冰芯與全球氣候

冰芯與全球氣候環(huán)境研究2021/6/271CONTANTS1冰芯的簡(jiǎn)介2冰芯中可獲取的氣候-環(huán)境信息3經(jīng)典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖氣候變化中的應(yīng)用2021/6/272冰芯的簡(jiǎn)介12021/6/2731冰芯的簡(jiǎn)介1.1冰芯和冰芯記錄冰芯是在冰蓋上鉆孔獲得的連續(xù)冰層。在大氣中的物質(zhì)會(huì)隨大氣環(huán)流而抵達(dá)冰川上空，并沉降在冰雪表面，最終形成冰芯記錄。冰蓋和冰帽是研究古氣候和古環(huán)境變化最可靠的天然檔案館之一，從冰川上的適當(dāng)部位鉆取冰芯加以分析，是目前重建高分辨率古氣候、古環(huán)境的重要手段。2021/6/2741冰芯的簡(jiǎn)介1.1冰芯和冰芯記錄冰芯與其他可提取過(guò)去氣候環(huán)境變化信息的介質(zhì)如歷史記錄、樹(shù)木年輪、湖泊沉積、珊瑚沉積、黃土、深海巖芯、孢粉、古土壤和沉積巖等相比，具有保真性好(低溫環(huán)境)、分辨率高(可達(dá)到年)、記錄序列長(zhǎng)(可達(dá)幾十萬(wàn)年)和信息量大的優(yōu)點(diǎn)，從而成為地球科學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)。所有在大氣中循環(huán)的物質(zhì)都會(huì)隨大氣環(huán)流而輸送到冰川上空，并沉降在冰雪表面，最終形成冰芯記錄的重要組成，冰芯記錄的每一個(gè)參數(shù)都至少載有一個(gè)地球系統(tǒng)變化過(guò)程的信息。從冰芯中，科學(xué)家可以提取物理、化學(xué)、生物等信息，而這些信息可以真實(shí)再現(xiàn)成冰時(shí)的環(huán)境特征。2021/6/2751冰芯的簡(jiǎn)介1.2冰芯的獲取2021/6/276冰芯中可獲取的氣候-環(huán)境信息22021/6/2772冰芯中可獲取的氣候-環(huán)境信息2.1冰芯研究可獲取的氣候-環(huán)境信息目前人們可以從冰芯中提取的過(guò)去主要?dú)夂?環(huán)境信息包括：氣溫、降水、大氣成分及其含量變化、大氣氣溶膠、生物地球化學(xué)循環(huán)、火山活動(dòng)、宇宙射線強(qiáng)度、太陽(yáng)活動(dòng)和地磁場(chǎng)強(qiáng)度、超新星爆炸、生物活動(dòng)與植被演化等。

2021/6/2782冰芯中可獲取的氣候-環(huán)境信息2.2代用指標(biāo)與氣候-環(huán)境要素冰芯是古氣候研究中的一種重要信息載體，但其本身并不直接反映氣候環(huán)境，而首先要通過(guò)對(duì)冰芯中隱含的各類代用指標(biāo)的破譯，與過(guò)去的氣候環(huán)境要素變化建立起聯(lián)系。

冰芯記錄中包含的氣候環(huán)境變化指標(biāo)2021/6/2792冰芯中可獲取的氣候環(huán)境信息2.2代用指標(biāo)與氣候-環(huán)境要素冰芯中記錄的δ18O可以反映溫度變化，冰雪累積量可以作為降水指標(biāo);塵埃含量、化學(xué)元素等，可以反映當(dāng)時(shí)的大氣環(huán)境等。目前常用的代用指標(biāo)，以及與之相關(guān)的氣候和環(huán)境要素，主要有以下幾類：氧同位素與溫度冰芯積累量與降水大氣氣溶膠與古環(huán)境微量元素與環(huán)境變化冰芯包裹體與古環(huán)境……

