三极地区雪冰中黑碳研究进展

黑碳被认为是除温室气体外对气候变暖贡献最大的辐射强迫因子。三极（北极、南极和青藏高原）地区是全球雪冰分布最集中的区域,沉积至雪冰中的黑碳可反映人类活动的历史变化,并可能导致反照率降低而影响物质能量平衡。通过系统回顾三极地区雪冰黑碳的研究方法、空间分布、时间变化及其造成的辐射强迫,得到的研究结果表明： 由于处于不同的地理位置和环境条件,三极雪冰中黑碳的时空分布及其辐射强迫差异较大,其中青藏高原是浓度和辐射强迫影响最大的地区,也是对水资源和生态安全潜在影响最严重的区域。三极地区雪冰中保存着长时间序列的黑碳沉积记录,是研究自然变率、人类活动影响黑碳沉积历史（如北极与青藏高原冰芯中记录的工业革命以来黑碳沉积的快速上升）的良好介质,同样为模型预测未来变化提供了数据支持。三极地区是全球变化的指示器和放大器,在全球变暖不断加剧的背景下,黑碳必然会在未来的三极地区气候演变中扮演更为重要的角色。     

雪冰中生物有机酸研究的历史与现状

生物有机酸的研究有助于认识C、H、O等生源元素的生物地球化学循环 ,有助于认识大气酸雨的形成及其防治 .雪冰是记录大气中生物有机酸过去信息的良好载体 ,对其中生物有机酸记录的研究是认识过去大气中相应化合物的含量及其变化 ,认识有机酸的生物地球化学循环 ,进而恢复过去区域生态、环境乃至气候变化的有效途径 ,也是雪冰化学研究的前沿课题之一 .雪冰中常见的有机酸有甲酸、乙酸、丙酸、丙酮酸、草酸和羟基乙酸等 ,其中甲酸和乙酸是最主要的两种有机酸类 .过去十多年来 ,雪冰中生物有机酸的研究多集中在格陵兰地区 ,其次是南极 ,最近两年开始向中低纬度的山地冰川转移 .格陵兰冰芯中甲酸、乙酸的平均含量均不足 10ng·g-1,草酸含量则更低 .其有机酸主要来自北半球的森林大火和植物生长过程中的释放 ;南极洲雪冰中的甲酸平均含量不足 2ng·g-1,乙酸含量在 0 .15ng·g-1以下 ,它们主要源于不饱和有机物的大气氧化 ;格陵兰冰芯中MSA平均在 5ng·g-1以下 ,而南极洲的MSA平均不低于 7ng·g-1.它们的来源都与海洋浮游生物释放的不饱和有机物有关 .气候的变化影响两极地区生物有机酸的来源 ,进而影响冰芯中有机酸的记录 .我国天山乌鲁木齐河源 1号冰川为中纬度的山地冰川 ,其冰芯中的甲酸、乙酸分别是格陵     

现代冰川中的微粒研究与气候环境变化

现代冰川雪冰中的微粒是重建过去气候环境变化的一项重要替代性指标。根据前人对极地冰盖和山地冰川冰芯及雪坑样品中的微粒粒径、矿物特征和含量变化等研究成果,讨论了微粒粒径变化,微粒与火山活动、大气气溶胶的关系,以及冰芯测年、微粒来源等相关分析,认为微粒中的代表性矿物、火山玻璃、粗糙系数和粒径分布可作为确定微粒源区的指标;微粒含量的变化与大气环流、气温高低及干湿程度密切相关,微粒含量的高值对应冷干气候,反之为暖湿;大气环流加强时,微粒含量增加,反之减少。微粒研究还能获得如火山活动、人类影响等特殊事件的信息。     

雪冰中汞的研究进展

汞是具有特殊物理化学性质的重金属元素,其较强的挥发性使之能够参与全球尺度传输,汞的高毒性又能对人类和高等生物体产生极大危害,因而汞是一种全球性污染物,在近几十年来备受科学界的关注.汞的全球生物地球化学循环演化规律是目前环境科学领域的研究热点.冰冻圈是地球系统的关键组成部分之一,是各圈层相互作用的重要环节;而雪冰是冰冻圈的主体,是环境和气候记录的良好载体之一.对南极、北极和中低纬高海拔冰川现代雪冰和冰芯中汞的季节变化、空间差异以及历史变化的研究成果进行了综述,总结了北极和亚北极地区汞的雪/气界面过程研究,归纳了汞的实验室检测手段和方法.针对该领域目前研究上的空白和热点,分别对利用冰芯高分辨率和长时间序列记录重建工业革命以来汞的变化历史(特别在青藏高原)、中低纬冰川区汞的雪/气界面过程、雪冰中汞的同位素分析等进行了展望.     

