年层自动识别方法在青藏高原冰芯定年中的应用

冰芯是重建过去气候环境变化的良好载体,高时间分辨率冰芯信息的提取依赖于冰芯准确定年。本文结合人工定年与基于隐马尔科夫模型的年层自动识别算法,在青藏高原的作求普冰芯、达索普冰芯和阿尼玛卿冰芯上进行了测试、验证与分析。在约束参考层、同步其他冰芯记录及审核复盘时,该方法在一定程度上减少了人工逐层识别的时间,并能通过算法自动推断年层所在位置及提供误差范围。首先,由人工提供一套基础定年模板及约束点,随后基于算法学习模板,计算冰芯代理变量的准周期性的循环,找到目标段落并探究其年层存在的可能性,通过前向-后向算法寻找所有可能的年层点位,并通过最大似然法从中选出最优解。在年层自动识别算法辅助下的作求普、达索普冰芯上部δ^(18)O定年结果与已知年表的累计误差小于2 a(3%),具有较好的一致性。进一步将此方法应用于阿尼玛卿冰芯上部的定年,得出该算法与人工定年在e_(1)[2.07,4.47]、e_(2)[8.31,9.71]部分存在1~2 a的差异。再经污化层校正,冰芯56.48 m处的定年结果为74 a,误差范围±3 a。本文设计的方法结合了人工判定年层的优势与算法的标准化分层处理能力,降低了在年代校正过程中的人工参与,可为未来青藏高原地区高分辨率冰芯数年层方法定年的误差量化研究提供科学参考。

青藏高原南部宁金岗桑冰芯可溶性离子记录的环境信息

2007年在青藏高原南部宁金岗桑冰川积累区钻取了一支长55 m的透底冰芯,其年层跨度为1864−2006年.利用正交经验函数分解(EOF)和大气环流场分析等方法对冰芯中可溶性离子(Ca^(2+)、NH_(4)^(+)、Na^(+)、Mg^(2+)、K^(+)、NO_(3)^(-)、SO_(4)^(2-)、Cl^(−))的变化特征和来源进行了研究.结果显示:宁金岗桑冰芯可溶性离子质量浓度变化高度一致,南亚北部干旱、半干旱区的陆地矿物粉尘是冰芯中可溶性离子的主要来源,其变化受西风环流强弱控制;1864−1922和1950−1970年期间,冰芯离子质量浓度较高,与北半球气候寒冷期和较强的西风环流相对应.在冰芯涵盖时段内,冰芯离子质量浓度总体呈减小趋势,显示西风环流整体减弱.

基于单颗粒黑碳光度计(SP2)方法的青藏高原冰芯黑碳记录研究

青藏高原冰川蕴含了丰富的历史环境变化信息。通过青藏高原冰芯钻取及环境指标分析,可在季节至万年时间尺度上重建高分辨率环境变化历史。黑碳气溶胶来源于生物和化石燃料燃烧排放,对光具有强烈的吸收作用,是气候环境变化的敏感因子之一。准确测量冰芯中的黑碳粒子浓度,是恢复其排放历史、评估其气候环境效应的必要手段。单颗粒黑碳光度计(Single Particle Soot Photometer,SP2)是近些年发展起来的用于雪冰样品中黑碳测量的主要方法之一,能够获得准确的黑碳浓度信息。近10年来,实验室开展了大量的冰芯黑碳样品测量,从野外冰芯钻取、样品前处理、仪器原理及测试、黑碳数据处理等全过程对SP2在青藏高原冰芯黑碳研究中的应用与问题进行了全面系统的阐述。同时,将SP2与热光学(Thermal-optical method)等测试方法进行对比,强调了SP2对冰芯黑碳样品研究的可靠性,并对未来黑碳研究的进一步发展作出了展望。

