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青藏高原冰冻圈吸光性杂质及其影响研究取得新进展

时间:  2017-09-24 08:01  点击:  
  大气中吸光性气溶胶(主要为黑碳、棕碳、矿物粉尘等)对太阳辐射具有强烈的吸收作用,能够加热大气层,导致区域和全球变暖,加剧冰冻圈消融。例如,黑碳气溶胶的增温效应可能仅次于温室气体。当吸光性气溶胶通过干、湿沉降到冰冻圈(如冰川、积雪、海冰等)后,能够降低雪冰表面的反照率,加大雪冰对太阳辐射的吸收,进一步加速冰冻圈消融,并对区域气候和水循环带来影响。雪冰中吸光性杂质也被认为是近期青藏高原冰冻圈加速消融的重要因素之一,但其影响程度和空间差异没有被很好的阐述。过去5年来,中国科学院西北生态环境资源研究院(筹)冰冻圈科学国家重点实验室、青藏高原地球科学卓越创新中心康世昌团队开展了一系列观测研究,详细分析了青藏高原典型冰川和积雪区(图1)吸光性杂质的含量分布及其对反照率的影响,并评估了对冰川和积雪消融的贡献量。
 
  研究发现,青藏高原中、南部小冬克玛底冰川、扎当冰川、藏东南冰川和玉龙雪山白水1号冰川新降雪中黑碳的平均浓度(基于热光法测得)分别为42 ng g–1、52 ng g–1,57 ng g–1和41 ng g–1。当冰川发生消融时,黑碳在冰川表层富集,其浓度可以高出1–2个数量级(图2)。黑碳在不同类型雪冰中含量的差异,特别是冰川消融区粒雪(粒雪冰)中含量普遍高于雪坑/新雪含量,更新了我们对于同一条冰川不同区域表层雪中黑碳含量分布的认识,为评估黑碳对雪冰反照率以及消融的影响提供了新思路。
 
  天山(科其喀尔冰川)以及高原北部地区(老虎沟12号冰川),冰川中黑碳和粉尘对反照率降低的贡献显著,总计可达40%以上,导致的瞬时辐射强迫可达100 W m–2以上(图3)。高原中部地区(小冬克玛底冰川),新雪中黑碳和粉尘对反照率降低的贡献总计约为8%,总辐射强迫约为7 W m–2,但老雪(粒雪)和裸冰中黑碳和粉尘对反照率降低的贡献分别达到52%和25%,总辐射强迫可达97 W m–2。藏东南4条冰川上,新雪中黑碳对反照率降低的贡献约为5%;老雪中黑碳的贡献可达20%,粉尘则为10%;黑碳和粉尘导致的总辐射强迫约为4.8–160 W m–2;藏东南4条冰川老雪中黑碳和粉尘对冰川消融量的贡献可达15%(约为350 mm w.e.),对新雪而言,其贡献率小于5%。此外,玉龙雪山白水1号冰川中黑碳对反照率降低的贡献约为15%,导致的辐射强迫可达145 W m–2。总体上,在青藏高原不同区域,黑碳对冰川反照率降低的贡献高于粉尘。
 
  青藏高原积雪中吸光性杂质含量水平与积雪类型有关,在高原中部以及北部边缘地区呈高值,其来源与距离黑碳和粉尘排放源区和传输途径相关,高原南部积雪中黑碳更多的受到生物质排放的影响,而高原北部则主要受到化石燃料燃烧的影响。积雪中黑碳和粉尘对反照率降低的贡献分别约为37%和15%,导致的总辐射强迫可达32 W m–2,积雪期减少约3.1-4.4天。
  青藏高原不同区域吸光性杂质对冰冻圈消融的影响程度有差异,而随着人类排放黑碳等污染物的增加和冰川本身消融导致的黑碳和粉尘的不断富集,未来雪冰中吸光性杂质增加,将进一步加速了冰冻圈的消融。为了减缓冰冻圈的萎缩,全球和区域协同减排势在必行。
 
  上述研究成果发表在Journal of Geophysical Research、Science of the Total Environment、Atmospheric Research、The Cryosphere Discussion等国际期刊,得到国家自然科学基金项目(41421061,41225002)、中科院重点部署项目(KJZD-EW-G03-04)和冰冻圈科学国家重点实验室等的资助。
 
图1 青藏高原典型冰川(左)和积雪区(右)监测点分布图
 
图2 青藏高原冰川中吸光性杂质的分布: 黑碳(ng g-1)(左)和粉尘(µg g-1)
 
图3 天山科其喀尔冰川(左)、高原中部小冬克玛底冰川(中)、藏东南4条冰川(右)雪冰中吸光性黑碳和粉尘对反照率降低以及辐射强迫的影响
 
图4 青藏高原积雪中吸光性杂质分布(左)及对反照率降低和辐射强迫的影响(右)
 
相关研究论文链接:
 
1. Li X. F., S. Kang*, X. He, B. Qu, L. Tripathee, Z. Jing, R. Paudyal, Y. Li, Y. Zhang, F. Yan, G. Li, C. Li. 2017. Light-absorbing impurities accelerate glacier melt in the Central Tibetan Plateau. Science of the Total Environment, 587-588: 482-490. Doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.02.169. (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969717304187)
 
2. Niu H., S. Kang*, X. Shi, R. Paudyal, Y. He, G. Li, S. Wang, T. Pu, X. Shi, 2017. In-situ measurements of light-absorbing impurities in snow of glacier on Mt. Yulong and implications for radiative forcing estimates. Science of the Total Environment. 581-582: 848-856. Doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.01.032. (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969717300323)
 
3. Niu H., S. Kang*, Y. Zhang, X. Y. Shi, X. F. Shi, S. Wang, G. Li, X. Yan, T. Pu, Y. He. 2017. Distribution of light-absorbing impurities in snow of glacier on Mt. Yulong, southeastern Tibetan Plateau. Atmospheric Research, Doi: 10.1016/j.atmosres.2017.07.004. (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169809517303836)
 
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5. Zhang Y. L., S. Kang*, C. Li, T. Gao, Z. Cong, M. Sprenger, Y. Liu, X. Li, J. Guo, M. Sillanpää, K. Wang, J. Chen, Y. Li, S. Sun. 2017. Characteristics of black carbon in snow from Laohugou No. 12 glacier on the northern Tibetan Plateau. Science of the Total Environment: 607-608: 1237-1249. Doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.07.100. (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969717318016)
 
6. Zhang Y.L., S. Kang*, M. Xu., M. Sprenger, T. Gao, Z. Cong, C. Li, J. Guo, Z. Xu, Y. Li, G. Li, X. Li, Y. Liu, H. Han. 2017. Light-absorbing impurities on Keqikaer Glacier in western Tien Shan: concentrations and potential impact on albedo reduction. Sciences in Cold and Arid Regions, 9(2): 97-111. Doi: 10.3724/SP.J.1226.2017.00097. (http://d.wanfangdata.com.cn/periodical/hhqkx-e201702002)
 
7. Zhang Y.L., S. Kang*, M. Sprenger, Z. Cong, T. Gao, C. Li, S. Tao, X. Li, X. Zhong, M. Xu, W. Meng, M. Sillanpää, 2017. Black carbon and mineral dust in snow cover over the Third Pole. The Cryosphere Discuss., doi:10.5194/tc-2017-111. (https://doi.org/10.5194/tc-2017-111)
 

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