三极地区雪冰中黑碳研究进展

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0092

摘要/Abstract

摘要：

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。

关键词: 北极, 南极, 青藏高原, 黑碳, 冰川, 冰芯, 时空变化, 辐射强迫

Abstract:

Black carbon is currently the maximum anthropocentric radiation forcing factor other than greenhouse gases. The three polar regions （Arctic，Antarctic，and Qinghai-Tibet Plateau） are the areas possessing most abundant snow and ice in the world. The black carbon deposited in the snow and ice can reflect the historical changes of anthropocentric activities and may cause the reduction of Alberto and then affect the matter and energy balance. This paper reviews the analysis method，spatial distribution，temporal variation and radiation forcing of black carbon in snow and ice in the three polar regions. Due to different geographical locations and environmental conditions，the spatial and temporal distribution of black carbon in snow and ice in the three polar regions and its radiation forcing are with great regional differences. Among them，the Qinghai-Tibet Plateau is the region most affected by the black carbon deposition and radiation forcing，which has most serious effect on water resources and ecological security potentially. Long time records of black carbon deposition preserved in snow and ice in the three polar regions are ideal medium for studying natural variability and influence of anthropocentric activities on the history of black carbon deposition （such as the rapid rise of black carbon concentration recorded in the ice cores of the Arctic and the Tibetan Plateau since the industrial revolution），and also provides data for modelling the future change. The three polar regions are indicators and amplifiers of global change，and in the background of increasing global warming，black carbon will play a more important role in the climate evolution in the three polar regions in future.

Key words: Arctic, Antarctic, Qinghai-Tibet Plateau, black carbon, glacier, ice core, spatial and temporal variations, radiation forcing

中图分类号:

P461

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图/表 4

表1

表2

图1

表3

青藏高原地区雪冰黑碳观测结果"

采样区域	冰川名称	经纬度	海拔/m	采样日期	样品类型	分析方法	定年结果	分析结果/（ng·g^-1）	参考文献
唐古拉山	冬克玛底	33.10° N，92.08° E	5 600	2001年	雪坑	热-光分析法	约2001	79	［100］
	小冬克玛底	33.07° N，92.07° E	5 606	2014—2015年	新雪	热-光分析法	-	41.77	［101］
					老雪			246.84
					裸冰			3 335.36
念青唐古拉山	拉农	30.42° N，90.57° E	5 850	2005年7月	雪坑	热学分析法	2004—2005	67	［94］
	扎当	30.48° N，90.66° E	5 802	2006年7月	雪坑	热学分析法	2005—2006	113	［94］
				2012年	新雪	热-光分析法	-	52	［102］
				2012年	老雪	热-光分析法	-	258	［102］
帕米尔高原	慕士塔格	38.28° N，75.02° E	6 350	2001年	雪坑	热-光分析法	约2001	52	［100］
	慕士塔格	38.28° N，75.02° E	6 350	2002年	冰芯	SP2	1875—2000	0.62	［103］
	木吉	39.19° N， 73.74° E	5 185	2012年	新雪	热-光分析法	-	25	［104］
	木吉	39.19° N， 73.74° E	5 185	2012年	老雪	热-光分析法	-	731	［104］
天山	科其喀尔	41.81° N， 80.17° E	4 300	2015年	老雪	热-光分析法	-	2 180	［105］
喜马拉雅山	纳木那尼	30.45° N，81.27° E	5 900	2004年	表层雪	热-光分析法	-	4	［100］
	抗物热	28.47° N，85.82° E	6 000	2001年	表层雪	热-光分析法	-	22	［100］
	枪勇	28.83° N，90.25° E	5 400	2001年	表层雪	热-光分析法	-	43	［100］
	东绒布	28.02° N，86.96° E	6 500	2004年	雪坑	热学分析法	2003—2004	18	［94］
				2002年	冰芯	热学方法	1951—2001	16	［12］
				2002年	冰芯	SP2	1860—2000	-	［37］
	帕隆藏布4号	29.21° N，96.92° E	5 500	2006年	冰芯	热-光分析法	1998—2005	4.7	［100］
	麦拉	27.72° N，86.87° E	6 376	2009年	老雪	SP2	-	180	［106］
	麦拉	27.72° N，86.87° E	6 376	2010年	冰芯	SP2	2000—2010	3	［107］
祁连山	老虎沟12号	39.43° N，96.56° E	5 045	2005年	雪坑	热学分析法	2004—2005	35	［94］
				2015—2016年	新雪	热-光分析法	-	40	［58］
				2015—2016年	老雪	热-光分析法	-	1 785	［58］
	七一	39.23° N，97.06° E	4 850	2005年	雪坑	热学分析法	2004—2005	22	［94］
昆仑山脉	煤矿	35.67° N，94.18° E	5 200	2005年	雪坑	热学分析法	2004—2005	81	［93］
各拉丹冬	果曲	33.58° N，91.18° E	5 750	2005年	冰芯	SP2	1843—1982	-	［108］
藏东南	亚隆	29.30° N，96.77° E	约4 075	2015年	老雪	热-光分析法	-	79.7	［109］
	东嘎	29.22° N，96.87° E	约4 620	2015年	雪坑	热-光分析法	-	97.3	［109］
	东嘎	29.22° N，96.87° E	约4 620	2015年	老雪/老冰	热-光分析法	-	1 550	［109］
	仁隆巴	29.23° N，96.92° E	约4 815	2015年	雪坑	热-光分析法	-	318	［109］
	仁隆巴	29.23° N，96.92° E	约4 815	2015年	老雪/冰	热-光分析法	-	3 648	［109］
	德木拉	29.35° N，96.02° E	约5 094	2015年	雪坑	热-光分析法	-	125	［109］
	德木拉	29.35° N，96.02° E	约5 094	2015年	新雪/冰	热-光分析法	-	56.6	［109］
	白水沟1号	27.10° N，100.19° E	4 806	2016年	新雪	热-光分析法	-	261.9	［110］
					雪坑			776.2
					老雪			3 689
					裸冰			4 265

