极地是南极和北极地区的统称，南极地区，通常指60°S以南地区，是一块被海洋包围的冰雪大陆；北极地区，通常指北极圈（66°33’N）以北地区，是一片被大陆包围的冰雪海洋；极地是多个国际计划研究全球变化的关键地区；政府间气候变化委员会（IPCC）的历次报告均对极地给予了足够重视。南极、北极既神奇又美丽，企鹅和北极熊更令人神往。

多年来，笔者一直从事青藏高原、南极、北极科学考察和全球变化研究，曾8次上青藏高原、2次去南极、3次到北极考察（图1、2）。科学家去南北极科学考察，研究极地与全球气候变化有极其重要的意义。

一、极地考察的意义

南极和北极，是全球气候变化的关键地区，南北极所处的特殊地理位置及其特有的生态环境，决定了极地在全球变化研究中的作用与地位。在地球气候系统中，大气圈、海洋圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈等各圈层是相互作用和影响的统一体，要了解全球变化，必须对极地有所研究。

极地是地球大气的主要冷源，在全球大气环流和天气气候形成、南北两半球热量/动量和水分的交换中起重要作用。特别是南极洲95%以上地区被冰盖、冰架和终年不化的积雪所覆盖，平均厚度2000米，加上周围海域的海冰，形成了一个名副其实的冰大陆，储存了全球冰雪总量的90%以上，具有能使全球海平面升高58.3米的水量。北极地区被冰雪覆盖的时间很长,其中格陵兰冰盖具有能使全球海平面升高7.4米的水量。也就是说，如果南北极的冰都化了，将使全球海平面升高66米，而要南北极的冰全部融化，则相当于地球平均温度要升高12℃，这在近几百、几千年都是不可能的。要了解地球上的气候变化，就必须对极地大气、海洋、陆地和冰雪之间的相互作用过程以及极地对全球气候环境的相互作用和影响等进行深入研究。

海洋是驱动大气能量的主要供应者和调节器，极地大洋环流和海冰变化与极地大气环境有密切关系，在全球能量平衡中起重要作用。极地冷水通过沉降从海底向较低纬度地区输送，在全球海洋温盐环流中起启动作用，由海水温度、盐度不同而形成的全球“温盐环流”，对全球各大洋的热量和气体交换起重要作用。极地海冰是极地下垫面季节和年际变化最大的特征，对全球气候系统有重要影响。

随着“京都协议”的签订，自然界温室气体CO²的源汇分布，不仅是国际学术界的一个前沿领域，也成了各国政治家们争论的热门话题。两极海区是全球碳循环的主要汇区，也是全球变化中的重要反馈窗口。在全球变化背景下，研究海冰和海洋变化对极区碳循环的影响具有重要意义。

极地冰盖及海相和湖相沉积物中保留着地球大气地质时期和历史时期气候变化的详细记录，是获取极地气候代用资料的载体。极地冰芯中的气候环境记录，具有信息量大、保真度好、分辨率高和时间尺度范围大等特点，更是研究过去全球变化的主要依据。根据对南极东方站和DOME-C冰芯同位素、气泡成份及微量物质的研究，科学家就获得了近42万年和近74万年以来南极地区温度和二氧化碳等痕量气体浓度变化的资料；用生物地球化学等方法，对南极企鹅粪、海豹毛等沉积物中元素的分析，能了解近几千年企鹅、海豹数量的变化，并揭示企鹅、海豹种群与南极环境和温度变化的关系。

极地，尤其南极，是目前全球受人类活动影响和环境污染最少的地区。极地大气化学特征、大气本底环境的分析和研究，对了解人类活动与全球环境变化的关系、人类活动对全球环境变化影响程度有重要的意义，也能为各国政府制定与全球环境变化有关的政策提供参考依据。

