青藏高原冰芯研究进展

第14卷第2期1999年4月

地球科学进展

ADVANCE I N E ARTH SCIE NCES

Vol.14 No.2

Apr.,1999青藏高原冰芯研究进展

杨 保 ,施雅风

( 中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏 南京 210008)

( 中国科学院兰州冰川冻土研究所,甘肃 兰州 730000)

摘 要:青藏高原冰芯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。

关键词:青藏高原;冰芯研究;环境变化

中图分类号:P343 6 文献标识码:A 文章编号:1001-8166(1999)02-0183-06

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。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、环境的重要手段。南极地区和北极地区是冰芯研究最早的地区,在气候变化研究中起领先的作用。但是,仅仅依靠南北极冰芯来解释全球气候环境变化是不够的,必须以中纬度地区的冰芯研究作桥梁,才能最终解决全球气候环境变化的机制。作为 世界第三极 的青藏高原,由于特殊的地理位置(中纬度)和海拔高度(平均4 5km),成为两极之外人们最感兴趣的冰芯研究热点地区。在此种背景下,中国科学院兰州冰川冻土研究所与美国俄亥俄大学Byrd极地研究中心合作,分别于1986、1987年在祁连山敦德冰帽成功地钻取了三根各长140m左右的深孔冰芯,揭开了青藏高原冰芯研究的序幕。从1990年开始,又于西昆仑山古里雅冰帽、希夏邦马冰帽多处钻取冰芯,最深达309m。1997年,中国、美国、俄罗斯、秘鲁、尼泊尔国合作,在西夏邦马峰达索普冰川钻取了三根长分别为159 62m、149 23m、167 14m的深孔冰芯 1 。青藏高原冰芯研究的大规模展开,标志着青藏高原冰芯研究进入了一个崭新的阶段。

1 青藏高原冰芯记录所反映的气候环

境信息

从气候变化的角度看,青藏高原是一个 敏感区 和 启动区 。由于发生于地质历史上的气候事件没有仪器观测记录,故研究古气候时常用一些代用指标来进行。在冰芯研究中,以 18O指示温度、冰川积累量代表降水,已成为冰芯研究中的基本方法。下面从 18O、冰川积累量以及冰芯的断代方面阐述青藏高原冰芯所反映的气候信息。

1 1 18O是指示温度的良好指标

18O能否正确反映温度效应,是研究青藏高原古气候变化要解决的首要环节之一。围绕敦德冰芯,姚檀栋等 2~9 对此进行了详细的研究。综合其研究方法,可归为两类:一是对每一次降水事件进行 18O 和温度的同步观测。通过对西宁(101 45 E,36 37 N)、德令哈(97 22 E,37 22 N)和沱沱河(96 26 E, 34 13 N)3个气象台站进行每次降水事件发生时的气温和 18O分析,发现二者具有正相关关系,尤其在德令哈最为显著,可表示为:

18O( )=0,66T a-13.5,R2=0.69(1)其中,Ta为温度,R为相关系数。它与地球上其他高山或极地气象台站具有相似性。 18O和温度关系说明,当 18O增减1 ,相当于温度增减1 5 。二是将个别降水事件汇总成逐月的平均状况进行研究。可得出类似的结论。不同之处在于 18O-T a的相关关系更加明显。同时,利用这种关系可以推断青藏高原地区的温度变化史。姚檀栋等 10 不仅对敦德冰

国家科委、中国科学院重大项目 亚洲地区气候变迁与全球变化 (项目编号:KZ951-A1-202-04)资助。 第一作者简介:杨保,男,1971年5月生,博士生,主要研究方向为古气候的重建。

收稿日期:1998-05-25;修改稿:1998-08-18。

芯与上海冬温、祁连山树木年轮记录以及北半球温度曲线进行了比较,而且定量计算了从20世纪70年代至90年代唐古拉与古里雅冰川区的气温上升幅度。

综上所述,以有较长观测时间的青海德令哈站 18O-T a关系 8 来推测青藏高原的温度变化,是比较合适的。但是,在参考上述数据时必须注意降水中 18 O值的高低不仅和降水地点气温有关,还和水汽来源、水汽途径、凝结高度、凝结水平等多种因素有关,在不同降水事件中相同的 18O值可出现在有较大差别的T a范围内。由冰芯中 18O值重建古温度,可能会存在误差。

