text: 2018年实验室工作研究进展
  在过去的150年中，除了人类活动和自然变化导致的气候变暖以外，全球海洋与气候系统还存在着多年代际的准周期性内部振荡，平均周期约为60-70年，对局地气候产生深远影响。以过去25年为例，仅考虑长期变暖趋势，则变暖速率为0.10±0.02ºC/十年;而综合考虑长期变暖趋势与多年代际振荡，气候变暖的速度约为0.15±0.05ºC/十年。
  这一研究指出，在温室气体持续加速排放的背景下，海面吸收的热量如何分配主要取决于海洋与气候系统的内部动力学过程，而这种内部变化过程将调制全球气候变暖的进程：在北大西洋经向翻转环流（AMOC）强度变化的调制下，当上层海洋的温度-盐度处于负距平时，全球平均表面温度加速上升；与之相反，当上层海洋温度-盐度显示为正距平时，而全球平均表面温度上升速度则减缓。进一步研究指出，在温室效应持续增强的背景下，北大西洋经向翻转环流减弱会加剧全球气候变暖。这一发现与以往研究所提出的古气候背景下北大西洋经向翻转环流减弱导致全球气候变冷的经典观点不同，揭示了人类活动对气候系统自然变率的影响。这一研究成果不仅有助于了解热盐环流变异影响气候变化的物理机制，更为提升全球气候变化的预测能力提供了观测依据。
  图1 北大西洋翻转流的强度变化（a）和全球表面温度变化（b）
  地转流增强对
  Ekman动力学过程的调制作用
  本研究采用7种方法去计算Ekman动力学过程，包括：依据观测数据的方法以及一个大型海冰-海洋耦合模式的运用。研究揭示了近年来Ekman动力学的变化过程，研究显示近年来地转流显著增强，量值上明显大于Ekman层流速，由此造就了不一样的冰水界面应力，从而导致不一样的Ekman动力学过程。在波弗特流涡中心区域，采用新方法计算的多年平均Ekman泵压速度要比之前普遍使用的迭代方法求出的速度最高小62%。
  结果揭示出一个崭新的Ekman泵压速度场的空间分布变化：（1）在波弗特流涡内，下降流总体变弱，在波弗特流涡边缘出现几处上升流区域；（2）在楚科奇海及楚科奇海台，上升流/下降流强度增加，空间差异较大，与受地形作用调控的流动有关。因此，在波弗特流涡自旋加速时期，在考虑大尺度的Ekman动力学变化过程时地转流的作用不容忽视。研究提出地转流增强对Ekman动力学过程的调制作用是导致近几年波弗特流涡自旋达到稳定的另外一个重要机制。
  图2 7种方法所计算的多年平均Ekman泵压速度场，其中Model 1, 2, 3和OBSm为模式方法和观测方法所新揭示的空间场，本研究指出其更符合实际情形
  大西洋水在楚科奇边陲区域的上边界混合环境
  依据2014年考察收集的CTD数据和湍流微结构数据，我们研究了大西洋水在楚科奇边陲区域的上边界混合环境。在海冰快速退缩的背景下，表面风场驱动上层海洋运动的效率提升，由此造就了一个“躁动”的北冰洋内部环境。结果显示，在200-300m（大西洋水的上界面）深度上湍耗散率在4.60×10W/kg -3.31×10W/kg，平均值为1.33×10W/kg，而湍扩散率在1.45×10ms- 1.46×10ms，平均值为4.84×10ms。在分析研究传统的调控湍耗散率的因素（如：风、地形、潮汐）之后，研究结果显示潮动能在大西洋水上界面的混合中扮演着主导作用。除此之外，波弗特流涡位置的摆动影响着地转流的垂直剪切并在一定程度上贡献于湍混合的区域差别。研究还利用湍流微结构数据计算的双扩散对流热通量对比验证了实验室参数化方案的可行性。
  图3 在200-300m(a)湍动能耗散率的平均(W/kg)和(b)湍扩散率的平均(m/s)
  北极雾的多年变化