黑碳在全球气候和环境系统中的作用及其在相关研究中的意义

燃烧形成的黑碳粒子进入大气中可影响辐射平衡,导致全球气候变暖,其沉降在河流、湖泊、海洋、土壤等环境中对全球生物地球化学循环起到重要的作用,成为当前国际地球科学研究的热点问题。综述了黑碳的定义及排放、沉降、降解过程,并总结了其在现在及过去环境和气候系统中的重要作用与研究意义。黑碳是全球惰性有机碳库的重要组成部分,在全球慢速碳循环中发挥潜在作用。因其具有很强的吸光特性,它在区域气候变暖过程中扮演重要角色。沉降在不同地质载体中的黑碳难以降解,可以保存几百万年,为地质历史时期古气候和古环境重建研究提供重要信息。海洋沉积物过去数百万年的黑碳记录指示了天然火的演化信息,晚第四纪黄土剖面黑碳也指示了天然火的变化信息,最近千年的湖泊和冰芯黑碳记录既反映了天然火的信息,也指示人类活动的信号。未来黑碳研究应进一步关注标准测量方法,以真正理解黑碳在全球气候与环境系统中的作用。     

冰芯中不溶微粒的研究进展

冰芯中的微粒是反映大气粉尘的直接指标,其研究内容包括浓度、通量、粒径和矿物组成等在不同时期的变化特征以及其对全球气候的影响.简要地介绍大气粉尘对全球气候的影响,总结了近年来冰芯中的微粒研究以及用于解释末次冰盛期时高粉尘的几个气候模型的主要进展,着重讨论利用微粒的同位素特征来确定其来源以及利用微粒记录进行定年的方法与结果.     

雪冰中生物质燃烧记录研究进展

生物质燃烧释放的大量温室气体和烟尘气溶胶能够显著改变大气化学组成、扰动大气环流和水文过程、影响地表辐射平衡,是地球气候和环境过程的主要影响因素之一。生物质燃烧产生的烟尘颗粒等能够随大气环流过程进行迁移输送,在重力作用下或随降水过程沉降到地球表面,成为沉积物地球化学的重要组成部分。雪冰中诸如黑碳、钾离子、左旋葡聚糖等特征标志物记录能够较好地反映区域乃全球尺度的生物质燃烧信息。利用雪冰开展生物质燃烧现代过程和历史记录的研究对系统认识地球气候环境演变过程具有重要意义。从雪冰中可用于开展生物质燃烧记录研究的特征指标、不同地区的研究现状以及生物质燃烧的影响因素等方面综述了近20年来国内外的主要研究成果。并对当前在青藏高原地区利用雪冰开展生物质燃烧记录研究存在的主要问题以及未来研究工作的重点进行了探讨。     

化学分析中雪冰样品采集和预处理应注意的问题

雪冰是重建过去时段甚至几十万年尺度气候环境状况的重要载体,其环境记录成为反演气候环境变化的重要依据。雪冰化学分析是实现这一目标的重要手段,其中雪冰样品的采集、运输及冰芯样品的提取和分割等过程是研究冰雪环境记录的关键环节。鉴于此,就上述过程的注意事项做了详细的阐述,并针对目前常规冰融系统中存在ICP-SMS样品颗粒溶解不完全、微量元素不精确等问题,引入了连续融解离散采样（CMDS）方法。     

单颗粒黑碳光度计在青藏高原雪冰样品分析中的应用

大气中的黑碳主要由化石燃料以及生物质燃料不完全燃烧产生, 经由传输以及沉降等过程, 可到达并沉积于偏远地区的雪冰表面。相对于洁净的雪表, 较暗的黑碳可吸收更多的太阳辐射, 导致雪表反照率降低, 加速冰雪消融, 进而对区域气候环境产生重要影响。青藏高原的环境脆弱而敏感, 是全球气候变化的驱动机与放大器。根据青藏高原山地冰川雪冰样品矿物杂质多、 浓度变化大的特点, 优化了雪冰单颗粒黑碳光度计（Single Particle Soot Photometer, SP2）分析方法, 制定了规范详细的实验步骤, 评估了样品储存和分样、 进样方式、 样品稀释等过程对测量结果的影响, 并用该方法对研究区域的季节积雪及雪坑样品进行检测。结果表明： 青藏高原雪冰中黑碳浓度在0.21~47.96 ng·mL^-1之间, 平均值6.69 ng·mL^-1。测样过程中连续测定胶体石墨标样, 校正后的回收率在75%以上。因此, 优化的SP2方法能够获得青藏高原雪冰中准确可靠的黑碳含量信息, 对利用雪冰介质重建黑碳的历史变化过程, 进而准确评估其对气候环境的影响程度, 具有重要意义。     

