冰冻圈气候环境记录

第1章 绪论 1.1 冰冻圈气候环境记录研究的内容与范畴 冰冻圈是指地球表层连续分布且具有一定厚度的负温圈层，也称为冰雪圈、冰圈或冷圈。冰冻圈的水体应处于冻结状态。冰冻圈在大气圈内位于0℃线高度以上的对流层和平流层内，包括冰晶、冰针、雪花、冰雹等，属于大气冰冻圈；在陆地区域位于低纬高山地区和中高纬度地区，并在地表上下具有数厘米至上千米的厚度（即地表冰雪层和地下冻结岩土层），包括冰川、冻土、积雪、河冰、湖冰等，属于陆地冰冻圈；在海洋区域位于南北两半球的高纬度海洋地区，并在海表上下具有数厘米至上百米的厚度以及在大陆架上有数十米至数百米的厚度，包括海冰、冰架、冰山、海底多年冻土等，属于海洋冰冻圈。冰冻圈的组成要素包括冰川（含冰盖）、冻土（按存在时间包括多年冻土、隔年冻土、季节冻土、短时冻土和瞬时冻土）、积雪、河冰、湖冰、海冰、冰架、冰山以及大气圈对流层和平流层内的冻结状水体等。以上所述是地球冰冻圈的状况。实际上，在其他行星和宇宙空间冰冻圈也是广泛存在的。 冰冻圈气候环境记录是指冰冻圈各介质（即各组成要素或组成部分）中所承载、储存或封存的过去气候和环境变化的所有信息。各种气候和环境信息在冰冻圈各介质中的形成过程，以及利用冰冻圈不同介质对过去气候环境的重建研究，是冰冻圈气候环境记录研究的主要内容。冰冻圈组成部分多、持续时间差异大、时空变化差异大，以及同一气候环境信息在各组分中的代用指标不同，因此冰冻圈气候环境记录研究的范畴十分宽广。基于现代过程研究的各介质中气候环境代用指标（如气温、降水等）的识别、介质定年以及古气候环境变化的定性或定量重建研究等都属于冰冻圈气候环境记录研究的范畴。 冰冻圈中一些组分，如大气中冻结状水体、瞬时冻土、冰山等，由于形成时间短或变化快或流动性强等，一般很少用于长期气候环境变化的重建研究。目前，能够记录或反映长期气候环境变化的介质主要是冰川和多年冻土及其（冰缘）遗迹。利用过去冰缘地貌以及冰川和多年冻土的存在、活动和消亡过程的遗迹来开展古气候环境重建研究，是冰冻圈气候环境记录的传统研究内容。随着分析技术和探测技术的提高，以及冰冻圈不同介质中物理、化学、生物过程研究的深入，新的气候环境代用指标不断涌现，极大地丰富了冰冻圈气候环境记录研究的内容，如利用在冰川上钻取的冰芯不仅可以获得过去气温、降水的变化信息，还可以获得过去大气化学成分、火山活动、太阳活动等的变化信息。另外，处于冰冻圈区域或受冰冻圈变化影响区域的湖泊沉积、海洋沉积、洞穴沉积、泥炭沉积以及古土壤和树轮等，也可以用来揭示冰冻圈区域的气候环境变化过程或指示冰冻圈的变化过程，通常把它们中与冰冻圈环境变化有关的信息研究也纳入冰冻圈气候环境记录研究的范畴（图1-1）。 图1-1 全球冰冻圈组成部分及用于古气候环境重建的主要介质示意图 目前，在冰冻圈气候环境记录研究范畴内的各介质中，只有冰芯能高分辨率、长时间尺度和连续地记录过去气候环境变化的过程（图1-2），而且它的各种指标具有明确的气候环境指示意义。一般情况下，在冰川积累率高的地区所获取的冰芯（如一般山地冰芯和格陵兰冰芯），其时间分辨率很高，可以达到季节时间尺度（即气候环境的季节变化信息也可以反映出来），但其连续记录的年代跨距相对较短（一般为数千年到数万年）；在积累率普遍偏低地区所获取的冰芯（如南极冰芯），尽管其时间分辨率从季节到年际或年代际不等，但其连续记录的年代跨距较长，目前*长的冰芯记录可达到800 ka。冰冻圈区域的树木年轮具有年际分辨率，但其气候环境记录的时间长度一般不超过几千年。冰冻圈区域的泥炭、湖泊等沉积记录所揭示的气候环境变化，其年代跨距较大（可达上万年甚至百万年），但其时间分辨率一般较低（多在年代际甚至世纪时间尺度）。古冰川与古冻土一般可揭示某一极端气候事件或极端气候时期（冷期）的气候和环境状况，尽管通过它们难以重建过去气候和环境的连续变化过程，但它们是冰冻圈变化与气候环境变化*直接的证据，在过去气候环境变化重建研究中是其他气候环境指标无法替代的。 