  选取具有最长观测数据（1945年起）的巴罗（PABR）站点作为代表，分析波佛特海区域的雾的季节变化及年代际变化。巴罗的雾夏季多，冬季少，其雾频在6-8月达到顶峰，月均雾频大于40%。巴罗的雾的年代际变化主要体现在两个方面：（1）4月的雾自1990年开始在逐年上升，2005年增强尤为明显；（2）夏季（6-8月）的雾随AMO的位相变化呈现年代际振荡，在同一系统影响下，俄罗斯20087（WMO Station ID）站点的观测同样显示了雾随AMO变化的年代际振荡。
  阿拉斯加北部主要受到BSH的影响，风向常年为东北向风，当BSH南移或者有较强的中纬度气旋北上进入北极时，该地区的风向会转为东南向风，西向风控制的时间较东向风较少。通过统计分析发现，4月的雾从1990年以来一直在增多，2005年之后增长尤其明显，且当巴罗处于东南风控制下时雾的生成概率几乎都要高于东北风控制下，这主要是因为在四月从南波佛特海上空移动到巴罗的空气温度要高于北波佛特海，因此东南风条件下要比东北风带来更多的暖流平，有利于水汽的冷却凝结。由于北极迅速变暖，波佛特海南部的海冰的融化提前到了4月，自从2000年以来海冰迅速融化，融化速率最快的一年为2005年的4月，较平均值甚至减少了-10.43%。海冰的融化为阿拉斯加北部的雾的生成提供了重要的水汽条件。将巴罗四月的雾频与北极海冰做相关分析发现，波弗特海东南部的海冰异常与其呈现明显的负相关，负相关中心正好在海冰减少最多的海域（图4a），这一区域的海冰变化成为巴罗4月雾变化的关键区域（北纬69°-74°，西经110°-136°）。而与此同时，控制阿拉斯加北部的东南风正在逐年增多（图4b）。
  东风和西风在夏季的成雾概率相当，在西风异常偏多的情况下，来自白令海的水汽依然会平流到巴罗受到陆地和冰面的冷却成雾。但在AMO为负位相时，波佛特海南侧的海冰相较AMO正异常情况下偏多，导致在东风情况下向巴罗输送的水汽偏少，则雾偏少。
  图4 海冰异常和雾异常相关及其东南风的变化。（a）巴罗雾频的异常与北极海冰的异常的相关场。（b）利用ECWMF的10m风场数据计算其东南风发生频率，选取1997-2015年的平均值和1979-1996年的平均值做差
  北冰洋中央区低密集度海冰现象研究
  研究发现，局地气温异常并不是导致海冰低密集度现象发生最主要的因素;海冰低密集度区域的形态及冰速场分布均与大气环流场相对应（图5）。在LCCA指数峰值发生前均有气旋中心出现在北冰洋70°N以北并伴随向北移动,气旋引起海冰辐散,同时所携带的较低纬度的热量导致海冰迅速融化。在6次过程中,有3次为气旋影响配合北极偶极子(DA)型环流。LCCA指数与84°N平均向北温度平流和北极中央区海冰速度散度呈正相关。在LCCA指数峰值前,温度平流对海冰低密集度区域形成的影响大于海冰辐散的影响。
  图5 2009-2015年6-9月5次北极中央区海冰低密集度指数峰值当日及其前6日的平均海冰密集度(单位：%)和冰速(单位：km/h)，(a)-(e)与图相对应；粉色实线为LCCA指数峰值当月70°N以北、存在时间超过5天的逐日气旋路径
  2010
  年以来北极中央区海冰低密集度的变化
  2010年发生的北极中央区极低海冰密集度现象于2016年再次发生，日均海冰密集度最低值达到0.7，明显低于2010年的0.78，成为历史新低值。
  在2010和2016年，风应力旋度与海冰密集度的相对变化率有非常好的相关性，相关系数分别达到-0.51和-0.41，表明风应力旋度的作用驱动海冰运动发生辐散，直接导致海冰密集度降低，是极低海冰密集度发生的主要原因。海冰密集度对海冰的响应与冰情有关，在海冰密集度较高的2013年和2017年，风应力旋度也很大，但北极中央区并没有发生极低海冰密集度现象。本文的结果表明，北极海冰减退不仅表现为海冰覆盖范围的缩小，还体现为海冰密集度的降低，其中北极中央区历来是高密集度海冰覆盖，其海冰密集度的大幅度降低不仅将改变北极冰场结构，而且会产生重要的气候效应，值得进一步关注。
