財富。

2 我國參與MOSAiC航次的情況介紹

近年來, 我國加大了對北極事務的參與力度, 并于2018年1月26日發布了《中國的北極政策》白皮書。“不斷深化對北極的探索和認知”和“保護北極生態環境和應對氣候變化”是中方提出參與北極事務5項主要政策主張中的2項。1999—2020年, 我國共實施了11次北極考察。除了船基觀測外, 每次北極考察還會實施1個為期約10天周冰站觀測和6~8個持續幾個小時的日冰站觀測。日冰站側重于冰雪樣品采集和浮標布放, 周冰站側重于氣-冰-海相互作用過程的觀測。相對國際重大研究計劃的冰站考察, 我國的冰站考察存在以下問題: (1)觀測局限于夏季, 不能支撐完整冰季的觀測; (2)觀測時間較短, 周冰站一般在10天內; (3)學科綜合程度不高, 觀測要素單一。

在國家海洋局極地考察辦公室的統一策劃下, 中方先后3次組團參加MOSAiC計劃的科學設計和現場實施研討會, 中方明確表示不但會在后勤上給予MOSAiC 大力支持, 還會組織隊伍參加MOSAiC 所有學科組的現場觀測工作。極地科學考察是世界各國展示綜合國力和科技水平的重要舞臺, 最近幾年MOSAiC成為了這個舞臺的焦點之一。

中方派遣了來自7家科研機構的17名隊員參加了MOSAiC航次中4個航段的現場觀測工作, 涉及所有學科組。參與人數僅次于德國、美國和俄羅斯, 與瑞典和挪威等北極國家相當, 是重要的參與國之一。貫穿整個航次, 中方隊員主要完成了以下工作。

在氣-冰-海相互作用方面, 為構建MOSAiC浮標陣列中貢獻了主要力量。中方一共布放了1套“海冰氣無人冰站觀測系統”、26套海冰物質平衡浮標、23套海冰漂流浮標、5套冰基拖曳式淺層海洋剖面浮標以及1套固定層位海洋浮標。觀測數據為研究海冰物質平衡過程及其與上層海洋耦合機制的季節變化奠定了基礎。海冰物質平衡觀測空間尺度約100 km, 涉及不同類型和不同初始狀態的海冰, 觀測數據具有較高代表性, 能支持海冰熱力學數值模擬參數化研究。同時, 通過參加站基的水文周期性觀測, 利用CTD、ADCP、MSS90湍流儀等設備獲取了北冰洋冬季溫度、鹽度、流速、混合等高時間分辨率觀測數據, 為揭示海洋上層混合層在季節尺度上變化規律及其對海冰生消的影響奠定了基礎。

在冰區生態學方面, 為研究冰下生物過程及其對生物地球化學循環影響做出了貢獻。在北冰洋中心區布放了冰基沉積物捕獲器1套, 采集了約280天的冰下顆粒物樣品, 為提高對冰下“生物泵”的認識奠定了基礎。獲得了水下原位激光粒度儀31次剖面觀測, 通過獲取北極海洋懸浮顆粒物在粒度組成和濃度上的時空分布, 有助于理解北極海洋生態系統的物質循環過程, 了解北極冰下海洋生物活動的季節變化特征。開展了北冰洋冰下的碳沉降通量的觀測, 提高了對冰下碳循環過程的認識。

在冰區生物地球化學循環方面, 通過在“極星”號上安裝全自動溫室氣體走航觀測系統, 開展了CO2、CH4、N2O及CO等溫室氣體及碳同位素走航觀測, 同時采集水體、海冰融池溫室氣體N2O水樣, 并在現場開展了冰-氣界面的N2O和CO觀測。為進一步研究北冰洋溫室氣體循環及其調控過程, 評估溫室氣體在海-冰-氣三相界面的交換通量及其氣候效應, 揭示北冰洋碳循環源/匯過程及其對氣候和海冰變化的響應和影響奠定了基礎。

在大氣環境方面, 通過船基大氣汞在線監測分析儀, 對全航段大氣氣態單質汞濃度進行了自動在線觀測。基于觀測數據將進一步探究北冰洋是否會發生大氣汞虧損事件現象、大氣汞濃度的(日、季節)變化特征及相應影響機制。揭示大氣汞的大量氧化及沉降機制, 評價汞在極地生物體內富集和放大對海洋生態環境的影響。

3 總結與建議

全面參加MOSAiC 國際計劃是我國積極參與全球氣候變化研究和北極科學考察國際合作的成功范例, 是落實《中國的北極政策》白皮書相關聲明的有益探索和重要實踐, 是我國作為一個負責任大國在北極事務上的重要行動。通過深入參與MOSAiC計劃, 中方代表團達到了以下目的:

(1)獲取了北極氣候和海冰快速變化背景下完整冰季的大氣、海洋、海冰和生態系統相互作用關鍵過程的觀測數據, 為開展北極海洋環境變化機制及其生態效應, 提高北極氣候和海冰預測預報能力奠定了基礎;

(2)掌握了冬季開展冰站考察的后勤支撐和科學觀測的關鍵技術, 為將來組織冬季航次奠定了基礎;

(3)廣泛開展了多學科的國際合作, 提高了我國對北極環境變化的觀/監測能力, 為將來我國組織北極國際合作科學計劃奠定了基礎;

(4)培養了一支具有北極全天候作業能力, 以及開展北極前沿科學研究創新能力的年輕隊伍, 為提高我國對北極環境和氣候變化的認知水平提供了人才儲備。

在參與MOSAiC國際合作計劃的基礎下, 形成建議如下:

(1)基于MOSAiC合作基礎, 加強中國-歐盟在極地領域科學研究和后勤支撐領域的合作; 通過國際合作, 充分利用俄羅斯的破冰船資源開展聯合調查;

(2)充分利用“雪龍2”號的科考平臺, 拓展我們北極考察的縱深度, 考察季向春季和秋季拓展; 充分發揮我國固定翼飛機和直升機的航空遙感觀測能力, 在北冰洋部署海冰和大氣航空遙感觀測;

(3)大力發展無人值守觀測裝備, 在大氣、海洋和海冰智能浮標, 以及水下機器人等方面實現技術突破, 并構建組網陣列式觀測體系, 為北極海洋環境監測網構建做出貢獻;

(4)針對北極快速變化的主要過程, 凝練前沿科學問題, 發起國際合作計劃, 提升我國在北極事務國際治理的話語權; 在“北極漁業資源管控”, “北極航道利用關鍵技術”等關乎北極治理和利用的重點領域部署科學調查, 提高認知和應對水平;

(5)加大極地領域人才培養力度, 在科學研究和后勤支撐方面形成足夠的人才儲備。

CONTRIBUTIONS TO THE MOSAIC FROM CHINA

Lei Ruibo

(Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China)