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2015年其他野外科研进展

时间:  2015-12-18 10:19  点击:  
    1、吸光性杂质对雪冰消融的影响及定量估算野外考察
    2015年,进一步加强了以青藏高原为主体的我国西部地区吸光性杂质对雪冰消融的影响和定量估算。康世昌研究员课题组于2015年全年开展了相关考察。2015年1—2月在新疆地区进行了冬季积雪面上观测采样。5—11月同时在青藏高原东北部(祁连山老虎沟12号冰川)、东南部(玉龙雪山白水河1号冰川)及中部(唐古拉山冬克玛底冰川以及念青唐古拉山扎当冰川)开展了定点和面上相结合的考察。天山地区(乌鲁木齐河源 1号冰川)同期开展观测,此外还对巴基斯坦北部的6条冰川进行了样品采集和观测以丰富对比我国西部的相关认知。考察详情如下:
    (1)冬季积雪观测采样
    2015年1月16日—2015年2月10日,对新疆天山山脉北部一线以及阿勒泰地区进行了积雪属性观测和雪样品采集。共获取积雪黑碳样品25个采样点(包括两个雪坑),积雪汞样品25个采样点,并对三个雪坑进行了定点连续24小时观测。此外,还对其中16个采样点进行了光谱测量。考察期间同步观测了积雪的物理参数,包括雪温、雪粒径、雪密度、雪湿度等。与此同时,还采集土壤样品约20个。
    2015年11月12日—30日,对青藏高原南部途经拉萨、纳木错、亚东、陈塘、珠峰、聂拉木、仲巴、日喀则、林芝、波密、昌都、玉树等地进行了积雪属性观测和采样,获取积雪黑碳样品24个,积雪汞及常规化学组分样品个 25 个,采样的同时观测了反照率、积雪水当量和积雪密度等物理属性。
    (2)夏季青藏高原采样观测
    1)青藏高原东北部地区
    项目组依托祁连山站,于 2015 年 5—10 月间,对老对虎沟 12 号冰川以定点和冰川面上等间隔采样两种方式进行了观测和表层雪、雪坑、冰样、河水样、积雪样的采集。共获取降水 30 个,水文断面河水样 184 个,冰川表面雪冰样 582 个,积雪样 34 个。这些样品将用于 BC/OC、Dust、元素、离子、氢氧稳定同位素等分析。此外,为了定量分析黑碳和粉尘对冰川反照率变化的贡献率,利用 ASD 手持光谱仪(波长范围为 350—
10500 nm)实地观测了不同消融条件下冰川表面的反照率,共采集数据 64 组。
 
雪冰反照率测量
 
雪样采集
    2)青藏高原中部地区
    2015 年 5 月 7 日—2015 年 11 月 4 日,分别对唐古拉山小冬克玛底冰川(5—10 月)和纳木错扎当冰川(5 月、8 月和 9 月)进行了雪冰样品的采集和物理参数观测,样品总数为 253 个,雪坑 4 个,光谱测量 485 次,雪坑 24 小时观测一次,过滤石英膜 300 张;汞样品总计 913 个,DOM 样品 284 个,TOC 样品 226 个,元素、离子及 DOC 各 299 个样品。同时获得雪冰物理参数,包括雪温、雪粒径、雪密度、雪湿度观测数据 121 组。另外,对冰川径流样品和土壤样品也进行了逐月多次采集,其中河水样品 24 小时采样 1 次;唐古拉小冬克玛底冰川,获得冰尘样品 5 个。
 
