姚檀棟

　　（中國科學院寒區旱區環境與工程研究所冰芯與寒區環境開放研究實驗室）

人類要提高對於氣候環境未來變化的預測能力，其關鍵就是要對於過去氣候環境演化的規律和原因要有充分的認識和理解。開始於20世紀50年代末期的冰芯研究，隨著其研究程度的深入，人們發現冰芯不僅分辨率高、記錄時間尺度長，而且包含的信息量相當大。通過冰芯不僅可以揭示過去氣溫、降水、大氣化學、大氣環流強度、火山噴發、大氣塵埃含量、沙漠演化、植被演替、太陽活動等自然變化過程，而且可以揭示人類活動對於氣候環境影響的各種信息。

過去冰芯研究主要集中在極地地區，20世紀70年代末中低緯度山地冰芯研究才開始興起。由於中低緯度山地冰芯記錄對於全球氣候環境變化機制解釋的重要性，目前已受到地球科學家們的高度重視。在國家自然科學基金的大力支持下，我們開展了青藏高原冰芯記錄及其相關現代過程的研究，通過冰芯對於青藏高原地區過去氣候環境變化的研究，取得了一些新的認識。主要表現在有以下幾個方面：

1、確立了降水中δ¹⁸O的氣候學意義

對於青藏高原面上大範圍內大氣降水中δ¹⁸O的研究，發現唐古拉山是一條重要分界線，在其南部，主要受溫度變化的影響，並建立了青藏高原北部大氣降水中δ¹⁸O與溫度的定量模型，溫度變化1oC,δ¹⁸O變化0.6‰。據此對於高原北部冰芯中δ¹⁸O記錄中一些重要事件的氣溫變化程度進行了估計，如古裏雅冰芯中的5e事件，當時氣溫比現今高出約5oC（那時全球平均氣溫比現今高出僅2-3oC）。

2、揭示出高原大氣塵埃含量的區域差異

確立了高原地區冰雪中Ca²⁺、Mg²⁺含量是大氣塵埃含量的替代指標，發現以唐古拉山為界，青藏高原南、北部大氣塵埃含量有重大差異：唐古拉山以南，大氣含塵量低；唐古拉山以北，大氣含塵量高。

3、揭示出高原冰芯記錄與極地冰芯記錄的遙相關關係

通過青藏高原冰芯記錄研究，揭示出大氣塵埃與氣候變化有著密切關係：冷期大氣塵埃高，暖期大氣塵埃少。同時發現了高原冰芯中塵埃含量與北極冰芯中的遙相關關係，這説明這兩個相距遙遠的地區可能存在一個共同的塵埃源區——包括青藏高原在內的中亞幹寒地區，並且西風環流是連接這些記錄之間關係的紐帶。

4、發現在冰期、間冰期時間尺度上青藏高原氣候表現出降溫過程迅速、升溫過程緩慢的特徵

取自青藏高原西崑崙山的古裏雅309米冰芯，其年代跨距達70多萬年。目前已恢復了該冰芯末次間冰期以來的氣候環境記錄，在這一段冰芯的δ¹⁸O記錄中，可劃分出與深海氧同位素變化特徵相一致的5個階段，階段5又可分出a、b、c、d和e 5個階段，末次冰期時存在明顯的D-O循環。將其與南、北極冰芯記錄的對比，揭示出全球大的冷暖變化事件具有相對一致性，然而青藏高原冰芯記錄的氣候變化幅度要比兩極地區大，並且具有降溫過程迅速、升溫過程緩慢的特徵。其原因很可能是在間冰期（段）向冰期（段）的轉換時期，高原積雪面積迅速擴大、持續時間較長，反射率增大引起強烈降溫，而在冰期（段）向間冰期（段）的轉換時期，高原冰雪消融及海洋大的熱容量造成升溫緩慢。

古裏雅冰芯記錄還表明，在深海氧同位素3階段時期高原不同於極地地區的氣候狀況，以異常溫暖為特徵，這一發現得到了高原湖泊及孢粉資料的支持。末次間冰期以來古裏雅冰芯中δ¹⁸O所指示的溫度變化和由地球軌道參數變化所導致的太陽輻射變化之間也存在密切的關係，但太陽輻射變化超前于該冰芯中δ¹⁸O變化，這些表明太陽活動是高原氣候變化的主要驅動因子。