帕米尔东部慕士塔格冰芯Sb浓度变化记录揭示的近50 a来中亚区域人类活动

通过对青藏高原西部慕士塔格峰海拔7 010 m处提取的41.56 m 冰芯中Sb记录的研究, 揭示了1955-2000年期间与中国西部接壤的中亚有关国家区域人类活动. 结果表明: Sb的浓度在1～51 pg·g-1之间, 分别为加拿大北极雪冰中Sb浓度的5倍和格陵兰中部的12倍, 表明中亚区域大气中Sb的自然循环已经受到了人类活动的影响. Sb的浓度变化揭示了吉尔吉斯斯坦国Sb矿生产是慕士塔格冰芯中Sb的重要来源; 20世纪90年代Sb的浓度变化也揭示了塔吉克斯坦和哈萨克斯坦煤炭燃烧是慕士塔格冰芯中Sb的来源之一. Sb的浓度变化揭示了在20世纪60年代中后期开始到90年代初期这时间段内中亚与Sb有关的区域人类活动呈增加趋势, 自90年代初期随着前苏联解体开始呈减弱趋势.     

离子色谱法测定冰川雪冰样品中阴离子含量不确定度评定

雪冰内化学成分的记录为全球变化的各个方面,如气候变化、生物地球化学循环、人类活动、地质和宇宙事件等诸多科学命题的研究提供了直接或间接依据,这些化学成分记录主要包括雪冰内的稳定氢氧同位素、重金属、微粒、气溶胶、黑炭、离子等.雪冰内的离子化学成分的研究在冰川雪冰化学研究中具有重要的地位.为了更为准确地反映冰川雪冰内的记录信...     

雪冰中碳质气溶胶含量的测试方法

碳质气溶胶是大气气溶胶的一种, 主要由有机碳(OC)和碳黑(BC)或元素碳(EC)组成. 大气中的碳黑因其独特的光学性质和比表面积, 在大气辐射、气候学、云物理学、环境学以及毒物学等研究领域中具有重要的意义. 碳黑的化学性质十分稳定, 可作为一种示踪剂. 雪冰中碳黑记录的研究可以追溯历史时期生物量燃烧的信息, 以及为人类活动污染物的排放研究提供线索. 但是, 目前还没有找到一种十分有效的、统一的方法来测试不同介质中碳质气溶胶的含量. 根据雪冰介质的特点, 设计了一整套碳质气溶胶分析流程及相关的装置. 将雪冰样品融化并通过事先加热处理过的石英膜过滤, 利用供氧两步加热的方法使沉淀在石英膜上的碳质气溶胶中的有机碳和碳黑分离, 两步加热的温度分别为340℃和650℃. 采用分子筛富集CO₂, 用FID检测器检测 CO₂ 含量, 然后换算成有机碳和碳黑的含量. 上述方法测试有机碳和碳黑的空白值分别为6.05μgC和7.12μgC, 相对于国外的空白本底值较高, 主要是由于氧气流中CO₂的含量较高所致.     

Studies on aerosol properties during ICARB-2006 campaign period at Hyderabad,India using ground-based measurements and satellite data

Continuous and campaign-based aerosol field measurements are essential in understanding fundamental atmospheric aerosol processes and for evaluating their effect on global climate, environment and human life. Synchronous measurements of Aerosol Optical Depth (AOD), Black Carbon (BC) aerosol mass concentration and aerosol particle size distribution were carried out during the campaign period at tropical urban regions of Hyderabad, India. Daily satellite datasets of DMSP-OLS were processed for night-time forest fires over the Indian region in order to understand the additional sources (forest fires) of aerosol. The higher values in black carbon aerosol mass concentration and aerosol optical depth correlated well with forest fires occurring over the region. Ozone Monitoring Instrument (OMI) aerosol index (AI) variations showed absorbing aerosols over the region and correlated with ground measurements.     

