刘顺林：中国极地考察40年：重大专项实施、前沿科学研究与国际科技合作进展

南北极在地球系统中起着重要作用。南北极大气变化会改变地球热量、温度梯度以及大气化学和循环,影响气候、生态系统以及商业和地缘政治;南大洋连接全球大洋形成全球热盐循环,并把大气中的热量和二氧化碳输运至深海;南极冰盖蕴含大约2.65×10⁷km³的冰量,全部融化可导致全球海平面上升近60m。与此同时,南北极提供了特有的研究条件,例如干燥、寒冷和稳定的南极大气造就了理想的从地球观测太空的环境,冰下湖与木星和土星的冰冻卫星有类似的环境,冰盖富集的陨石可以提供太阳系形成和天体生物学相关信息。对人类活动及其影响的预测,可以了解极地环境的脆弱性和可恢复力,为极地治理提供科学支撑。而近年来极地气候、雪冰和生态系统等快速变化,进一步增强了对极地认知的迫切性。

极地考察是我国极地事业发展的重要组成部分,也是人类探索自然奥秘、探求新的发展空间的重要举措。首先,极地考察可以深刻了解极地的基本特性和变化规律,揭示极地与全球变化、冰盖稳定性与海平面变化、海-冰-气相互作用、生物的极端环境适应与进化等前沿科学问题,支撑极地国际治理。其次,极地科学考察可以促进我国对极地的合理利用。北极航道是指穿越北冰洋、连接太平洋和大西洋的海上通道,它可以极大缩短我国至欧洲的航运距离,降低航运成本,但航行受海冰环境等制约。通过北极科考,可以掌握航道气象、海流和海冰等关键要素的第一手资料,为我国利用北极航道提供预报服务。通过南极科考,可以掌握南极磷虾等生物资源的时空分布和生物量,从而为可持续利用提供关键科技支撑。

与此同时,极地考察有助于提升我国特种装备研发水平。极地考察需要借助考察站、考察船、固定翼飞机等科考平台,以及可供极端环境使用的特种科考装备。通过对相关技术装备的研发与应用,不仅可以提升我国自主研发极端装备的能力,也可为我国极地科学考察的无人化、智能化观测提供新手段。极地考察也可以促进国际极地合作,有助于构建极地科考网络、加深国际社会对极地的认知、推动全球科学技术的发展。总的来说,极地考察不仅有助于我们更好地了解全球气候变化的趋势和规律,保护极地生态环境,还能推动科学研究的发展和国际合作,为构建人类命运共同体作出贡献。

我国是极地考察的后来者。1984年10月,我国首次组队开展南极考察,我国极地科考开始进入发展快车道。40年来,我国已组织了40次南极考察、14次北极科学考察(北冰洋考察)和20次黄河站年度考察,全国400多家单位近万人参与极地科考工作,在极地大气、冰川、海洋、海冰、生物、地质、地球物理、空间物理、天文等领域取得了一系列科学考察成果,在人类探索极地的历史上书写了光辉篇章。

一、40年重大专项实施

(一)国际极地年中国行动(2007—2010年)

2007—2010年,我国成功实施“第四次国际极地年中国行动”计划。该计划包括普里兹湾—冰穹A综合断面科学考察与研究、北极科学考察、信息与数据共享和科普与宣传等11项行动。该计划历时4年,于2011年4月8日在北京召开了总结大会。

该行动取得了一批具有世界水平和国际影响力的重要成果。一是极地考察平台建设取得重大突破。在南极内陆冰盖最高点建立了昆仑科学考察站及南极高原天文自动观测站,使我国南极考察实现从大陆边缘向腹地纵深迈进的历史性跨越。二是极地科学考察研究取得重要进展。通过4次南极考察、2次北极考察,以及南极冰穹A地区深冰心钻探、天文观测等科考活动,拓展了我国极地科考领域,显著提升极地基础研究和前沿技术研究水平。三是广泛开展极地领域国际合作与交流,增强了我国在国际极地事务中的影响力。组织开展了形式多样的极地科普宣传活动,进一步增强了公众的极地意识。更重要的是,培养、锤炼了一批出色的极地科考人才。

