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陈立奇:极区与全球变化科学研究的开拓者
发表时间 2017-08-15 16:25 来源 本站原创

  ——记国家海洋局海洋-大气化学与全球变化重点实验室主任陈立奇研究员

  自工业化以来,地球演化进入了“人类世”的地质时代。人类活动对全球环境的影响已经接近并超过自然变化的强度和速率,南北极首先感应并放大了这种影响。由于全球环境问题已经远远超过了单一学科领域和局部区域,迫切要求从整体上来研究地球环境和生命系统的变化,从而提出了地球系统的概念,即由大气圈、水圈、岩石圈和生物圈组成的一个整体。为此,研究地球系统各组成部分之间的相互作用,以及发生在地球系统内的物理、化学和生物过程之间的相互作用的一门新兴学科——全球变化科学便应运而生了,其宗旨是:描述和了解人类赖以生存的地球环境的运转机制和变化规律以及人类活动对地球环境的影响,从而提高对未来环境变化及其对人类社会发展影响的预测和评估能力。国家海洋局海洋大气-化学与全球变化重点实验室主任陈立奇研究员40多年来一直工作在海洋大气化学和极地科学研究的前沿,积极推动极区与全球变化科学的进展,创新了观测工程技术和认知,近年来又带领团队取得了一系列具有国际重大影响的科研成就。



陈立奇南极考察

  一、在北冰洋碳循环和海洋酸化研究中取得了重大突破,揭开北冰洋酸化水团快速扩张机理,被英国《自然·气候变化》作为封面文章发表,并配发著名学者的新闻和评述文

  陈立奇是我国北极科学考察事业的开创者之一,1999年任首席科学家和队长,率领中国首次北极科学考察队乘“雪龙”船深入北冰洋开展现场观测研究,获得了重要样品和资料,成果被评选为1999年中国十大科技新闻之一,被国家博物馆选为重要展示内容。

  1、提出北冰洋快速融冰下海洋CO2浓度变异性假设

  在近20年来的中国北极科学考察获取数据基础上,陈立奇提出北冰洋快速融冰下海洋CO2浓度变异性假设,发表在2016年《科学通报》。近年来,夏季北冰洋融冰出现明显加快的态势,融冰过程引起了表层海水CO2浓度的变化,根据2008年和2010年中国国家北极科学考察(CHINARE)航次通过深入到北纬88°的北冰洋中心区的西经170度断面观测,发现表层海水中CO2浓度在冰覆盖下,融冰区和融冰后等不同状况下出现了明显的变异性。针对所观测到的表层海水二氧化碳分压(pCO2)变异性现象,陈立奇提出了北冰洋快速融冰情景下的表层海水pCO2变异性的“低-低-高”假设,即海冰覆盖下的海水是“低”pCO2,刚融冰的海水是“低”pCO2,而融冰后的开阔海水会出现“高”pCO2。出现这种“低-低-高”pCO2变异现象是由不同机制所驱动的:冰覆盖下海水低pCO2,控制机制是水体受到不同水团的混合过程、温度变化、冰-水CO2交换和生物冰藻微吸收CO2过程所控制;现场观测表明刚融冰时海水的低pCO2主控因素可能是生物的CO2吸收,以及CaCO3溶解共同作用;而融冰后开阔海水的高CO2已被论证为由于大气中CO2快速进入海水和水体增温协同作用所控制的。

  2、2016年,陈立奇领导团队揭示了北冰洋酸化水体快速扩展机理,预测在本世纪中期将覆盖整个北冰洋,该论断在英国《自然·气候变化》杂志发表

  海洋吸收大气过量的人为CO2而降低了海水的pH值并使碳酸盐处于不饱和状态,这个过程称作为“海洋酸化”(Ocean Acidification-OA),严重地危害着海洋生物和生态系统。北冰洋对气候变化特别敏感,加上海冰快速融化,开阔水域进一步扩大,其文石不饱和状态出现的时间比其他大洋更早。然而,海洋酸化的程度以及变化速率仍不清楚。全球所关心的是,被认为是全球海洋酸化领头羊的北冰洋酸化水体是否会进一步扩张,其时间阈值如何?陈立奇领导团队基于过去20年来所有横穿北冰洋的航次数据的精细分析,发现酸性水体不仅在深度上而且在向北至北冰洋中心海区不断地扩张,文石不饱和水体在垂向上所占的比例增长了6倍,平均每年增加1.6%。依据这个速率,预测北冰洋酸化水大约2055年将覆盖整个北冰洋。根据驱动因子分析和模型估计,陈立奇团队提出了引起北冰洋酸化水体扩张的主要机理:由于北冰洋环流异常和海冰快速消退,驱动着近年来太平洋冬季水(PWW)输入北冰洋的增加,而PWW水体是一种“腐蚀性”的酸化水,将使所侵入的水体迅速酸化,这是北冰洋所观测到酸化水体快速扩张的主要诱因,另外所观测海区的人为CO2吸收和生物作用等也会影响海区酸化水体的扩张。上述论断被世界著名杂志英国《自然·气候变化》期刊于2017年3月作为封面文章发表,同时刊登了世界知名海洋酸化研究学者挪威的Bellerby教授以标题《海洋酸化没有边界》撰写的新闻和评述文。封面刊登了我国第一艘“中国‘雪龙’极地科学考察破冰船”在北冰洋冰区作业图片,表明了中国北极科学考察的能力和科学研究成就。陈立奇团队提出的全球变化驱动了北极酸化的论断引起了国际学界的强烈反响和国内管理部门的重视。

