北极研究，从梦想走向辉煌

走向南极和北极,是多少代中国人的两大梦想。1984年,中国第一次南极考察,将走向南极的梦想变成现实,并延续成长达28年的美丽画卷。然而,虽然北极距离中国更近,但走向北极的梦想实现起来要困难得多,北极科学考察的起步整整晚了11年。今天中国的北极研究与南极研究一样,正在走向辉煌。     

北极海冰缩减对海洋生物的影响

在全球气候变暖以前,北冰洋上冻结着厚厚的坚冰。那时北冰洋的绝大部分常年被海冰覆盖,95%的海冰是多年冰,只有靠近海岸的一些海域夏季会发生海冰融化。全球气候变暖后的20世纪,北极海冰范围没有明显变化,但海冰厚度缩减了近一半,为后来的海冰大范围消融创造了条件。     

CO2浓度和太阳活动对北半球夏季平流层中部气温异常变化的影响

通过逐次滤波法和对比分析可知,北半球夏季7月高空10hPa持续增暖过程是以CO2为主的温室气体增加、火山活动和太阳活动共同引起的,具体表现为：（1）CO2浓度增加趋势与北半球7月平流层10hPa升温趋势基本一致．但是北半球7月10hPa升温过程不像CO2浓度一样线性增加,其中还伴随几次降温波动,最显著的一次是20世纪60年代末至70年代末,90年代中期以前的降温过程也比较清楚．分析认为,这是火山活动和太阳活动引起的．（2）太阳磁场磁性指数曲线与滤除CO2影响的北半球10hPa大气温度距平曲线变化趋势也基本一致,波峰波谷基本对应并且超前一些,就是说太阳北半球黑子群N极前导时期,即太阳磁场南向时期与北半球平流层增温时期对应．太阳北半球黑子群S极前导时期,即太阳磁场北向时期与北半球平流层降温时期对应,显示出太阳磁场方向变化对北半球平流层气温变化的重要影响．（3）谱分析结果表明,滤除趋势变化和准22年周期的7月北半球平流层中层10hPa大气温度具有显著的准11年周期,其方差贡献率1．5％．（4）分析表明CO2浓度变化与太阳磁场强度和磁场方向变化对于平流层中层10hPa温度变化的影响方差贡献率达到58％,是10hPa温度变化的决定性因素．其中CO2影响方差贡献率37％,太阳磁场强度和磁场方向变化方差贡献率21％．     

CO2浓度和太阳活动对北半球夏季平流层中部气温异常变化的影响

通过逐次滤波法和对比分析可知,北半球夏季7月高空10 hPa持续增暖过程是以CO2为主的温室气体增加、火山活动和太阳活动共同引起的,具体表现为:(1)CO2浓度增加趋势与北半球7月平流层10hPa升温趋势基本一致.但是北半球7月10 hPa升温过程不像CO2浓度一样线性增加,其中还伴随几次降温波动,最显著的一次是20世纪60年代末至70年代末,90年代中期以前的降温过程也比较清楚.分析认为,这是火山活动和太阳活动引起的. (2)太阳磁场磁性指数曲线与滤除CO2影响的北半球10 hPa大气温度距平曲线变化趋势也基本一致,波峰波谷基本对应并且超前一些,就是说太阳北半球黑子群N极前导时期,即太阳磁场南向时期与北半球平流层增温时期对应.太阳北半球黑子群S极前导时期,即太阳磁场北向时期与北半球平流层降温时期对应,显示出太阳磁场方向变化对北半球平流层气温变化的重要影响. (3)谱分析结果表明,滤除趋势变化和准22年周期的7月北半球平流层中层10 hPa大气温度具有显著的准11年周期,其方差贡献率1.5%. (4)分析表明CO2浓度变化与太阳磁场强度和磁场方向变化对于平流层中层10 hPa温度变化的影响方差贡献率达到58%,是10 hPa温度变化的决定性因素.其中CO2影响方差贡献率37%,太阳磁场强度和磁场方向变化方差贡献率21%.     