  图6 2010-2017北极中央区8-9月日均海冰密集度变化
  北极中央区海冰密集度极端降低事件频繁加速
  发生
  随着全球变暖北极海冰范围越来越小，被多年冰覆盖的北极中央区（80N以北）海冰密集度也出现极端降低事件（Zhao et al., 2018），特别是在北极海冰快速减退的2007年以后的2007，2010，2012，2013，2016年夏季都出现了北极中央区海冰密集度的大幅度降低事件（图7）。最引人注目的是2016年9月北极中央区密集度达到历史最低，而且在其后的秋季还出现2次极低密集度事件，这在历史上也是同比创新低的。功率谱分析还表明，随着北极中央区的范围从80ºN以北逐渐缩小到85ºN以北，中央区海冰密集度的变化显示出20-90d季节内尺度的振荡特征越来越显著而年周期半年周期的振荡越来越不显著，表明中央区海冰的极端融化过程在频繁加速发生。初步分析发现近十来年中央区海冰的加速融化可能与进入北极中央区的超强气旋活动有关。
  图7 北极中央区海冰（85°N以北）密集度的季节变化(a)以及中央区范围取不同纬度以北时海冰密集度时间序列的功率谱分布(b)，黑点代表显著的周期。
  北极海冰密集度的多种反演算法
  海冰密集度(SIC)是极地大气-冰海系统中一个重要的海冰参数。布来梅大学发布的AMSR-E/AMSR2的SIC是目前应用最广泛的SIC产品之一。我们利用MODIS数据和航空图像对该产品进行了验证。结果表明，AMSR-E ASI日平均SIC产品较航拍图像低估了约17.9%，较MODIS SIC低估了8.5%。动态系点值 (Dynamic Tie point)ASI海冰密集度反演算法(简称DT-ASI算法)是在德国Bremen大学 (UB) ASI算法基础上发展的。与ASI算法相比，新算法引入了随时间的变化的纯冰和纯水系点值，并通过改进算法在一定程度上去除了气旋等天气系统引起的云和水汽对纯水系点值计算的影响。将ASI算法的SIC、动态系点ASI算法(DT-ASI)和NT算法的SIE和SIA结果进行了比较。两个ASI算法的SIE结果在12月至6月期间均小于NT结果，仅在9月中旬至10月底期间略大于NT结果。
  图8 ASI、DT-ASI和NT海冰范围的比较(上图)及ASI和
  DT-ASI海冰范围和面积的差值(下图)
  北极海冰增长过程的年际变化
  对海冰增长季节月平均海冰密集度的年际变化进行季节经验正交函数（S-EOF）(图9上)分析表明，海冰逐月增长过程的主模态显示为,首先北极海冰密集度从格陵兰以北多年冰中心开始沿60°W-120°E经线轴向南往西北冰洋扩展，同时沿60°E-120°W经线轴向波弗特海、楚科奇海、东西伯利亚海扩展。此空间发展模态反映了结冰期海冰发展的一般特征。同时，结合PC1年际变化时间序列(图9下)，结果显示整个海冰增长季节，东北冰洋和西北冰洋海冰的年际变化呈现反相关变化特征。在12月之前除加拿大海盆和多年冰核心区，北冰洋海冰的年际变化均呈减少趋势，12月后除巴伦支喀拉海和楚科奇海的其他海区海冰年际变化呈增加趋势。但在整个秋冬季巴伦支喀拉海均呈显著减少趋势。因此北极海冰的减少主要体现在秋冬季巴伦支喀拉海海冰的减少和前冬楚科奇海海冰的减少。
  图9 上：北极海冰密集度（标准化变量）10月-3月S-EOF第一模态方差贡献14.02%, 下：北极海冰密集度10月-3月S-EOF第一主成分时间序列
  北极夏末初秋融池反照率变化研究