南极和北极是影响全球气候变化的重要地区之一，极地气候和大气环境变化是全球气候变化的指示器，对我国天气气候及国民经济的可持续发展都会产生影响。我国位于北半球，冬季来自北极地区的冷空气对我国天气的影响早以为人们熟知，对我国造成灾害的旱、涝、风、雹等天气气候事件也大多与冷、暖空气及其活动异常有关。2008年春，我国南方出现的低温雨雪冰冻灾害，就与北极极涡位置偏在东半球，导致在东亚地区冷空气活动频繁，路径偏西，以及来自青藏高原南侧和西太平洋的暖湿空气活跃等有关。全球大气是一个统一的整体，来自南半球的冷空气活动对北半球的大气环流和天气、气候也会发生影响。南极或北极冷暖和海冰状况，也可能对我国夏季灾害性天气发生影响，有关极地气候及大气环境变化对我国天气气候影响的研究，将为寻找影响我国短期气候的强预测信号提供参考依据。

极地是地理和地磁极点所在地，是研究与日—地
有关的各种大气物理现象及来自我们星系以外的宇宙射线的最好场所。极区最适宜进行有关电离层、磁层、平流层—对流层特性及相互作用的探测研究，也可进行太阳活动及其长期变化对中低层大气活动影响和极区天气气候变化对太阳活动变化的响应的观测研究。在进入空间探索与开发时代的今天，宇宙空间已与陆地、海洋一起成为人类不可或缺的生存与发展环境。极区是太阳活动直接影响地球空间的重要区域和监测灾害性空间天气的最佳窗口。极区空间环境灾害性天气研究，对保护我国空间技术系统、减少航天事故和保障人类空间活动具有重要的指导作用。

二、中国的极地科学考察研究

我国南北极实地科学考察研究起步较晚，其中，南极实地科学考察始于20世纪80年代。中国的极地考察和研究由国家南极考察委员会 （现为国家海洋局极地考察办公室）归口管理，从1980年起，国家南极考察委员会陆续派人赴国外的南极考察站考察，为我国独立建站做准备。1980年，第一批赴南极考察的中国科学家是海洋学家董兆乾和地理学家张青松；1981年,卞林根（中国气象科学研究院）参加了澳大利亚南极莫森站的越冬考察,成为第一个赴南极考察的中国气象学家；秦大河（时在中国科学院）参加了“1990年国际徒步横穿南极考察队”，是第一个徒步横穿南极考察的中国科学家。1984年，国家南极考察委员会组织了中国首次南极考察，1985年2月，建成了我国在境外的第一个气象站——中国南极长城站气象站（62°13’S、58°58’W,海拔10m）；1989年2月，在东南极大陆建立了南极中山站气象台（69°22’S、76°23’E,海拔14.9m）。2005年，我国第二十一次南极科学考察队的内陆冰盖考察队，到达了素有“不可接近之极”之称的南极大陆冰盖最高点（DOME-A，80°22’S、77°22’E；海拔4093m）。

2002～2008年，我国先后在从南极中山站到南极大陆冰盖最高点的剖面上，设置了LGB-69（89576,70°50’S、77°04’E，海拔1850m）、DOME-A（89577，80°22’S、77°22’E，海拔4093m）、飞鹰（Eagle）（89578，76°25’S、77°01’E，海拔2852m）、PANDA-N（26407， 73°41’S、76°58’E，海拔2584m）和PANDA-S（30416，81°19’S、75°59’E，海拔4027m）等5个冰盖自动气象站。

在2007～2008年国际极地年（IPY），中国执行了南极PANDA计划。作为计划的一部分，在中国南极中山站建立了我国第一个南极大陆大气成份业务监测站；IPY期间，在中山站还进行了臭氧气球探空和GPS低空（18000 m）探测；在中山站附近的冰盖应用超声风温仪、梯度热量平衡观测系统和辐射平衡观测系统，获取了南极冰盖近地层冰/气相互作用的详细资料。

2009年1月，我国在南极大陆冰盖最高点（DOME A）西南方向约7.3公里处，建立了中国南极昆仑站（80°25’S、77° 07’E；海拔4087 m）。2014年2月，在昆仑站和中山站之间,修建了南极泰山站（73° 51’ S、76°58’E；海拔2621 m）。2013年1月，我国在南极罗斯海地区设放了一个自动气象站,2018年2月，罗斯海新站在恩克斯堡岛（75°S、164°E）正式选址奠基，计划2022年在此建成中国第5个南极站。

