面向可持续发展的冰冻圈科学

21世纪以来, 在全球气候变暖的大背景下, 冰冻圈科学发展快速。在梳理国际冰冻圈相关研究态势、 分析中国相关研究动向的基础上, 总结了“冰冻圈科学”发展的历程并简要介绍了冰冻圈科学的基本框架。研究指出, 自20世纪70年代冰冻圈概念正式提出以来, 国际社会以推出气候与冰冻圈（WCRP-CliC）计划和成立国际冰冻圈科学协会（IACS）为标志, 并在深化冰冻圈自身机理、 过程认识的同时, 更加关注与其他圈层之间相互作用中的冰冻圈效应, 表明冰冻圈研究趋向变化 - 影响 - 适应这一主线发展, 在一定程度显现出了“冰冻圈科学”的核心特征。中国冰冻圈研究近20年、 尤其是近10年发展迅猛, 沿着冰冻圈科学的主体思路, 在冰冻圈变化, 冰冻圈变化对生态、 水文、 气候、 地表环境以及社会经济的影响等方面取得了系统性成果, 对冰冻圈科学的内涵和外延有了系统的认识。在分析国际冰冻圈科学孕育和发展背景并简要总结中国冰冻圈研究近况基础上, 对冰冻圈科学学科框架体系从科学内涵和外延、 研究构架和学科组成等方面进行了论述, 冰冻圈科学已经成为一门涉及广泛、 过程机理研究与可持续发展密切关联的全新学科。     

典型季风温冰川区大气-冰川-融水径流系统内环境信息的现代变化过程

1999年和2000年夏季分别在玉龙雪山白水1号冰川不同区段表面融水、新近积雪和冰川补给河水内进行了采样, 得到了相似的氧同位素分析结果: δ¹⁸O值与温度以及降水量之间表现为明显的负相关关系, 指示出这个典型季风温冰川区域存在着很强的“降水量效应”. 在气候条件变化的情况下, 稳定同位素和其他化学信息也在时间上空间上呈现相应的变化. 各类冰川水体内δ¹⁸O值存在显著差异, 反映出雪-冰、冰-融水的相变以及地表径流过程中同位素分馏和化学离子渐变的特征. 冰川水化学的空间分布还反映出温冰川水化学溶解作用和物理活动性都比较强.     

CLIMATE ANOMALY RECORDED IN GULIYA ICE CORE AND ENSO EVENTS

Examination of ENSO events and the accumulated precipitation and δ~(18)O values recorded in theGuliya ice core,China,shows that the relationship between the occurrence of ENSO events and theprecipitation anomaly in Guliya is significant.In the years of El Nino events,the anomalies ofprecipitation and δ~(18)O values in the Guliya ice core were negative anomalies,that is,the ENSO eventsare related to the deficit of precipitation as well as low temperature in the western China.     

古里雅冰芯近2000年来气候环境变化记录

古里雅冰芯高分辨率地连续记录了近2000年来的气候环境变化。以δ18O和冰川积累量为指标的气候变化记录的重建表明,温度的波动频率大于降水波动频率,但每次干湿变化中的幅度却又大于温度变化幅度。同时,可以明显看出降水变化滞后温度变化的特征。以Na＋,Mg2＋,Cl-,SO2-4等阴、阳离子为指标的大气成分和环境变化记录的重建,揭示了青藏高原地区大气成分和环境变化与气候变化的密切关系。     