  融池是夏季北冰洋最主要的表面特征。由于其较低的反照率，改变了海冰表面的辐射能量平衡，导致融池冰吸收更多的太阳辐射，进一步引起海冰底部的融化。夏末初秋时期，北冰洋高纬度海区的融池表面开始冻结，冻结冰层的厚度和反照率存在一定的变化关系，但该变化规律在不同厚度时差异很大，如图25左所示。ML96的研究结果显示，当冰层厚度小于0.01m时，反照率呈现指数下降的趋势，原因是融池水在开始冻结时，表面冰层很薄，反照率主要体现为融池以下海冰的特征，保持着较高的数值。随着融池水的不断冻结，入射的太阳辐射一部分进入融池被水体和冰吸收，一部分被融池以下海冰反射，但更多的反射辐射由表面融池冰提供，此时的反照率以刚刚冻结的表面冰层为主，出现了迅速减小的趋势。当厚度在0.01-0.05m之间变化时，反照率变化较为剧烈，整体呈现下降趋势，但该趋势较弱，主要与融池结冰的速度和水体本身性质有关。我们的研究结果显示，当表层冰厚继续增加，到达0.05-0.1m之间时，融池反照率体现了明显的线性增长趋势。主要原因是冰层厚度增加到一定程度后，气泡不易溢出，更多的气体冻结在冰内，导致反照率迅速增加。与此同时，如果出现降雪过程，可能对反照率的影响会更大。对于未冻结的融池，随着融池深度的增加，反照率呈指数衰减。当融池深度大于0.1m之后，其反照率总体变化很小，维持在0.35左右。该变化趋势与前人的多项观测和模拟成果相符，具有一定的普适性。
  图10 融池反照率与表面结冰厚度（左）和融池深度的关系（右）
  ML96: Morassutti, M. P. and E. F. Ledrew (1996); EC93: Ebert, E. E., and J. A. Curry (1993); SP07: Skyllingstad, E. D., and C. A. Paulson (2007); MP96: Makshtas, A. P. and Podgorny, I. A. (1996); IA94: Ivanov, B. V. & Alexandrov, V. (1994); GM77: Grenfell, T. C., and G. A. Maykut (1977).
  海冰减退期间加拿大海盆近表层潮流变化
  近年来北极海冰快速变化，北冰洋上层海洋环流和潮流也发生变化。本文利用波弗特流涡勘探计划（Beaufort Gyre Exploration Project）的锚定实测海流数据，综合原始锚定观测资料的数据质量、连续性审查等因素，对BGEP锚定数据进行了质量控制和筛选，分析了2005-2016年间加拿大海盆的近表层潮流的变化特征。潮流类型主要为半日潮，且随海冰面积、平均流以及大气风场的变化而改变。海冰快速减退期间加拿大海盆的主要半日和全日分潮流较小，但潮流流速变化显著，潮流椭圆呈顺时针旋转，椭圆倾角则随深度逆时针旋转。融冻期会出现潮流增大的情形。对比分析了2012年夏季和2007/08年冬季的潮流垂直结构，发现融冻期加拿大海盆海流存在显著半月周期变化。半月MS
  分潮流则表现出较为明显的分层结构。融冻期近表层半月分潮流增大是受大气风场半月周期变化的影响，而半日分潮流垂直结构差异则可能与局地惯性运动有关。
  图11(a) 2005-2016年加拿大海盆潜标(74ºN,140ºW)观测的表层潮流（半月MSf分潮流、半日分潮流）流速、局地海冰面积（71ºN-77ºN, 135ºW-145ºW，单位104 km2）和表层平均流的变化，(b) 2012年夏季潜标观测的近表层潮流、平均流的垂直结构。
  南极冰架
  -海洋相互作用研究综述