1984年以来，在“向阳红十号”“极地号”和“雪龙”号等科学考察船赴极地考察航渡期间，考察船上都进行了常规的海洋气象观测和预报服务，近年来还进行了海—气之间CO²交换等大气环境监测、紫外辐射（UVB）和地面臭氧、黑碳气溶胶和一氧化碳浓度的在线观测，并在不同纬度用高压采气钢瓶采集空气样品。

我国的北极实地科学考察始于20世纪90年代,比南极考察晚10年。1991年，在国家南极考察委员会和国家自然科学基金会的支持下，高登义（中国科学院）参加挪威、苏联和冰岛科学家的北极考察；1994年，中国科学院和美国合作进行了阿拉斯加科学考察；1995年，中国科协组织了赴北极点探险，位梦华等7名队员徒步到达了北极点；1997年，中科院大气所和中国气象科学研究院的气象工作者与挪威合作，在北极海冰上进行了大气边界层结构和湍流通量输送的试验研究；2001～2003年，在中国科学院、国家自然科学基金会、中国科协、中国科学探险协会等单位组织和支持下进行了民间的中国伊力特·沐林北极科学探险考察，在斯瓦尔巴群岛的朗伊尔地区进行了有关大气、冰川、地质和植物等学科的综合考察,并建立了临时考察站。这些考察活动，对我国北极科学考察研究的开展及我国北极考察站的建立起了促进作用。2004年7月，我国在斯瓦尔巴群岛的新奥尔松建立了中国第一个北极陆地科学考察站—北极黄河科学考察站（新奥尔松78°55′N，11°56′E），进行高空大气物理、海洋生物、气象、GPS跟踪观测和冰雪等方面的考察。2018年，中—冰北极科学考察站（凯尔赫，65.71° N、17.36°W）正式运行，目前主要开展极光、大气、冰川和遥感等观测研究。

作为国家行为，1984年我国首次南极考察和1985年中国南极长城站的建立，开创了我国南极地科学考察研究的新纪元；1999年我国首次北极北冰洋综合考察和2004年北极黄河站的建立，则揭开了我国北极科学考察研究的新篇章。在邓小平同志提出的“为人类和平利用南极做出贡献”指导下，1984年到2019年底，我国组织了36次南极考察、10次北极北冰洋考察和16次北极陆地考察，在南北极自主建立了5个科学考察站,多个冰盖自动气象站和北冰洋浮冰漂流站，初步形成了以有人考察站、无人自动气象站、“雪龙”及“雪龙2”号极地破冰科学考察船、“雪鹰”固定翼和直升机等为主体的极地科学考察研究硬件支撑体系，形成了每年组织1次南北极综合考察和2～3年组织1次北冰洋综合考察的能力。

近40年来，我国极地气象科学考察研究取得较大进展，1999年我国科学家在南极科学领域发表的SCI论文仅19篇，2016年上升到157篇，目前则位居全球第10位。

我国的南北极气象科学研究分别经历了1990年前后和1999年前后2个阶段。

1990年前是我国南极气象科学研究的起步阶段。有关南极的研究主要是由各单位分散进行的，其中，有关气象科学研究的研究主要由中国气象局、中国科学院、国家海洋局和高等院校的有关研究机构承担。1985年和1989年，中国南极长城站气象站和中山站气象台的建成，为开展南极实地气象考察和研究创造了条件。特别是南极中山站建立后，我国南极考察研究的重点，由以考察站建设为主转向以开展极地科学研究为主。在全球变化思想指导下，环绕国家科技攻关、科技部社会公益研究专项、国家科技支撑计划重点项目等国家级科研项目，组织有关单位多学科协同合作、共同攻关，我国极地气象科学研究进入了快速发展阶段。

