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无人机在南极科学研究的应用:进展与展望

武汉大学学报：信息科学版 2022年第5期47卷 651-664页

作者：李腾张宝钢程晓张媛媛惠凤鸣赵天成秦为稼梁建宏杨元德刘旭颖李新情中山大学测绘科学与技术学院广东珠海519082 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 广东珠海519080 北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院遥感科学国家重点实验室北京100875 南京晓庄学院环境科学学院江苏南京211171 国家海洋局极地考察办公室北京100860 北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191 武汉大学中国南极测绘研究中心湖北武汉430079

无人机作为一种新兴的低空遥感平台,具有多种类型的平台和载荷。尽管南极的自然条件严酷,无人机的应用范围仍涵盖了南极基础和应用科学的诸多领域。首先,论述了南极的环境条件对操作无人机的特殊影响,包括气象、电磁场、光照等因素。然... 详细信息

无人机作为一种新兴的低空遥感平台,具有多种类型的平台和载荷。尽管南极的自然条件严酷,无人机的应用范围仍涵盖了南极基础和应用科学的诸多领域。首先,论述了南极的环境条件对操作无人机的特殊影响,包括气象、电磁场、光照等因素。然后,对目前无人机在南极考察与科学应用中的研究现状做了系统的检索,在收集到的104篇全部相关资料中,梳理了发表时间、主流的期刊、研究区、国家与研究机构等内容,分7个主要应用领域综述了代表性文献,具体包括航空、大气、海冰与冰山、冰川、地貌与地磁、生态-植被、生态-动物,并全面回顾了中国南极科学考察中的无人机发展历程和重点成果。最后,总结南极无人机应用领域研究的不足之处,并阐明了未来发展趋势和建议。

关键词：无人机南极考察气候变化摄影测量冰川学生态学地貌学

2010年春季南极固定冰反照率变化特征及其影响因子

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地球物理学报 2013年第7期56卷 2177-2184页

作者：杨清华刘骥平孙启振雷瑞波张林孟上国家海洋环境预报中心国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室北京100081 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029 中国极地研究中心国家海洋局极地科学重点实验室上海200136

2010年春季至夏季在中山站附近的固定冰面开展了固定冰反照率观测.在春夏过渡期,观测期间的表面反照率呈下降趋势,平均反照率从9月的0.80下降到12月的0.62,整个观测期间的平均值为0.70.雪厚是影响反照率变化的重要因子,融化前期的反照... 详细信息

2010年春季至夏季在中山站附近的固定冰面开展了固定冰反照率观测.在春夏过渡期,观测期间的表面反照率呈下降趋势,平均反照率从9月的0.80下降到12月的0.62,整个观测期间的平均值为0.70.雪厚是影响反照率变化的重要因子,融化前期的反照率受表面温度影响较大,干雪期反照率对表面温度并不敏感.降雪可通过增加表面雪厚和减小表面积雪粒径显著增加反照率,云层则可通过吸收入射太阳光中的近红外波段增加反照率,降雪和阴天反照率可比晴天观测平均增加0.18和0.06;吹雪则可通过改变积雪光学厚度导致反照率发生显著变化.受太阳天顶角变化和积雪变性的共同影响,晴天或少云时的反照率在上午随太阳天顶角呈准线性递减,下午则几乎不发生变化;最高值、最低值分别出现在凌晨和下午.本文提出了一组分别表述厚干雪、薄干雪和湿雪反照率日变化的参数化方案,通过太阳天顶角的线性函数隐式考虑进了积雪变性的影响.相比常数反照率方案,该参数化方案能有效提高对反照率日变化的估算能力.

