影响海气通量的主要因子是北欧海的大气环流。北欧海是一个有着特殊地形的半封闭海，东西两侧分别有挪威山脉和格陵兰冰盖阻挡，形成了特殊的风场。在挪威沿岸以南风为主，而在格陵兰沿岸以北风为主，随AO发生强弱变化。与北欧海大气环流有关的有3个主要过程：经向风、海洋环流和上升气流。其中，经向风造成冷暖空气的南北向输送，直接影响海气通量的变化，并驱动海洋环流，引起冷暖海水的南北向输送。

有关北极涛动的驱动因子是海洋还是大气有明显的争论，我们提供了一个不同的见解。我们认为海洋和大气属于同一个系统，AO是其内部的过程。其中，AOPFR是正反馈因子促使AO加强，全部是大气过程；而海洋环流贡献的是负反馈作用，导致AO减弱。大气和海洋过程都很重要，共同决定了AO的发展变化。

图1 海气热通量与北极涛动的正负反馈关系示意图

北极海冰和热通量变化对升温的影响

利用我国北极考察1-6次冰站观测资料，结合相关资料的分析和评价，我们对北极中心区辐射通量与热通量变化特征、海-冰-气相互作用在气候变化中的作用有了新认知。主要结果如下：1)北极海冰表面具有较高的反照率，平均反照率变化范围为0.74-0.86。夏季反照率最低，说明海冰表面的融化过程十分显著，降低了反照率，增加太阳能的够吸收能力。2)北极海冰表面吸收的辐射能主要消耗于融化和冰中热传导，与大气交换热量所占比例小。3) 北极地区热通量对海冰范围变化十分敏感，感热通量和潜热通量的年代际变化特征与海冰范围的年代际变化特征十分相似。1979-2014年9月海冰范围与同期的热通量(感热+潜热)和热通量与2m温度分别呈显著性相关。证实了北极海冰的减少会导致热通量的变化，从而加热大气使北极大气边界层的温度升高，而且这种影响具有长期性。北极地区持续增温的机理是目前关注的重点问题，当北冰洋海冰的持续减少，无冰海域会增加，从而导致更多的辐射能被海洋所吸收。而海洋吸收能量进一步对海冰面积减少和海冰厚度变薄以及气候变暖产生重要影响

图2 1979-2000年和2001-2014年9月感热通量(W/m^-2)和潜热通量(W/m^-2)距平空间分布

 北极冰下海洋热通量评估

本研究利用北冰洋海冰质量平衡浮标数据，采用剩余能量法计算海洋热通量，并与参数化方法进行比较，认识海洋过程对冰下海洋热通量的影响。结果表明，夏季大致可以分为两种情形。当夏季海冰密集度高于70%时，混合层温度与冰点之差小于0.15℃，冰底摩擦速度也相对较小，剩余能量法与参数化方法的结果基本一致。当海冰密集度低于70%时，混合层温度与冰点之差大于0.15℃，冰底摩擦速度也相对较大，剩余能量法计算的海洋热通量小于参数化算法的计算结果，平均为后者的%。由于缺乏对海洋热通量的直接测量，因此无法确定哪种方法的结果更接近真实值。但是，热通量浮标只测到冰下7m的温度，是参数化方法计算的热通量偏大的原因。在冬季，结冰季节混合层温度基本维持在冰点，参数化方法计算的海洋热通量基本为0，无法给出海洋热通量。而剩余能量法仍然可以给出秋季放热、跨地形变化引起湍流混合加强等导致的热通量变化。因此，剩余能量法给出的热通量利用了真实融冰和结冰过程的能量关系，有明确的物理依据，可以应用于任何季节，是一种可信的海洋热通量计算方法。

