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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點，為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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西北研究院等評估全球雪冰中黑碳分布及其對冰凍圈變化的影響

2020-10-14 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院

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　　全球尺度上，雪冰中黑碳濃度存在顯著時空差異（圖1）。工業(yè)革命以來，受到人類活動排放的黑碳?xì)馊苣z的影響，冰芯記錄的黑碳濃度總體升高，但是不同地區(qū)的變化趨勢存在差異（圖1）。例如，北極和歐洲區(qū)域于20世紀(jì)初黑碳濃度快速升高，而青藏高原在20世紀(jì)中后期快速升高；南半球冰芯黑碳?xì)v史記錄與北半球不同，主要體現(xiàn)在南半球黑碳排放影響上，該歷史變化的差異主要受到黑碳來源和傳輸過程的影響，揭示出冰芯黑碳記錄是自然源和人類活動排放雙重影響的體現(xiàn)，為學(xué)界認(rèn)識歷史時期黑碳?xì)馊苣z的變化提供全球視角的參考。

　　現(xiàn)代雪冰中黑碳含量總體上呈南、北極較低而中緯度地區(qū)偏高的特征，然而，即便是在同一個地區(qū)（如北極或青藏高原），雪冰黑碳含量也呈現(xiàn)較大差異，體現(xiàn)距離黑碳?xì)馊苣z排放源區(qū)遠(yuǎn)近、大氣傳輸及沉降后過程等因素的影響。研究人員通過強(qiáng)化監(jiān)測青藏高原典型冰川，發(fā)現(xiàn)冰川消融過程可導(dǎo)致黑碳富集在冰川表面，使黑碳在不同類型雪冰（老雪、新雪、粒狀冰等）中的含量相差1~2個數(shù)量級，尤其是冰川消融區(qū)，老雪和粒狀冰中黑碳含量高于積累區(qū)雪坑/冰芯含量（圖2）。同一條冰川表面黑碳濃度存在較大空間分布差異，為利用大尺度模型準(zhǔn)確評估黑碳對冰川消融的影響帶來挑戰(zhàn)。

　　研究人員利用相關(guān)模式模擬研究發(fā)現(xiàn)，雪冰中黑碳導(dǎo)致的輻射強(qiáng)迫在全球尺度上約為+0.04Wm^-2，中緯度地區(qū)（如青藏高原地區(qū)）的輻射強(qiáng)迫顯著高于南、北極地區(qū)（圖3）。雖然北極地區(qū)雪冰中黑碳的輻射強(qiáng)迫值較小（通常不足1Wm^-2），但是其對冰凍圈的影響不容忽視（圖4）。例如，黑碳的正反饋作用導(dǎo)致7~9月北極海冰（北緯66.5-90°）的范圍減少1~3%；雪冰中黑碳導(dǎo)致的北極積雪減少約占20世紀(jì)減少量的20%；就格陵蘭冰蓋而言，黑碳導(dǎo)致消融量增加約6.8%；在歐洲阿爾卑斯地區(qū)，黑碳導(dǎo)致冰川消融增加15~19%；青藏高原雪冰中黑碳可導(dǎo)致冰川消融增加約20%，積雪持續(xù)期減少約3.1-4.4天；北美地區(qū)雪冰中黑碳作用使積雪消融提前31~51天。綜上所述，雪冰中黑碳可顯著加速冰凍圈的消融，在一定程度上改變區(qū)域尺度的水循環(huán)及水資源的時空分布。

　　然而，上述黑碳對冰凍圈消融的影響評估結(jié)果仍存在不確定性。雪冰中黑碳的不同測試方法（如熱光法、SP2等）導(dǎo)致黑碳含量存在顯著差異，可達(dá)1~2個數(shù)量級；由于雪冰中存在粉塵顆粒物，前處理過程是否進(jìn)行酸熏等能夠?qū)е潞谔己肯嗖钸_(dá)50%。雪冰物理參數(shù)、黑碳粒徑、黑碳吸光性（MAC值）、黑碳混合狀態(tài)（內(nèi)混合或外混合）的變化等均會造成黑碳輻射強(qiáng)迫的差異。這些差異進(jìn)一步導(dǎo)致黑碳對冰凍圈消融影響評估的較大誤差。未來的研究應(yīng)著重于雪冰黑碳實測值與模擬值的相互驗證，建立規(guī)范有效的雪冰黑碳測試方法；細(xì)致研究黑碳與冰川、積雪和海冰的融化過程，探討日尺度上黑碳的反饋作用機(jī)制，建立區(qū)域乃至全球日尺度到季節(jié)尺度的模式模擬的參數(shù)化方案。