图1-2 冰冻圈不同介质气候环境记录的时间分辨率（a）与年代跨距（b） 1.2 冰冻圈气候环境记录研究的历史与趋势 目前，冰冻圈气候环境记录研究基本上是基于冰冻圈中不同介质独立开展气候环境变化的重建研究，还缺乏在冰冻圈科学系统框架下将各介质中气候环境记录进行系统综合集成研究。因此，本书仅将冰冻圈各介质中气候环境记录的研究历史做简要介绍，同时对冰冻圈气候环境记录研究的未来趋势予以展望。 1.2.1 古冰川与古气候环境研究 古冰川研究起源于欧洲阿尔卑斯山和斯堪的纳维亚半岛地区的冰川漂砾研究。早在18世纪，人们就认为这些漂砾是过去冰川扩张的产物。1835年，德国植物学家 Karl Friedrich Schimper对阿尔卑斯山进行了考察，断定高山上的大漂砾一定是冰川搬运所造成的，并认为地球过去曾存在寒冷气候时期，创造性地提出了冰期（eiszeit）这个专业术语。19世纪30年代，当时著名的动物学家、古生物学家和地质学家美籍瑞士人 Louis Agassiz教授，对冰川研究极为感兴趣。他通过对阿尔卑斯山漂砾和冰川的观测研究，出版了他一生中*重要的冰川学专著《冰川研究》（études sur les glaciers），创造性地提出了终碛、侧碛和中碛等名词，并认为包括瑞士在内的中欧地区在地质时期曾被冰川所覆盖，从此拉开了第四纪冰川研究的序幕。他**个认识到巨大的史前北美湖泊（现在以他的名字命名为 Agassiz湖）是由冰川阻塞所形成的。20世纪初，Albrecht Penck和 Eduard Bruckner根据德国南部阿尔卑斯山冰川沉积，将*近4次大的冰川作用时期分别以阿尔卑斯山4条河流的名字命名，即贡兹（Günz）冰期、民德（Mindel）冰期、里斯（Riss）冰期和武木（Würm）冰期。从此，4次冰期划分模式成为世界各国第四纪冰川研究中冰期划分的样板。之后，随着研究的深入，在阿尔卑斯山又发现了更老的冰期。20世纪中期以后，随着测年技术的发展与提高，第四纪冰川学研究也从相对冰期划分时代走向以技术定年为主要特征的绝对冰期划分时代。同时，随着古雪线高度研究方法的提出，古冰川与环境研究也走向古气候环境准定量重建研究的时代。 我国第四纪冰川研究起步相对较晚。20世纪20年代，李四光先生开始对中国东部第四纪冰川进行研究，并在20世纪20年代完成了《冰期之庐山》一书。在该书中，按照西方国家第四纪冰川研究中关于冰期划分的框架，对我国东部第四纪冰川作用进行了划分。从20世纪50年代末开始，施雅风等老一辈冰川学家开始对我国西部第四纪冰川与现代冰川进行研究。通过他们几十年的研究工作积累，基本查清青藏高原及周边山地第四纪冰川的分布特征与演化序列，揭示了高原隆升与冰期气候耦合是本区冰川发育的主因之一；绘制了末次冰期*盛期（last glacial maximum，LGM）我国西部雪线高度分布图；建立了现代冰川平衡线高度与气候要素之间的定量关系；据此关系以及冰期时的气候特征，并结合冰川地貌特征，认为我国东部（105°E以东）的贺兰山、太白山、长白山和台湾中央山等个别海拔超过2500 m a. s. l.①的中高山地在晚更新世以来曾有冰川发育。目前，我国第四纪冰川测年技术也得到了长足的发展，极大地提升和促进了我国古冰川与古环境重建研究的水平和成果的影响力。 1.2.2 冰芯气候环境记录研究 19世纪中期，冰川学家们就开始在瑞士阿尔卑斯山冰川上进行冰川机械钻探工作，其目的是了解冰川的厚度及其内部结构。直到1950年，科学家才在格陵兰冰盖和阿拉斯加温冰川上钻取了三根超过100 m的深冰芯（格陵兰 Camp Ⅵ：126 m；格陵兰 Station Centrale：150 m；阿拉斯加 Taku温冰川：100 m），然而那时冰芯的研究内容局限在其物理特征方面。