图3 冰下海洋热通量季节变化，穿极流区域（蓝）；多年冰区域（绿）；加拿大海盆（红）；北冰洋（黑）

基于2016年北极走航雾滴谱数据的能见度校正算法研究

通过Mie散射原理计算出550nm波段的消光系数，进而通过该波段消光系数计算出大气能见度，最后用计算结果和能见度仪的观测数据做对比，结果表明，能见度计算值与观测值的误差明显，而且随着液态水含量的降低，误差有明显的增大趋势，有时计算值能达到观测值的4-5倍，计算能见度须进行校正。

图4 计算能见度校正前后及观测结果对比, 不同的雾次用灰白相间的背景色区分，每一个连续的背景色表示一次雾过程

北极海冰密集度与海表面气温的转换期研究

在夏季和冬季的大部分月份，海冰密集度与表面气温呈很好的负相关，表明在这些月份，海冰和气温都在发生缓慢的协同变化，基本体现了季节变化的特征。从物理过程角度看，在转换期确实发生了气候的季节性转换，但是这种转换是一个连续过程，不易界定转换期的起止时间。而根据气温和海冰变化速率的不同，由气温与海冰的相关性分析给出了转换期的准确发生时期，对气候转换期形成了定量的认识，对理解海冰的变化过程有重要意义。

图5 各区域海冰密集度和海表面气温逐日滑动相关图（图a代表波弗特海-楚科奇海-东西伯利亚海-拉普捷夫海海域，图b代表喀拉海海域，图c代表楚科奇海南部海域）

 用垂向光学辐照度测量计算雾能见度的理论和验证

构建了一个光学指数p，用以判断是否有雾：指数p用来判断雾能见度是否大于2000m，p大于零时为能见度大于2000m情形。这个指数很好地体现了在6时之前能见度大于2000m的状况及其后来的低能见度状况。其中，4时至5时是能见度较低的时间段，但指数p还是给出了其能见度大于2000m的特征。本文利用青岛八关山升降平台进行了海雾观测，平台上安装了Trios光谱仪，获得升降过程中的辐照度数据，和地面的Trios数据形成高度差，一起用于计算能见度；平台上还安装有能见度仪。将实验光学观测结果计算的雾能见度与能见度仪实测能见度的比较。在大气能见度较高的时段，根据指数p，可以不用计算大气能见度，但我们还是把结果放在图中，以了解结果的整体情况。整体上看，光学计算结果与实测能见度有很好的一致性，尤其雾最重的时期，如7:30至9:00，二者的偏差最小。本项研究的结果表明，用垂向光学辐照度观测结果计算雾能见度是可行的方法。通过控制光学测量的精度，采取有效的算法，可以获得令人满意的结果。本项研究为开发轻便精巧的采用光谱观测测量雾能见度的仪器奠定了理论基础，给出了标准的算法。

图6 雾能见度的计算结果与能见度仪观测结果的比较

图中红点为平均能见度，黑三角形为根据光学测量得到的能见度

北欧海的内部溢流和挪威海盆北部的冷水库

本研究利用2014年在挪威扬马延岛附近海域的考察数据，研究了格陵兰海通过扬马延水道进入挪威海水体的流动方式及其积聚范围，认识了这些水体对溢流的可能贡献。观测结果表明，只有沿着格陵兰海南部边缘流动的水体可以通过扬马延水道进入挪威海，这部分水体包括扬马延流次表层的低盐水体、中层的略高盐的大西洋回流水和其下对流产生的格陵兰海北极中层水。这些来自格陵兰海的水体在进入挪威海后的水体深度加大150-200m，其形式构成了北欧海的内部溢流。通过该内部溢流进入挪威海的水体密度在28.02-28.06之间，温度低于0.5℃，盐度在34.91-34.915之间，其上层部分如图8所示。这些水体聚集在330-1140m深度范围内，东西跨度达到160公里以上，形成挪威海盆规模巨大的冷水库。该冷水库的水体与法罗-设得兰水道的水体性质高度一致，表明冷水库可能是格陵兰-苏格兰海脊溢流的重要水源并在维持和稳定溢流方面扮演了重要角色。