　　該研究加深學(xué)界關(guān)于黑碳對冰凍圈消融影響的認(rèn)識，有利于進(jìn)一步探討區(qū)域和全球尺度上雪冰中黑碳的氣候效應(yīng)，以及由此導(dǎo)致的水文過程及水資源變化等。相關(guān)研究成果以A review of black carbon in snow and ice and its impact on the cryosphere為題，發(fā)表在Earth Science Reviews上，康世昌為論文第一作者，西北研究院副研究員張玉蘭為論文通訊作者。研究工作獲得第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（A類）、國家自然科學(xué)基金、西部之光、冰凍圈科學(xué)國家重點實驗室自主課題等的資助。

　　論文鏈接

圖1.不同區(qū)域雪冰中黑碳濃度以及工業(yè)革命以來冰芯記錄的黑碳?xì)v史變化

圖2.青藏高原不同冰川雪冰中黑碳含量（ng g^-1）（a）以及典型冰川表雪中黑碳含量的空間分布（b）

圖3.不同區(qū)域雪冰中黑碳導(dǎo)致的輻射強(qiáng)迫

圖4.雪冰中黑碳對冰凍圈消融的影響

　　黑碳可通過改變直接輻射強(qiáng)迫、氣溶膠與云的相互作用、雪冰反照率及相關(guān)反饋機(jī)制，影響大氣圈和冰凍圈的能量平衡，對全球氣候系統(tǒng)造成影響。全球變暖背景下，黑碳導(dǎo)致的冰川表面反照率降低，進(jìn)一步加劇冰川消融，影響區(qū)域的水循環(huán)及水資源。針對全球范圍內(nèi)雪冰黑碳的最新研究進(jìn)展及存在問題，中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院研究員康世昌團(tuán)隊與美國西北太平洋國家實驗室科研人員等合作，全面評估全球雪冰中黑碳分布及其對冰凍圈變化的影響。
　　全球尺度上，雪冰中黑碳濃度存在顯著時空差異（圖1）。工業(yè)革命以來，受到人類活動排放的黑碳?xì)馊苣z的影響，冰芯記錄的黑碳濃度總體升高，但是不同地區(qū)的變化趨勢存在差異（圖1）。例如，北極和歐洲區(qū)域于20世紀(jì)初黑碳濃度快速升高，而青藏高原在20世紀(jì)中后期快速升高；南半球冰芯黑碳?xì)v史記錄與北半球不同，主要體現(xiàn)在南半球黑碳排放影響上，該歷史變化的差異主要受到黑碳來源和傳輸過程的影響，揭示出冰芯黑碳記錄是自然源和人類活動排放雙重影響的體現(xiàn)，為學(xué)界認(rèn)識歷史時期黑碳?xì)馊苣z的變化提供全球視角的參考。
　　現(xiàn)代雪冰中黑碳含量總體上呈南、北極較低而中緯度地區(qū)偏高的特征，然而，即便是在同一個地區(qū)（如北極或青藏高原），雪冰黑碳含量也呈現(xiàn)較大差異，體現(xiàn)距離黑碳?xì)馊苣z排放源區(qū)遠(yuǎn)近、大氣傳輸及沉降后過程等因素的影響。研究人員通過強(qiáng)化監(jiān)測青藏高原典型冰川，發(fā)現(xiàn)冰川消融過程可導(dǎo)致黑碳富集在冰川表面，使黑碳在不同類型雪冰（老雪、新雪、粒狀冰等）中的含量相差1~2個數(shù)量級，尤其是冰川消融區(qū)，老雪和粒狀冰中黑碳含量高于積累區(qū)雪坑/冰芯含量（圖2）。同一條冰川表面黑碳濃度存在較大空間分布差異，為利用大尺度模型準(zhǔn)確評估黑碳對冰川消融的影響帶來挑戰(zhàn)。
