过去2000 年大气甲烷含量与气候变化的冰芯记录

温室气体与气候变化的关系是当前全球变化研究中的一个核心内容。目前关于大气温室气体含量变化只有几十年的实测资料, 而冰芯包裹气体中的CH4 不仅能反映过去大气CH4 含量随时间的变化, 而且能很好地揭示陆地CH 向大气中的释放随时间及空间的分布。近年来, 极地冰芯研究表明南极和北极过去大气层中的甲烷含 量差异很大, 北极大气层中甲烷含量远大于南极大气层。科学家们推测, 中低纬度地区是全球大气层甲烷含量变 化的驱动源。而对这一可能驱动源的甲烷含量变化, 很长时间人们一无所知。达索普冰芯记录揭示了中低纬度大 气CH4 含量与极地冰芯记录相同的变化趋势, 并明确显示工业革命以来大气CH4 含量的增长。高分辨率达索普 冰芯记录的工业革命以来大气CH4 含量变化最显著的特征是20 世纪两次世界大战期间人类活动CH4 排放的减缓 使大气CH4 含量呈负增长。中低纬度大气CH4 含量的恢复使我们有机会与极地冰芯记录进行定量对比研究。 0 ～1850A. D. 中低纬度大气CH4 的平均含量为782nmol /mol, 与格陵兰和南极大气CH4 平均含量差分别达66 nmol /mol和109nmol /mol, 并且其最大自然波动幅度超过200nmol /mol, 这是极地冰芯记录从未有过的。达索普冰芯 记录表明工业革命前中低纬度为全球大气重要的CH4 源区, 但最近1000a 来, 北半球中高纬度的排放有了显著的 加强; 过去2000a 来的自然变化时期, 气候变化的纬向差异对北半球不同纬度带CH4 排放格局有重要影响。     

夏季长江口潮间带CH4、CO2和N2O通量特征

使用原位静态箱现场采样,对夏季(7月和8月)长江口崇明东滩湿地3种主要温室气体CO2、CH4和N2O的界面通量进行了同步观测.结果表明,夏季低潮滩是大气CH4的排放源(40.2 μg/(m2·h)),CO2和N2O的吸收汇(通量值分别为-86.3 mg/(m2·h),-27.6 μg/(m2·h)).7月和8月中潮滩是3种温室气体的排放源,CH4日平均排放速率达到6.56 mg/(m2·h),CO2为301 mg/(m2·h),N2O为69.9 μg/(m2·h).温度(气温和不同深度地温)、沉积物有机碳含量以及潮滩植被海三棱藨草和沉积物表层藻类的光合和呼吸是决定CH4、CO2、N2O产生、排放和吸收的主要因素.相关分析表明中潮滩气体排放通量与温度(气温和不同深度地温)呈显著正相关关系,但在低潮滩气体通量与温度的相关关系不明显.     

温室气体浓度变化及其源与汇研究进展

对工业革命以来大气中主要温室气体浓度变化和增长趋势作了简介。概述了冰芯研究的最新成果:420 ka BP以来CO2浓度变化情况及其揭示的气候变化机制;全新世期间CH4浓度的波动;气候事件中N2O浓度的快速波动及工业化前的水平。总结了全球温室气体源与汇的研究现状,重点介绍了全球碳循环研究中的未知汇问题,列举了根据不同资料和模型估计的陆地碳汇位置和幅度以及影响因素对陆地碳汇的贡献等认识上的差异。简单介绍了国内有关温室气体源与汇研究,如稻田CH4排放、岩溶系统碳循环和黄土中温室气体组分特征等方面的研究成果和认识。     

大兴安岭北部冻土中CO分布研究

冻土中的甲烷作为重要的温室气体得到了广泛研究, 而CO作为一种具有间接温室效应的气体,目前的研究还非常少.调查了大兴安岭北部兴安落叶松林地冻土中CO气体的分布, 发现非过火区CO浓度普遍在21～117 mL·m-3, 过火区在0～15 mL·m-3;夏季CO浓度阴坡在8～221 mL·m-3, 阳坡在0～85 mL·m-3. 在0～75 cm深度 CO浓度有逐渐上升趋势;较平缓的阴坡CO浓度明显高于较陡峭的阳坡;适当降雨有利于CO气体的产生, 大雨或连续阴雨天气不利于CO的产生, 大雨后1～2 d内CO浓度较高, 并且在不同地理位置有不同的观测结果. CO、 CH4作为可燃性气体, 对森林火灾有何影响, 还需要做进一步研究.     