图7  28.02、28.03、28.04等密度面的深度（上图）、位势温度（中图）和盐度（下图）。图中暗红色虚线为1500米等深线，用于表明扬马延水道的位置。

北极冬季海冰密集度和冰速的耦合特征

研究发现，加拿大北极群岛和格陵兰岛以北海区的海冰密集度在冬季有所增加，这一现象可以被北极冰速场的波福特高压+北极穿极流模态增强所解释。而且这一模态对Fram海峡海冰输出的影响比气旋-反气旋模态要重要。我们发现太平洋-大西洋扇区的海冰密集度跷跷板现象与流向巴伦支海的海冰漂流之间的联系。虽然海冰范围与北极涛动（AO）的关系在90年代中期相关性变弱，但除了个别短的时期外，AO/波福特-巴伦支海振荡（BBO）与Fram海峡海冰输出在年际变化上仍存在较好的相关性。

图8 北极海冰密集度和冰速的SVD前三个模态的耦合特征

北极偶极子对海冰密集度和冰速的影响

研究表明，模式能够再现正/负位相的AD型大气环流下海冰密集度分布的主要特点，对北极海冰的模拟能力满足研究需求。冬季，北极海冰密集度对AD型风场的变化不敏感，负位相的AD型大气环流通过热力作用或风驱动以外的强迫作用造成大西洋扇区边缘海海冰密集度减小。夏季，正位相的AD型大气环流影响下，东格陵兰海之外的海区海冰密集度减小，这种影响主要来自于风场强迫，风场以外的强迫作用对大西洋扇区边缘海和巴伦支海海冰密集度偏小也有重要贡献。

图9 夏季AD型风场试验、气候态风场试验、AD型大气强迫试验中SIC的分布（uvAD表示只有风场是AD型的，即AD型风场试验；uvCli表示只有风场是气候态的，即气候态风场试验；full表示所有大气强迫变量都是AD型的，即AD型大气强迫试验）

波弗特高压的变化特征及其对北极海冰变化的影响

利用大气再分析数据和海冰数据，基于加拿大海盆海冰面积显著差异的典型阶段，讨论了北极海冰快速变化背景下的波弗特高压的特征，研究了波弗特高压对海冰运动和融冻期的影响。根据加拿大海盆海冰面积变化特征，可以发现差异较为显著的两个气候时期，即大面积冰封期（1982-1992，LSIA）和夏季剧融期（2006-2016，SSIA）。两个时期，夏、冬季的波弗特高压存在明显的差异。近38年波弗特高压变化的显著区主要集中在波弗特海-加拿大海盆。与前一个时期相比，SSIA时期波弗特高压在夏季（8-10月）和冬季（2-4月）反气旋出现频率显著增加，其中夏季尤为显著；同时夏季波弗特高压反气旋涡度显著增强，增加了4.5倍。SSIA时期波弗特高压的垂直结构表现为高压异常，位势高度增强，明显的东风异常和显著的下沉运动；其在海平面气压场上显著增强且北移。

波弗特高压变化是影响加拿大海盆海冰密集度和海冰运动的重要因素。受夏季波弗特高压增强的影响，波弗特海气-冰应力显著增强，海冰运动明显加快，向楚科奇海运动的海冰面积通量显著增强（图11）。SSIA时期夏季加拿大海盆主要表现为反气旋式的应力场和海冰运动，及北极偶极子式的海平面气压场，有利于太平洋扇区海冰减少，并向弗拉姆海峡运动增强。此外，波弗特海高压还可能是影响加拿大海盆海冰密集度和海冰运动速度年际差异的重要因素。太平洋扇区海冰融冻期增长与波弗特高压的变化有密切关系。SSIA时期与LSIA时期相比，海冰融化明显提前，冻结显著延迟，东西伯利亚海融冻期增长了18.1d/十年。波弗特高压增强有利于东北冰洋气温升高和高压外围向下长波辐射增强，进而影响融冻期变化。