基于MODIS数据的北疆积雪黑碳和雪粒径反演及时空变化分析

积雪是地球上反射率较高的自然表面,对于中高纬度地区的水文和能量收支平衡发挥着重要作用。表层积雪中的黑碳和雪粒径变化可以显著影响积雪反照率,造成积雪对太阳辐射吸收的变化,进而对区域气候变化和水文循环产生反馈作用。利用遥感技术对季节性积雪表层黑碳和雪粒径进行定量评估,可以获取时空上连续系统的雪表黑碳浓度和雪粒径变化情况,这也是许多气候和水文模型的输入因子。以中国主要季节性积雪区北疆为研究区,基于MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）数据的3（0.47 μm）、2（0.86 μm）和5（1.24 μm）波段,采用SGSP（Snow Grain Size and Pollution Amount）算法反演2000-2018年积雪期的雪表黑碳浓度和雪粒径,并结合地面观测数据对于反演结果进行了精度验证,综合分析北疆雪表黑碳浓度和雪粒径时空变化趋势。结果显示,SGSP算法能够同时反演雪表黑碳浓度和雪粒径,并且验证结果表明纯雪像元上反演结果具有较好的精度;2000-2018年北疆雪表年均黑碳浓度和年均雪粒径都随时间变化呈现微弱下降趋势;受地理位置和局部污染源的影响,北疆积雪黑碳浓度空间分布复杂,天山北坡经济带平均黑碳浓度最高,伊犁地区平均黑碳浓度最低,雪粒径的空间分布显示塔城地区平均雪粒径最大,伊犁地区最小。     

南极冰川学的发展、热点及展望

南极地区自然界现存的冰雪体,是南极冰川学研究的对象。南极冰雪体及其变化对全球水体的分布和循环以及气候、环境演变具有十分重要的影响,因而使南极冰川学研究不仅在南极科学中处于主要地位,而且在全球变化研究中举足轻重。 南极冰盖巨厚的冰雪内保留有数十万年乃至上百万年地球环境和气候变化的详细记录,冰芯综合研究受到高度重视。目前,南极冰川学正在向大尺度宏观方向和冰体内部微观方向两个方面迅速发展,涉及的学科更加广泛。其热点为:1、冰盖的物质和动态平衡——海平面和气候变化;2、冰芯综合研究。 中国南极研究起步较晚,南极热的兴起仅是最近十年的事情,总体水平与国际先进水平相比存在较大差距。为此,笔者提下列几点建议:1、南极冰川学是一门国际性很强的学科,其研究工作只能从横向与各国同行相比,要求研究内容具有国际水平;2、为接近和达到国际水平,需要培养一批年富力强、德才兼备的南极冰川学科研骨干队伍;3、抓紧建设南极冰川学实验室的建设;4、切实加强国内各部门、各学科之间的联系和合作。     

气候演变中的冰和碳

地质历史上充满着冰盖消长 (“暖室期”和“冰室期” ,“冰期”和“间冰期”)与大气CO2 增减的周期性变化 ,而两者之间的关系并不清楚。由于冰盖变化的地质标志比大气CO2 变化的标志容易认识 ,长期以来古气候研究侧重“冰” ,而对“碳”即碳循环的研究不足 ,通常将碳循环的变化解释为冰盖变化的结果。近年来越来越多的发现表明 ,单纯用水循环的物理过程不能解释冰盖演变的许多现象 ,而且大气CO2 变化往往领先于冰盖。揭示碳循环变化对冰盖演变的影响 ,认识生物地球化学过程在冰期旋回中的作用 ,将不同纬区对地球轨道驱动全球气候的影响区分开来 ,才有可能正确预测未来气候的演变方向。     

古里雅冰芯氧同位素地层学

在冰芯研究中,氧同位素比率不仅是气温的一种代用指标,而且其变化又是冰芯年层划分的依据之一。本文着重阐述了青藏高原古里雅３０９ｍ冰芯中δ^１８Ｏ记录研究的一些结果。对于该冰芯上部１２０ｍ,根据δ^１８Ｏ等的季节变化特征可划分出２０００多个年层,这是该冰芯高分辨率气候环境记录恢复的基础。借助于放射性物质（３６ＣＩ）测年等手段,建立了该冰芯下部的时间标尺。据此恢复了０．１２５Ｍａ以来古里雅冰芯中１８Ｏ记录,将其与深海沉积中的氧同位素变化相比较,可划分出阶段 １,２,３,４和５,其中阶段５又可划分出 ５个业阶段,即ａ,ｂ,ｃ,ｄ和ｅ亚阶段。古里雅冰芯１８Ｏ记录的一个突出特征就是其升高和降低的幅度都很大,这反映了青藏高原对于气候变化的响应是极为敏感的。５ｅ时古里雅冰芯中δ^１８Ｏ所记录的升温幅度达５℃,高于全球平均升温值２～３℃。