大气甲烷的冰芯记录

冰芯包裹气体的提取分析提供了历史时期大气CH₄含量变化最直接的信息.“三极(南极、格陵兰及青藏高原)”冰芯的大气甲烷记录的恢复,刻画了自然变化时期大气CH₄含量的详细变化情景及不同纬度间的变化差异,并以此可进一步分析大气CH₄含量变化与气候变化的关系以及陆地CH₄排放随时间的变化特征.冰芯研究揭示,工业革命以来大气CH₄含量的急剧增长及其现阶段的大气含量是过去几十万年来任何气候变化时期从未发生过的.     

轨道及千年尺度上大气CO2浓度与温度变化的时序关系

大气CO2浓度与温度变化的时序关系是第四纪古气候研究的基本问题之一,对于理解目前人类所面临的气候变化问题具有参考价值。两极地区的冰芯既保存了气候变化的信号,也是大气CO2浓度的良好记录载体,为研究大气CO2浓度与温度变化的时序关系提供了重要线索。利用冰芯来重建过去的气候和大气CO2浓度的变化历史最早始于格陵兰地区,但是重建结果的时间跨度较短,目前最长的记录还未能跨越末次间冰期;而且,格陵兰冰芯内沉积了大量的碳酸盐粉尘,它们会与冰芯气泡内的酸发生化学反应生成额外的CO2,从而导致格陵兰冰芯重建的气泡CO2浓度偏差较大,不能真实地反映当时的大气CO2水平。南极冰芯是目前关于大气CO2浓度与温度变化时序关系研究的主要载体,利用大量的冰芯记录建立的冰层年代标尺已经较为精确,但是由于冰芯气泡的锁定深度较难得到精确的估算,使得重建的大气CO2浓度的年代标尺还存在较大的不确定性,这是二者之间的时序关系问题难以解决的最主要因素。此外,随着大量高质量古气候记录的不断积累,更大空间范围(不再局限于南极地区)内的温度变化与大气CO2浓度的时序关系研究在近年来得以开展,但其分析结果受数据处理方法的影响较大,还需要进行更多的对比探索。     

工业革命以来青藏高原与南极冰芯高分辨率甲烷记录对比研究

自工业革命以来全球大气CH4含量呈快速的增长趋势, 但达索普冰芯记录所显示的北半球中低纬度地区大气CH4增长的启动时间要晚于极地冰芯记录近100 a. 由于受北半球人类活动CH4排放、CH4在大气中的寿命及大气中CH4的传输等过程的影响, 最近150 a以来, 中低纬度大气CH4与南极大气CH4含量在不同的时段表现出不同的净积累量和增长速率, 且20世纪两次世界大战期间达索普冰芯记录明确显示出人类活动排放的减缓使大气CH4呈负增长. 对比研究认为, 到20世纪中叶人类活动的甲烷排放已达到极高值, 中低纬度大气中CH4增长率及年积累逐步趋于平稳且略有降低. 可以认定, 工业革命以来中低纬度地区大气CH4与南极大气CH4含量的变化在不同的时段在受控于人类活动影响的同时, CH4在大气中的行为和传输过程以及东亚中低纬度季风气候的影响决定了两地之间大气CH4含量变化存在显著的差异.     

北京地区大气主要温室气体的季节变化

摘　要：报道了北京主要温室气体浓度最新变化情况,采用1993—2002年北京主要温室气体周平均浓度的数据,用时间序列分解的方法对其季节变化进行了分析研究,并对造成北京主要温室气体季节变化的原因进行了初步探讨。分析发现北京大气CH4的季节变化范围在－49．2×10－ 9～ 55．7×10－ 9（V／V）之间,并呈现出双峰模态;北京大气CO2浓度的季节变化范围在－26．4×10－ 6～ 34．0×10－ 6（V／V）之间;北京大气 N 2 O浓度变化没有明显的季节变化特点。     

太湖梅梁湾温室气体(CO2,CH4和N2O)浓度的昼夜变化及其控制因素

营养盐载荷增加、富营养化以及全球增温等对湖泊温室气体的影响目前认识还很有限,原因之一在于对湖泊温室气体产生的动力过程了解不够深入,缺少高时间分辨率的现场观测数据.为了解决这一问题,在富营养的太湖梅梁湾水体,每一小时收集一个样品,直接分析N2O和CH4饱和度、CO2分压(pCO2)以及其他地球化学参数.在7月份的观测中,N2O和CH4显示出显著的昼夜变化规律.相关性分析表明,有机质降解是调节湖泊N2O和CH4变化的重要因素之一.虽然人为活动是控制湖泊温室气体大规模变化的主要因素,但沉积物一水界面的生物地球化学过程对温室气体浓度在短时间尺度上的变化有着重要的影响.研究结果揭示了湖泊温室气体除了受人为活动影响外,湖泊自身的生物地球化学过程也是重要的调控因素之一.     