另需指出,利用冰芯中的冰晶变化也可以研究冰芯所记录的气候变化,其基本原理是冰晶的增长速率同原地生长温度密切相关,即温度高,冰晶增长迅速,反之则低。运用这个原理,Thompson等 11~13 分别对敦德冰芯和古里雅冰芯进行了气候冷暖变化研究。

1 2 冰川积累量是青藏高原降水的替代指标

冰芯中的积累量是大气降水在冰川上的直接记录,是古气候恢复中降水的代用指标。其恢复的基础是冰芯中年层厚度随深度的变化关系,Thompson 等 11 和施维林 研究发现,适合青藏高原的最佳模型是Bolzan(1985)一级模型。其根本基础在于以下两个方程:

V(y)=V0f(y);L(y)=L0f(y)(2)其中,V(y)为冰当量深度y处的垂速度,V0为表面垂直速度,L(y)为冰当量深度y处的年层厚度,L0是表面初始积累的年层厚,f(y)为深度的指数方程。按照这种模型,古里雅冰芯(309m)中实际年层厚度随深度的变化关系为 14 :

0= i (1-y H)p+1(3)式中, 为冰芯中第i层厚度, 0为校正后的厚度值, y是第i层冰距底部的距离,H是冰川厚度,p取作2 369。而在祁连山敦德冰芯中,年层厚度随深度的变化关系为 11 :

L(z)=b(1-z H)p+1(4) L(z)为年层厚度;b为积累率,取为0 428m a;y为冰当量深度;H为冰川厚度;p为1 612。根据前面的两个模型计算净积累量,与对冰芯进行实测密度和冰层厚度计算后的结果相比较,可见二者极为一致,说明用上面的模型来研究冰川积累量的变化是可行的。但是,冰帽上的降雪积累会受到风吹雪的影响,风吹积雪和风力吹蚀会加厚或减薄积累量,导致积累量和真实降水量有一些差别,这种差别也反映在冰川积累中。因此,在冰川研究工作中,应适当考虑到这一点。

1 3 青藏高原冰芯的断代

冰芯的断代是冰芯气候学分析中的重要内容。要研究冰芯所反映的古气候变化史,首先必须建立时间序列模型。目前在建立冰芯时间序列过程中,主要采用三种方法。一是根据污化层、 18O、微粒含量以及导电率的变化来测定;二是依据参考层和放射性衰变定年;三是由冰川流动模式进行冰芯年代测定。青藏高原冰芯的断代依据不同的冰芯时间尺度而选取不同的断代方法。对于短时间尺度的冰芯定年,是以污化层和 18O的变化特征为主,同时参照微粒含量和导电率的变化进行,其基本原理是它们的季节变化,用这种方法于敦德冰芯建立的1400 ~1986年时间序列,经过 放射性峰值这一时间标尺的检验,说明敦德冰芯时间序列的建立是有效的 13 。在古里雅冰芯上部100m和唐古拉冰芯的测年中,也采用了上述方法 15,34 。对于较长时间尺度的冰芯断代,由于年层变薄而无法辨别,上述方法不再适用,一般采用第二种和第三种方法,或交叉使用。在古里雅冰芯下部定年中曾以36Ci与流动模式法结合定年,在其中部用14C和参考层法及流动模式定年,取得了良好的效果 16,17 。其中用流动模式断代类似于前述计算积累量的方法 1,11,14 。

1 4 青藏高原冰芯记录中的环境指标

冰芯中的钙、镁、钠、钾、氯、硝酸根、硫酸根、硫酸根等阴阳离子以及微粒含量可以用来研究过去环境的变化,是因为这些物质成分是大气气溶胶过去变化历史的指标。利用冰芯中的阴阳离子和微粒含量恢复过去环境变化的研究,在极地地区和中纬度山地冰川区均有很大进展。在青藏高原冰芯研究中,也进展显著。

Thompson等 17~19 利用阴阳离子和尘埃在冰芯中的变化来研究古环境的演变,在对敦德冰芯和南美秘鲁安第斯山冰芯研究中取得了很好的效果。他们发现,沿两个冰芯深度剖面粉尘和NO-3等离子均有所变化,但是从晚更新世末次冰期向全新世(LG Ho-locene)过渡中,粉尘和NO-3等离子均发生了急剧的变化。以敦德冰芯为例,NO-3等离子减少了一半之

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施维林 中国西昆仑山古里雅冰帽冰芯的年代问题 中国

科学院兰州冰川冰土研究所硕士论文,1993