  对近期南极冰架-海洋相互作用的研究进展进行了综述。最新的研究结果表明，冰架底部融化速率大于前缘崩解通量，成为南极冰盖质量损失的首要途径。冰架下的海洋按照底部融化驱动因素的不同，可以分为由高密度陆架水驱动的冷冰腔和由变性绕极深层水驱动的暖冰腔。威德尔海的菲尔希纳-龙尼冰架和罗斯海的罗斯冰架属于冷冰腔，占南极冰架总面积的2/3，却只贡献了15%的净融化；东南太平洋扇区阿蒙森海和别林斯高晋海等若干属于暖冰腔的小型冰架，虽然只占南极冰架总面积的8%，却贡献了超过一半的冰架融水。以往看做冷冰腔的东南极托滕冰架和埃默里冰架，也相继发现有变性绕极深层水进入冰腔并造成底部融化。冰架对海洋有冷却和淡化的作用。冷冰腔输出的冰架水具有海洋中最低的温度，对南极陆架水性质乃至南极底层水的形成都有影响。冰架融化加剧，可能是近期观测到的南极底层水淡化的原因。
  南极普里兹湾东部冰间湖的卫星遥感研究
  利用2002年至2011年的AMSR-E 日平均海冰密集度数据产品、MODIS可见光数据产品以及Envisat ASAR宽幅中等分辨率（WSM）成像数据产品，对普里兹湾东部冰间湖进行了研究。发现该海域共有四个冰间湖，分别是四女士浅滩（Four Ladies Bank）冰间湖、巴里耶（Barrier）冰间湖、戴维斯（Davis）冰间湖和D15冰间湖。四个冰间湖中，巴里耶冰间湖面积最大，表现最为活跃，属于沿岸型冰间湖，其余三个均属于离岸型冰间湖。巴里耶冰间湖东侧是D15冰山和西冰架，成为巴里耶冰间湖的主要冰障；四女士浅滩冰间湖东侧常年有大量小冰山搁浅，在冬季会形成数块离岸固定冰，成为该冰间湖的主要冰障；戴维斯冰间湖东侧常年有大量小冰山搁浅，在冬季会形成沿岸固定冰，成为该冰间湖的主要冰障；D15冰间湖东侧常年有大量小冰山搁浅，在冬季会阻挡漂流而来的浮冰，形成固定冰或累积成浮冰群，成为该冰间湖的主要冰障。由于每个冰间湖都有冰障的存在，且该区域全年以东风为主，四个冰间湖的形成机制都以潜热型为主，至于是否有相应的感热成分，仍需进一步的研究。
  图12 2002-2011年冬季（4月-10月）冰间湖出现率，白色部分为陆架、冰架和长年搁浅的大冰山，黑色细线为冰间湖出现率为24%的等值线。A为戴维斯冰间湖，B为四女士浅滩冰间湖，C为巴里耶冰间湖，D为D15冰间湖。
  优化积雪深度反演算法
  对积雪深度的反演算法进行了进一步优化，包括交叉定标系数的修正、密集度算法的改进等，算法具体流程图如图13所示，其中本年度优化改进的部分用红色虚框标出。
  图13 利用FY3B/MWRI亮温数据反演北极海冰表面积雪深度流程图
  优化算法后，处理了FY3B卫星发射以来的所有亮温数据，生成了北极海冰表面积雪深度的历史数据，并利用2011年至2013年春季IceBridge IDCSI4积雪深度数据对优化后的反演结果进行了印证，将IceBridge数据预处理后，共获取1212对匹配数据，对比统计结果如表1所示。
  表1 2011-2013年 MWRI反演积雪深度与IceBridge产品对比统计结果
  Year Number Bias /cm RMSE /cm STD /cm
  201120122013 52713447 1.62.33.8 3.65.15.8 3.24.54.5
  而优化算法前，与IceBridge对比，2011至2013年度总的平均偏差、均方根误差及标准偏差分别为7.5、9.2和5.3cm，可见，优化后的算法较之前有明显改进，各种偏差均大幅减小。同时本年度还完成了算法的软件化，提升了算法的容错性，进一步细化报错信息并增加日志文件输出，添加进度条显示，并与积雪数据一同生成该产品的说明文档。
  季节冰上平均积雪深度的空间分布特征分析
