从第三极到北极： 气候与冰冻圈变化及其影响

第三极和北极地区对于区域和全球环境、 社会经济以及国家战略的重要性日益凸现。通过对第三极和北极气候与冰冻圈研究的现状、 趋势进行梳理总结, 为未来的系统研究提供借鉴。结果显示, 第三极和北极气候系统与冰冻圈正在发生显著变化并预计将持续下去。第三极和北极地区气温在以全球平均升温速度两倍的速率变暖, 且在20世纪70年代以来, 变化总体趋势高度一致; 降水变化总体呈增加趋势, 但变率和不确定性较大; 极端事件（尤其是极端降水）的频率增加; 积雪范围总体上呈现减少趋势, 雪水当量、 积雪天数的变化存在区域和周期性差异; 多年冻土温度升高, 活动层厚度增加, 亦呈现较大的区域差异。这些变化不仅对生态、 水文、 碳循环产生重要影响, 而且对基础设施、 社会经济以及人类健康产生不可忽视的影响, 包括重金属污染、 食品安全等。气候及冰冻圈快速变化会通过反照率反馈、 水汽反馈等机制被放大, 并通过一系列大气及海洋环流过程, 对周边乃至全球气候系统产生广泛影响。目前第三极和北极研究中面临的重要共同问题包括极度稀疏的地面观测资料、 模型物理机制和精细化描述不足以及缺少与周边地区乃至全球系统关联的量化研究和可靠证据。这些问题的解决都需要依赖地面监测网络的扩展以及对冰冻圈和气候系统物理过程理解的提升。从第三极到北极, 不仅是研究视角的扩大, 更是全面理解第三极和北极在地球系统中作用的必经之路。     

从第三极到北极： 积雪变化研究进展

在全球气候变化背景下, 第三极和北极地区积雪是地表最活跃的自然要素之一, 其动态变化对气候环境和人类生活产生重要影响。通过回顾第三极和北极积雪研究进展, 阐述了降雪、 积雪范围、 积雪日数、 积雪深度和雪水当量在第三极和北极地区的时空分布特征和变化趋势。结果表明： 近50年, 特别是进入21世纪以来, 第三极和北极地区降雪比率均呈下降趋势; 积雪范围、 积雪日数、 积雪深度、 雪水当量总体均呈减小趋势, 融雪首日有所提前。同时就积雪变化对生态系统与气候系统的影响进行了论述, 评估了积雪的反馈作用。通过总结第三极和北极积雪变化研究进展, 凝练研究中存在的不足和未来发展趋势, 为提升积雪对气候变化及经济社会发展影响的认识提供重要科学支撑。     

三极雪冰中铅浓度变化及其污染来源同位素示踪研究进展

铅是一种对人类危害极大的有毒重金属元素,示踪铅的来源是控制铅污染的前提。由于铅同位素在自然过程中难以发生明显的分馏而保留了污染源区的特点,成为追踪铅污染源强有力的“指纹”工具。雪冰作为冰冻圈重要的环境介质,因具有保存大气铅的特征,对雪冰的研究可以重建区域和全球的大气污染变化,探讨过去铅排放的活动历史。本文系统地总结了三极地区(南极、北极、青藏高原及周边地区)雪冰中铅浓度与铅同位素记录、空间分布以及使用铅同位素对雪冰铅源进行识别与解析的相关研究。结果表明：三极地区雪冰铅浓度呈现第三极>北极>南极的空间分布特征,其中第三极北部地区雪冰中铅浓度整体较南部偏高且拥有更低的²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb比值。冰芯环境记录表明,铅污染显著发生在古罗马和中世纪时期、工业革命时期(采矿、冶炼、燃煤)和20世纪下半叶(含铅汽油使用前后),三极地区雪冰中铅浓度峰值主要出现在20世纪70年代左右。铅同位素示踪显示矿物粉尘是三极地区雪冰中铅的主要自然来源,其中南极不同地点雪冰还受到火山活动不同程度的影响。南极雪冰中的铅污染主要来源于澳大利亚和南美洲国家,北极雪冰...     