(二)南北极环境综合调查与评估专项(2011—2016年)

2012年2月24日,国家海洋局极地考察办公室在京举行“南北极环境综合考察与评估”专项启动大会,标志着该极地专项工作全面展开。该专项围绕极地环境考察与评价、应对气候变化、极地权益争端等问题开展工作,为后续南北极长期业务化观监测体系构建奠定了良好的基础。

该专项充分利用我国已有的“一船四站”极地考察平台,通过实施5次南极考察和3次北极考察,有计划、分步骤地完成了南极周边重点海域、北极重点海域和南极大陆考察站周边地区的环境综合考察与评估、极地对全球和我国气候变化影响综合评估、极地国家利益战略评估。依托专项同时制定了一批极地环境综合考察技术规程和标准规范,建立了质量控制体系,凝聚了一支高水平的极地考察与研究队伍,促进极地科技成果产出,推动我国极地科技和事业的跨越式发展。之后几年,专项调查转为常规调查,仍有经费支持。

(三)南大洋综合调查专项(2020年至今)

该专项也即“南极重点海域对气候变化的响应与影响”,重点是在南极重点海域开展系统的生态环境调查,掌握生态系统结构特征,分析评估环境变化对生态系统的潜在影响。迄今已实施了5个南大洋调查航次,对重点海域的水文、海冰、化学、底质环境以及浮游生物、底栖生物、游泳生物有了较为系统的认识,拓展了对企鹅、飞鸟、海豹和鲸类等大型动物的观测研究,并对气候变化对生物群落的潜在影响进行了分析,增进了国际社会对南大洋及其全球作用的认知。 

二、40年前沿科学研究

经过40年持续考察和潜心研究,特别是近10年的努力,我国科学家在极地冰川学、海洋学、地质学、生物生态学、大气科学等多个领域取得重要突破,为“认识极地、保护极地、利用极地”作出中国贡献,已经成为国际极地研究不可或缺的力量。

(一)极地冰盖不稳定性及其对全球变化的响应

极地冰盖作为气-冰-陆-海强烈相互作用区,具有全球效应,其脆弱的稳定性使其对全球环境具有极其重要的影响。我国学者针对极地冰盖不稳定性及其对全球变化的影响所涉及的核心问题,在冰盖圈层相互作用及其演变机制、冰流系统与物质平衡、冰盖变化全球效应、冰盖数值模拟与海平面变化预估等方面取得了重要研究进展。这些最新研究进展有助于揭示极地冰冻圈演化与历史海平面变化及全球气候演变的关联机制,并为认识气候变暖背景下极地冰盖变化的全球效应及我国应对气候变化提供科学支撑。

我国利用“雪鹰601”开展了大范围的冰下探测,揭示冰盖结构、演化,研究表明:南极冰穹A下方的甘布尔采夫山脉是南极冰盖的关键起源地,时间可追溯至距今3400万年前,南极现代冰盖可追溯至1400万年前,且冰盖表现出超强的稳定性。而在距今3400万—1400万年间,甘布尔采夫山脉经历了冰川运动强烈侵蚀作用,当时东南极中心区域夏季温度至少不低于3℃。这些研究成果对揭示南极冰盖的起源与演化机制具有突破性意义。另外,通过航空探测,完成了南极最大数据空白区——伊丽莎白公主地的航空测量,给出了约90万平方千米的冰厚和冰下地形地貌特征。并在伊丽莎白公主地发现了一个大型南极冰下湖,这个冰下湖面积约370 km²,最大水深超过200 m,湖面埋深达3500 m,成为开展南极冰下湖钻探和极端环境生命探测的理想目标。

(二)北极海-冰-气相互作用及其天气气候效应

北极冰雪融化所产生的反照率正反馈等机制使得北极气候变暖加剧。北极气候系统变化对域内和域外的人类可持续发展均具有突出影响。我国学者围绕北极气候系统持续变化如何影响局地和大尺度的物质及能量循环,以及这些变化会产生怎样的气候环境效应等前沿科学问题,在北极海-冰-气相互作用及其演变机制、海洋和大气能量输入对北极气候系统的影响、海冰数值模拟、海冰与航道适航性预测、北极生物地球化学循环过程以及北极海冰消退对中纬度天气气候影响机制等方面取得重要进展,研究成果在北极航道适航性评估和航道利用保障以及我国灾害性天气预警预报等方面得到了广泛应用。