  整个北极地区，以北极中心区域为中心，沿经线方向，随着纬度的降低，积雪深度逐渐减小，该分布特征与季节无关，1至12月期间特征基本相同；加拿大北部及格陵兰岛北部靠近北极中心区域地区，积雪深度较深，且大部分为多年冰上覆盖积雪，其次为楚科奇海以及巴夫特海，再次为欧亚大陆以北的喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海等；每年5月份，积雪从低纬度和海陆边界开始融化，慢慢向中心区域延伸，到9月份，仅剩北极中心区域可能有部分积雪覆盖，10月重新结冰后积雪深度逐渐增加。
  图15 2012年1-12月北极海冰表面积雪深度月平均图像
  季节冰上积雪深度的时间分布特征分析
  7日平均积雪深度从1月开始逐渐升高，经过夏季积雪融化期后，10月份季节冰重新结冰，但平均积雪深度有所降低，11月之后又呈上升趋势；对于积雪深度的年际变化空间特征，楚科奇海、拉普捷夫海和巴夫特海靠近北极中心区域部分的积雪深度年度变化较大，喀拉海及北极中心区域次之，其余地区年度变化很小。
  图16 北极季节冰表面周平均积雪深度时间序列
  北极涛动核心区秋冬季大气热源的年际振荡与北极涛动的相关性
  本文通过分析能表征大气热源分布的速度势函数（Velocity Potential，VP）场的时空变化特征，发现每年10月到次年3月的冬半年，北欧海地区的对流层低层存在北半球高纬度地区唯一的“独立热源”区，其最强中心出现在10-12月的秋末初冬季节（图17a）。该“独立热源”可能与北欧海秋冬季海洋暖平流的输送与异常加热有关，其年际变化空间上体现了中心位于斯堪的纳维亚半岛北岸的大气低空异常加热的分布，时间序列则体现了年际振荡特征，与AO指数有很高的相关性（图17b），二者之间的相关系数达0.89以上，这表明北欧海秋冬季大气低空热源加热的年际振荡可能是北极涛动的振荡源区。
  图17 1978-2015北半球20°N以北秋冬季（10-12月）气候平均速度势函数场(a)以及EOF第一模态主成分PC1与AO的时间序列(b)
  春季北冰洋上空东西半球云量呈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（图18）。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。
  图18 2000年-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
  中国倒春寒频次的时空变化特征及其可预测性
  通过对比分析南北方倒春寒相应的环流场，发现在北方倒春寒发生前的冬季，我国气温整体偏低，北半球中低层高度场则均受AO的负位相控制；而南方倒春寒发生前的冬季，我国气温整体偏高，北半球中低层高度场则呈偶极子型。在热带，相比北方倒春寒，南方倒春寒与中部型厄尔尼诺（El Niño）关系更紧密。
  中国倒春寒频次分布存在两个主要模态。第一模态呈全国型，与倒春寒频次的气候态分布高度相关，具有显著的年际振荡特征；第二模态呈南方型，具有年代际振荡特征。分析表明，全国倒春寒频次主要受北极海冰和热带海温影响，且从倒春寒发生前一年秋冬季开始，在负AO控制下，中纬度西风减弱，径向环流盛行，在对流层低层产生强的北风异常，将冷空气从较高的纬度输送到较低的纬度，导致我国倒春寒多发。基于物理模态分析我们建立了一个以前期北极海冰、尼诺指数、AO指数和中纬急流指数为主要影响因子的中国倒春寒频次的经验预测模型（图25），清晰地阐明了我国倒春寒的发生发展规律，并对全国型倒春寒的发生频次的主模态进行了成功的预测。
  图19 中国倒春寒频次第一模态预报技巧评估（黑色代表原始时间序列，红色代表预报时间序列，绿色代表交叉检验时间序列）
  用垂向光学辐照度测量数据计算雾能见度的方法和验证