1999年前，我国尚未进行作为国家行为的北极实地科学考察，有关北极的研究主要是由各单位自发、分散进行的。1999年7~9月，我国组织了首次北极北冰洋科学考察，围绕全球变暖对北极地区气候和环境的影响，开展了多学科的《北极海洋环境与海气相互作用研究》，揭开了我国北极考察研究的新篇章。以后的多次北极北冰洋科学考察，以及2004年北极黄河科学考察站，为我国进一步加深对北极地区的了解创造了条件。

南北极现场考察是极地气象科学发展的基础，近30余年来，我国的南极和北极气象科学考察都有了较大进展。极地是气象资料最匮乏的地区之一，极地现场考察资料尤为宝贵，资料共享也十分重要。中国南极气象科学考察的基础数据已收录进入“地球系统科学数据共享网—中国南北极数据中心” （http://polar.geodata.cn:8060/Portal/index.jsp）、“地球科学数据系统（WDC-D）—气象学科部分”的国家气象信息中心“中国气象科学数据共享服务网”（http://cdc.cma.gov.cn/index.jsp）和“中国气象科学研究院网站”的“大气科学数据库”（http://www.cams.cma.gov.cn/cams_kxsy/qky_kxsy_index.htm）等共享数据库。

三、极地和全球气候变化

政府间全球变化委员会（IPCC）第5次评估报告指出，1880～2012年，全球平均温度已升高0.85℃，全球气候变暖已是一个不争的事实。在全球变暖的大背景下，南极、北极地区的气候和大气环境也发生了明显变化。

在北极地区，最近几十年发生了被称之为“优娜迷（Unaami）”的快速变化。“优娜迷”在北极因纽特语中的意思为“明天”，将北极气候环境的快速变化称之为“明天”有“不可预知”“不可控制”和“谜一样的明天”之意，正如当初用西班牙语言“圣婴”（El Nino）来命名南美西海岸东太平洋海水的异常增暖现象一样。

在北极环境研究计划（SEARCH）中，“优娜迷”专指近几十年在北极地区发生的，包括温度、海冰、冰盖、海水盐度等多个要素在内的，北极环境要素的快速变化。北极地区是近百年来全球增暖最显著的区域，在某些地区，20世纪最高升温达5℃；格陵兰冰盖边缘消融；海冰范围和厚度都在减少。“优娜迷”与北极大气环流有关，是气候变化的组成部分，它的变化对北极的生态系统与人类社会产生很大影响，是北极环境研究的主要内容。

与北极地区显著变暖不同，南极地区气候变化的时空多样性更强。近50年来，南极地区的显著增温主要发生在西南极的南极半岛地区，大大超过了近百年全球平均增温0.85℃的幅度；而在东南极大陆增温并不明显，个别站还有较明显的降温趋势。南北极冰盖冰量及海冰的变化，也与此一致（图3、4）。近年来，在西南极地区经常发生的大范围的冰架融化和崩塌，在东南极地区并没有发生。近30年来，南北极海冰的变化趋势不同，北极海冰显著减少，而南极海冰却有增加的趋势。

大家都知道，大气臭氧层能大量吸收太阳紫外辐射，是地球生命的保护伞，全球大气臭氧变化与全球变暖一样，是人们广泛关注的热点问题。在春季，南极地区臭氧总量急剧减少,与周围地区相比, 就显得南极洲上空出现一个臭氧低值的“空洞”，这就是南极臭氧洞。南极臭氧洞并不是全年都存在，只在南极春季出现。春季南极臭氧洞的出现，是大自然对人类发出的又一警告。人类活动排放到大气中的氟利昂和溴化烃等（含氯和溴）消耗臭氧层物质，在平流层低温条件下形成的冰晶云（PSCs）或液态硫酸气溶胶表面，会通过光化学反应大量消耗臭氧。而为光化学反应提供活动界面的平流层冰晶云或液态硫酸气溶胶，只有在温度低于-78℃时才出现。