采样点及观测点唐古拉山小冬克玛底冰川光谱测量及雪冰采样
    3)青藏高原东南部地区
    2015 年 5-10 月对玉龙雪山白水一号冰川进行了雪冰样品和其他各类样品采集,总共获得了 125 个雪冰样品,130 个气溶胶样品。同期观测了雪冰的物理参数,包括温度、粒雪粒径、雪密度及雪冰反照率。之后,对所有采集的雪冰样品进行了分样和过滤,用来分析雪冰中吸光性杂质及其它化学成分的含量。在 10 月玉龙雪山天气晴朗、无云遮挡的条件下用 ASD 手持光谱仪观测了雪冰表面的反照率。同时,在玉龙雪山按照海拔梯度安装了两台 TSP 采样仪,采集玉龙雪山地区的大气气溶胶样品。经过及时更换采样仪的电机,目前两台 TSP 仪器工作正常。此外,10 月,利用重力采样器,在泸沽湖采得保持完好的沉积柱样品三根,层位整齐未受到扰动,并以 0.5 cm 的间隔对样品进行了分割,送往实验室冷干,重建百年尺度上污染物的变化过程。同时,为分析泸沽湖现今污染情况,采集水样 21 个,表层泥样 6 个。同时在拉市海采集表层泥 36 个,水样74 个。
 
藏东南采样点分布图
    与此同时,2015 年 6 月课题组对藏东南地区的雅隆冰川、东嘎冰川、仁龙巴冰川、德木拉冰川和阿扎冰川等 5 条冰川进行了考察,并采集了表层雪冰以及雪坑样品,总共获得了表层雪冰样品 29 个,雪坑 3 个(共 23 个样品),同时观测了雪冰的物理参数,包括温度、粒径、密度以及反照率等,用以测试黑碳、有机碳、汞、重金属元素等指标。采集 14C 雪冰样品 6 个。同时,在来古冰川区和阿扎冰川区进行了河水加密观测与样品采集,共获得河水样品 24 个。钻取然乌湖湖芯 3 支,并以 0.5 cm 的间隔对样品进行了分割,送往实验室冷干,重建百年尺度藏东南地区污染物的变化过程。

德木拉冰川雪坑采样(80cm)

仁龙巴冰川雪坑采样(70cm)
    (3)巴基斯坦北部地区
    2015 年 6月,课题组前往巴基斯坦北部集中对 Passu 冰川,Gulkin 冰川,Barpu 冰川,Mear 冰川,Sachin 冰川和 Henarchy 冰川按每 100m 高差的雪冰表层进行了雪 / 冰样采集,共采得 56 个雪样。同时,在Karachi,Mardan 和 Hunza (Passu 冰川区)三个点架设了 TSP 采样器连续采集大气气溶胶样品。

巴基斯坦北部冰川考察点(左)及TSP采样点(右)
    (4)TRAP-CC 网络布设与维护
    第三极跨境大气污染物及其对冰冻圈变化的影响(Trans-boundary Air pollutants and their effects on Cryospheric Changes ove the Third Pole TRAP-CC)观测网络旨在通过长期采集大气气溶胶,研究南亚污染物的跨境传输及对第三极冰冻圈变化的影响。2015 年 3 月和 2015 年 9 月,在原有网络的基础上新增布设了北麓河与阿里两个采样站点。2015 年 5 月和 2015 年 11 月,对 2013 年布设的位于青藏高原的 6 个站点(拉萨、纳木错、藏东南、珠峰、聂拉木、仲巴)进行了维护,维修或更换了部分损坏仪器,补充了采样耗材,收回了已采集的样品。2015 年 8 月,对尼泊尔境内 5 个站点(加德满都、蓝毗尼、博卡拉、东启、乔姆松)进行维护。
 
