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南极地区气候变化是全球气候变化的关键区和敏感区,是现代全球气候环境变化预警的理想观测点。南极冰盖是反演古气候环境的极好记录载体。Dome A作为南极冰盖最高点,是地球上最大的冷源所在。这里的冰盖具有原地堆积的特点,储存着较其他地区更为完整的气候和大气环境信息。Dome A也是南极目前所剩最后一个尚未进行冰芯钻探的地区。因此Dome A地区浅表层雪气界面现代过程研究和深冰芯气候记录研究具有极为重要的理论和实际科学意义。
1998年-1999年,我国执行了第三次南极中山站—Dome A内陆考察计划,在国际上率先进入了Dome A地区,建立了1100千米冰川学观测断面并进行了系统的综合科学考察。本文所研究的DT263冰芯就是该次内陆考察在距离中山站800km 处、Dome A 边缘钻取的一支82.5m长的冰芯。通过对该冰芯2,232个冰雪样品离子色谱分析,获得了26,784个化学离子数据。阳离子分析了Na+、K+、Ca2+、Mg2+和NH+4阴离子分析了F—、Ac—、Fo—、Cl-、NO-3、SO2-4和MSA(甲基磺酸)。
利用冰芯中火山定年标志层,结合Na+的季节性变化特征,对DT263冰芯进行了断代。定年结果确认该冰芯提供了1215年至1996年780年的完整冰雪沉积,记录了DomeA边缘地区气候环境变化的信息。
火山喷发使冰雪中非海盐硫酸盐浓度明显升高,形成了异常峰值。780年间至少记录了17次火山喷发事件。其中包含了8次大的低纬度火山喷发。通过对南极不同地区冰芯中反映火山信号强弱的火山通量和浓度的对比研究,认为导致同一火山喷发事件在各冰芯中火山信号产生差异的因素有:火山位置、喷发规模、传输路径的不同;火山物质传输到南极上空后,沉积地点的海拔、地形、积累率的不同;火山物质沉积到雪中的沉积方式,以圾雪的原地堆积和重新分配的不同;实验室中,硫酸根离子化学分析测量技术、火山信号的最低检测限的不同等等。
DT263冰芯积累率、阴、阳离子冰雪地球化学研究指示,Dome A边缘地区在这780年中有两个明显的气候变化阶段:一是15世纪中期到19世纪“小冰期”。这个时期是一个百年尺度上气温明显为冷的阶段,与已得到公认的北半球小冰期(Little Ice Age)时期相当;二是20世纪以来,当地气候明显变暖,且振荡强烈阶段,与全球变暖特征相对应。
根据中山站—Dome A 冰川学考察剖面上表面雪冰雪化学的空间分布规律,可以确定南极近海边缘地区和内陆地区的气候特征明显不同,显示出两类不同的气候系统。一是海洋性气候:受影响的地区一般在海岸边缘,物质来源以短距离传输的海洋气团为主;二是内陆气候:受影响的地区一般在南极内陆冰盖,物源以远距离传输到南极高层大气的物质为主。
DT263冰芯和中山站—DomeA剖面表面雪样的冰雪化学研究表明,Dome A边缘地区处于内陆和海洋交互作用区:既受海洋气团的影响反映局部地区的气候特点:又接受远距离传输到当地高层大气中的物质沉积,反映了全球气候的变化。因此,它记录到的气候环境信息具有一定的全球性意义,并且比南极其他地区更为完整。
对DT263冰芯中离子通量和积累率的关系研究表明,Dome A边缘地区化学离子沉积到冰雪中时湿沉积对它们浓度变化的影响要远大于干沉积。小冰期(积累率降低)时期,各化学离子浓度在Dome A边缘地区冰雪中沉积时产生巨大变化,以NO-3和MSA降低的幅度最大。这些改变响应了当时全球气候变冷的特征。
Dome A一直被国际南极考察界称为“不可接近之极”,是人类难以到达之处。DT263 冰芯研究首次揭开了南极内陆Dome A边缘地区780年来气候演化的秘密:①指出了当地气候演化有两个阶段,首次论证了南极小冰期的存在;②提出了南极内陆和沿海两类地区两种气候系统。揭示了这两个气候系统的物源、传输、沉积、化学离子指示剂的特征;③Dome A边缘地区处于海洋和内陆气候的转换带,受二者的双重影响。