  二、对极区大气气溶胶和温室气体本底特征及其环境和气候效应研究取得一系列新认知,成果获得2015年海洋工程科学技术一等奖

  极区大气气溶胶和温室气体本底特征及其环境与气候效应研究,是我国极区大气气溶胶和温室气体监测与研究成果的集成。从1984年中国首次南极考察的30年来,陈立奇领导团队采用国内外先进的观测仪器,开展了极区大气气溶胶和温室气体系统观测,逐步形成了国内岸基和近海及西太平洋、印度洋、南大洋、北冰洋船基、南极长城站、中山站和北极黄河站的气溶胶和温室气体立体观测体系,特别是国际极地年(International Polar Year-IPY)期间在考察船和考察站建立了现场无沾污采样装置、样品保存和微量化学物种分析技术等的样品-数据-信息工程管理系统。通过对获取的大量资料开展集成研究,团队取得了重要成果和新认知,在国际上产生了重要影响,发表论文100多篇,其中SCI收录20多篇。主要认知包括:1984年以来,系统地认识了南大洋和南极洲大气气溶胶主要组成特征和来源输送机制;1999年实现了从南极到北极的跨越,对北半球气溶胶污染特征、人为影响、长距离输送和迁移变化规律进行了大量的现场观测研究,评估了两极气溶胶组成的差异性及环境和气候效应。在环境敏感化学物种和温室气体的变化趋势及其对气候变化有影响的关键要素变化规律的认知上取得重要突破,也引起了国际上的关注。



陈立奇乘直九深入北极中心探察冰情和钻取冰芯

  该项目的阶段性成果已分别应用于国家极地“七五”至“十一五”规划,国际极地年中国行动计划,“十二五”极地考察和评估专项以及“十三五”极地发展战略规划,中美、中比、中挪和中韩的极区国际合作计划等项目,为项目立项和实施计划提供了重要依据,提高了我国对极区大气气溶胶的认识水平和环境以及气候影响的评估能力,为我国获得国际极地事务的发言权提供了科学依据。

  三、在国际合作和国际组织中展现了中国科学家的担当,为中美战略对话成果清单提供重要议题和内容,增强中国科学家的话语权

  1、为中美战略对话成果清单提供重要议题和内容

  陈立奇是中美极区海洋碳循环和海洋酸化合作项目首席科学家,在近30年中美海洋和极区科学研究的合作研究中,取得了一系列国际瞩目的成果。2010年中美科学家联合在美国《科学》发表了“北冰洋无冰海盆区二氧化碳吸收能力下降”文章,揭示了北冰洋融冰后碳吸收能力明显下降的机制。论文被英国《自然》作为新闻头条(Nature News)评论道:“该论文也标志着中国气候科学研究正在走向成熟,也是来自中国第一个具有重要影响的气候研究之一。”“这是中国人首次展现出如此强势的海洋科学研究,也是一种科学觉醒的表现。”中美双方取得的重要成果,促进了双方高层形成共识和推动海洋碳循环和海洋酸化的进一步发展。

  2009年中国国家海洋局和美国国家海洋与大气局第六次续签《中美海洋渔业科学技术合作议定书》,制定2011-2015年海洋与渔业科技合作框架计划,其中包括了对极区温室气体和南大洋考察的重要条款。2015年习总书记对美国进行国事访问期间,在中方成果清单第五部分第49条全球挑战中,强调了中美双方在极区海洋酸化、海洋环保领域的合作。