图10 SSIA、LSIA时期北极冬季的气-冰应力场和海冰漂流场及其差异

利用格林函数扰动实验分析气候系统对冷热强迫的非对称响应

利用大量的格林函数扰动实验发现气候系统在冷、热强迫作用下呈现非常强的非线性响应，并且不论扰动强迫放置在那个海域，对冷强迫的响应始终超过对热强迫的响应，这意味着气候系统由于自身的非线性特性存在变冷的趋势；因此，目前的全球变暖很可能已经是被非线性作用中和之后的结果。

图11 过程示意图

基于再分析数据研究夏季南大洋亚南极锋和极地锋的长期变化

利用再分析月均海洋温盐数据，分别采用基于物理现象和固定温盐量值的锋面识别标准，探究1980-2015年夏季（1-3月）亚南极锋（Subantarctic Front，SAF）和极地锋（Polar Front, PF）的变化特征。对此时段的长期变化，两类标准给出了基本一致的结果。在绕极平均意义上，SAF和PF的位置虽然存在南北向摆动，但是在1980-2015年并没有显著的长期移动趋势。在整个空间场上，锋面的位移幅度、稳定性和长期移动趋势均有明显的区域差异性，在经过大的地形障碍区时，锋面较稳定，位移幅度较小，而在深海盆区和脱离地形约束的下游，锋面稳定性较低，且经向位移幅度较大。SAF和PF稳定性最高、长期移动趋势最小的区域分别位于印度洋扇区和大西洋扇区。SAF在太平洋扇区的东部海盆区有较显著的长期移动趋势，且南北向位移均存在，PF在印度洋扇区以向极移动为主。在年代和年际尺度上，两类标准给出的结果存在一定的差异，进而分别对两类识别标准的适用性进行了讨论。对于PF来说，温度现象类标准总体上稳定性更高，优于等温线标准。

图12 亚南极锋（左图）和极地锋（右图）的平均位置(黑色粗实线)，标准差（黑色细实线），极值位置（黑色点线）和Orsi等（1995）给出的PF位置（红色实线）。背景彩色表示底地形

侵入南极普里兹湾的绕极深层水减少沿岸冰间湖中的海冰生成

南极沿岸冰间湖中的海冰过程对南极底层水的生成有重要作用。在东南极沿岸，由于南极陆坡锋的阻碍，绕极深层水（CDW）一般不容易从海盆进入陆架区域。但是在某些特定地点，暖的变性绕极深层水（mCDW）能够侵入到陆架的中层，将额外的热量带到冰间湖区域。利用普里兹湾的潜标和海豹CTD观测的温盐数据，分析陆架上的mCDW所携带的热量对海冰生成的影响。由于比陆架水的密度较小，较暖的mCDW在浮力作用下上升到次表层（~50m）。冬季结冰过程开始后，表面的冷却以及结冰析盐造成的对流使混合层加深，将mCDW的热量带到表层，减少海冰的生成。在普里兹东南部的戴维斯冰间湖区域，2015年6~7月间由于深对流带入表层的热量能够降低45%的海冰生成量。如果未来侵入到陆架上的mCDW增多，将会影响南极底层水的生成。

图13 潜标观测的200m（a）和300m（b）深度的温度（红色）和盐度（蓝色），400m（红色）、500m（蓝色）和600m（品红色）深度的温度（c）；戴维斯冰间湖的逐日（蓝色）和7d滑动平均（红色）海冰生产速率（d）；1985年澳大利亚潜标300m深度流速（e）

