国际极地年活动：POLARCAT

POLARCAT，国际极地年活动中国科学院资源环境科学信息中心编者按：极地气候环境变化迅速，特别是近年来受人类活动影响，极地区域生态环境发生了巨大的变化。为了了解极地区域气候环境变化机制，在2007-2008国际极地年主题框架下，由IGAC和SPARC共同主办，由国际极地年国际计划办公室协办，开展POLARCAT研究活动（利用航空器、遥感器、地表测量和模型研究极地气候、化学过程、气溶胶、粉尘运输过程）。在过去125年中，在国际极地年（IPY）的框架下已经举办了三次活动，这些活动使全球的科学家联合起来，在极地实施集中的科学和勘察计划，人类对极地的科学认识因而不断得以提高。2007－2008国际极地年将重点开展以下主题活动：（1）量化极地环境的时空变率，了解其现状；（2）定量研究和认识极地环境在过去与现在的各种变化并改善预测工作；（3）通过在各种尺度上开展对比研究，了解极区－全球的相互作用；（4）进行极地科学前沿的空白领域研究；（5）利用极地独有的研究优势，加强对地球内部、磁场、空间科学等领域的观测活动；（6）对影响环极地区域内的人类社会恢复力和可持续发展能力的文化、历史和社会因素开展研究，了解极区人类社会对全球文化多样性的贡献。北极高纬度地区气候变化迅速。北极地表大气温度的平均增幅超过了过去几十年全球平均温度增幅。汇集到北冰洋的降水和河水也有所增加。然而海冰扩张速度却急剧降低。输入淡水量的增加已经更新了北冰洋和北大西洋深层海水。如果这种趋势能够持续足够长的时间，那么目前的热盐环流将消失，并将产生全球范围的严重后果。这将使北极地区成为最急需研究气候变化的理想区域。然而一些变化和全球温室气体的增加相关，导致这些变化的过程在北极是特有的。因此，由IGAC和SPARC共同主办，由国际极地年国际计划办公室协办，在2007-2008国际极地年主题框架下，开展POLARCAT研究活动（利用航空器、遥感器、地表测量和模型研究极地气候、化学过程、气溶胶、粉尘运输过程）。此研究旨在完善对对流层中化学物质、气溶胶及传输过程的作用的理解。1活动总体目标POLARCAT的总体目标是利用气溶胶和痕量气体向极地远程运输过程来研究北极的气候变化。主要包括以下几个方面：更好地描绘污染物到达北极自由对流层和边界层的运输路径，包括污染气团在极地区域的滞留时间。确定北极不同来源的污染物垂直分层和北极气溶胶微粒伴生的光学性能。研究气溶胶和污染物的传输路径及传输过程的季节变化和年际变化，并调查未来可能的气候变化。了解北极污染层直接辐射(太阳辐射和地表辐射)的影响。调查气溶胶和云的相互作用，及其对辐射强迫的影响。量化雪和冰表面反照率变化以及由于人类活动和生物质燃烧产生的黑碳对辐射的影响。研究北方森林火灾排放物对北极对流层化学成分和灰尘沉降的影响。确定由于对流作用进入平流层中的气溶胶和化合物的归属和作用，以及对极地平流层中臭氧形成和臭氧损耗的作用。提高我们对北极对流层中O3、NOx、HOx等化学物质的了解。调查卤素原子在北极边界层和自由对流层中的作用。研究来自雪层的NOx、OVOC、卤族元素等排放物对北极对流层的影响。从极地轨道卫星上观测气溶胶、痕量气体和云量。2科学背景由于北极地区地处偏远，一直认为其对流层极其干净。然而，在1957/58的国际地球物理年之前，飞越加拿大和阿拉斯加北极地区的飞行员发现了一种奇怪的霞光，这大大降低了可见度。这种所谓的北极霞光是一种时常发生的现象，每年冬天和春天都会出现。众所周知，这是由欧洲和西亚地区人类活动产生的污染物长距离输送导致的。然而，一些和北极霞光有关的物质沉降严重影响着北极地区的生态系统，但是北极霞光是否对气候变化有影响仍未定论。北极气溶胶的直接和间接辐射效应与其他地区差别很大。由于雪和冰具有高的表面反照率，即使很微弱的气溶胶层的吸热都能使地球大气系统升温。更甚者，在极夜期间和春天太阳天顶角大时霞光的紫外辐射也能加热大气层。这种效应需要更进一步的研究。另外，卫星图像显示北极地区也受夏季污染物传输的影响。当北方地区森林火灾盛行时，就形成了一种非常强的高纬度黑碳来源。随着北方地区的变暖，森林火灾发生的频率也在增加。森林火灾产生的烟雾能覆盖一个大陆、几个大陆甚至半个地球。近来又发现北方森林火灾产生的烟雾能弥漫到平流层，一旦在平流层滞留的时间相当长，就会消耗北极平流层中大量的臭氧。同时高处的烟雾使大气层升温而使地表冷却。然而，黑碳微粒的沉降也大大降低了地表冰雪的反照率，从而增加了地表太阳能，使北极地区地表冰雪和海冰大量融化。然而却没有数据证明这种效应。模拟研究也表明东亚地区排放物质的增加也使北极地区煤灰沉降增加，但此效应需要观察和进一步的模拟研究来证实。近来在北极对流层中发现了几种奇特的化学现象。由于溴的催化作用，臭氧和汞可以在极昼出现的前期几乎瞬间地完全消失。卫星测量也显示，在臭氧和汞耗尽事件出现之时，BrO浓度较高。然而溴的来源仍不清楚，更进一步来说，溴是完全存在地表附近还是也存在自由对流层中仍不清楚。另一发现是雪堆中有氮氧化物进入北极边界层中。北极对流层的低温特征使其中的大部分氮以有机物的形式存在。