TRAP-CC观测网络示意图
 
    2、七一冰川野外观测总结与进展
    (1)七一冰川径流场观测
    冰川径流场观测是冰川水文过程研究中的重要手段,为冰川消融模型的验证提供了最基本的数据。冰川雪冰升华和蒸发量是冰川水文模型的建立重要参数,但是直接观测开展比较困难。有学者提出可以通过间接方法计算雪冰的升华和蒸发量。其中 1 种是基于径流场控制实验,通过测量样方的表面高度变化,乘以密度,可以得到样方内的冰川消融量,然后通过减去实测的样方范围内的融水量(melt),可以计算样方范围的冰川升华和蒸发量。也有学者认为雪冰在相变过程中其氢氧同位素会产生分馏,可以在冰面设立径流场,通过研究其内的物质平衡变化、雪冰同位素组成、融水同位素组成,利用质量守衡的方法计算研究区内蒸发和升华量。
    野外实验设置:径流场观测在往年观测方法的基础上,改进了手工量测花杆高度变化的方法,利用 360 度可旋转卡口,在水平横杆上进行固定和调平,然后利用激光测距仪垂直放置于调平后卡口之上,进行卡口高度垂直测量。
 
360旋转卡口与激光测距仪(标准反射纸的测量误差±1mm)
    径流场的观测首先需要选择合适坡度的冰面(在七一冰川 5560 m 处选择了 3 m×3 m 的一个样方,坡度约为 9°,坡向朝西北),然后对该样方进行导水槽的挖掘,确保该样方内最低点能接收样方范围内所有融水。然后,径流场的观测包括两部分,一部分为样方范围内冰川表面高度的变化值;另一部分为导水槽流出的样方内消融总水量。卡口的分布为 1 号、13 号和 14 号观测导水槽本身的消融高度变化,其余卡口均匀分布于样方之上。试验结果认为:1)在径流场观测期间,表面为积雪,积雪密度变化和积雪存储融水的特点,导致测量到的高度变化,难以计算正确的 ablation 量,进而难以和测量的 melt 进行对比。2)利用激光测距仪测量高度变化,应该优于用尺子人工测量,纠正了人工测量时不垂直的问题。但不同积雪 / 冰川下垫面的穿透性距离,还需要补充更多的实验来确定。3)积雪径流场观测,用雪枕的方法,也许更合适。用测高的方法,只适用于表面为冰面的径流场,不适用于表面为积雪的径流场。
 
径流场实施方案
    (2)七一冰川光谱观测及积雪形态观测
    利用遥感数据分析冰川变化时,通常需要冰川实测数据的验证,但是这种数据非常匮乏。而且以往冰川表面的积雪形态记录往往是测量人工扰动后的雪粒径。本次实验一方面改进了积雪形态的测量方法,另一方面,试图在冰川区域进行微观(显微镜)—单点尺度(光谱仪单点观测)—局部尺度(遥感 Landsat 卫星影像)建立定量数学关系。
    实验设置:在径流场附近区域,建立了固定观测光谱观测点。利用的仪器如下图所示。
 
Field Spec3 光谱仪及 3R 显微镜
    因为光谱测量只能在晴空条件下,因此,在 8 月 28 日—9 月 11 日之间,共有 6 天的冰川表面光谱被记录下来。以 2015 年 8 月 28 日 12 点测量光谱为例,测量的积雪反射率和积雪辐射亮度及积雪表面形态如下图。下一步是与 landsat 卫星多光谱影像进行光谱对比。
 
2015 年 8 月 28 日七一冰川积雪光谱测量及该处积雪形态
 
    3、青藏高原冰川发育野外综合考察
    (1)考察地区
    刘时银研究员课题组于 2015 年 6 月 1 日—5 日对青海唐古拉山各拉丹东地区冰川发育进行了野外综合考察,各拉丹东地区考察冰川面积 2.06 km2。利用花杆采样方式对冰川物质平衡进行监测,采用探地雷达测厚方式测量了冰川厚度,并在冰川发育地区进行 GPS 静态测量和 RTK 测量等方式采集了区域三维坐标信息。
    考察队于 2015 年 6 月 10 日—15 日,对西藏自治区林芝地区波密县念青唐古拉山则普冰川进行野外综合考察,则普冰川面积 76.20 km2。利用花杆采样方式对冰川物质平衡进行监测,在冰川发育地区进行 GPS 静态测量,架设一台自动气象站,采用探地雷达测厚方式测量了冰川厚度。
    2015 年 7 月 4 日—10 日,对西藏自治区拉萨市当雄县念青唐古拉山西段主峰地区卡里干冰川进行了野外综合考察,卡里干冰川面积 1.87 km2。利用花杆采样方式对冰川物质平衡进行监测,采用探地雷达测厚方式测量了冰川厚度,并在冰川发育地区进行 GPS 静态引点和非冰川区 RTK 测量等方式采集了区域三维坐标信息。