  本项研究提出了用垂直方向测量的自然光光学数据计算能见度的方法。该方法通过测量两个不同高度上的谱辐照度，计算谱衰减系数，然后将自然光参数转换为标准光参数，按照大气能见度的定义计算能见度，形成了由垂向光学测量获取大气水平能见度的合乎规范的理论和实际可行的计算方法。
  采用2台光学辐照度计（Trios）和1台能见度仪进行了9小时的观测，获得了一个完整的雾生成和发展过程的观测数据，对这里提出的算法进行了检验。针对环境干扰因素可能导致虚报雾的情形，本项研究提出，先从光谱数据本身定性判断是否有雾，再通过提出的理论方法计算能见度。研究发现直射光和散射光在594nm和674nm的特异性，用归一化光谱之差作为判据，成为能见度是否小于2000m的可靠判断方法。结果表明，光学观测的计算结果在能见度小于1000m的均方根误差为173m，在能见度小于2000m的均方根误差为471m。与通常使用的用550nm单一谱段衰减系数计算大气能见度的方法比较，精度有很大提高。尤其对于能见度小于2000m的情形，与实测能见度有很高的一致性。结果表明，用垂向光学辐照度观测结果计算能见度是可行的方法。
  图20 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雾能见度
  南斯科舍岭海域浮游病毒水平丰度特征及其群落结构多样性分析
  结合流式细胞仪计数与基因组学分析，在南半球夏季期间，对南斯科舍岭海域浮游病毒水平丰度特征及其群落结构多样性展开分析。结果表明南斯科舍岭海区浮游病毒丰度(平均1.18×10viruses·mL)高于浮游细菌丰度（平均3.30×10cells·mL），并且病毒丰度与细菌丰度呈现一定线性相关。浮游病毒丰度在靠近南极半岛大陆架地区相对较高，并且相对而言，表层浮游病毒丰度相较底层高，其分布呈现近岸高，远海低；表层高，底层低的特点。
  该研究初步揭示了南斯科舍岭海区表层与底层浮游病毒的水平丰度特征、病毒群落结构特点以及多样性水平。也为进一步研究南极周边海域病毒群落特征，了解水团及水交换活跃海区水生态特别提供了基础数据。
  图21 南斯科舍岭新噬病毒体类群比较基因组分析
  北欧海微微型真核浮游生物多样性、群落结构和时空分布的研究
  利用扩增子高通量测序技术，从环境样品的分子水平上研究北欧海海域15个站位中微微型真核浮游生物的多样性和群落结构，并结合环境的温盐和营养盐数据来分析微微型真核浮游生物的分布特点。其中，Alveolata广泛分布，主要由Dinophyceae和MALV-I组成。Opisthokonta在各站也广泛分布，其中真菌（Fungi）占据非常高的比例。对15个站的微微型真核浮游生物群落结构聚类分析表明，在45%的相似度上，可分为2组，低水温组（R41、R32、R37、R12、R14、R48和R55），平均水温为2.08℃；高水温组（R67、R23、R01、R05、R60、R72、R69和R82），平均水温为6.91℃。在北欧海表层海水中，温度、溶解氧、pH、NO2-N和PO4的组合，对微微型真核生物群落的影响最大。CCA分析显示，温度对低水温组有显著地负相关作用，而对高水温组有显著地正相关作用，NO2-N对低水温组有显著地正相关作用。本研究填补了对北欧海微微型真核生物研究的空白，为更好地了解气候变化下北欧海生物圈浮游生物多样性随环境因子的变化具有重要意义。
  图22 15个样本在super group、group分类上各类群的相对丰度百分比
  海洋细菌对海洋环境的生态适应机制研究
  对多株海洋细菌的基因组进行了测序和序列分析，通过比较基因组学分析发现Idiomarina属细菌基因组特征与典型的流线型基因组细菌不同，通过实验也表现出与流线型基因组细菌不同的生理特征。进一步实验分析表明，Idiomarina属细菌在进化过程中丢失了糖利用相关基因，而强化了蛋白利用的能力。据此提出了一个新的假说即自由生活型海洋细菌可以通过营养特化减小基因组大小的进化方式。这种基因组进化假说在另外一个自由生活的海洋细菌属Kangiella中得到了验证，表明这种进化模式可能是普遍存在的。
