冰芯与全球气候

冰芯与全球气候环境研究2021/6/271CONTANTS1冰芯的简介2冰芯中可获取的气候-环境信息3经典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖气候变化中的应用2021/6/272冰芯的简介12021/6/2731冰芯的简介1.1冰芯和冰芯记录冰芯是在冰盖上钻孔获得的连续冰层。在大气中的物质会随大气环流而抵达冰川上空，并沉降在冰雪表面，最终形成冰芯记录。冰盖和冰帽是研究古气候和古环境变化最可靠的天然档案馆之一，从冰川上的适当部位钻取冰芯加以分析，是目前重建高分辨率古气候、古环境的重要手段。2021/6/2741冰芯的简介1.1冰芯和冰芯记录冰芯与其他可提取过去气候环境变化信息的介质如历史记录、树木年轮、湖泊沉积、珊瑚沉积、黄土、深海岩芯、孢粉、古土壤和沉积岩等相比，具有保真性好(低温环境)、分辨率高(可达到年)、记录序列长(可达几十万年)和信息量大的优点，从而成为地球科学家们关注的焦点。所有在大气中循环的物质都会随大气环流而输送到冰川上空，并沉降在冰雪表面，最终形成冰芯记录的重要组成，冰芯记录的每一个参数都至少载有一个地球系统变化过程的信息。从冰芯中，科学家可以提取物理、化学、生物等信息，而这些信息可以真实再现成冰时的环境特征。2021/6/2751冰芯的简介1.2冰芯的获取2021/6/276冰芯中可获取的气候-环境信息22021/6/2772冰芯中可获取的气候-环境信息2.1冰芯研究可获取的气候-环境信息目前人们可以从冰芯中提取的过去主要气候-环境信息包括：气温、降水、大气成分及其含量变化、大气气溶胶、生物地球化学循环、火山活动、宇宙射线强度、太阳活动和地磁场强度、超新星爆炸、生物活动与植被演化等。

2021/6/2782冰芯中可获取的气候-环境信息2.2代用指标与气候-环境要素冰芯是古气候研究中的一种重要信息载体，但其本身并不直接反映气候环境，而首先要通过对冰芯中隐含的各类代用指标的破译，与过去的气候环境要素变化建立起联系。

冰芯记录中包含的气候环境变化指标2021/6/2792冰芯中可获取的气候环境信息2.2代用指标与气候-环境要素冰芯中记录的δ18O可以反映温度变化，冰雪累积量可以作为降水指标;尘埃含量、化学元素等，可以反映当时的大气环境等。目前常用的代用指标，以及与之相关的气候和环境要素，主要有以下几类：氧同位素与温度冰芯积累量与降水大气气溶胶与古环境微量元素与环境变化冰芯包裹体与古环境……

2021/6/27102冰芯中可获取的气候环境信息2.2代用指标与气候-环境要素2.2.1氧同位素与温度

在对南北极冰芯的研究中，氧同位素长期被用来作为温度变化的替代指标;经过对青藏高原地区冰芯的研究，学者普遍认为这一关系在中低纬度的青藏高原也同样成立。大气中的水汽从根本上说来自于海洋。而当水汽从海面上蒸发时，重分子水不易蒸发，因而造成海洋上空水汽中的重分子含量相对于海洋水为少，其减少量与温度有关。当大洋上空水汽随气流向内陆上空移动并产生降水时，重分子水先凝结，因而越向内陆地区，大气降水中的氢、氧同位素比率逐渐降低。在中低纬度沿海地区，降水中的氢、氧同位素比率主要与降水量有关。在极地及大陆内部地区某一具体地点，一般来说不同季节、不同时期降水中氢、氧同位素比率的大小变化，主要与降水时的气温密切相关。

2021/6/27112冰芯中可获取的气候环境信息2.2代用指标与气候-环境要素2.2.2冰芯积累量与降水

冰芯研究中，作为降水指标的是冰川净积累速率。该信息的提取范围主要限于冰芯上部可以进行年层划分的时段。极地地区净积累速率记录可达14500多年。冰芯中年层的划分主要依据氧同位素比率、化学成份、微粒等的季节变化特征来确定。同时，还要依据冰体的流变性质，对所取得的不同深度的年层厚度加以恢复，以获得其在冰面时的净积累速率。