  2、国际组织中发挥中国科学家的担当和话语权

  至今,陈立奇参与北太平洋海洋科学组织(PICES)的工作已有15年,由于从事的全球变化、温室气体和气溶胶等研究,使他在PICES找到了更多契合点更深渊源和发挥更重要作用。2013年在日本召开的PICES年会,我国提出成立“北太平洋海洋放射性环境质量评估小组”的建议,遇到了一定的阻力。陈立奇作为该方案的提议报告者和会议代表,在会上发言时,以参与2011年应对日本福岛发生核泄漏的我国应急监测行动的经历,再次重申了福岛核泄漏扩散路径和相关海域的海洋放射性现状,需要北太平洋国家的互校和质量评估,在PICES成立海洋放射性环境质量评估小组很有必要。”陈立奇的观点获得与会各国科学家的认可。经过多方努力,成立“北太平洋海洋放射性环境质量评估小组”的建议最终获得PICES的批准。

  “这件事只是一个缩影,说明中国发出的声音越来越受到重视,从早期的参与,到后期的主动作为,我国从‘配角’走向了‘主角’。”陈立奇表示,中国开始注重承担起大国的责任,政府和科研团体的支持使参加PICES的组织和管理日趋完善。“以前,我们关注的焦点只是自己家门口发生的事,讨论全球问题,感觉距离我们很遥远;现在,我们的研究更加国际化和全球化,聚焦海洋环境变化对北极涛动、厄尔尼诺现象和北太平洋的年代际振荡影响、海洋碳汇变异对海洋酸化及全球气候变化影响等问题,我国科学家在这些方面提出的新观点、新认知,均引起国际关注。”



陈立奇领导的海洋与大气化学团队

  2014年陈立奇向PICES提交拟在2015年10月的青岛PICES年会上召开“北极和亚北极北太平洋海洋酸化观测网”分会,很快受到了PICES下属4个委员会的支持和资助。2015年10月22日,作为分会主席,陈立奇主持召开了“北极和亚北极北太平洋海洋酸化观测网”分会,有来自中、日、韩、美、澳和挪威等多个国家的科学家参加,20个口头报告和10份墙报学术交流,其中包括4个特邀报告,以及7位年青科学家及学生做的口头报告,成为了一次充分展现我国在海洋酸化研究成果的盛会。

  四、引领学科发展和建设国内一流科研团队

  陈立奇领导的团队,在1984年建立了我国第一个“海洋大气化学”研究组,在此基础上于2002年创立国家海洋局海洋-大气化学与全球变化重点实验室,30年来,建立海-气系统立体观测体系,形成一支充满活力的创新团队,推进我国海洋大气化学新学科和全球变化科学的发展。他先后主持7个国家自然科学基金项目、国家重点攻关项目、国家科技专项、国际合作计划等。发表论文250篇(60多篇SCI),编著17部,11项成果获得部委奖(6项1等奖,3项排名第一)。他先后培养了25位博士、硕士和博士后。

  陈立奇研究员简介

  陈立奇,博士生导师、1969年毕业于南开大学化学系。现任国家海洋局海洋-大气化学与全球变化重点实验室主任。1981年赴美国留学,是我国首批赴美国学习全球变化科学的学者之一,先后参与太平洋、大西洋和新西兰北岛等全球性的海气交换实验(SEAREX),1983年12月回国组建海洋大气化学研究组,1994年任国家海洋局极地考察办公室主任和中国极地考察工作咨询委员会秘书长,2002年组建国家海洋局海洋-大气化学与全球变化重点实验室。先后组织实施了我国南极考察一船两站工程建设的“九五”计划和中国北极科学考察计划,负责国家重点攻关项目、国家科技专项、国家社会公益项目、国际合作计划、国家自然科学重点基金项目。陈立奇先后出任中国第13次南极考察队和中国首次北极科学考察队队长、首席科学家,是我国北极科学考察事业的开创者之一,开拓了我国海洋大气化学研究新领域。他领导团队建成了具有国际先进水平的海-气系统立体观测平台和信息平台,研发走航和原位观测工程技术,获得了10多项国家授权专利,系统地开展碳、氮、硫、铁等海-气通量观测研究,对极区化学物种的海-气循环及对气候变化和生态环境影响的研究中提出了引起国际关注的新认知。在国际著名美国《科学》、《地球物理研究》、《环境遥感》、《大气科学》和英国《自然·气候变化》、《科学报告》、《深海研究》、《大气环境》及国内《中国科学》、《科学通报》等杂志发表论文250多篇(60多篇SCI),编著17部,11项成果获得省部级奖(其中一等奖6项)。2017年陈立奇所领导的“中国首次北极科学考察”和“国家海洋局海洋-大气化学与全球变化重点实验室”被人力资源社会保障部、国家海洋局授予“中国极地考察先进集体”荣誉称号。