春季北冰洋上空东西半球云量跷跷板式高低空反位相变化特征

本研究利用2000-2017年CERES卫星的云量资料研究了北极春季对流层低、中、高层云量的时空变化特征，发现北极地区云量的变化呈东西半球跷跷板式反相的变化特征，且低云和高云呈相反的变化趋势（如图14）。总云量的变化主要由低云的变化决定，低云量与总云量趋势变化的空间相关性最高，相关系数可达0.69，并且相对于中云量和高云量，低云量变化对总云量变化的贡献最大。处于东半球的巴伦支海、喀拉海、拉布捷夫海、东西伯利亚海和楚科奇海的总（低）云量有明显增加的趋势，最大值可达0.8%/year，而西半球的波弗特海-格陵兰-北欧海低云量明显减少，最大值可达-0.5%/year，中、高云量明显增加。北极云量的这种变化特征，主要体现在EOF分析的第一主模态上，方差贡献占17.4%，具有显著的线性上升趋势和准4年周期的年际振荡特征。该模态的空间分布与向下长波和短波辐射及海表温度的空间分布相一致，东半球云量增加的区域向下长波辐射加强而短波辐射减弱，海表增暖，而对于西半球特别是北欧海地区云量减少，向下长波辐射减小而短波辐射增加，海表变冷，这种变化反映了一种低云-辐射-北极增暖的正反馈过程。

图14 2000-2017年春季北极云量的趋势变化 (a)低云量； (b)中云量； (c)高云量；(d)总云量

北极关键区海冰变化对中国极端干旱主模态的影响

本研究利用国家气象中心的站点日降水观测资料，定义了一个季节内无降水日出现的频率，即空雨频率来作为极端干旱的表征指标。研究表明，我国极端干旱随季节演变的时空分布主要表现为四个主模态的变化，累积方差贡献为40.6%。第一模态为秋-冬-春三季连旱模态，我国空雨频率呈现显著的上升趋势，我国大部分地区为异常变旱，冬季华南沿海变旱最显著。第二模态为秋与冬春干旱的反位相变化模态，第三模态为冬-春极端干旱反位相模态，第四模态为南北偶极型秋-冬春极端干旱反位相模态。不同模态空雨频率的变化对应不同的环流特征和影响因子，但北极海冰的变化都有贡献。秋冬季巴伦支海-喀拉海海冰变化对中国极端干旱的前三个主模态都有一定的贡献，主要通过影响北极涛动、西伯利亚高压或极涡变化来影响我国冷空气活动，进而影响中国极端旱涝的分布；第四模态则与东西伯利亚海的海冰减少激发AO的负位相引起高纬度冷空气更易南侵造成中国北部地区冬季的极端干旱加重有关。基于可预报模态分析法建立了中国空雨频率的经验-动力预报模型，成功地实现了对我国极端干旱的空间预报。

图15 中国空雨频率的前4个主模态空间分布和主成分变化

北大西洋夏季海-气过程与格陵兰岛冰盖质量变化的动力学联系

本文分析了大尺度大气环流对GrIS质量损失速度的影响机制，指出，2003-2012年间，夏季北大西洋涛动（sNAO）处于负位相，冰岛低压减弱，对应的格陵兰区域海表面气压处于高压异常，对流层中部的天气尺度的脊和近地表的高压系统导致了大规模的下沉运动，从而增强了云的消散，导致云量减少，进而增强冰盖接受的短波辐射并加速融化；而与之相反，自2013 年开始sNAO由负位相向正位相转变，这意味更有利于气流上升的大气条件，云层覆盖将增加，短波辐射减少，从而导致GrIS质量出现融化速度趋缓。

图16 GRACE卫星观测显示格陵兰岛冰盖的时间与空间变化

基于风云卫星微波辐射计的冰雪参数反演

基于风云卫星微波辐射计数据反演北极冰雪参数，利用准同步的FY-3B/MWRI数据与GCOM-W1/AMSR2等数据开展交叉辐射定标研究，建立了基于我国自主卫星微波辐射计FY3B/MWRI的北极海冰冰面积雪深度、海冰密集度的反演，并利用IceBridge航测、MODIS等数据对反演结果进行了印证，目前北极海冰冰面积雪深度算法已经应用于中国海洋大学POGOC数据平台，实现产品的准实时发布。