“一带一路”区域冰冻圈变化及其对水资源的影响

"一带一路"区域横跨亚洲、欧洲和非洲东部、北部,空间范围大。在全球气候变暖背景下,"一带一路"区域的冰冻圈正在发生快速变化,将对区域水资源、生态系统、北极航道等带来深刻影响。综述了近几十年来"一带一路"沿线和周边区域(包括亚洲、欧洲、北极和非洲等)冰冻圈要素(包括冰川、多年冻土、积雪、海冰、河冰和湖冰)的变化及其对水资源的影响,主要认知为:①绝大部分冰川面积萎缩、冰川物质平衡处于亏损状态,但存在区域差异;②多年冻土温度升高,冻土分布下限上升,活动层厚度增大,多年冻土整体处于退化状态;③积雪范围明显缩减、积雪深度总体呈增加趋势,积雪期缩短,即积雪首日延后、消融期提前,但变化存在显著区域差异;④北极夏季海冰范围快速减少、厚度减薄,多年冰减少,反映了海冰的快速萎缩,河/湖冰初冰日延后、消融日提前、冰封期缩短;⑤中国冰川融水径流显著增加,积雪融水和多年冻土退化也在不同程度上增加了流域径流,反映出冰冻圈变化对径流的重要影响。"一带一路"区域冰冻圈萎缩的现状及其对水资源的影响分析,将为应对气候变化和区域可持续发展提供重要科学支撑。     

第三极地区冰川径流研究进展北大核心CSCD

青藏高原是地球上除南北极之外冰川面积最大的区域,被称为地球“第三极”。全球变暖导致该地区冰川普遍退缩,融水释放成为冰川径流,使得下游河川径流发生重大变化,给下游流域水资源利用与管理带来挑战。然而由于第三极地区特殊的地形和复杂的气候,加上冰川水文过程内在的复杂性,使得冰川径流的研究十分困难。本文总结了目前关于冰川径流研究的几类主要方法:直接观测法、遥感观测法、水量平衡法、水化学示踪法和冰川水文模型法,其中冰川水文模型法使用最为广泛。在第三极地区,前人利用这些方法对于冰川径流的研究结果表明,自20世纪90年代以来,冰川径流普遍呈现上升趋势,但是其对于总径流的贡献同时受气候条件和流域内冰储量的影响,存在显著的空间差异;总体来看,位于西风控制区的流域的冰川径流贡献普遍大于季风控制区的流域。未来变化方面,除部分冰储量较大的西风区流域(塔里木河、印度河)外,第三极地区大多数流域冰川径流将在本世纪中叶前达到峰值。但是目前由于观测不足、模型物理机制简化等制约,对于第三极地区冰川径流的研究存在很大的不确定性,未来需要开展更多观测、开发更先进的冰川水文模型以提高第三极地区冰川径流研究的准确性,进而为该地区水资源利用与管理和防洪减灾工作提供科学依据。     

北极快速增暖背景下冰冻圈变化及其影响研究综述

北极具有独特的地理位置和战略地位,是当前全球变化研究的热点区域之一.北极增暖是全球平均值的两倍以上,被称为"北极放大"现象.在北极快速增暖背景下,冰冻圈尤其是海冰显著萎缩,对北极乃至中纬度天气气候产生深远影响.对北极快速增暖背景下冰冻圈主要要素(包括海冰、冰盖、冰川、积雪和冻土)时空变化特征及未来预估进行了综述,同时总...     

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...     

青藏高原东南部海洋型冰川物质平衡研究进展北大核心CSCD

青藏东南部海洋型冰川具有独特的气候敏感性,普遍呈现加速退缩趋势,这不仅影响区域水资源安全,而且伴生了相应的冰川灾害,是当前青藏高原冰冻圈变化研究的热点区域之一。本文对海洋型冰川物质平衡时空变化特征进行了综述,2000年以来冰川总体处于物质亏损状态,其平均物质平衡介于-0.66~-0.61m w.e.·a^(-1)之间;同时总结了海洋型冰川物质加速变化的驱动因素以及新特征。当前海洋型冰川物质平衡变化研究受观测数据缺乏和模型模拟不确定性等问题限制,尤其现有模型对冰面裂隙增多与扩张、冰崖-冰面湖-表碛相互作用、冰内冰下过程、冰崩、末端冰湖水-冰相互作用等过程的描述过于简化或基本缺失,其机理及影响仍存在较大的不确定性。未来需加强海洋型冰川物质平衡的综合监测,基于多数据和多方法的集成研究提高模型对冰川物质平衡多物理过程的耦合与模拟能力,为开展海洋型冰川物质变化的区域水资源效应和致灾效应研究奠定基础。     

自然科学基金资助下的我国冰冻圈科学发展

冰冻圈是指地球表层水以固态形式存在的圈层,包括冰川、冻土、积雪、海冰、河冰、湖冰等.作为一门新兴学科,冰冻圈科学研究其各组成部分的形成机理、演化规律、与其他圈层之间的相互作用,以及对经济社会的影响.在全球变暖背景下,冰冻圈研究受到前所未有的重视,成为气候系统研究中最活跃的领域之一,也是当前全球变化和可持续发展最关注的热点之一.中国是中低纬度地区冰冻圈最发育的国家,中国冰冻圈变化的气候效应、环境效应、水资源效应和生态效应非常显著,因此,对国家西部发展战略有重大意义.我国冰冻圈科学的发展与国家自然科学基金项目的支持息息相关,许多前瞻性、先导性、基础性的项目源自于基金项目的支持.国家自然科学基金在引领冰冻圈研究新领域和人才培养两方面起到了奠基和推动作用.着重回顾了在自然科学基金资助下我国冰冻圈科学的发展历程.     