关键词：南极反照率固定冰海冰雪辐射

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北极地区低平流层惯性重力波的观测研究

地球物理学报 2019年第8期62卷 2793-2805页

作者：杨遵勋黄开明王睿张绍东武汉大学电子信息学院武汉430072 中国极地研究中心上海200136

南极地区重力波活动有大量报道,相对而言,北极地区重力波的研究还很少.本文利用极区Ny-Alesund站点(78.9°N,11.9°E)无线电探空仪从2012年4月1日到2017年3月31日共5年的观测数据,统计分析了北极地区低平流层惯性重力波的特征.观测显示... 详细信息

南极地区重力波活动有大量报道,相对而言,北极地区重力波的研究还很少.本文利用极区Ny-Alesund站点(78.9°N,11.9°E)无线电探空仪从2012年4月1日到2017年3月31日共5年的观测数据,统计分析了北极地区低平流层惯性重力波的特征.观测显示,月平均纬向风在20km以下盛行东向风,再随着高度增加,逐渐呈现出半年振荡现象.对流层顶高度在5~13km范围内变化,其月平均高度显示出年循环,最高出现在夏季,约为10km,最低出现在冬季,约为8.5km.对流层和低平流层月平均温度都显示出明显的年周期变化,这与中低纬度观测结果有所不同.结合Lomb-Scargle谱分析和矢端曲线方法,估算了准单色惯性重力波参数.个例研究表明,低平流层惯性重力波呈现出远离源区的自由传播性质.统计结果显示,惯性重力波的水平和垂直波长分别集中在50~450km和1~4km范围内,本征频率集中在1~2.5倍惯性频率间,这些值都比中低纬度观测值稍小.垂直方向本征相速度主要集中在-0.3~0m·s^-1,而纬向和经向本征相速度集中在-40~40m·s^-1之间.在5年的观测中,大约91.5%的惯性重力波向上传播.在冬季和早春,由于极地平流层极涡活动,激发出向下传播的惯性重力波,因此,向下传播的比例上升到相应月份的20%左右.由于低层大气盛行的东向风的滤波效应,低平流层大部分惯性重力波向西传播.波能量呈现出明显的年周期变化,最大值在冬季、最小值在夏季,与北半球中低纬度观测结果一致,表明北半球重力波活动普遍冬季强、夏季弱.

关键词：惯性重力波极区低平流层矢端曲线无线电探空仪观测

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南极菲尔德斯半岛土壤重金属环境基线研究

环境科学与技术 2015年第12期38卷 67-71,116页

作者：李依婷王峰郝志玲黄清辉杨海真同济大学环境科学与工程学院长江水环境教育部重点实验室上海200092

运用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定南极长城站所在的菲尔德斯半岛50个陆域表层土壤样品中8种重金属（Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb）的含量（mg/kg）：Cr（4.21~42.13）,Ni（6.37~29.01）,Cu（28.12~165.32）,Zn（14.32~102.16... 详细信息

运用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定南极长城站所在的菲尔德斯半岛50个陆域表层土壤样品中8种重金属（Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb）的含量（mg/kg）：Cr（4.21~42.13）,Ni（6.37~29.01）,Cu（28.12~165.32）,Zn（14.32~102.16）,As（0.28~30.83）,Cd（0.01~0.88）,Hg（0.005~0.214）,Pb（0.10~2.80）。运用统计学方法中的相对累计频率分析方法计算了这些重金属元素的环境地球化学基线值（mg/kg）：Cr（6.51）,Ni（13.81）,Cu（81.62）,Zn（36.40）,As（1.54）,Cd（0.09）,Hg（0.019）,Pb（0.65）。运用主成分分析方法来识别重金属的影响因素,表明菲尔德斯半岛陆域表层土壤重金属元素Cd、Pb、Hg、As、Cr的分布可能受到人为污染影响。

关键词：菲尔德斯半岛土壤重金属基线影响因素

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楚科奇海表层海水颗粒物组成与来源

极地研究 2014年第1期26卷 89-97页

作者：于晓果雷吉江姚旭莹朱继浩金肖兵国家海洋海底科学重点实验室国家海洋局第二海洋研究所浙江杭州310012

对研究区内第五次北极科学考察所取的表层海水颗粒物的浓度、显微组成、有机碳、氮含量及其同位素组成进行了分析。结果表明,楚科奇海域表层海水颗粒物浓度介于0.56—4.01 mg·L-1,具有冰区边缘高于开阔水域的特点。陆架区颗粒有机质相... 详细信息