2021/6/27102冰芯中可獲取的氣候環(huán)境信息2.2代用指標(biāo)與氣候-環(huán)境要素2.2.1氧同位素與溫度

在對(duì)南北極冰芯的研究中，氧同位素長(zhǎng)期被用來(lái)作為溫度變化的替代指標(biāo);經(jīng)過(guò)對(duì)青藏高原地區(qū)冰芯的研究，學(xué)者普遍認(rèn)為這一關(guān)系在中低緯度的青藏高原也同樣成立。大氣中的水汽從根本上說(shuō)來(lái)自于海洋。而當(dāng)水汽從海面上蒸發(fā)時(shí)，重分子水不易蒸發(fā)，因而造成海洋上空水汽中的重分子含量相對(duì)于海洋水為少，其減少量與溫度有關(guān)。當(dāng)大洋上空水汽隨氣流向內(nèi)陸上空移動(dòng)并產(chǎn)生降水時(shí)，重分子水先凝結(jié)，因而越向內(nèi)陸地區(qū)，大氣降水中的氫、氧同位素比率逐漸降低。在中低緯度沿海地區(qū)，降水中的氫、氧同位素比率主要與降水量有關(guān)。在極地及大陸內(nèi)部地區(qū)某一具體地點(diǎn)，一般來(lái)說(shuō)不同季節(jié)、不同時(shí)期降水中氫、氧同位素比率的大小變化，主要與降水時(shí)的氣溫密切相關(guān)。

2021/6/27112冰芯中可獲取的氣候環(huán)境信息2.2代用指標(biāo)與氣候-環(huán)境要素2.2.2冰芯積累量與降水

冰芯研究中，作為降水指標(biāo)的是冰川凈積累速率。該信息的提取范圍主要限于冰芯上部可以進(jìn)行年層劃分的時(shí)段。極地地區(qū)凈積累速率記錄可達(dá)14500多年。冰芯中年層的劃分主要依據(jù)氧同位素比率、化學(xué)成份、微粒等的季節(jié)變化特征來(lái)確定。同時(shí)，還要依據(jù)冰體的流變性質(zhì)，對(duì)所取得的不同深度的年層厚度加以恢復(fù)，以獲得其在冰面時(shí)的凈積累速率。

2021/6/27122冰芯中可獲取的氣候環(huán)境信息2.2代用指標(biāo)與氣候-環(huán)境要素2.2.3大氣氣溶膠與古環(huán)境

大氣氣溶膠通過(guò)干、濕兩種沉積機(jī)制沉積在冰川表面，隨著時(shí)間的推移，便記錄在冰層之內(nèi)。冰川(冰蓋)的低溫環(huán)境，為環(huán)境信息貯存創(chuàng)造了良好條件，因此氣溶膠在沉積之后的次生變化極為微弱。通過(guò)分析測(cè)試冰芯中的化學(xué)成份及微粒含量，不但可以揭示過(guò)去大氣氣溶膠的變化歷史，還可以反映地球沙漠演化及大氣環(huán)流強(qiáng)度的變化。

2021/6/2713經(jīng)典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖氣候變化中的應(yīng)用32021/6/27143經(jīng)典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖氣候變化中的應(yīng)用3.1資料與方法前文已經(jīng)提到，氧同位素長(zhǎng)期被用來(lái)作為溫度變化的替代指標(biāo)，利用青藏高原北部的古里雅冰芯、唐古拉冰芯和南部的達(dá)索普冰芯、寧金崗桑冰芯記錄，結(jié)合青藏高原西北緣的吉爾吉斯斯坦的Naryn氣象站和北半球氣象記錄，進(jìn)行對(duì)比研究，探討過(guò)去百年來(lái)青藏高原冷暖變化的特征。2021/6/27153經(jīng)典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖氣候變化中的應(yīng)用3.1資料與方法冰芯中δ18O記錄恢復(fù)溫度變化的主要依據(jù)是，降水中的δ18O是降水時(shí)水汽凝結(jié)高度氣溫的函數(shù)。由于水汽凝結(jié)高度氣溫與近地面氣溫有密切關(guān)系，因此，降水中的δ18O也就成為研究地面氣溫變化的指標(biāo)。已有研究表明，極地冰芯和中低緯度山地冰芯中的δ18O都與當(dāng)?shù)貧鉁卮嬖谡嚓P(guān)關(guān)系，近年來(lái)青藏高原降水中δ18O的研究也進(jìn)一步證實(shí)了這種關(guān)系。2021/6/2716青藏高原古里雅冰芯、唐古拉冰芯、達(dá)索普冰芯和寧金崗桑冰芯以及Naryn氣象站分布2021/6/27173經(jīng)典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖氣候變化中的應(yīng)用3.1資料與方法以青藏高原上古里雅、唐古拉、達(dá)索普和寧金崗桑4根冰芯為研究對(duì)象，以δ18O年平均值作為溫度指標(biāo)，建立1900一2000年的溫度變化序列。2021/6/27183經(jīng)典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖氣候變化中的應(yīng)用3.2結(jié)果分析3.2.1反映青藏高原過(guò)去百年來(lái)溫度變化的冰芯δ18O記錄古里雅冰芯和唐古拉冰芯過(guò)去100a來(lái)的δ18O平均值為-13.80