中国大陆科学钻探主孔0～2000米流体剖面及流体地球化学研究

地下深部流体的来源与演化的研究已成为国际地球化学领域的探索前沿和研究热点之一，中国大陆科学钻探(CCSD)为开展深部流体地球化学研究提供了珍贵的样品，构建了探索地下流体的研究平台。中给出了中国大陆科学钻探(CCSD)主孔He、Ar、N2、O2、H2、CH4、CO2流体地球化学剖面。CCSD主孔CH4浓度的变化与H2浓度的升降没有显相关性；CO2浓度的变化与钻井条件下的氧含量无显相关性；CO2浓度与CH4浓度的关系有三种情况：CO2浓度与CH4浓度不相关、CO2浓度与CH4浓度负相关、或CO2浓度与CH4浓度正相关；氦浓度的增加与CO2和CH4浓度的上升呈现一定的正相关。大气中N2、O2、Ar浓度太高，掩盖了井中N2、O2、Ar气体组分浓度变化，通常情况下N2、O2、Ar浓度变化难以作为深源气体的判据。CCSD流体与KTB流体中氧．氮关系基本一致，氧、氮线性相关(r=0.97)，表明这两种气体主要来源于大气。KTB中的CH4与乙烷、N2表现出非常强的线性关系，而在CCSD流体中CH4与乙烷、N2之间不存在线性相关性。两个地区间的流体成因、围岩相互作用机理等方面可能有所不同。在CCSD主孔中，目前已发现存在大量的CO2，及少量CO、CH4、C2H6、C3H8、C4H10和He、N2等气体。已确定300～2000米主孔出现多处来自于地下的气体异常，包括甲烷和C2～C4等烃类气体，一氧化碳与二氧化碳，稀有气体氦。根据流体各组分间相关性研究，可以判定异常中氧主要来源于大气，N2、Ar和CO2有一部分源于大气，一部分来源于地下。在流体显异常时，甲烷等烃类气体、氦、一氧化碳和绝大部分CO2来源于地下。出现显地下流体异常处，在岩石中存在裂隙、晶洞、破裂面、断层；它们作为流体迁移通道或存储空间，可能是流体存在的必要条件。某些CO2和He气异常与碳酸盐和铀矿石等围岩密切相关。     

温室气体与气候：过去变化对未来的启示

对20世纪气候变化原因存在的争议进行了综合分析,指出尽管气候变化的"温室气体理论"还存在许多来自冰芯和地质证据的冲击,然而大气温室气体含量增加对于气温的放大作用是肯定的。结合温室气体含量与气候变化这一论题,指出目前应重视的一些研究内容。同时简要分析了不同时间尺度气候变化的原因,认为太阳活动与地球气候系统之间关系研究将是一个活跃的领域。     

Ice-core records of global climate and environment changes

Precipitation accumulating on the Greenland and Antarctic ice sheets records several key parameters (temperature, accumulation, composition of atmospheric gases and aerosols) of primary interest for documenting the past global environment over recent climatic cycles and the chemistry of the preindustrial atmosphere. Several deep ice cores from Antarctica and Greenland have been studied over the last fifteen years. In both hemispheres, temperature records (based on stable isotope measurements in water) show the succession of glacial and interglacial periods. However, detailed features of the climatic stages are not identical in Antarctica and in Greenland. A tight link between global climate and greenhouse gas concentrations was discovered, CO₂ and CH₄ concentrations being lower in glacial conditions by about 80 and 0.3 ppmv, respectively, with respect to their pre-industrial levels of 280 and 0.65 ppmv. Coldest stages are also characterized by higher sea-salt and crustal aerosol concentrations. In Greenland, contrary to Antarctica, ice-age ice is alkaline. Gas-derived aerosol (in particular, sulfate) concentrations are generally higher for glacial periods, but not similar in both the hemispheres. Marine and continental biomass-related species are significant in Antarctica and Greenland ice, respectively. Finally, the growing impact of anthropogenic activities on the atmospheric composition is well recorded in both polar regions for long-lived compounds (in particular greenhouse gases), but mostly in Greenland for short-lived pollutants.     