冰芯包裹气体的稳定同位素和气体比值的高精度测量方法与校正

冰芯包裹气的稳定同位素和气体比值不仅可用于冰芯定年,也是反演古代大气组成及气候变化的重要指标,准确重建历史时期的气候信息对包裹气体同位素组成的测量精度和准确性有很高的要求。本文系统描述了冰芯包裹气体在实验室真空管线上提取、纯化,并在同位素质谱仪上测量的流程,详细介绍了氧、氮稳定同位素及其气体比值的校正方法。冰芯包裹气的稳定同位素和气体比值易受到多种过程的干扰,如现代大气污染、质谱仪的稳定性、气体比值不同引起的质量干扰等。针对以上问题,本研究在高真空条件下处理冰芯样品,利用零点校正检测仪器的稳定性,进行化学斜率校正消除气体比值不同对同位素值造成的质量干扰,并最终将所有数据以现代空气为标样进行均一化校正。经校正后的空气标样的氧、氮同位素值(δ^(18)O、δ^(15)N)和气体比值(δO_(2)/N_(2)、δAr/N_(2))的外部精度分别为±0.043‰、±0.044‰、±0.7‰和±0.7‰。本研究重点强调了化学斜率校正对氧、氮同位素值的影响,综合2020年1月—2022年10月期间3次离子源更换后的化学斜率数据表明,δ^(18)O-δN_(2)/O_(2)和δ^(15)N-δO_(2)/N_(2)的化学斜率量级范围分别为10^(-5)~10^(-3)和10^(-4)~10^(-3)。样品气体比值不同对氧、氮同位素值造成的干扰不容忽视,必须予以校正。基于本文描述的方法,成功实现了青藏高原崇测冰芯包裹气体同位素的高精度测量。经过校正后,崇测冰芯顶部200 m样品的冰芯包裹气δ^(18)O合并标准误差为±0.009‰,说明本文所描述的冰芯包裹气体的测量及数据校正方法具有可行性,对于未来青藏高原及南极冰芯的包裹气研究具有一定的应用前景。

古里雅冰芯中生物有机酸的初步分析

甲酸、乙酸是全球对流层中普遍存在的化学成分，它们对偏远地区降水中的酸度有很大影响，降水中存在的甲酸、乙酸必然会在冰川和冰盖中保存下来．然而，目前很少有文章报道山地冰川中甲酸、乙酸的测定结果及环境意义．我们用离子色谱法测定了古里雅上部５ｍ冰芯中甲酸、乙酸的浓度，结果显示，甲酸、乙酸具有明显的季节变化，峰值一般对应于夏季层位，说明甲酸、乙酸的来源不同于阳离子，粉尘不是其主要来源．将甲酸、乙酸的记录与冰芯中δ１８Ｏ和阳离子的记录对比，得出甲酸具有较敏感的气候指示意义．

NEEM计划2537.36m透底深冰芯的钻取与成果概述

NEEM(格陵兰北部Eemian冰芯钻取)计划是目前最重要的国际冰芯研究计划,来自14个国家超过300名的科学家参与,目标是获得130～115ka BP甚至更古老的Eemian间冰期的透底冰芯和气候信息;此冰芯长达2 537.36m,最后2m冰芯含有数十万年的基岩和其他物质.介绍了NEEM计划深冰芯的钻取背景和NEEM计划概况,以及NEEM计划获取的成果,并详述我国科学家在2010年度深冰芯钻取过程中取得的认识.

近2000年来气候环境变化的冰芯记录研究

文章通过对古里雅冰芯中δ１８Ｏ、冰川积累量和Ｃａ等指标的研究，恢复了过去近２０００ａ来气候环境的变化。作为温度指标的δ１８Ｏ反映了过去近２０００ａ来气候在冷暖波动中逐渐变暖的趋势。作为降水指标的冰川积累量反映出降水变化具有和温度变化相似的特征，即降水在增减波动中显示出逐渐增大的趋势。与温度升高和降水增大的趋势相反，冰芯中的Ｃａ含量呈现明显的减少趋势，说明大气中尘埃含量随气候的变暖逐渐减少。这和我们研究中所得出的冷期时大气尘埃增加。