以上描述的所有现象受地表交换过程、垂直传输过程、独特的北极化学过程和从中纬度地区的输出输入过程之间耦合作用的强烈影响。研究这种耦合作用不能只有单个站点或单个平台，而正如POLARCAT建议的，要借助地表测量、船舶、航空器、宇宙飞船以及模拟研究等多种方法。POLARCAT为了跟踪进入北极地区不同的污染源，在一年内不同时间做了一系列的航空试验，以观察化学过程、气溶胶和烟雾的辐射效应，并观察主要烟雾区外相对干净地区的大气成分。此试验将利用稳定的分层次的北极大气中长期滞留的污染物，来研究在北极长期停留的气团随时间的变化过程。因而，北极地区将作为一个天然实验室，来研究在其它这样辐射的地区不能研究的过程。在海上实施的测量将调查在对流层最低点发生的一系列过程，如在春季发生的对流层臭氧损耗事件。除此之外，航空和海上试验、卫星遥感数据和地表测量等方法也将在北极地区得到应用。作为POLARCAT的一部分，将要实施的大范围地表测量和陆基遥感测量将为2007-2008IPY时间段内痕量气体、气溶胶和雨水中可溶物及雪的季节变化过程提供重要的信息。长期数据库的综合分析将用于更广泛的范围，并且此种综合分析在IPY之后仍将继续进行。航空垂直剖面数据，有助于对痕量成分和降水化学过程地表观察的解释，以及冰芯和积雪的测量。同样，航空数据或者雷达数据也将用于验证卫星数据。由POLARCAT在北极研究的一些过程也将在南极展开实施。由于北极受人类活动和生物质燃烧污染的影响要更强烈，POLARCAT更多的研究工作将在北极开展。当然，模拟研究工作也将在南极进行，并对两极地区的环境进行对比研究。3活动计划POLARCAT将进行大规模的航空试验、实验船巡航、地面站监测、陆基遥感测量、气球测量、卫星测量和大范围的模型模拟活动。为了实现总体目标，POLARCAT将密切协调这些不同的活动。例如，航空和海上试验将得到来自气象和化学模型预报、卫星观测、地表网络和改进的臭氧探空仪的支持。在一些试验中，携带遥感设备的探路航空器也将用来引导其它探测设备进行污染层的现场测量。为了重复地抽取同一污染的气团，航空器测量工作要与其他航空器以及Lagrangian气球任务之间密切协调、合作。空间测量要与卫星网络相配合，尤其是Aura、Aqua、Terra、Envisat和Calipso，对流层成分与大气参数的卫星观测的检验具有优先权。为了描绘在站点观察到的现象的垂直特征，在地表站点和海上站点以上要做垂直剖面。POLARCAT将与其他国际极地年核心活动一起开展，如，计划在用于其它计划中的破冰船上空实施航空测量。POLARCAT是由下而上的项目，对感兴趣的组织和人员开放。目前POLARCAT已经完成了活动主要内容的设计，确定了工作的日程表（表1），各项工作正在积极的准备中。表1POLARCAT主要活动时间表（T：已经提交建议并肯定实施的计划；P：已经提交计划；S：有资金资助计划）2007200820093456789101112123456789101112123航空器TwinOtter,加拿大北部TTFrenchFalcon,北欧TTTTDLRFalcon,斯瓦尔巴特群岛PDLRFalcon,基律纳（瑞典城市）TTAWIPolar2,基律纳orGreenl.TTGeophysica,基律纳orGreenl.TTAWIDo-228,斯瓦尔巴特群岛SBae-146,挪威TTTDC-8,Thule,GL;Barrow,阿拉斯加TTWB-57,Barrow阿拉斯加TNOAATwinOtter,N.AmericaPPNOAAP3,N.Am.,toGreenl.PPPPNOAAGIV,阿拉斯加PPNCARHIAPER,CO–AlaskaPPYorkUniv.TwinOtter,加拿大TTSwissLearjet,斯瓦尔巴特群岛TTYAK-SIBTTTTTTTT航船NOAAR.H.BrownPPPAmundsenIcebreaker,HgPPPPP气球LagrangianBalloonsTT地表站点在Andøya进行的Lidar,AOD,等测量资金资助的活动在Summit的地表测量资金资助的活动在斯瓦尔巴特群岛Zeppelin山地进行地表化学测量资金资助的活动斯瓦尔巴特群岛新奥尔松进行气溶胶雷达测量、分光光度计测量、地表化学过程等资金资助的常规测量在斯瓦尔巴特群岛合恩进行降水化学过程、气溶胶分光光度计、气象站观测等。资金资助的常规测量VärriöSMEARI站的气溶胶、化学过程、痕量气体和生态测量资金资助的活动雅典娜GAW站气溶胶、化学过程和微量气体测量资金资助的活动在Kaamanen气体、气体交换和生态测量资金资助的活动在Abisko进行气象和生态测量资金资助的活动在费尔韦尔角对CO2和O2连续监测资金资助的活动参考文献[1]PolarStudyusingAircraft,RemoteSensing,SurfaceMeasurementsandModels,ofClimate,Chemistry,Aerosols,andTransport.~andreas/POLARCAT/[2]HistoryofIPY.（李明启，曲建升编译）