青藏高原环境变化对全球变化的响应及其适应对策

青藏高原的环境变化对全球变化具有敏感响应和强烈影响。青藏高原的现代环境与地表过程相互作用,引起包括冰冻圈和水资源以及生态系统等方面的一系列变化,对高原本身以及周边地区的人类生存环境和经济社会发展产生重大影响。作为国际研究的热点地区,青藏高原环境变化研究目前出现三个新的科学动向：关注关键地区的关键科学问题的系统研究;关注以现代地表过程为核心的监测研究;关注全球变化影响下的圈层相互作用研究。本项目的研究对青藏高原环境变化科学的发展、国际科学前沿的贡献以及服务于社会经济发展,都具有十分重要的意义。通过项目的研究将揭示青藏高原隆升到现代地貌与环境格局过程中所出现的重大构造事件和环境事件;重建不同区域、不同时间尺度的气候环境变化序列并揭示其时空分布特征;阐明青藏高原冰冻圈、湖泊和主要生态系统与土地覆被在不同气候条件下的变化特征;揭示青藏高原环境变化与地表过程对全球变化的响应特点和高原热力与动力过程对不同气候系统变化的影响。本项目将在高原南北典型区域利用地貌学与沉积学手段,研究青藏高原现代地貌与环境格局的形成过程;利用湖芯、冰芯、树木年轮等手段,研究青藏高原过去环境变化的特征事件、区域分异及其与全球变化的联系;利用冰川、冻土、积雪的时空变化,结合对高原特殊大气边界层的观测,研究青藏高原冰冻圈变化与能量水分循环过程;从冰川、湖泊、大气的监测入手,结合模式方法,研究青藏高原环境变化的机制;利用生态系统碳的源—汇变化,研究青藏高原生态系统对环境变化的响应;综合研究全球变化背景下青藏高原环境变化与水资源变化所产生的区域效应和适应对策。     

Variations of δ^18 O in Precipitation along Vapor Transport Paths

Three sampling cross sections along the south path starting from the Tropics through the vapor passage in the Yunnan-Guizhou Plateau to the middle-low reaches of the Yangtze River, the north path from West China, via North China, to Japan under the westerlies, and the plateau path from South Asia over the Himalayas to the northern Tibetan Plateau, are set up, based on the IAEA (International Atomic Energy Agency)/WMO global survey network and sampling sites on the Tibetan Plateau. The variations, and the relationship with precipitation and temperature, of the δ^18 O in precipitation along the three cross sections are analyzed and compared. Along the south path, the seasonal differences of mean δ^18 O in precipitation are small at the stations located in the Tropics, but increase markedly from Bangkok towards the north, with the 51so in the rainy season smaller than inthe dry season. The δ^18 O sovalues in precipitation fluctuate on the whole, which shows that there are different vapor sources. Along the north path, the seasonal differences of the mean δ^18 O in precipitation for the stations in the west of Zhengzhou are all greater than in the east of Zhengzhou. During the cold half of the year, the mean δ^18 O in precipitation reaches its minimum at Uriimqi with the lowest temperature due to the wide, cold high pressure over Mongolia, then increases gradually with longitude, and remains at roughly the same level at the stations eastward from Zhengzhou. During the warm half of the year, the δ^18 O values in precipitation are lower in the east than in the west, markedly influenced by the summer monsoon over East Asia. Along the plateau path, the mean δ^18 O values in precipitation in the rainy season are correspondingly high in the southern parts of the Indian subcontinent, and then decrease gradually with latitude. A sharp depletion of the stable isotopic compositions in precipitation takes place due to the very strong rainout of the stable isotopic compositions in vapor in the process of lifting over the southern slope of the Himalayas. The low level of the δ^18 O in precipitation is from Nyalam to the Tanggula Mountains during the rainy season,but δ^18 O increases persistently with increasing latitude from the Tanggula Mountains to the northern Tibetan Plateau because of the replenishment of vapor with relatively heavy stable isotopic compositions originating from the inner plateau. During the dry season, the mean δ^18 O values in precipitation basically decrease along the path from the south to the north. Generally, the mean δ^18 O in precipitation during the rainy season is lower than in the dry season for the regions controlled by the monsoons over South Asia or the plateau, and opposite for the regions without a monsoon or with a weak monsoon.     

达索普冰川海拔7100m处气泡封闭过程研究

通过对希夏邦马峰北坡达索普冰川气泡形成过程的研究表明,随着深度增加,粒雪中开放气孔体积逐渐减小,但粒雪层仍保持良好的气体渗透性,直到粒雪一冰转变层位开放气孔完全与大气隔离,形成彼此分离的孤立气泡．显然,冰内气泡包裹气体与同层位的冰存在年龄差,只有在气孔完全封闭后,气泡封闭的深度亦不相同,但气泡封闭处对应的密度都大致相当,为079～0．83Mg·m－3．达索普冰川粒雪层中开放气孔在40～47m深度范围内快速封闭,在45m处有50％的气泡形成计算得出气泡中气体与同层位冰的年龄差为59a,同层位气泡中的气体所代表的主体年代分配范围为11a．     