近1500年来古里雅冰芯中NO^3_-浓度变化及其环境意义

文章综合分析了古里雅冰芯中ＮＯ－３的各种可能来源，并认为太阳活动、平流层Ｎ２Ｏ的氧化和陆源气团是其主要来源．在近１５００ａ来的ＮＯ－３浓度变化中，存在明显的２３３ａ，８８１ａ，３０ａ，５５ａ和１０４ａ周期，其中２３３ａ，８８１ａ，５５ａ和１０４ａ周期分别与太阳活动的海尔周期、世纪周期、双振动周期和黑子周期相接近或一致，而３０ａ周期与中亚湖泊水位的变化周期相接近．太阳活动是古里雅冰芯中ＮＯ－３浓度变化的主要控制因子，两者的长期变化趋势呈现明显的正相关关系．太阳活动的蒙德尔极小期、施珀雷尔极小期、中世纪极大期和中世纪极小期，在近１５００ａ来该冰芯的ＮＯ－３浓度变化曲线上均有表现．交叉谱分析表明，太阳黑子活动和该冰芯中ＮＯ－３浓度的１１ａ周期变化位相不一致，ＮＯ－３浓度变化滞后于太阳黑子相对数变化约１５ａ左右．

1954年以来珠穆朗玛峰地区两支冰芯记录的对比分析

根据珠穆朗玛峰 (以下简称珠峰 )地区远东绒布冰川和东绒布冰川两支冰芯记录的恢复 ,195 4年以来的冰川净积累量相差达 1倍以上 ,但两支冰芯记录均表明 :2 0世纪 6 0年代冰川净积累量出现急剧减少现象 ,印度季风系统的突变可能是造成冰川净积累量变化的主要原因 .两支冰芯δ18O剖面的总体变化趋势基本相同 ,但研究时段内远东绒布冰芯的δ18O平均值比东绒布冰芯的相应值低 3 12‰ ,其原因有待进一步研究 .两支冰芯的主要离子浓度剖面之间也存在较明显的差异 。

4000m DISC深冰芯钻机概述

深冰芯钻探(Deep Ice Sheet Coring,DISC)钻机是美国冰芯钻探服务中心(ICDS)开发研制的一款机电钻机,设计取芯直径122mm,钻取深度4 000m.该系统由两部分组成,包括机械钻进系统和地面支撑系统.其中,机械钻进系统由钻机、电缆、钻塔和绞车四部分组成,钻机是该系统的钻探部分,由6个不同部件(刀盘、芯管、筛管、电机/水泵、钻机控制板和顶端)组成;地面支撑系统包括电源、控制系统、冰芯处理系统、钻井液处理系统、筛管清洗系统、辅助设备以及安全设备设施.2006年夏季ICDS在格陵兰Summit营地对该套钻机系统进行了成功试验,2011年12月31日在西南极冰原(WAIS Divide)成功获取3 405m深度的冰芯.实践证明,该套钻机能够满足目前钻探项目的科学需求.但是,在西南极冰原主冰孔不同深度钻取同深度副冰孔冰芯的过程中,钻刀无法在主冰孔壁上侧向钻取新的冰芯孔,未能如期获取复制的冰芯样品.

现代环境事件的冰芯记录

1997年 9月 ,在喜马拉雅山中段希夏邦马峰北坡达索普冰川海拔 70 0 0m冰雪平台钻取 14m冰芯一支 .1990年以来冰芯中主要离子浓度的变化表明 ,现代环境事件在达索普冰川雪冰中有一定的记录 .已有的证据表明 1991年达索普冰芯中SO4 2 -浓度的最高值最大可能是由海湾战争引发的 1991年春季科威特油井燃烧污染物所致 .冰芯中陆源离子 (如Ca2 + 和SO4 2 -等 )记录与我国西北地区春季沙尘暴具有某些相关性 ,其逐年变化趋势与新疆

基于微粒变化对崇测冰帽浅层冰芯的定年结果

冰芯年代学的建立, 对于稳定同位素定年方法失效的钻点尤为困难. 依据粒径在0.66～1.33μm之间的不可溶尘埃微粒的浓度垂向分布, 并结合阳离子Ca2+的浓度剖面变化, 实现了对崇测冰帽冰芯浅层的断代. 该冰芯钻自海拔6 532 m的冰穹顶部, 解析的18.7 m冰芯长度占到钻点冰层深度约2/5, 辅助的定年参数包括钻点表层5 a的实测净积累率和大气核试验的地层标志. 综合各种技巧定年, 崇测冰帽该冰芯覆盖的记录年代为1902-1992年, 最底部累积误差在±2 a(约为2%).

