欧洲极地委员会发布南极南大洋综合观测体系科学计划
7月15日,欧洲极地委员会(EPB)通过“南极国际科学与同步观测基础设施”(简称“南极InSync”)倡议发布建立全球协同的南极及南大洋综合观测体系的科学计划[1],加强国际科研机构在南极环境变化监测、科学研究和数据共享方面的合作,提升对南极区域快速环境变化及其全球影响的认识。
“南极InSync”倡议旨在整合全球科研人员、观测系统和科研基础设施,开展跨学科同步观测研究,以增进对南极地区环境快速变化及其对全球影响的认识,重点关注气候变化、海冰变化、冰盖动力学、生物多样性、海洋过程以及人类活动影响等关键科学问题。该计划作为联合国“海洋科学促进可持续发展十年”(2021~2030)支持项目之一,为推动南极科学研究国际合作提供重要支撑。
新发布的科学计划通过协调28个国家的科研力量,将在2027~2030年间实现对南极和南大洋的同步、环极地、全年观测,填补当前观测的季节性和区域性空白,计划旨在评估南极地区快速变化的气候状态,解析海洋-冰-大气-生物圈-陆地耦合系统中的关键过程、反馈和阈值。该计划共包括7个科学主题。
主题1:气候变化中的南大洋物理与生物地球化学循环。该主题聚焦于南半球洋在调节地球气候中的核心作用——其吸收了全球约70%的人为热量和约40%的人为二氧化碳。然而,秋冬春季的观测严重匮乏,导致对上升流区碳、热和营养盐交换、陆架密集水形成、海-气通量以及区域“咽喉”通道的输运过程理解不足。为此,建议维持长期监测阵列,在所有航次平台上标准化测量热通量与二氧化碳、甲烷、一氧化二氮通量,资助秋冬季边缘冰区船载过程研究,部署冰区浮标和锚系实现陆架全年观测,发展南大洋专用卫星遥感产品,并利用新数据评估和优化冰-海相互作用与碳汇参数化,同时建立船时、数据与设备的国际共享机制。
主题2:海冰快速减少的原因与后果。自2015年以来南极海冰持续刷新历史低值,系统可能已发生状态转变。该主题围绕海冰质量平衡与动力过程、海-冰-气-冰盖间的质量与热量交换、海冰减少对生态系统与生物地球化学的影响以及气候反馈机制等关键问题展开。建议部署冰上系留自主观测网络,开展船基与航空协同调查以验证卫星产品,利用生物地球化学浮标和水下滑翔机监测边缘冰区,扩展南极固定冰观测网络,并发展统一的海冰地球物理数据产品,实现实地、遥感和模型数据的深度融合。
主题3:南极冰盖与冰架—从观测到预测的快速变化过程。南极冰盖质量损失正逼近联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)高排放情景,但冰架结构完整性、冰-海相互作用与底部融化、表面物质平衡及大气极端事件、基底性质与冰下水文对冰流稳定性的调控仍是关键认知缺口。建议在冰-海-气-固体地球界面上建立多个“超级站点”,开展同步多要素测量;建立卫星、航空、船基和地面相结合的持续监测体系;强化过程研究与长期模型开发之间的双向反馈,发展耦合冰-海-气-固体地球的新一代模型,并优先对接地带和冰腔开展高分辨率地球物理与水文调查。
主题4:提升对南极独有生命的认知与保护—从陆地到海洋、从浅海到深海。南极生物多样性被严重低估,众多物种可能包含多个隐存种,同时气候变暖和人为压力(旅游、污染、渔业、病害)正威胁生态系统的稳定性。该主题围绕环极地生物多样性评估、生态系统功能(生产力、营养级联、碳泵)以及生态系统服务(碳封存、渔业、科研与旅游价值)三大支柱展开。建议采用环极地环境DNA(eDNA)采样、AI辅助形态学鉴定与多组学分析,利用生物记录和遥感追踪顶级捕食者,协调“痕量元素及同位素海洋生物地球化学循环”(GEOTRACES)国际研究计划和“全球变化下的海洋生物代谢与营养元素循环”(BioGeoSCAPES)研究计划框架下的微量金属与微生物测量,并建立生物样本库以保存特有遗传资源,为海洋保护区(MPA)和南极特别保护区(ASPA)的设计提供科学基础。
主题5:南极的人为印记—与污染及其他压力赛跑。南极正承受从远程输送到本地活动的多重压力,包括持久性有机污染物、重金属、微塑料、水下噪声、旅游扰动、磷虾渔业竞争、物种入侵和疾病传播。该主题覆盖化学与塑料污染、水下噪声、旅游影响、渔业生态效应、生物安全与抗菌素耐药性以及污染物对浮游植物-气候反馈的影响。建议建立化学污染国际协同监测网络,制定标准化采样与分析方法,开发南极化学污染数据库和样本库,开展环极地声景评估,设计旅游影响监测体系,协调捕食者标记与磷虾调查以评估渔业生态重叠,并在环极地尺度上开展抗菌素耐药性标准化监测。
主题6:气溶胶-云-降水相互作用与辐射反馈。南大洋和南极大陆表面能量与质量收支的模拟偏差根源在于气溶胶来源与性质、云相态与降水过程、边界层结构、云-环流耦合以及模型参数化的系统性不足。该主题聚焦于填补这五大知识缺口,建议建立从边缘冰区到南极高原的纬度梯度观测剖面,采用地面与遥感联合的长期(优先级1)和强化过程(优先级2/3)观测方案,系统性测量气溶胶物理化学性质、云凝聚核和冰凝聚核浓度、云液相和冰相含量、降水相态与微物理特征、辐射通量及湍流通量,同时结合大涡模拟与地球系统模型的层次化建模框架,所有数据遵循国际标准以确保长期可对比和模型可实施性。
主题7:南极气候变化的变率、极端事件与临界点。南极近期发生了冰架崩塌、极端热浪和海冰骤减等罕见事件,但其是否反映长期趋势或临近临界点仍无法判断。该主题针对表面物质平衡分量不确定性、大气环流与水循环演变、海-气耦合对极端事件的放大作用、气候增温信号的检测以及古气候记录的系统整合提出研究需求。建议扩展雪桩网络、累积雷达和粒雪芯计划,在深冰芯钻探站点开展优先观测以建立过去-现在的类比,部署水汽同位素观测网络实现极端事件的实时示踪,整合浅冰芯与海洋沉积物记录建立变率基线,并通过高分辨率海底测绘和地质记录揭示冰盖对海洋热强迫的响应历史。
(牛艺博)
[1] Antarctica InSync Science Plan Published. https://www.europeanpolarboard.org/news/antarctica-insync-science-plan-published-/