  图23
  极地海洋细菌对海洋环境中有机硫
  DMSP的降解机制研究
  Ruegeria lacuscaerulensis ITI_1157是一株分离自北极海域的细菌。我们首先从生理层面验证了菌株Ruegeria lacuscaerulensis ITI_1157中DmdB和DmdC的功能。接着，我们通过结构和生化层面的分析阐明了DmdB 和 DmdC的催化机制。DmdB，作为3-甲基巯基丙酸（MMPA）辅酶A（CoA）连接酶，在催化MMPA和CoA连接的过程中会进行两次构象变化。DmdC, 作为MMPA-CoA脱氢酶，利用残基Glu435作为催化碱来催化MMPA-CoA脱氢产生MTA-CoA。多序列比对表明，我们提出的DmdB 和 DmdC的催化机制可能广泛适用于能够利用DMSP脱甲基途径的细菌。我们还从酶动力学角度阐明了玫瑰杆菌属细菌调控DMSP的脱甲基通路来保证DMSP在细胞内的生理功能和分解代谢的调控机制。这些研究结果进一步阐明了细菌DMSP脱甲基代谢的催化和调控机制，有助于更好地了解海洋细菌对DMSP的分解代谢。
  图24 DmdB和DmdC的整体结构分析
  南极微生物资源多样性
  利用纯培养方法从海绵样品中分离出一株放线菌新属新种并完成了该新菌的三相分类鉴定（新菌文章已修回International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology）。研究结果为进一步认识南极地区特有微生物物种，丰富南极地区乃至全球海洋微生物资源提供了理论依据和基础。
  南极真菌活性代谢产物研究
  海绵来源真菌
  Aspergillus candidus HDN15-152分离自南极普里兹湾的海绵样品。通过对不同培养基条件研究发现：该菌株在改良2#海水培养基静置30天条件下HPLC指纹图谱有系列化合物的紫外吸收峰。在此条件下，对该菌株进行规模发酵，通过正相硅胶柱色谱层析、反相ODS柱色谱层析、MPLC柱色谱层析和HPLC柱色谱层析等方法，对规模发酵产物的乙酸乙酯萃取物进行分离纯化。共得到22个化合物，包括18个吲哚二萜类化合物（Asperindole A-C，E-S）以及4个三联苯类化合物（Prenylterphenyllin N-O，Deoxyterphenyllin，4''-Deoxyprenylterphenyllin）。通过MS、核磁、红外、紫外、电子圆二色谱（ECD）测试，含时密度泛函理论-电子圆二色谱（TDDFT-ECD）计算以及生合成推测确定了化合物的平面以及绝对构型，包含17个新化合物。其中化合物Asperindole E、F、S具有罕见的吲哚二萜新骨架。对这些化合物进行了抗病毒活性、细胞毒活性以及抑菌活性评价。活性测试显示化合物Asperindole O对HL-60细胞株显示出中等的细胞毒活性，IC
  为7.75 μM；化合物Asperindole A对MGC-803显示出中等的细胞毒活性，IC
  为9.63 μM；化合物Asperindole I,J显示较强的抗流感H1N1病毒的活性，IC
  分别为26 μM和19 μM。此外，化合物Asperindole G、Asperindole N-Q对特定菌株显示出较中等至较好的抑菌活性，MIC在0.17-15 μg/ml之间。该研究为抗肿瘤、抗病毒以及抗感染药物的发现提供了新颖的先导化合物。研究结果已申请国家发明专利（申请号：201811023068.6）。