论文部分内容阅读
雪冰中有机碳(Organic carbon，OC)、黑碳（Black carbon,BC）和矿物粉尘(Mineral dust，MD)是主要的三种吸光性杂质(Light-absorbing impurities，LAIs)。从大气中通过干、湿沉降到雪冰表面后，能够降低雪冰表面反照率，吸收太阳辐射，引起正辐射强迫（Radiation forcing，RF），从而加速雪冰的消融。雪冰中吸光性杂质的存在以及其在雪冰中的作用，将改变区域能量收支平衡，对区域和全球气候系统带来反馈，同时影响区域水资源的时空分布。青藏高原蕴藏着除南、北极之外体积最大的冰川，哺育了亚洲十多条河流，这些河流养育着世界50％-60％的人口。然而，近几十年来青藏高原冰川正经历着大范围的消融和退缩，且退缩幅度呈逐渐加剧的趋势。青藏高原毗邻中亚干旱半干旱区矿物粉尘源地和东亚、南亚两个全球最大的大气污染物排放区，因而极易受到上述地区经大气环流传输而来的有机碳、黑碳和矿物粉尘等的影响。吸光性杂质的存在被认为是加速青藏高原冰川消融的潜在因子之一。 广袤的青藏高原，不同区域雪冰中吸光性杂质沉降量存在着巨大差别，对冰川消融的影响程度和强度也明显不同，尤其在消融期吸光性杂质的含量差异极大。迄今为止，雪冰中吸光性杂质的研究主要集中在冰芯和冰川积累区零星的表层雪样品中，且多主要集中于黑碳的研究，缺乏对其他吸光性杂质的分析（如有机碳、矿物粉尘等），在整个冰川上（特别是消融区）吸光性杂质的沉积后过程、对反照率、辐射强迫和冰川消融的定量评估等缺少系统和长时间地观测和研究。基于此，本文选取了位于青藏高原中部唐古拉山小冬克玛底冰川和南部念青唐古拉山扎当冰川开展监测研究，分别于2014年8-9月和2015年5-10月对冰川表面不同消融状态下的雪冰样品和雪坑剖面样品进行了采集，并观测了雪冰表面的反照率和其他物理参数（雪深、粒径/晶体大小、密度等），以及太阳辐射特征等。综合雪冰样品的实验室分析测试，对冰川表面雪冰中吸光性杂质的含量及其变化特征进行了分析，并利用SNICAR模型(SNow ICe and Aerosol Radiative model)的敏感性分析评估了雪冰中吸光性杂质对反照率、辐射强迫和冰川消融的影响。另外，利用FINN v1.5全球火点排放清单，结合HYSPLIT模型（HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory）和欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)的后向轨迹分析，对小冬克玛底冰川和扎当冰川黑碳的潜在来源进行了探讨，评估了火点排放的黑碳在冰川区沉降的贡献率。主要结论如下: (1)小冬克玛底冰川和扎当冰川表层雪冰中吸光性杂质的时空变化比较显著，浓度范围较大，有机碳、黑碳和矿物粉尘具有相同的变化趋势，但量级差异较大。小冬克玛底冰川和扎当冰川表层老雪中有机碳和黑碳的含量大于新雪中的含量但不到1个数量级，矿物粉尘含量则大1个数量级，而表层粒状冰中有机碳和黑碳的含量较新雪中的含量大1个数量级，矿物粉尘的含量则大2个数量级。雪坑剖面中，受干、湿沉降和淋溶作用的影响，吸光性杂质浓度的极大值通常出现在污化层和经历了强烈富集的雪层，极小值通常出现在表层新雪或经历了强烈淋溶的雪层中。 (2)小冬克玛底冰川和扎当冰川表层雪中吸光性杂质的浓度与冰川海拔存在明显的负相关关系，随着海拔升高，冰川表层雪的覆盖范围由消融区向积累区逐渐扩大，而粒状冰的范围逐渐减小。小冬克玛底冰川和扎当冰川吸光性杂质的浓度小于天山和祁连山的冰川，但较喜马拉雅山地区冰川的吸光性杂质浓度大。吸光性杂质在青藏高原及其周边的分布差异较大，浓度大致由北向南、由西向东逐渐递减。吸光性杂质的空间差异，与采样冰川和排放源（人类活动）的远近、在冰川上的位置、沉积后过程等密切相关。 (3)扎当冰川雪坑剖面中可溶性离子示踪分析表明，有机碳和黑碳主要与矿物粉尘气溶胶相混合，并随之沉降于冰川表面。除干旱半干旱区长距离远源输送的矿物粉尘以外，冰川区基岩或土壤产生的粉尘颗粒可能是雪坑剖面中矿物粉尘的主要来源。HYSPLIT模型在小冬克玛底冰川和扎当冰川模拟的后向气团轨迹表明，到达冰川的气团主要来源于南亚地区和中国西北地区，以及西风带的远源传输和蒙古国境内。结合FINN v1.5全球火点排放清单可知，火点排放的黑碳(Open burning)在小克玛底冰川沉降的贡献率约为15％，在扎当冰川沉降的贡献率约为20％。 (4)小冬克玛底冰川和扎当冰川表层雪冰中矿物粉尘对反照率降低的贡献率分别为25％±14％和13％±3％，其产生的辐射强迫分别为21.23±22.08W m-2和11.94±3.82Wm-2，而黑碳对反照率的贡献率分别为52％±19％和46％±2％，对应的辐射强迫分别为42.74±40.96Wm-2和45.94±15.77Wm-2。冰川消融强度的情景（高值、中值和低值情景）分析表明，在中值情景尺度下，黑碳和矿物粉尘共同存在时小冬克玛底冰川和扎当冰川的消融量分别增加了118±45mmw.e.和412±288mm w.e.，其对冰川总消融量的贡献率分别为12％±5％和22％±15％。表层老雪中黑碳和矿物粉尘对消融量的贡献最大，粒状冰次之，新雪中黑碳和矿物粉尘对消融量贡献最小。在不同情景、不同消融状态下，黑碳对反照率、辐射强迫和消融量的贡献都较矿物粉尘大，表明黑碳是影响冰川消融的主要因素，减少人为源黑碳的排放将对减缓青藏高原冰川消融具有重要作用。