一款可获取大直径冰芯的钻机——蓝冰钻

蓝冰钻(BID,Blue Ice Drill)是一款大直径、便携式钻机系统,由美国麦迪逊-威斯康辛大学冰钻设计与操作团队研发,可以从近地面的钻点快速获取直径241 mm、无污染的冰芯样品.蓝冰钻的主要组成部分如下:1)下井电机/齿轮减速器:带动冰芯钻刀和外管内的芯管旋转,以便高效运送切割下来的固态冰;2)变频驱动器及配套的控制箱,管理钻机的输入电源;3)安装在反扭杆两侧的把手,在地面以上时起到反扭作用;4)冰芯回收工具:回收冰芯不是通过钻头上的卡刀,而是由独立的冰芯回收工具完成;5)其他附属设备:所有的下井设备通过在绞车上运行的绳索,悬挂在一个可折叠的三脚架上.蓝冰钻系统最少可由两个人操作,并已成功在南极Taylor冰川蓝冰区完成两个工作季.本款钻机系统的升级版本——深蓝冰钻(BID-Deep),目前已经完成设计,获取冰芯深度可至200 m.

青藏高原西部阿汝冰芯记录的近100 a气温变化研究

以2017年9月钻取自青藏高原西部阿汝冰崩区长度55.29m的阿汝冰芯为研究对象,通过冰芯δ18O记录与Nye模型重建了冰芯上部17.87m的时间序列是1917—2016年。结合冰芯邻近的改则、狮泉河气象站1973—2016年夏季平均气温数据,通过相关性分析及线性回归法、Mann-Kendall(M-K)检验分析,发现冰芯与气象站记录的过去44年气温显著升高;根据M-K突变检验得出,20世纪80年代是气温变化由高—低—高的转折时期,且阿汝冰芯记录的突变年份1981年前后气温上升约1.97℃。同样地,采用线性回归法、M-K检验分析阿汝冰芯与邻近的古里雅冰芯共同记录的1917—1991年气温变化情况,发现两支冰芯记录的75年间气温变化总体呈上升趋势;根据M-K突变检验得出,升温始于20世纪30年代中后期并于50年代达到显著升温的趋势,且阿汝冰芯记录的突变年份1949年前后气温上升了约1.1℃。阿汝冰芯与气象站和古里雅冰芯记录的气温变化具有一致的升温趋势,但阿汝冰芯记录的增温幅度比气象站记录高,同时比古里雅冰芯记录的增温幅度小。

冰芯与其它记录所揭示的中国全新世大暖期变化特征

冰芯、孢粉、黄土、湖泊和海平面变化记录揭示出 ,在全新世时 ,我国曾发生过多次气候冷暖波动事件 ,其中最重要的事件是全新世大暖期 .由于青藏高原的存在 ,造成了中亚地区大气环流的改变 ,形成了中国大陆复杂的气候条件和独特的季风气候 ,从而导致全国各地大暖期在起讫时间、变化幅度和持续时间上都存在着较大的差异 .中国西部高海拔地区大暖期起讫时间较早、持续时间较短、变化幅度较大 ;反之 ,在中国东部 ,大暖期起讫时间较晚、持续时间较长、变化幅度较小 ,反映出西部高海拔区域对气候变化的响应度和敏感度都比东部低海拔区域强 .此外 ,不同区域的冰芯记录也有差异 ,古里雅冰芯记录反映了全球气候变化的趋势 ,而敦德冰芯记录则与我国季风气候变化的趋势比较接近 .

青藏高原水汽输送与冰芯中稳定同位素记录

降水中稳定同位素作为水中的组成成分,与水汽来源的变化存在直接的关系。根据在青藏高原降水中稳定同位素的研究,青藏高原南北降水中1δ8O和过量氘(d)都存在着显著的空间变化,这种空间变化与西南季风夏季向北推进的位置有关。在时间变化上,青藏高原不同地区降水中1δ8O和d的季节变化特征也与水汽来源的季节变化有关,而且这种季节变化主要受控于西南季风水汽与西风带输送水汽之间的相互作用,在中国最北端的阿尔泰山区还受到极地气团的影响。由于不同的大气环流造成的水汽来源的差异,青藏高原冰芯中稳定同位素变化也存在空间差异。北部地区冰芯中稳定同位素的年际变化与当地气象站记录显示良好的对应关系,而南部冰芯中稳定同位素的变化与当地气象站降水量在年际变化上显示反相关关系。