冰冻圈变化及其影响研究的主要科学问题概论

冰冻圈变化及其影响日益显著并受到广泛关注。系统梳理了目前国际冰冻圈科学研究的主要关注热点,认为冰冻圈的变化机理、冰冻圈与气候相互作用、冰冻圈变化的影响与适应等构成了国际冰冻圈科学研究的4大科学问题。冰冻圈变化机理是冰冻圈科学研究的基础领域,冰冻圈与气候相互作用是当前着力加强的重点,冰冻圈变化的影响日益受到关注,但研究基础还较薄弱,冰冻圈变化影响的适应机制是尚处在萌芽状态的研究领域。围绕上述重大科学问题,紧抓冰冻圈变化过程中的动力响应与时空差异性问题,气候模式中冰冻圈过程的精细化描述问题,准确认识影响的时空尺度与程度问题和脆弱性评价方法和指标体系等科学问题,是寻求科学突破的关键。以全球的视野审视冰冻圈的变化过程,从有机耦合的角度探讨气候模式中的冰冻圈过程,以多因素、多过程综合与集成的手段辨析冰冻圈变化的影响,从方法创新上寻求科学评估冰冻圈变化脆弱性及适应性的突破途径,是未来研究的重点。     

从第三极到北极： 多年冻土碳循环研究进展

多年冻土区储存着大量的土壤有机碳, 其碳库变化及生态系统碳反馈机制是当前全球气候变化研究中备受关注的热点问题。为了增强对多年冻土碳循环的认识, 通过综合第三极和北极地区多年冻土碳循环研究, 概述了土壤有机碳库大小、 脆弱性及生态系统碳交换过程, 分析了涉及大气、 海洋和陆地综合影响的多年冻土区生态系统碳循环。研究表明： 第三极和北极多年冻土区碳储量不确定性较大, 影响和控制有机碳分解和生态系统碳交换的生物地球化学过程仍需进一步研究, 进而改进生态系统碳循环相关的模拟研究。在全球气候变化背景下, 研究多年冻土碳库变化及其对气候变化的响应, 是预估未来气候变化的关键环节。     

Advances in the Measurement and Calculation Results and Influencing Factors of the Sublimation of Ice and Snow

As an important exchange process of water and heat between the cryosphere and the atmosphere, snow and glacier sublimation is a principal pathway of moisture content loss of cryosphere. The observations and simulations of snow and glacier sublimation for the process and influencing factors were conducted earlier in the Antarctic and the Arctic Pole, North America and northern Europe, and had made great progress. Based on the analysis of the sublimation of ice and snow and the latent heat of sublimation in different regions and climatic conditions, the influencing factors to sublimation of ice and snow were analyzed. Although sublimation of ice and snow is an important part of regional hydrological process and energy budget balance, under humid climate conditions, sublimation of ice and snow is inhibited. it is greatly affected by local topography(elevation, slope and aspect), vegetation and meteorological elements, resulting in large differences in reported sublimation of ice and snow. However, there are many factors that affect the sublimation, resulting in the obvious spatial and temporal differences of research results. The researches lack of long-term, systematic observation and research, and which has contributed to the lack of understanding in the water-heat process of snow and glacier. There are still great uncertainties and difficulties in this study that need to be overcome.     

全球气候研究计划 (WCRP)中的气候与冰冻圈项目 (CliC): 冰冻圈与气候的优先研究领域

The cryosphere is an integral part of the global climate system, however, many aspects of the cryosphere have not been fully covered within WCRP. Issues relating to potential changes in the climate cryosphere system become more and more important in order to describes research and coordination initiatives required to integrate fully studies of impact and response of the cryosphere to climate change. The article also indicates the recent progress of CliC, and its future plan.     