对研究区内第五次北极科学考察所取的表层海水颗粒物的浓度、显微组成、有机碳、氮含量及其同位素组成进行了分析。结果表明,楚科奇海域表层海水颗粒物浓度介于0.56—4.01 mg·L-1,具有冰区边缘高于开阔水域的特点。陆架区颗粒有机质相对含量高(TOC:9.78%—20.24%;TN:0.91%—2.31%),有机碳、氮同位素值相对重(δ13C:-23.29‰—-26.33‰PDB;δ15N:6.14‰—7.78‰),有机质主要来源于海洋生物,含有部分陆源有机质;陆坡及北冰洋核心区的颗粒有机质含量,除SR15站外,相对低(TOC:8.06%—8.96%;TN:0.46%—0.72%),有机碳、氮同位素值轻(δ13C:-26.93‰—-27.78‰PDB;δ15N:4.13‰—4.84‰),颗粒物有机质以陆源为主。陆坡区SR15站表层海水颗粒物中异常高的陆源有机质(TOC:27.94%,TN:1.16%;δ13C:-27.43;δ15N:3.81)可能来自源于东西伯利亚的穿极洋流。海冰携带的颗粒物(包括冰藻)是冰区边缘表层海水颗粒物的重要来源,在陆架区海冰融化,向水体中释放了大量生物体;而陆坡区和北冰洋核心区,海冰对颗粒物的贡献以碎屑矿物和黏土矿物为主。

关键词：楚科奇海颗粒物 TOC TN δ13C δ15N

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试析南极地缘政治的再安全化

国际观察 2013年第3期 56-62页

作者：陈玉刚复旦大学国际关系与公共事务学院

《南极条约》的签订实现了南极地缘政治的"去安全化",其主要路径是冻结南极的领土主权问题。但是,伴随着人类南极活动的增加,不但来自于非领土主权性质的安全威胁已在积累并不断增多,而且被冻结的领土问题也面临重新冒出,甚至可能激化... 详细信息

《南极条约》的签订实现了南极地缘政治的"去安全化",其主要路径是冻结南极的领土主权问题。但是,伴随着人类南极活动的增加,不但来自于非领土主权性质的安全威胁已在积累并不断增多,而且被冻结的领土问题也面临重新冒出,甚至可能激化的危险。南极地缘政治从安全困境、去安全化、新的安全威胁形成,进入了一个再安全化的新阶段。以《南极条约》为基础构建发展起来的南极治理体系不具备安全功能,无法有效应对新形势下的各种安全威胁,因此南极地缘政治有必要进行再安全化构建,以应对南极地缘政治发展和治理构建中的各种安全挑战,为地区进而世界的安全建设作贡献。

关键词：南极地缘政治安全安全化

1994—2014年南极沿岸验潮站海平面绝对变化确定与分析

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地球物理学报 2016年第9期59卷 3202-3210页

作者：柯灝李斐张胜凯马超王爱学武汉大学中国南极测绘研究中心武汉430079 武汉大学测绘学院武汉430079

鉴于卫星测高技术在南极周边海域会受到海面浮冰影响,且在利用测高序列分析海平面周期性动态变化时还会受到潮汐周期混叠效应的影响,为此,本文开展了基于GPS和验潮数据联合的南极大陆附近海域从1994—2014年间海平面的绝对变化研究.研... 详细信息