冰芯记录的过去1000a青藏高原温度变化

根据青藏高原4支记录超过1000 a的冰芯(普若岗日冰芯、古里雅冰芯、达素普冰芯和敦德冰芯)中氧同位素 (δ^(18)0)10 a平均值变化,研究了青藏高原最近1000 a来的气温变化。4支冰芯记录的过去1000 a气温均是在冷暖波动中逐渐上升,但在变化幅度上存在区域性差异。利用4支冰芯记录恢复的青藏高原千年气温曲线表明,青藏高原中世纪暖期持续到13世纪,期间经历了3个暖期和冷期;14世纪和16世纪是相对冷期,15世纪和17世纪是相对暖期,17世纪末至1920 AD气候冷暖波动频繁;以后快速升温至今,目前为过去1000 a来最暖期。青藏高原过去1000 a气温的总体变化趋势与北半球气温的变化趋势基本相一致。

玉龙山温冰川浅冰芯记录现代指示意义

１９９９年夏季首次在玉龙山最大的白水 １号冰川积累区钻取了一支穿透整个粒雪层的１０ｍ冰芯，获取了近期数年的气候环境记录．深度 ７８ ｍ以上 δ１８Ｏ周期性波动变化特征明显，通过与可溶性离子，电导率和ＰＨ值，以及粒雪中污化冰层位置的对比分析，可鉴别出５个平衡年度的冰雪层，每年平均净积累折合水当量约 ９００ ｍｍ．由于融水渗浸的影响产生“均质化作用”， δ１８Ｏ变化幅度随深度增加而逐渐减小，在 ７．８ｍ以下，δ１８Ｏ值变为均匀分布，气候记录波动变化特征逐渐消失，但由于粒雪层内融水再冻结层的保护作用，仍使以上若干年的气候环境信息得以保存．可溶性离子以Ｃａ２＋和Ｍｇ２＋浓度较高，Ｃ１－和Ｎａ＋含量很低．说明冰芯内以冬季风形成的陆源沉积为主．Ｃ１－和Ｎａ＋的同步变化趋势指示出它们的相同来源，大部分层位上ＳＯ４２－和ＮＯ３－浓度都很低，说明冰川区很少受到人类污染．根据冰芯内年平均净积累厚度和积累区的消融情况，粗略估计粒雪盆的年平均降水量在 ２ ４００～ ３１ ００ ｍｍ之间．

青藏高原南部冰芯记录与大气环流的关系

通过念青唐古拉峰拉弄冰川垭口处（30°24′30″N，90°34′12″E；海拔5850m）长度为29．5m的冰芯记录，恢复了1952-1998年间大气降水δD和净积累量的时间变化序列。上述两组序列与NCEP／NCAR气候资料的相关分析表明：δD和净积累量与中亚冬季的气压、南亚和青藏高原冬季、夏季的位势高度关系密切。中亚地区冬季气压的升高以及冬、夏季南亚和青藏高原位势高度的异常增强了印度夏季风，导致了念青唐古拉峰地区20世纪80年代以来降水量的增多和降水中δD值的降低。根据念青唐古拉冰芯δD和净积累量记录及其与亚洲地区大气环流的关系，可以通过青藏高原南部较长的冰芯记录来恢复过去该地区大气环流变化的历史。

青藏高原古里雅冰芯中痕量元素镉记录的大气污染:1900—1991

对取自青藏高原古里雅冰帽的冰芯上部20m的样品中有毒金属镉反映的大气污染进行了研究、利用电感耦合等离子体质谱仪对镉的浓度进行了检测,镉的浓度在2.28—301pg·ml^-1,平均为51pg·ml^-1,镉的浓度高于极地雪冰相应时间内的浓度.冰芯对应的时间跨度从1900年到1901年,在这一时间段内镉的浓度呈增加趋势.在八十年代至1900年的这一时间段内增加趋势更明显,反映了人类活动对该地区大气的污染呈明显的上升趋势 分析表明镉主要来自西亚及南亚有关国家的污染物.镉的浓度在1900年达到最大,与这一年发生的海湾战争期间大量的石油燃烧有关.