表3

参考文献 124

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方法	检测限	不确定性	测量物名称	优点	缺点	参考文献
光学分析法	1 ng·g^-1	40%	eBC	可直接测定滤膜上样品的吸光性	计算的黑碳值为估计值而非真实值；由实验器材造成的误差较大	［6，19-26］
热学分析法	1 μg·g^-1	/	EC	直接获得黑碳的量；结果较为精确	没有考虑样品中粉尘的影响；有机碳氧化会使结果失真	［27-29］
热-光分析法	1 ng·g^-1	/	EC	精度高、重现性好；分析速度较快；可获得黑碳绝对含量；数据处理简单	有机碳可能的热解影响；滤膜样品不均一；粉尘的影响；进样量大；需要去除碳酸盐；繁杂前处理过程可能介入污染	［30-31］
单颗粒烟尘光度计法	0.01 ng·g^-1	5%~10%	rBC	精度高、重现性好；可获得黑碳粒度分布；有机碳无干扰；检测限低；进样量小；分析速度快；可连续分析	黑碳存在雾化损失；有限的检测范围；校准物质不统一；需要用到外部设备进行校正；数据处理相对繁琐	［31，47-48］

地区和站点	经纬度范围	站点数	采样日期	样品类型	分析方法	定年结果	分析结果/（ng·g^-1）	参考文献
世纪营地，格陵兰	77°09′ N，61°07′ W	1	7—8月	表层雪	热学分析法	-	2.4	［68］
格陵兰	约63°~81° N	13	4—8月	表层雪	光学分析法	-	3	［24］
北冰洋	约84°~90° N	5	4月	表层雪	光学分析法		7	［24］
北极，加拿大	约66°~77° N	25	4—5月	表层雪	光学分析法	-	8	［24］
亚北极，加拿大	约63.5°~67.5° N	27	3—4月	表层雪	光学分析法	-	10	［24］
巴罗，阿拉斯加	约71.2°~71.3° N	3	3—5月	表层雪	热光分析法	-	9	［72］
巴罗，阿拉斯加	约71.2°~71.3° N	5	4月	表层雪	光学分析法，热-光分析法	-	7.11	［73］
斯巴瓦群岛，挪威	约79° N	10	3—5月	表层雪	光学分析法	-	13	［24］
特罗姆瑟，挪威	约69.7° N	1	3—5月	表层雪	光学分析法	-	21	［24］
阿比斯库，瑞典	约68.3° N	1	3—4月	表层雪	光学分析法	-	31	［66］
俄罗斯西部	约50°~110° E	9	3—5月	表层雪	光学分析法	-	26	［24］
西伯利亚东北部，俄罗斯	约125°~175° E	14	3—5月	表层雪	光学分析法	-	17	［24］
格陵兰GISP2	72.6° N，38.2° W	1	-	冰芯	热学分析法	320—330 A.D.	2.1	［74］
格陵兰GISP2	72.6° N，38.2° W	1	-	冰芯	热学分析法	1989—1990年	2.0	［74］
格陵兰Dye-3	65.2° N，43.8° W	1	-	冰芯	热学分析法	0.1~3.4 ka BP	1.5	［75］
格陵兰D4	71.4° N，44.0° W	1	-	冰芯	SP2	1952—2002年	2.3（<1~10）	［38］

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