对气候变化的认知不断深入。我国开展了长期连续的北冰洋中央区无人值守观测,并作为主要参与国参加了迄今最大的北冰洋中央区国际合作项目——MOSAiC的现场观测,从不同时空尺度揭示了北极海冰的变化机制。基于观测数据,我国对北极气候变暖放大和海冰快速减少背景下的海冰热力学、动力学特征及其与大气和海洋和耦合机制,近地面大气逆温层结构及其对下垫面变化的响应,波弗特流涡区域淡水、热含量和海-冰热量的变化及其调控机制,大西洋和太平洋入流对北极海洋环境的影响等方面取得了重要进展。研究揭示了北冰洋海洋酸化速率为全球其他开阔大洋的3～4倍,阐述了气候变化下北冰洋海冰退缩是导致快速酸化的幕后推手。特别地,我国在北极快速变化对气候和环境影响认知方面获得新突破,支撑国家应对气候变化和双碳战略。

(三)南大洋环流变化及其全球效应

在全球变暖的大背景下,南大洋通过其独特的地理位置和环流结构对全球气候变化起着重要调节作用。我国学者围绕南大洋环流变化及其区域和全球效应,在南大洋增暖及相关过程、南大洋环流与陆坡和陆架环流的相互作用、海-冰-气相互作用过程及冰架稳定性、冰间湖与底层水的产生和外流过程、南大洋多尺度物理过程的全球效应等方面取得了一系列的重要进展,为更好地理解南极气候变化机理,更准确地模拟和预测南极气候和海洋环境变化,评估南极海洋环境和气候系统变化对全球大洋环流、气候变化和碳源/汇格局的影响奠定了坚实基础。

我国学者在南大洋海温变化及其影响因子以及亚南极模态水和南极中层水研究领域取得了突破性进展。基于海洋观测数据和数值模拟,在南极陆架水变化及其对南极底层水形成的影响、陆架水溢流与绕极深层水入侵陆架过程、南大洋海洋-海冰-大气耦合过程、南大洋海洋-冰架相互作用等方面取得研究进展。提出了估算冰间湖产冰量的新方法,对冰间湖内高密度陆架水形成和外流进而形成南极底层水的过程有了更为深入的认知。我国学者同时在热带-南极相互作用方面开展了一系列研究,进一步揭示了南极海冰异常对中国和东亚地区的影响机理。研究同时表明,东太平洋底层海水的含氧量呈现冰期(冷期)增加、间冰期(暖期)减少的特征,与大气CO2浓度变化相反。研究推测:南极底层水的停滞可能联合北大西洋深层水的增强,共同为北半球冰盖的阶段性发育提供必要的水汽支持。

(四)南北极地质过程及资源环境效应

南北极是全球地学研究的最薄弱区域,研究极地陆地、海洋地质及其环境效应有助于补足地球系统科学中的短板。我国学者在冰下大地构造以及罗斯海的张裂过程、泛非期冈瓦纳聚陆过程、德雷克海峡打开与环境效应、北极超慢速扩展洋中脊地壳结构、北极冰盖和海冰消长调控机理等研究领域取得了重要认知。

我国获得了国际上第一幅全南极板块高精度三维地壳和岩石圈结构图,揭示出泛非期陆块汇聚有关过程,重建了南极半岛与南美板块的分离过程及其控制下的德雷克海峡在古新世初始打开与环境效应;查明了北极超慢速扩展洋中脊的地壳结构和美亚海盆的早期扩展时间,阐明了更新世北美和欧亚冰盖消长控制着北冰洋环流和水体物理化学性质的变化,北极冰盖和海冰消长的偏心率和岁差周期受到低纬度区域热量和水气输送调控,以及泛北极地区河流热能排放在全新世北冰洋海冰消融过程中扮演着至关重要的角色。