‰和-13.05

‰;南部達(dá)索普冰芯和寧金崗桑冰芯過(guò)去100a來(lái)的δ18O平均值為-18.23

‰和-17.2

‰。北部?jī)筛具^(guò)去100a來(lái)的δ18O平均值十分接近，相差極小，南部?jī)筛具^(guò)去100a來(lái)δ18O平均值也比較接近，這和青藏高原北部主要受西風(fēng)環(huán)流影響、南部主要受印度季風(fēng)影響密切相關(guān)。從年際變化看，很難找出兩個(gè)完全相同的記錄，說(shuō)明不同地區(qū)短期氣候變化差異較大，這也正是現(xiàn)代氣象臺(tái)站記錄的基本特征，氣候變化在不同地區(qū)也有差異。2021/6/27193經(jīng)典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖氣候變化中的應(yīng)用3.2結(jié)果分析3.2.1反映青藏高原過(guò)去百年來(lái)溫度變化的冰芯δ18O記錄按線性趨勢(shì)計(jì)算，古里雅、唐古拉和達(dá)索普3根冰芯的δ18O記錄在過(guò)去100a來(lái)分別增加了3.1‰,2.4‰和1.2‰，而寧金崗桑冰芯則降低了-0.98‰。除了寧金崗桑冰芯變暖趨勢(shì)不明顯外，不管是北部的古里雅冰芯和唐古拉冰芯，還是南部的達(dá)索普冰芯，都反映出有總體變暖的特征，同時(shí)也都反映出1910年左右發(fā)生的過(guò)去100a來(lái)最強(qiáng)烈的變冷。1990年代的快速增暖趨勢(shì)在所有冰芯記錄中也十分明顯。其他冷暖事件在不同的記錄中存在差異，需要進(jìn)一步的分析確認(rèn)。2021/6/27203經(jīng)典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖氣候變化中的應(yīng)用3.2結(jié)果分析3.2.2冰芯δ18O記錄與氣象資料的對(duì)比2021/6/27213經(jīng)典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖氣候變化中的應(yīng)用3.2結(jié)果分析3.2.2冰芯δ18O記錄與氣象資料的對(duì)比

從上圖可以看出，Naryn站與北半球都顯示了明顯的變暖趨勢(shì)，Naryn站和北半球近100a氣溫變化具有很高的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.39。其中，在北半球1910年左右、1920年左右、1950年代的變冷和1970年左右的短期變冷或變冷暫時(shí)終止等特征在Naryn站記錄中也都十分明顯。這與冰芯δ18O記錄所顯示的結(jié)果基本一致。2021/6/27223經(jīng)典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖氣候變化中的應(yīng)用3.3結(jié)論綜上所述，青藏高原冰芯δ18O記錄和氣象觀測(cè)資料記錄反映青藏高原在過(guò)去百年來(lái)氣候變化具有如下特征:(1)青藏高原冰芯δ18O記錄和氣象觀測(cè)資料都反映了整個(gè)青藏高原的氣候在過(guò)去100a來(lái)表現(xiàn)出明顯的變暖趨勢(shì)，與北半球近百年氣候變化趨勢(shì)相似。(2)青藏高原冰芯δ18O記錄和氣象觀測(cè)資料都表明，