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。     

Wisconsin/Würm glacial stage ice in the subtropical dunde ice cap,China

The insoluble microparticle concentrations and size distributions and oxygen isotope abundances (¹⁸ 0) in two 1-meter ice cores from the margin of the Dunde ice cap (38° 06 'N; 96° 24 'E; 5325 masl) drilled in 1986 and three ice cores drilled to bedrock at the summit of the ice cap in 1987 suggest the presence of Wisconsin/Würm Glacial Stage (LWGS) ice in the subtropics. A Sino-American research group recovered three ice cores 136, 138 and 139 m in length from the summit of the Dunde ice cap in the Qilian Shan which are providing long, high temporal resolution climatic and environmental records for the NE section of the Tibetan Highlands. Particulate concentrations, conductivity and ¹⁸ 0 are the ice core constituents best established as indicators of the glacial/interglacial transition. The analyses of two shallow cores from the margin reveal a 14-fold increase in particulate concentration which is correlative with a 1% to 5% decrease (more negative) in ¹⁸ 0. The lower 10 to 13 m of three ice cores drilled to bedrock at the summit contain a ten-fold increase in dust (both soluble and insoluble) and a 1.2% decrease in oxygen isotopes. Additionally, the morphological properties of the particles in the LWGS ice are identical to those of the thick, extensive loess deposits of central china which accumulated during the cold, dry glacial stages of the Pleistocene. When the climatic and environmental records are fully extracted from the three deep cores they will provide a very detailed record of variations in particulates (soluble and insoluble), stable isotopes, net balance, pollen and perhaps atmospheric gases of CO₂ and methane through the Holocene into the last glacial in the subtropics on the climatically important Tibetan Plateau.     

青藏高原冰芯研究进展

青藏高原习研究是恢复该地区古气候、环境变化的有力手段,近年来取得了显著的成就。对青藏高原冰芯研究在稳定氧同位素、冰川积累量、冰芯的断代以及冰芯记录的环境指标等四个方面的研究进展进行了详细的评述,总结了冰芯记录所恢复的气候、环境变化研究成果,并对当前青藏高原冰芯研究中存在的问题和今后的发展趋势进行了探讨。     

冰芯对于过去全球变化研究的贡献

系统地总结了冰芯在揭示过去气候环境变化、太阳活动、温室气体、火山活动、人类活动等方面研究所取得的成就,着重对一些有争议的重大问题(如Younger Dryas事件、温室气体与气候变化之间的关系、南北半球气候变化之间的关系等)进行了论述,并对其中个别问题提出了可能的解决途径.指出冰芯微生物、冰芯环境磁学将是冰芯研究的新方向.     

West Antarctica's sensitivity to natural and human‐forced climate change over the Holocene

The location and intensity of the austral westerlies strongly influence southern hemisphere precipitation and heat transport with consequences for human society and ecosystems. With future warming, global climate models project increased aridity in southern mid‐latitudes related to continued poleward contraction of the austral westerlies. We utilize Antarctic ice cores to investigate past and to set the stage for the prediction of future behaviour of the westerlies. We show that Holocene West Antarctic ice core reconstructions of atmospheric circulation sensitively record naturally forced progressive as well as abrupt changes. We also show that recent poleward migration of the westerlies coincident with increased emission of greenhouse gases and the Antarctic ozone hole has led to unprecedented penetration, compared with >100,000 years ago, of air masses bringing warmth, extra‐Antarctic source dust and anthropogenic pollutants into West Antarctica. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

Resolving climate change in the period 15–23 ka in Greenland ice cores: a new application of spectral trend analysis

Northern Hemisphere climate history through and following the Last Glacial Maximum is recorded in detail in ice cores from Greenland. However, the period between Greenland Interstadials 1 and 2 (15–23 ka), i.e. the period of deglaciation following the last major glaciation, has been difficult to resolve in great detail. We here offer a new subdivision of this in the NGRIP, GRIP and GISP2 ice cores, by newly introducing spectral trend analysis to the study of climate-related data series from ice cores. This analysis reveals patterns of change and discontinuity in the waveform properties of a data series, relating to the environmental (including climatic) history of accumulation of the rock or ice record. The application allows high-resolution correlation between the ice cores, and a greatly improved subdivision of the study interval. Nine climatic phases are recognized, within which more identifiable events can also be correlated between the three locations.