玉龙山白水1号冰川区大气降水—冰雪—水文系统内δ^18O研究的新结果

应用稳定同位素指示方法研究大气降水、冰雪和地表径流变化过程,是冰川学家、气候学家和水文学家共同感兴趣的课题之一［1～6］. 90年代开始,我国学者较详细地研究了青藏高原内陆大气降水中稳定同位素的分布和水文循环特征［7, 8］,认为水汽来源是影响青藏高原降水中δ18O值的重要因素. 在大陆气团的影响下,青藏高原降水中δ18O与温度变化同步,即所谓“温度效应”. 但在源于海洋的暖湿气流影响下,特别在季风气候区,降水中δ18O与降水量和温度存在着负相关关系,即所谓“降水量效应”. 在我国西部的广大冰川分布区,占总面积的22%为南亚季风控制的温冰川(即海洋型冰川),过去由于种种原因对季风温冰川区稳定同位素的研究报道较少. 为填补这方面的科学研究空白,我们曾于1999年6月赴欧亚大陆最南的温冰川分布区玉龙山,首次开展了本区的冰芯研究［9］. 在钻取冰芯的同时,还全面采集了冰川区不同水体, 即表面积雪、夏季降水、冰川融水和冰川补给径流的样品,进行了δ18O的测定［10］. 结果表明,雪线以上积雪中的δ18O值比雪线以下积雪内的δ18O值为高,低海拔冰川补给径流比高海拔冰川融水的δ18O浓度为低,夏季降雨中δ18O值最低. 这种分布特征说明本区局部大气环流状况随时间和高度而变化,存在着季风气候区所特有的“降水量效应”. 为进一步证实该结果,我们于2000年7月又在玉龙山进行了更为详细的工作：在白水1号冰川积累区海拔5 000 m, 4 900 m和4 700 m处开挖了3个深度分别为3.1 m, 2.6 m和2.0 m的雪坑,采样77个; 沿海拔5 000～4 500 m采集了18个表面积雪样品; 雪线以下采集了数十个冰川融水样品; 分不同高度和日期采集了数十个夏季雨水样品; 此外,还沿冰川融水补给为主的白水河分段采集了水样数十个. 所采样品在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰芯与寒区环境开放研究实验室用Delta Plus气体稳定同位素比质谱仪进行了δ18O的测定(表1),现将初步成果进行报道.     

基于WRF模式对青藏高原一次强降水的模拟

为了了解新一代中尺度数值预报模式WRF中各参数化方案组合、嵌套技术的使用对青藏高原降水模拟结果的影响,利用WRF模式对2004年10月5—6日青藏高原一次强降水过程进行了模拟试验;对各微物理方案和积云参数化方案组合进行了模拟和对比评分,对嵌套技术的使用进行了对比分析,主要分析了不同行星边界层方案选择对降水模拟的影响。结果表明,WRF模式基本能够重建此次强降水过程的中心、强度及降水范围,Eta-Ferrier云微物理方案和Betts-Miller-Janjic积云参数化方案的组合在此次模拟降水过程中是最优的,采用嵌套技术的模拟结果要优于不采用嵌套技术的结果;行星边界层方案的合理选择能够明显提高降水模拟的效果。     

藏北高原夏季降水的水汽来源分析

根据GAME-Tibet加强观测期间取得的降水量和δ18O资料,基于来自海洋性气团的水汽形成的降水中δ18O较低、来自局地蒸发形成的降水中δ18O较高这一认识,尝试性地给出了划分不同来源水汽的标准.基于此标准,对研究区域中局地来源水汽和海洋性气团水汽在总降水中所占的比率定量估计.就安多附近平均而言,1998年6～9月海洋气团的直接输送而形成的降水量至多占总降水量的32.06%,而局地蒸发的水汽所形成的降水量至少占总降水量的46.86%.其它至少有21.8%可能来源于季风环流对沿途蒸发水汽的输送.青藏高原中部(如安多等)的降水,可能是海洋性气团携带的水汽经过若干次凝结-降水(降落到地面)-蒸发-再凝结等过程,不断循环并依次将水分通过季风环流向高原中西部推进.