我国对东南极拉斯曼丘陵、格罗夫山和查尔斯王子山一带的裸露基岩进行了系统的地质学考察,采集了大量的岩石样品,制作完成“南极普里兹带地质图(1∶500000)”“东南极格罗夫山地区地质图(1∶50000)”和“东南极拉斯曼丘陵地区地质图(1∶25000)”地质调查图件。我国在第40次南极考察期间,利用自主研制的冰下基岩钻具成功钻穿了厚达545m的冰层,获取了连续冰芯和0.48m的冰下基岩样品。

(五)极地生态系统的敏感性与脆弱性

极地生物是极地的重要组成部分,也是极地考察的重点保护对象和利用对象,因而也是极地考察各国的重点研究内容以及生态保护治理的重要对象。我国在极地生物多样性特征与种群动态、极地海洋生态系统对气候变化的响应、极地陆域生态系统及气候和人类活动影响、全球变化背景下的极地微生物资源特性等领域取得了重要研究进展。

我国对北冰洋中央区、南极阿蒙森海、宇航员海和罗斯海等具有典型意义的重要生态系统开展研究,阐明了极地海洋生态系统结构特征。在重点海域开展了浮游生物和底栖生物调查,丰富了对生物多样性的认知。拓展了中层鱼、鸟类和哺乳动物等生物的调查与研究,填补了我国极地考察长期以来在大型生物调查研究方面的空白。对极地主要生物类群及其环境适应性进行了研究,揭示了极地生态系统对气候变化和人类活动的响应特征。阐明了全球变化是导致生态系统变化的主要原因,而近年来快速增长的极地旅游已成为局域人类活动的主要影响因素。我国首次对南极磷虾进行了全基因序列的研究,解析了南极磷虾对极昼极夜和极端季节性食物利用的适应机理。我国也在微生物酶、多糖类极地微生物活性物质和其他活性物质的研究方面获取了一批研究成果。

我国依托南极长城站开展研究,阐明了40年来南极磷虾和阿德利企鹅在南极街半岛地区分布的变化特征;通过不同企鹅粪土沉积柱的综合分析,揭示了6700 a B.P.以来阿德利企鹅聚居地的东迁及其影响因素;利用海豹毛镉元素浓度等多参数分析,重构了1500 a B.P.以来西南极半岛绕极深层水上涌强度的变化及其对菲尔德斯半岛海豹种群数量的影响。

(六)极区日-地相互作用于地外物理

极区最先感知日地耦合,极光是肉眼看到的最突出的空间物理现象。南极昆仑站具有优异的天文条件,此外,极夜极昼现象的存在也使得科学家们可以长达4个月连续不断地观测星体。我国在日地多圈层耦合机制、极光及其磁层动力学过程、南极昆仑站的时域天文以及南极昆仑站天文台选址等方面取得了显著研究成果。

研究表明,南极和北极极光发光强度呈现晨昏不对称特征,黄河站上空首次发现喉区极光,极盖区出现“太空台风”大尺度极光涡旋结构,超强亚暴额外电流楔。光学和无线电的观测结果为评估能量注入及高层大气响应提供了实测数据支撑和科学依据。利用在昆仑站的两代光学望远镜,在变形、星振、超新星及引力波电磁对应体的观测等方面取得了一系列探索性成果。天文台选址的研究获得了极大的成功,证明了此地区在光学、红外和太赫兹波段有地面最佳的观测条件,为未来建立昆仑站天文台以及大型仪器设备的研发提供了科学依据。

南极陨石除了本身重要的天体化学和行星科学研究意义以外,还对南极冰盖演化历史具有重要指示意义。中国南极考察队自1998年首次在南极格罗夫山地区发现南极陨石以来,迄今已累计采集12665块陨石,使得我国南极陨石的拥有量跃居世界第三。截至2023年底,我国已确定了6193块陨石的类型,约占所有陨石的一半。