图17 FY-3B/MWRI海冰表面积雪深度

图18 FY-3B/MWRI海冰密集度

南极真菌Penicillium crustosum HDN153086代谢产物研究

从一株南极普里兹湾沉积物来源真菌Penicillium crustosum HDN153086中分离纯化合物9个（1-9），其中新化合物2个（1-2），新天然产物1个（3）（如图16）。化合物1具有罕见的共轭四烯骨架，化合物2具有中等的抗K562细胞毒活性，IC₅₀为12.73 μM。通过查阅文献，已知化合物3和4表现出一定的抑菌活性，对枯草芽孢杆菌和大肠杆菌的MICs是32–64 μg/ml。

图19 南极真菌Penicillium crustosumHDN153086中分离到的代谢产物

北极海洋细菌来源的纤维素酶AlCMCase 酶学性质

对AlCMCase进行了异源表达，生化分析表明，AlCMCase能高效降解纤维素底物羧甲基纤维素和羟乙基纤维素，但其对木聚糖（包括阿拉伯木聚糖和山毛榉木聚糖）的活性极低，其中对CMC的活性最高，表明该酶与GH10家族其他成员的底物特异性差异较大，其是该家族发现的第一个真正的纤维素酶。AlCMCase热稳定性很差，是一个适冷酶。此外，NaCl能够激活AlCMCase的活性，表明AlCMCase具有极耐盐的特性。

图20 AlCMCase的热稳定性研究

南极病毒多样性与功能研究

利用宏基因组技术分析了南极南斯科舍海岭表层病毒群落的分类学组成和多样性，并对序列进行了功能评估。进化分析发现该海域大多数病毒属于有尾病毒目，特别是短尾病毒科（41.92–48.7％），与之前在太平洋的研究结果相似。功能分析显示噬菌体相关和代谢基因具有较高的相对丰度。对噬菌体末端酶大亚基TerL和核质巨大DNA病毒（nucleocytoplasmic large DNA viruses, NCLDV）主要衣壳蛋白Capsid_NCLDV标记基因的系统发生分析表明，许多与有尾病毒目和NCLDV相关的序列是新颖的，并且与已知的噬菌体基因组不同。同时发现了许多球囊藻球菌病毒噬病毒体（Pgvv）的序列，并获得了完整的和部分的Pgvv基因组序列。我们的研究扩展了南极地区病毒群落及其多样性的现有知识，并为进一步探索极地微生物群系提供了基础数据。

北欧海微微型真核生物研究

利用Illumina高通量测序技术，从基因水平上探讨了北欧海微微型真核浮游生物的群落结构组成和分布，并研究了微微型真核浮游生物与不同洋流之间的内在联系，验证了利用微微型真核浮游生物群落反映北欧海环境异质性的可能。我们的工作为更好的理解极地海洋生态系统的环境复杂性，提供了微微型真核浮游生物群落角度的一些基础数据及思考。

北极王湾海水和沉积物样品中利用D型氨基酸菌株的多样性分析

我们以D型氨基酸为唯一氮源，对北极王湾中八个位点的表层海水和沉积物样品进行了富集培养，对富集培养物中细菌种类进行了分析。发现从北极王湾样品中富集培养的细菌分布在变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）的12个细菌科中，其中Halomonadaceae(31.1%)、Psychromonadaceae(16.5%)、Vibrionaceae(15.1%)、Micrococcaceae(12.2%)和Planococcaceae(10.1%)科细菌为优势菌群。因为富集培养基仅有D型氨基酸为唯一氮源，这些细菌很可能都具有代谢D型氨基酸的能力，因而可能是北极王湾中表层海水和沉积物中的D型氨基酸利用菌。我们的研究结果揭示了北极王湾中利用D型氨基酸细菌的多样性，有助于进一步阐明海洋中细菌驱动的D型氨基酸的生物地球化学循环。

图21  筛选自北极王湾八个位点中的可培养的利用D型氨基酸的细菌的相对丰度