Cryosphere as a temporal sink and source of microplastics in the Arctic region

Microplastics (MPs) pollution has become a serious environmental issue of growing global concern due to the increasing plastic production and usage. Under climate warming, the cryosphere, defined as the part of Earth’s layer characterized by the low temperatures and the presence of frozen water, has been experiencing significant changes. The Arctic cryosphere (e.g., sea ice, snow cover, Greenland ice sheet, permafrost) can store and release pollutants into environments, making Arctic an important temporal sink and source of MPs. Here, we summarized the distributions of MPs in Arctic snow, sea ice, seawater, rivers, and sediments, to illustrate their potential sources, transport pathways, storage and release, and possible effects in this sentinel region. Items concentrations of MPs in snow and ice varied about 1–6 orders of magnitude in different regions, which were mostly attributed to the different sampling and measurement methods, and potential sources of MPs. MPs concentrations from Arctic seawater, river/lake water, and sediments also fluctuated largely, ranging from several items of per unit to >40,000 items m^?3, 100 items m^?3, and 10,000 items kg^?1 dw, respectively. Arctic land snow cover can be a temporal storage of MPs, with MPs deposition flux of about (4.9–14.26) × 10⁸ items km^?2 yr^?1. MPs transported by rivers to Arctic ocean was estimated to be approximately 8–48 ton/yr, with discharge flux of MPs at about (1.65–9.35) × 10⁸ items/s. Average storage of MPs in sea ice was estimated to be about 6.1×10¹⁸ items, with annual release of about 5.1×10¹⁸ items. Atmospheric transport of MPs from long-distance terrestrial sources contributed significantly to MPs deposition in Arctic land snow cover, sea ice and oceanic surface waters. Arctic Great Rivers can flow MPs into the Arctic Ocean. Sea ice can temporally store, transport and then release MPs in the surrounded environment. Ocean currents from the Atlantic brought high concentrations of MPs into the Arctic. However, there existed large uncertainties of estimation on the storage and release of MPs in Arctic cryosphere owing to the hypothesis of average MPs concentrations. Meanwhile, representatives of MPs data across the large Arctic region should be mutually verified with in situ observations and modeling. Therefore, we suggested that systematic monitoring MPs in the Arctic cryosphere, potential threats on Arctic ecosystems, and the carbon cycle under increasing Arctic warming, are urgently needed to be studied in future.     

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.     

最近十多年来冰冻圈加速萎缩——IPCC第六次评估报告之冰冻圈变化解读

政府间气候变化专门委员会（IPCC）于2021年8月发布了第六次评估报告第一工作组报告《气候变化2021：自然科学基础》。该报告基于最新的观测和模拟研究,评估了冰冻圈变化的现状,并采用CMIP6模式对未来变化进行了预估。报告明确指出,近十多年来冰冻圈呈现加速萎缩状态：北极海冰面积显著减小、厚度减薄、冰量迅速减少;格陵兰冰盖、南极冰盖和全球山地冰川物质亏损加剧;多年冻土温度升高、活动层增厚,海底多年冻土范围减少;北半球积雪范围也在明显变小,但积雪量有较大空间差异。冰冻圈的快速萎缩加速海平面的上升。未来人类活动对冰冻圈萎缩的影响将愈加显著,从而导致北极海冰面积继续减少乃至消失,冰盖和冰川物质将持续亏损,多年冻土和积雪的范围继续缩减。报告也提出,目前冰冻圈研究仍存在观测资料稀缺、模型对各影响因素的敏感性参数和过程描述亟需提升、对吸光性杂质的变化机制认知不足等问题,从而影响了对冰冻圈变化预估的准确性,未来需要重点关注。     

The rapidly shrinking cryopshere in the past decade：an interpretation of cryospheric changes from IPCC WGI Sixth Assessment Report北大核心CSCD

The Working Group I report of the Sixth Assessment Report（AR6）of the Intergovernmental Panel on Climate Change（IPCC）was released in August 2021. Base on updated and expanding data, AR6 presented the improved assessment of past changes and processes of cryosphere. AR6 also predicted the future changes us⁃ ing the models in CMIP6. The components of cryosphere were rapid shrinking under climate warming in the last decade. There were decreasing trends in Arctic sea-ice area and thickness. Sea-ice loss was significant. The Greenland Ice Sheet, the Antarctic Ice Sheet and all glaciers lost more mass than in any other decade. Global warming over the last decades had led to widespread permafrost warming, active layer thickness increasing and subsea permafrost extent reducing. Snow cover extent in the Northern Hemisphere also decreased significantly. However, the variations of snow depth and snow water equivalent showed great spatial heterogeneity. The rapid shrinking of the cryosphere accelerated the global mean sea level rise. The impact of human activities on cryo⁃ sphere will become more significant in the future. The Arctic sea-ice area will decrease, and the Arctic Ocean will likely become practically sea ice-free. The Greenland Ice Sheet, the Antarctic Ice Sheet and glaciers will continue to lose mass throughout this century. Permafrost and Northern Hemisphere snow cover extent will con⁃ tinue to decrease as global climate continues to warm. In addition, there are still uncertainties in the prediction of cryosphere due to the absence of observations, the poor sensitivity of models to the components and processes of cryosphere, and the inexplicit represent of the mechanism of light-absorbing impurities. More attentions should be paid on these issues in the future. © 2022 Science Press (China). All rights reserved.