青藏高原冰川表面雪冰黑碳含量时空演化特征及其对雪冰反照率的影响

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雪的反照率是冰冻圈的敏感因子。新雪在变质、融化的过程中,反照率逐步降低,雪冰净辐射增强,雪的能量平衡和雪冰融化过程相应发生改变,进而可能激发一系列的反馈作用,影响局地、区域、甚至全球能量平衡和气候变化。黑碳沉降到雪冰上,雪冰反照率降低,雪冰吸收太阳辐射能力增强,雪冰加速变质和融化,并通过一系列的正反馈不断增强。青藏高原的大部分冰川近几十年来正在经历快速融化和退缩的过程,除温室气体引起的全球变暖外,黑碳被认为是重要原因之一。大气气溶胶中的黑碳直接加热3-5km asl大气层,及黑碳沉降到雪冰,降低雪冰反照率是黑碳影响冰川融化的两种机制。青藏高原雪冰黑碳研究目前主要集中在冰芯和表雪黑碳含量分析,及采用卫星数据和模型分析雪冰黑碳可能对雪冰反照率及冰川融化的影响;但缺乏实地系统高时空分辨率观测和分析雪冰黑碳含量的演化特征及其对雪冰反照率、雪冰能量平衡和雪冰融化的影响。  本研究选取位于青藏高原东南和最西端拥有不同降水、气温和融化模式的典型海洋型冰川格求弄巴冰川和典型大陆型冰川木吉冰川,分别在2010年和2012年7月至10月的融化季节收集冰川表雪和雪坑剖面样品,实地测量雪密度、雪粒径、雪层厚度、雪反照率及降水和冰川物质平衡,实验室测量雪冰黑碳含量、雪冰粉尘含量;分析雪冰黑碳含量在冰川融化季节的时空演化特征,并借助SNICAR模型模拟雪冰黑碳对雪冰反照率的影响和雪冰黑碳辐射强迫。由此研究,科研人员可以从整体上把握青藏高原不同类型冰川雪冰黑碳含量演化及其对冰川反照率影响的基本规律;研究结果可以运用到其它同类型冰川的研究。研究得到如下结论:  (1)雪冰黑碳随着雪冰变质融化在表雪富集,在消融季节逐步增强,富集主要发生在消融鼎盛期。雪冰黑碳含量总体上有从冰川末端至冰川顶部逐步减小的趋势;但海洋型冰川黑碳富集主要发生在冰川积雪场海拔较低处,其它地方富集较弱;大陆型冰川黑碳富集主要发生在冰川中部,冰川末端和冰川顶部富集较弱。大陆型冰川雪冰黑碳富集程度强于海洋型冰川。大陆型冰川较弱的融水强度有利于雪冰黑碳在表雪富集。雪冰黑碳含量的时空变化主要是由于雪冰变质融化的程度差异导致。当雪冰融水强度较小时,雪冰黑碳更易于在表雪富集,表雪黑碳含量升高;而雪冰融化强度较大时,雪冰黑碳更趋向于被融水迁移清除,表雪黑碳含量降低。木吉冰川雪冰融水对黑碳的平均清除效率为0.1。当雪冰融化速率介于1.6-3cm w.e./day时,表雪黑碳富集,含量升高;当速率小于1.6cm w.e./day时,表雪黑碳富集不明显,含量没有明显变化;而当速率大于3cmw.e./day时,表雪黑碳被融水迁移清除,含量降低。  (2)海洋型冰川格求弄巴在消融初期,雪冰反照率较大;之后随着雪的变质融化,雪冰反照率逐步降低,在消融鼎盛期降至最低;消融末期,气温降低,新雪降落,雪冰反照率升高至新雪水平。格求弄巴冰川反照率随海拔升高而增加。冰川下部反照率在消融期的减小明显,而冰川顶部反照率波动不大。大陆型冰川木吉冰川消融鼎盛期至消融末期,雪冰反照率升高,消融鼎盛期内,雪冰反照率随着海拔的升高而增加。雪冰的变质融化改变着雪冰的含水量、粒径及雪冰杂质在雪层中的重新分布和含量,决定着雪冰反照率的演化。典型海洋型冰川格求弄巴冰川和典型大陆型冰川木吉冰川所处的地理位置不同,冰川类型不一样,两冰川相同海拔处气温、降水、太阳辐射等存在差异,雪冰变质融化的程度也相应存在差异;因而两冰川在融化季节雪冰反照率的演化过程明显不同:木吉冰川雪冰变质融化过程较格求弄巴冰川起始时间晚,且变质融化速率较慢;木吉冰川雪冰反照率由新雪水平逐步降低的起始时间较格求弄巴冰川晚,且降低的速率较慢。  (3) SNICAR模拟结果能初步反映青藏高原不同地域不同类型冰川雪冰黑碳对雪冰反照率的影响。在消融初期较为干净的积雪里,雪冰黑碳降低的雪冰反照率和雪冰黑碳辐射强迫较小;在消融鼎盛期雪冰黑碳含量不断升高,雪冰粒径不断增大,雪冰黑碳降低的雪冰反照率和雪冰黑碳辐射强迫不断增加到最大值;而在消融末期冰川被新雪覆盖,表雪黑碳含量较小,粒径较小,之前的老雪被新雪掩埋,对雪冰反照率和雪冰能量平衡的贡献可以忽略不计,雪冰黑碳降低的雪冰反照率和雪冰黑碳辐射强迫较小,达到新雪水平。黑碳降低的雪冰反照率和雪冰黑碳辐射强迫的时空演化与黑碳含量时空演化相关,但并非完全的线性关系;反映雪粒径、有机碳、粉尘和太阳辐射等因素的影响。雪冰黑碳降低的雪冰反照率海洋型冰川小于大陆型冰川;但由于地理位置的差异,海洋型冰川格求弄巴处的太阳辐射应该强于木吉冰川的太阳辐射;雪冰黑碳辐射强迫海洋型冰川大于大陆型冰川。雪冰黑碳在冰川消融季节必将对雪冰融化和冰川物质平衡产生重要影响。
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