(七)极地气象、海洋、海冰的观测和预报

极地气象、海洋和海冰的观测预报对于我国极地科考船的运行安全、物资卸运、科学调查、以及北极航道利用等起着关键作用。自南极长城站建站以来,我国就开展了常规气象观测。目前,我国已形成高分辨率的SAR遥感卫星星座,开展高精度极地海冰业务化监测;同时,自主研发并业务化运行极地海冰数值预报系统和极地天气数值预报系统,极大保障了我国极地船舶运行和科学考察活动。利用集合卡尔曼滤波方法,通过同化多源海冰-海洋卫星遥感观测数据,显著提高了对北极海冰的模拟和预测能力。针对北极夏季可能出现的“无冰”现象开展预测研究,并系统性地评估了北极航道的历史通航能力,预估了不同温室气体排放背景下北极航道的未来通航能力。

中国第5和第8次北极科学考察依托“雪龙”号试航了北极所有3条航道——东北航道、西北航道和中央航道,获取了现场天气、海冰和海洋第一手资料,为航道商业利用奠定了基础,“雪龙”号也由此成为我国唯一一艘试航北极三条航道的船舶。在“雪龙”号试航东北航道后,2013年,我国中远海运特种运输股份有限公司的商船实现东北航道首航。通过现场调查和模式验证,我国自主研发了北极航道气象和海冰预测模型并业务化运行。截至2022年,已为我国56个东北航道商业航次提供气象和海冰预报服务。 

三、40年极地国际科技合作

我国与美国、加拿大、俄罗斯、德国、法国、挪威、芬兰、澳大利亚、日本、韩国、南非、智利、泰国等多国开展了广泛的极地科考与研究合作,与美国开展了南大洋碳通量和北冰洋酸化研究、与欧盟开展北极长期环境观测和建模合作、与加拿大合作开展了北极西北航道地形地貌调查、与挪威合作开展海洋微塑料调查,牵头实施南极“熊猫”等国际合作计划,参与北冰洋MOSAiC等国际合作计划,为认识极地作出了重要贡献。

(一)“熊猫”计划(PANDA)

国际极地年是全球科学家共同策划、联合开展的大规模极地科学考察活动,被誉为国际极地科学考察的“奥林匹克”盛会。从2007年起,在开展国际极地年中国行动期间,中国特别组织并主导执行了南极普里兹湾—埃默里冰架—冰穹A综合断面科学考察与研究计划(“熊猫”或PANDA计划,https://classic.ipy.org/development/eoi/proposal-details.php?id=313)。该计划的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,为认知南极和南极海洋-冰架项目作用做出了积极贡献。

(二)“茉莉花”计划(JASMInE)

该计划全称为“北冰洋洋中脊国际联合考察计划”,是全球首次在北冰洋加克洋中脊开展大规模海底地震等综合地球物理探测。科研人员利用中国北冰洋科学考察,首次在该区自主完成了大规模海底地震和大地电磁探测,完成了洋中脊地壳探测最后一块拼图,布设海底地震仪43台次,回收率高达97.7%。首次在缺乏观测的洋中脊东段取得大量地质样品和影像资料,发现了异常范围大、信号强、生物匮乏的独特极地热液系统,为极区海底多圈层物质循环过程认识提供了关键科学证据;实现冰下海底地震仪、海底电磁仪、短基线阵列、电视抓斗、光学拖体、水下机器人等关键设备自主研发,形成高纬密集冰区海底探测自主作业能力;研究确立了超慢速扩张洋中脊中主动地幔上涌这一新的动力学机制。其中,2021年,我国自主完成北极高纬密集冰区国际首次大规模海底地球物理综合探测,被评为2021年中国十大海洋科技进展之一。

(三)“环”计划(RINGs)

随着全球变暖,南极冰盖的物质流失量将是预估未来南极冰盖变化及其对全球海平面上升影响的重要不确定因素。要计算冰盖物质流失量,关键在于掌握冰盖边缘的冰流速和冰厚这两项关键数据。2021年,南极研究科学委员会(SCAR)成立了“环”行动组,旨在通过国际合作形式下的航空观测,重点获取环南极冰盖边缘的冰厚和冰下地形数据。目前,已有包括中国在内的来自18个国家的82名科学家参与了“环”行动组。2023年,“环”行动组针对南极毛德皇后地和恩德比地这两个主要数据稀缺区域,发起了首个航空科学调查国际合作计划。中国不仅是“环”行动组的创始国之一,也是毛德皇后地和恩德比地航空科学调查国际合作计划的主要发起国。