    (2)考察内容
    为监测冰川物质平衡变化信息,考察队选取了均匀分布在冰川表面的采样点安置了花杆,并记录了花杆的三维坐标信息。通过不同时期花杆与冰川表面的相对位置信息,可提取冰川表面消融与运动信息,进而对冰川物质平衡及变化进行评估。
    考察队利用 GPS 静态测量与 RTK 测量相结合的方式获取冰川表面高程信息,所采用的仪器为华测 GNSS T5 型 GPS 测量设备。首先,采用 GPS 静态测量的方式与国家测绘控制点联测,获取高精度的地面控制点坐标信息;再以地面控制点为基站采用 RTK 测量的方式对冰川表面高程数据进行采集。同时采用 RTK 测量的方式在非冰川发育区采集了一定数量的检查点三维坐标信息,检查点依据不同需求分布在不同高程、坡度、坡向的区域。所获取的测量点数据集可反映数据获取时期的冰川表面高程信息,而检查点数据可对该区域的其他数据进行参考和评价。
    采集冰川厚度分布信息所采用的仪器为 pulseEKKO PRO 型探地雷达。在数据采集过程中,探地雷达的天线频率为 50MHz,采取间距为 2 m 的平行放置数据采集方式,雷达在冰川内部的传输速率设置为 0.169 m/ns,时间窗口依据探测目标深度在 3960~5360 之间调整,测量点三维坐标采用 Garmin eTrex Vista 手持 GPS 进行定位。
    在西藏波密县念青唐古拉山则普冰川末端架设的自动气象站,包括双层风温湿,辐射通量。
    4、阿拉斯加巴罗站观测
    气候变暖背景下,北极海冰急剧减小。有关北极海冰快速消融的成因一直是国际上关注的热点问题。北极春夏季节转换期是研究北极海冰快速消融的关键窗口期,2015 年 4—6 月,效存德研究员课题组窦挺峰助理研究员与杜志恒博士于 2015 年 4 月 5 日在巴罗站开展了观测与采样,此项工作持续到 6 月 5 日(此时海冰表面积雪所剩无几,且融池大范围生成)。在两个月的野外考察中,我们对海冰表面积雪进行了连续的分层采样并对雪坑不同深度处的密度和含水量进行了观测,获得雪坑厚度、密度、含水量数据 50 余套,获得积雪样品 250 个,海冰冰芯样品 6 根。这批数据为分析大气 - 海冰 - 积雪样品中的吸光性物质提供了基础。此外,利用美国 TISH 公司 TSP 仪器获取大气总悬浮颗粒物样品 8 组,美国 TSI 公司 MOUDI10 级采样器 10 组(110 个样品),这些样品已完成生物活性元素 Fe 及痕量元素测试,这批数据为填补北极地区环境特征提供参考。积雪中 EC/OC 浓度初步分析显示,北极海冰表面吸光性物质浓度变化分为 4 个阶段,在不同阶段吸光性物质对反照率的影响存在显著差异,对海冰消融的贡献也不同。这项研究为深入研究消融期北极海冰表面积雪的变化过程,改进北极海冰变化模拟提供了重要的观测基础。而海冰中生物活性元素Fe及痕量元素结果初步表明:大陆架周围陆源物质的输入与大气干湿沉降是其主要的来源,这为理解该地区Fe的生物地球化学循环提供基础研究。
 
积雪物理参数测定
 
海冰钻取

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