　　研究人員利用相關(guān)模式模擬研究發(fā)現(xiàn)，雪冰中黑碳導(dǎo)致的輻射強(qiáng)迫在全球尺度上約為+0.04Wm-2，中緯度地區(qū)（如青藏高原地區(qū)）的輻射強(qiáng)迫顯著高于南、北極地區(qū)（圖3）。雖然北極地區(qū)雪冰中黑碳的輻射強(qiáng)迫值較?。ㄍǔ２蛔?Wm-2），但是其對冰凍圈的影響不容忽視（圖4）。例如，黑碳的正反饋作用導(dǎo)致7~9月北極海冰（北緯66.5-90°）的范圍減少1~3%；雪冰中黑碳導(dǎo)致的北極積雪減少約占20世紀(jì)減少量的20%；就格陵蘭冰蓋而言，黑碳導(dǎo)致消融量增加約6.8%；在歐洲阿爾卑斯地區(qū)，黑碳導(dǎo)致冰川消融增加15~19%；青藏高原雪冰中黑碳可導(dǎo)致冰川消融增加約20%，積雪持續(xù)期減少約3.1-4.4天；北美地區(qū)雪冰中黑碳作用使積雪消融提前31~51天。綜上所述，雪冰中黑碳可顯著加速冰凍圈的消融，在一定程度上改變區(qū)域尺度的水循環(huán)及水資源的時空分布。
　　然而，上述黑碳對冰凍圈消融的影響評估結(jié)果仍存在不確定性。雪冰中黑碳的不同測試方法（如熱光法、SP2等）導(dǎo)致黑碳含量存在顯著差異，可達(dá)1~2個數(shù)量級；由于雪冰中存在粉塵顆粒物，前處理過程是否進(jìn)行酸熏等能夠?qū)е潞谔己肯嗖钸_(dá)50%。雪冰物理參數(shù)、黑碳粒徑、黑碳吸光性（MAC值）、黑碳混合狀態(tài)（內(nèi)混合或外混合）的變化等均會造成黑碳輻射強(qiáng)迫的差異。這些差異進(jìn)一步導(dǎo)致黑碳對冰凍圈消融影響評估的較大誤差。未來的研究應(yīng)著重于雪冰黑碳實測值與模擬值的相互驗證，建立規(guī)范有效的雪冰黑碳測試方法；細(xì)致研究黑碳與冰川、積雪和海冰的融化過程，探討日尺度上黑碳的反饋作用機(jī)制，建立區(qū)域乃至全球日尺度到季節(jié)尺度的模式模擬的參數(shù)化方案。
　　該研究加深學(xué)界關(guān)于黑碳對冰凍圈消融影響的認(rèn)識，有利于進(jìn)一步探討區(qū)域和全球尺度上雪冰中黑碳的氣候效應(yīng)，以及由此導(dǎo)致的水文過程及水資源變化等。相關(guān)研究成果以A review of black carbon in snow and ice and its impact on the cryosphere為題，發(fā)表在Earth Science Reviews上，康世昌為論文第一作者，西北研究院副研究員張玉蘭為論文通訊作者。研究工作獲得第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（A類）、國家自然科學(xué)基金、西部之光、冰凍圈科學(xué)國家重點實驗室自主課題等的資助。
　　論文鏈接
　　圖1.不同區(qū)域雪冰中黑碳濃度以及工業(yè)革命以來冰芯記錄的黑碳?xì)v史變化
　　圖2.青藏高原不同冰川雪冰中黑碳含量（ng g-1）（a）以及典型冰川表雪中黑碳含量的空間分布（b）
　　圖3.不同區(qū)域雪冰中黑碳導(dǎo)致的輻射強(qiáng)迫
　　圖4.雪冰中黑碳對冰凍圈消融的影響
　　

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