鉴于卫星测高技术在南极周边海域会受到海面浮冰影响,且在利用测高序列分析海平面周期性动态变化时还会受到潮汐周期混叠效应的影响,为此,本文开展了基于GPS和验潮数据联合的南极大陆附近海域从1994—2014年间海平面的绝对变化研究.研究结果显示:在围绕南极大陆及附近海域的15个验潮站中,海平面绝对变化速度最大的是Diego Ramirez验潮站,达到11.10±0.04mm·a^(-1);在西南极南极半岛的德雷克海峡,海平面变化最为活跃,变化均值在8.31±0.05mm·a^(-1);在东南极,从Syowa站依次到Casey站,海平面的绝对变化速度相对平稳,四个潮位站海平面变化均值为3.35±0.04mm·a^(-1);在罗斯冰架右下侧的罗斯岛附近,由于冰川崩解入海导致Scott Base站处的海平面上升速度较快,达到了9.61±0.07mm·a^(-1).综合15个验潮站计算结果可得南极半岛德雷克海峡和罗斯岛附近海域,海平面绝对变化速度要高于同期南大洋海平面绝对变化速度,而东南极4个潮位站海平面绝对变化均值则与其相当.这也进一步反映了南极不同海域间海平面变化的差异性,相比较于对南大洋海平面变化的一个整体研究,分区研究海平面变化更具针对性,能更好地了解南极不同区域冰盖、冰架崩解和消融的情况.

关键词：南极海平面 GPS 验潮绝对变化 1994—2014

导航卫星自主定轨星座旋转误差的地面校正算法

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武汉大学学报（信息科学版） 2015年第4期40卷 534-539页

作者：杜玉军王甫红王泽民刘万科武汉大学测绘学院湖北武汉430079 武汉大学中国南极测绘研究中心湖北武汉430079

基于星间测距的导航卫星自主定轨不可避免地会出现星座旋转,导致轨道精度下降并对造成用户定位系统误差。对星座旋转现象的原因和影响进行了分析,指出轨道升交点赤经的系统偏差ΔΩ和地球定向参数EOP的预报误差是星座旋转的主要误差源,... 详细信息

基于星间测距的导航卫星自主定轨不可避免地会出现星座旋转,导致轨道精度下降并对造成用户定位系统误差。对星座旋转现象的原因和影响进行了分析,指出轨道升交点赤经的系统偏差ΔΩ和地球定向参数EOP的预报误差是星座旋转的主要误差源,主要表现为星座绕地球自转轴(Z轴)的旋转。在此基础上,提出一种独立、实用的星座旋转的地面校正算法,利用区域地面站的伪距观测值估计并校正星座旋转误差。仿真结果表明,使用两个测站可以估计旋转误差的三个分量,较为完善地消除星座旋转误差,显著提高用户定位的精度;使用一个测站,仅考虑关于Z轴的旋转分量,也可以校正大部分旋转误差,但校正效果略差。

关键词：导航卫星自主定轨星座旋转校正算法

基于ASCAT散射计数据的2012年南极周边海面风场特征分析

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极地研究 2014年第4期26卷 481-486页

作者：张婷张杰杨俊钢国家海洋局第一海洋研究所山东青岛266061

利用2012年全年的ASCAT散射计风场数据,对55°S以南的南极周边海域海面风场开展了时空分布特性统计分析。结果表明:对于南极周边海域,7月平均风速最大,为12 m·s-1,12月平均风速最小,为8 m·s-1,冬季大于夏季;该区域平均风速主要在9—1... 详细信息

利用2012年全年的ASCAT散射计风场数据,对55°S以南的南极周边海域海面风场开展了时空分布特性统计分析。结果表明:对于南极周边海域,7月平均风速最大,为12 m·s-1,12月平均风速最小,为8 m·s-1,冬季大于夏季;该区域平均风速主要在9—12 m·s-1之间,全年出现的天数>280天,约占全年的77%;风速>10 m·s-1所占比例也是冬季大于夏季。从全年来看,南极周边海域在冬季(4—6月)和春季(7—9月)风速普遍较大。该区域0°W—60°W海域内风速明显比其他海域要小。

关键词： ASCAT 风场南极周边海域