同时，在20世纪50年代初期，科学家通过对自然界各种水体中氧稳定同位素的研究，发现降水中18O/16O比率和大气过程（尤其是降水发生时的凝结温度、水汽来源和降水云系的历史）有着密切关系，并且这种关系不因降水形式的不同（降雨或降雪）而发生变化。丹麦古气候学家 Willi Dansgaard首先将氧稳定同位素比率可以反映气温的思想应用于冰川学研究中，发现粒雪层中氧稳定同位素比率变化与雪层层位特征及气温季节变化具有很好的一致性。于是，提出在极地冰盖钻取连续冰芯以重建古气候环境的设想。在美国科学家 Henri Bader的领导下，美国军方雪冰与多年冻土研究基地（US Army Snow， Ice and Permafrost Research Establishment，即 SIPRE，现名为美国陆军寒区研究与工程实验室， US Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory，即 CRREL）于1956年与1957年夏季在格陵兰 Site 2开展了深孔冰芯钻取计划。1966年，**支穿透格陵兰冰层的透底冰芯在 Camp Century地点获得，长度为1387 m，Willi Dansgaard利用该冰芯首次高分辨率地重建了末次冰期以来气候变化的冰芯记录。时隔两年，**支穿透南极冰层的透底冰芯在 Bryd站获得，长度为2164 m。从此，南北极冰芯气候环境记录研究蓬勃开展。 随着两极冰盖冰芯和极区冰帽冰芯古气候环境记录的恢复，科学家们意识到要正确理解这些高纬度冰芯记录的气候环境变化以及两极冰芯记录之间的联系，必须在中低纬度建立高分辨率的气候环境记录。于是美国科学家 Lonnie G. Thompson在20世纪70年代中期提出了开展中低纬度山地冰芯研究的构想。与极地冰川不同，中低纬度冰川往往由于消融，其冰雪中的气候环境记录受到影响，因此选择理想的冰川是开展山地冰芯研究的关键。1974年夏季，美国俄亥俄州立大学极地研究所（现名为伯德极地与气候研究中心）Lonnie G. Thompson教授开始对秘鲁的 Quelccaya冰帽进行调查研究。随后在1976年、1977年和1978年连续三年对该冰帽进行了雪坑和浅冰芯研究，结果发现 Quelccaya冰帽适合开展冰芯研究，并于1983年在该冰帽上钻取了164 m的透底冰芯，根据该冰芯重建了南美热带地区近1500年以来的降水变化历史，刷新了人们对中低纬度山地冰芯研究的认识。几乎在美国俄亥俄州立大学开展 Quelccaya冰帽冰芯调查研究的同时，瑞士提出了阿尔卑斯山地冰芯计划，旨在揭示人类活动对于环境的影响，以及揭示消融对于冰雪气候环境记录的影响和冰雪中氢、氧稳定同位素比率与气象要素的关系，并于1976年和1977年在瑞士阿尔卑斯山的 Colle Gnifetti钻取了四根冰芯。自此以来，山地冰芯研究便在南美、北美和欧亚大陆等广大中低纬度地区蓬勃开展起来。我国山地冰芯研究从20世纪80年代中后期开始，虽然起步较晚，但已取得了长足的进展。1992年在西昆仑山古里雅冰帽上获得了长309 m的冰芯，该冰芯至今仍是中低纬度所获得的长度*长、年代跨距*大的冰芯。 冰芯不但记录着过去气候环境各种参数（如气温、降水、大气化学与大气环流等）的变化，而且也记录着影响气候环境变化的各种驱动因子（如太阳活动、火山活动和温室气体含量等）的变化。同时，冰芯还记录了人类活动对气候环境的影响。冰芯研究已对过去全球变化研究做出了重大贡献，主要表现在过去800 ka以来地球气候以及大气中的温室气体（CH4和 CO2等）含量变化都存在地球轨道参数变化的周期，末次冰期气候存在明显的突变特征，末次冰消期南北极气候变化之间存在“跷跷板”效应，冰芯中10Be浓度记录了过去太阳活动的变化信息，重建了历史时期的火山活动信息，揭示了人类活动对环境的污染，等等。 1.2.3 冻土与环境研究 早在20世纪初