Improvement of the Mirror Extending in Empirical Mode Decomposition Method and the Technology for Eliminating Frequency Mixing

The mirror extending approach proposed by Zhao and Huang ^[9] in EMD method is improved in this paper.Mirror extending manner of data is kept unchanged,but the apprioach for determining envelopes is changed.When the end of data is obviously not extremum,the envelope is determined by the first inner extremum and the image value in the mirror,ignoring the value on the end.This improvement eliminates the frequency compression near the end and decreas the error.Meanwhile,tridiagonal equations are used and the calculation speed is much increased.The temporal process curve is more important in reflecting the real physical process and comparable with other phenomena,Frequency mixing in IMFs makes it impossible,A high frequency reconstruction (HFR) approach is proposed to eliminate common frequency mixing and reconstruct an IMF with all high frequency portions.By this approach,the IMFs without frequency mixing are obtained to express significative processes.The high frequency information restored in high frequency IMF can be extracted by general spectrum method,After obtainning IMFs by EMD method,some of the theoretical and technological issues still exist when using the IMFs.The consistency of IMFs with real physical process is discussed in detail.By virtue of the approach proposed in this paper,the EMD method can be widely used in various fields.     

北半球冰冻圈变化及其对气候环境的影响

冰冻圈是气候系统的重要组成部分,其变化与影响已受到了全社会的普遍关注。本文介绍了北半球冰川、冻土、积雪、海冰近几十年来的时空变化规律,发现夏季在北极中央区出现海冰密集度极低的重要现象,阐明了冰川变化对水资源的影响,明确了积雪、海冰、冻土变化对气候的重要作用,并指出了今后需要进一步研究的问题。     

异常事件对EMD方法的影响及其解决方法研究

作者指出异常事件在数据中形成局部的高频信号,运用经验模态分解（EMD）方法分析这种存在异常事件干扰的数据,就会产生本征模函数（IMF）的频率混叠现象,而造成物理过程的重叠,使得难以用时间过程曲线表现特定的物理过程。这一问题是EMD方法中尚未妥善解决的问题。为解决这一问题,作者利用干扰信号极值及其两边的极大与极小值位置与原始数据有明显对应关系的特征,将相关IMF中的异常信息直接滤除,再用Spline插值方法弥补滤除时段的数据,得到了重新拟合的该IMF数据。采用这种方法可以提取出异常信号,提取的精度与异常信号的时段长度有关。而且,拟合结果消除了异常干扰,可以将该IMF与其余IMF一起叠加成没有异常干扰的数据。将滤除了异常干扰的数据再次进行EMD分解,可以得到新的IMF系列,而它与不加校正的分解结果有相当大的差别,可靠地反映了真实物理过程。结果表明,只有在有效滤除异常干扰的分解结果有相当大的差别,可靠的反映了真实物理过程。结果表明,只有在有效滤除异常干扰的情况下才能获得可靠的IMF系列,并准确地描述各种尺度的现象;消除了异常干扰的IMF可以任意单独或组合使用,表现各种时间尺度的变化与过程;所讨论的方法只适合异常时段较小的情形。对于异常时段接近或大于正常变化周期的干扰还需要探讨其他方法。     

北极归来

中国第二次北极科学考察队于2003年7月15日从大连出发,经日本海、鄂霍次克海、白令海,进入北冰洋,开展海洋、冰雪、大气、生物、地质等多学科立体综合观测,圆满完成了预定任务,于2003年9月26日胜利返回上海。在历时74天的考察中,考察队艰苦工作,成功跨越了北纬80度,取得了大量宝贵资料和数据,其中不少成果填补了我国空白,为了解北极变化及其对气候环境的影响奠定了坚实的基础,也标志着我国进入了北极考察强国之列。