2021/6/27122冰芯中可获取的气候环境信息2.2代用指标与气候-环境要素2.2.3大气气溶胶与古环境

大气气溶胶通过干、湿两种沉积机制沉积在冰川表面，随着时间的推移，便记录在冰层之内。冰川(冰盖)的低温环境，为环境信息贮存创造了良好条件，因此气溶胶在沉积之后的次生变化极为微弱。通过分析测试冰芯中的化学成份及微粒含量，不但可以揭示过去大气气溶胶的变化历史，还可以反映地球沙漠演化及大气环流强度的变化。

2021/6/2713经典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖气候变化中的应用32021/6/27143经典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖气候变化中的应用3.1资料与方法前文已经提到，氧同位素长期被用来作为温度变化的替代指标，利用青藏高原北部的古里雅冰芯、唐古拉冰芯和南部的达索普冰芯、宁金岗桑冰芯记录，结合青藏高原西北缘的吉尔吉斯斯坦的Naryn气象站和北半球气象记录，进行对比研究，探讨过去百年来青藏高原冷暖变化的特征。2021/6/27153经典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖气候变化中的应用3.1资料与方法冰芯中δ18O记录恢复温度变化的主要依据是，降水中的δ18O是降水时水汽凝结高度气温的函数。由于水汽凝结高度气温与近地面气温有密切关系，因此，降水中的δ18O也就成为研究地面气温变化的指标。已有研究表明，极地冰芯和中低纬度山地冰芯中的δ18O都与当地气温存在正相关关系，近年来青藏高原降水中δ18O的研究也进一步证实了这种关系。2021/6/2716青藏高原古里雅冰芯、唐古拉冰芯、达索普冰芯和宁金岗桑冰芯以及Naryn气象站分布2021/6/27173经典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖气候变化中的应用3.1资料与方法以青藏高原上古里雅、唐古拉、达索普和宁金岗桑4根冰芯为研究对象，以δ18O年平均值作为温度指标，建立1900一2000年的温度变化序列。2021/6/27183经典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖气候变化中的应用3.2结果分析3.2.1反映青藏高原过去百年来温度变化的冰芯δ18O记录古里雅冰芯和唐古拉冰芯过去100a来的δ18O平均值为-13.80

‰和-13.05

‰;南部达索普冰芯和宁金岗桑冰芯过去100a来的δ18O平均值为-18.23

‰和-17.2

‰。北部两根冰芯过去100a来的δ18O平均值十分接近，相差极小，南部两根冰芯过去100a来δ18O平均值也比较接近，这和青藏高原北部主要受西风环流影响、南部主要受印度季风影响密切相关。从年际变化看，很难找出两个完全相同的记录，说明不同地区短期气候变化差异较大，这也正是现代气象台站记录的基本特征，气候变化在不同地区也有差异。2021/6/27193经典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖气候变化中的应用3.2结果分析3.2.1反映青藏高原过去百年来温度变化的冰芯δ18O记录按线性趋势计算，古里雅、唐古拉和达索普3根冰芯的δ18O记录在过去100a来分别增加了3.1‰,2.4‰和1.2‰，而宁金岗桑冰芯则降低了-0.98‰。除了宁金岗桑冰芯变暖趋势不明显外，不管是北部的古里雅冰芯和唐古拉冰芯，还是南部的达索普冰芯，都反映出有总体变暖的特征，同时也都反映出1910年左右发生的过去100a来最强烈的变冷。1990年代的快速增暖趋势在所有冰芯记录中也十分明显。其他冷暖事件在不同的记录中存在差异，需要进一步的分析确认。2021/6/27203经典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖气候变化中的应用3.2结果分析3.2.2冰芯δ18O记录与气象资料的对比2021/6/27213经典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖气候变化中的应用3.2结果分析3.2.2冰芯δ18O记录与气象资料的对比

从上图可以看出，Naryn站与北半球都显示了明显的变暖趋势，Naryn站和北半球近100a气温变化具有很高的相关性，其相关系数达到0.39。其中，在北半球1910年左右、1920年左右、1950年代的变冷和1970年左右的短期变冷或变冷暂时终止等特征在Naryn站记录中也都十分明显。这与冰芯δ18O记录所显示的结果基本一致。2021/6/27223经典案例—冰芯在研究青藏高原冷暖气候变化中的应用3.3结论综上所述，青藏高原冰芯δ18O记录和气象观测资料记录反映青藏高原在过去百年来气候变化具有如下特征:(1)青藏高原冰芯δ18O记录和气象观测资料都反映了整个青藏高原的气候在过去100a来表现出明显的变暖趋势，与北半球近百年气候变化趋势相似。(2)青藏高原冰芯δ18O记录和气象观测资料都表明，