5、揭示出青藏高原地區氣候的突變事件

通過對古裏雅冰芯和格陵蘭GRIP冰芯的對比研究，揭示出末次期內氣候大的冷暖波動具有相對一致性，然而古裏雅冰芯記錄的氣候變化事件的時間要早、幅度要大（冰階-間冰階尺度上的氣溫變幅，古裏雅比格陵蘭大3oC），而且轉化比較迅速，一般在幾十年內完成。對於距今18-35ka時古裏雅冰芯氣候記錄的深入研究發現，氣候變化表現出200a左右的循環，溫度變化在3oC以內的升、降溫事件多達100多次，其中溫度超過7oC的升溫事件22次，超過7oC的降溫事件20次。

6、揭示出印度季風演化和ENSO信息

研究發現希夏邦馬達索普冰芯的凈積累量變化與印度季風降水量變化具有很好的對應關係，反映了該冰芯中凈積累量是揭示印度季風演化的良好指標，並已恢復了小冰期以來印度季風降水的變化過程。對於古裏雅冰芯記錄的凈積累量變化的進一步深入研究，發現其間存在著顯著的ENSO信息。進一步的研究認為，印度季風可能是連接青藏高原冰芯中凈積累量變化與ENSO關聯的主要紐帶。

7、開展了青藏高原地區冰芯中溫室氣體記錄的研究

近年來，在中低緯度山地冰川鑽取了大量的冰芯，也取得了豐富的氣候環境資料，但在氣體的提取分析上沒有一支冰芯獲得邊疆的甲烷記錄，原因在於這些冰川的成冰溫度較高，在氣泡封閉過程中氣體的體積百分比受到影響。達索普冰川位於低緯度（28o23'N）高海拔（7000m），成冰過程與極地冰蓋相似，氣泡中的氣體得到很好的保護，是迄今為止，所能提供連續的甲烷記錄的唯一的低緯度冰芯。通過該冰芯記錄，首次揭示中低緯度大氣CH₄濃度的過去變化。發現：（1）工業革命以前，達索普冰芯記錄的甲烷濃度的平均含量為800ppbv，與南極及格陵蘭同時代的樣品相比，比二者分別高出約150和100ppbv；（2）達索普冰芯甲烷顯示出1850年以來的急劇上升趨勢，在過去150年內上升了1倍以上；（3）20世紀兩次大戰期間，人類活動引起的甲烷排放呈負增長現象；（4）小冰期期間，達索普冰芯記錄了極低的甲烷含量，在最冷時段甚至比南極冰芯記錄要低；（5）達索普冰芯甲烷記錄波動性較強，但與δ¹⁸O具有相當一致的變化趨勢，能靈敏地反映氣溫的變化。達索普冰芯的甲烷記錄表明，熱帶濕地甲烷的釋放在全球甲烷源的分佈上佔相當的比例。該冰芯甲烷記錄與氣溫變化的一致性説明，高的甲烷從南亞注入與夏季風的強化有關。

8、揭示出人類活動對於環境的影響

由於含鉛汽油的使用，在偏遠地區的冰雪中會記錄到人類活動的這一影響。亞洲季風區大多是發展中國家，並且居住著世界上近一半的人口，近幾十年來工業化的發展速度較快，尤其是汽車的使用在迅猛增加，導致了大氣中鉛含量的增加。這一過程在達索普冰芯中具有明顯的記錄。

目前已在達索普冰雪中鑒定出1200多種有機化合物，包括nC₁₅—nC₃₂正構烷烴、姥鮫烷和植烷、C₁₉—C₂₉長鏈三環萜、C ₂₄四環萜、C₂₇-C₃₅的藿烷系列、C₂₇-C₂₉甾烷、螢蒽、芘、北、苯並[e]芘、C₆-C₁₈正脂肪酸、C₂₄-C₃₂酮和酯。在這些化合物中，部分正構烷烴、正脂肪酸、酮和脂來源於海洋低等生物和陸源高等植物；而部分正構烷烴、類異戊二烯烴、長鏈三環萜、四環萜、五環萜、甾烷和多環芒烴來源於石油殘余物，這些石油殘余物與世界上産油量最高的海灣地區的原油及印度半島的車輛尾氣有關，充分顯示了地處偏遠地區的希夏邦馬峰區已受到人類活動的污染。