因此，形成臭氧洞要满足2个必要条件：大气中存在有人类活动排放的氟利昂和溴化烃等消耗臭氧层物质（人为因素），是春季南极臭氧洞形成的一个必要条件；而春季南极平流层极涡中较长时间的低温（自然因素），则是南极春季臭氧洞形成的又一必要条件。只有同时满足这2个条件，在平流层极涡中低温（温度低于-78℃）条件下形成的冰晶云或液态硫酸气溶胶表面，吸附了大气污染物质，才能在太阳光照耀下，激发氯和溴的活性，通过光化学反应大量消耗臭氧，在南极春季形成臭氧洞。也就是，只有这2个必要条件合起来，才是形成臭氧洞的充分必要条件。

在南极，冬季平流层极涡的温度很低，通常在极夜结束后的春季，低温尚能维持一段时间，有利于臭氧洞的形成，也正是由于平流层温度、极涡强度和位置的变化，造成了南极春季臭氧洞的异常偏小和各年南极臭氧洞强度和范围的变化（图5）。值得注意的是，除2019年异常偏小外，2002和1988年也现显著偏小，这都与南极大气环流和平流层极涡变化所导致的春季平流层异常增温有关；南极臭氧洞偏大的年份（如2006年等），则无一不是春季平流层极涡偏强、温度偏低（图6）。

北极更加接近人类活动的地区，北极大气中污染物的浓度也比较高，与南半球相比污染更为严重；但南北半球海陆分布差异等，对气候和大气环流也有很大影响。无论冬、春，北极平流层极涡中温度都比南极高，特别进入春季以后北极极涡很快崩溃、温度升高。春季，当极夜后太阳光再次照耀北极地区时，平流层极涡中的温度大都在-78℃以上，很难满足形成平流层冰晶云的必要条件，加之，在春季，北极地区臭氧总量通常为400-500 DU的高值区，故2019年以前，北极春季没有出现过臭氧洞。

在1997年、2011年和2020年春季，北半球春季平流层极涡中温度异常偏低（图7），大气臭氧的化学亏损严重，都出现了闭合的低值区，只是1997年和2011年最低值未低于220 DU，尚未达到出现臭氧洞的标准。而2020年由于北极地区大气环流异常，春季平流层极涡中温度持续偏低，平流层冰晶云面积也创新高，臭氧的化学损耗更大，低值低于220DU达标了，故而首次出现了臭氧洞（图8）。

在目前大气环境被污染的情况下，南极臭氧洞的变化和北极臭氧洞是否出现等，取决于南北两极春季平流层极涡及其低温状态的变化。2020年春,首个北极臭氧洞出现与春季平流层极涡的持续低温有关，是由大气环流等自然因素引起的，并无环境指示意义。

到目前为止仅仅是每年在南极上空春季出现臭氧洞；2019年前,在北极并没有出现过臭氧洞（图9）；只是2020年,北极春季平流层极涡中温度持续偏低，首次出现了北极臭氧洞。青藏高原上空，夏季出现的臭氧低谷与高原上空上升气流的动力交换有关，且减少的数值小，远比不上南极的减少，根本不能称之为臭氧洞。

四、结语

无论是国外的极地大气科学考察与研究，还是我国的极地大气科学考察与研究，从一开始都是在全球变化的框架内进行的。在卫星遥感技术飞速发展的现代，南北极地区的实地气象观测仍是不可取代的。极地气象观测站网和大气科学考察仍将为监测和研究极地天气气候变化及其对全球变化的影响作出重要贡献。

在南北极地区，进一步加强国际合作，继续监测包括近地面温度在内的大气要素的变化，提高极地气象业务水平，拓展极地气象业务和大气科学考察研究领域，积极获取气候代用资料，进一步量化和认识极地在全球变化中的作用及其对我国天气气候和国民经济可持续发展的影响，建立起完善的极地大气科学研究体系，提高极地大气科学研究水平，仍将是我国极地气象与全球变化研究的重要内容之一。

南极、北极是我们地球家园最神奇和美丽的地方，对人类十分重要，极地的气候已发生了变化，特别是南北极地区气候变化的时空多样性很难用单一的人类活动影响来解释，有大量的科学之谜需要科学家去探索，也期待年轻人投身这一事业。南北极在召唤你。

（作者系中国气象科学研究院研究员）