中国山地冰川乌鲁木齐河源1号冰川的研究成果及PGPI项目介绍

我国对成冰年限的研究始于1号冰川。1962年，谢自楚等利用雪层剖面和年层特征得出，1号冰川新雪转化为粒雪冰需要3～5年。此后谢自楚对珠穆朗玛峰北坡、祁连山地区以相同的方法进行层位定年，分别得出两年、两年以上的成冰时间。王晓军等人对1号冰川进行了多次观测，根据冰板和污化面推测1号冰川成冰历时不少于10年，不同之处在于，王晓军是通过冰芯资料对冰川冰定年。1994年，李忠勤等对古里雅冰帽6400 m高度的积累区进行了雪冰转化机制研究，认为该处夏季融水渗浸冻结速度快，在当年的雪层内即可冻结成为粒雪冰。事实上，成冰年限除了受成冰作用影响外，还与海拔高度等诸多因素有关。同一条冰川，成冰年限因海拔高度的不同有很大差异。如在消融区，附加冰的形成和破坏在一个夏季就可以完成（刘潮海，1997）。这主要是因为不同的海拔高度其剖面厚度、水热条件及下伏冰的特性不同。

山地冰芯中的化学记录不仅记录了大气化学的组成和沉积过程，而且对发生在雪层中的沉积后过程也有所反映。基于1号冰川的冰川物理和化学研究，已有多年的历史。1996年起，相关学者就依托中科院天山冰川观测试验站进行了有序的雪冰化学观测与研究工作。基于5—6月间的20个气溶胶样品和114个表层雪样品，孙俊英等通过建立表层雪和气溶胶中化学离子的相关矩阵，研究了两者当中可溶性离子之间的相互关系。结果表明，气溶胶和表层雪中阳离子含量总是高于阴离子含量，表明1号冰川大气是呈碱性的。气溶胶和表层雪中的和对应关系较差，这表明和在表层雪中可能受到沉积后作用的影响。在清除率方面，1号冰川气溶胶中Na+、K+、Ca2+和Mg2+清除率较高，的清除率比较低。在相关性方面，气溶胶和表层雪中的Ca2+、Na+、Cl-、K+、Mg2+和相关系数分别为0.91、0.95、0.91、0.79、0.76和0.63。这表明表层雪中的大多数离子，特别是Ca2+，Na+和Cl-可以反映大气中的信息。除了气-雪界面化学成分的对比研究，在有融水作用下雪层内化学成分的变化研究方面，围绕天山乌鲁木齐河源1号冰川开展的研究也是较早的。侯书贵等研究发现，融水不仅能够改变雪层中离子原始的浓度分布特征，而且会使大部分离子随冰川径流消失，只有少量离子被保存在粒雪冰中。各离子不仅存在淋溶择优性，而且在不同阶段被淋滤的程度也不同，产生这种差异性的根本原因在于不同离子在粒雪和冰晶体中存在的位置有所不同。通过对雪坑样品中稳定氧同位素比率（δ18O）、pH值和电导率的对比分析，发现冰芯中的δ18O值与气温之间的相关性明显低于降水样品中δ18O的相应值，而这一结果与δ18O受到融水作用有关。然而，冰芯δ18O记录仍与夏半年平均气温之间具有一定程度的相关性，说明在当时的气候条件下，融水影响下的乌鲁木齐河源1号冰川依然可以反映当时的气候环境信息。

为搞清乌鲁木齐河源1号冰川积累区雪层演化成冰过程和气溶胶成分在有融水参与的沉积后过程中是如何演变的，2002年7月起中国科学院天山冰川观测试验站开展了冰雪物理、化学现代过程方面的研究，简称为PGPI（the Program for Glacier Processes Investigation）。观测场选择在1号冰川东支4130 m处的渗浸带内。为了防止污染，并使连续研究具有可比性和完整性，采样过程严格按照规范进行，所有的样品（气溶胶、表层雪、雪坑样品）均在冷冻状态下运至冰冻圈科学国家重点实验室进行分析。大部分样品用于对主要离子和不溶微粒的分析，部分样品用于δ18O、重金属、炭黑（OC和BC）的分析。同时，野外物理观测也同期展开，包括对雪层剖面的观测、密实成冰过程观测、融水试验以及雪层密度和温度的测量。这是学者首次基于1号冰川进行全方位、长序列的现代过程研究。在历时8年的持续观测和研究中，形成了一系列的研究成果。例如，张明军等在2007年4月、8月和10月三个时段内，分昼夜采集了23个气溶胶样品和7个新降雪样品，对样品中的可溶性离子进行了分析。结果表明，乌鲁木齐河源1号冰川气溶胶和新雪样品中可溶性离子成分变化趋势相似，气溶胶浓度升高，新雪样品的浓度也会有所升高，反之亦然。气溶胶和新雪中的Ca2+、Na+、Cl-、K+、Mg2+相关性很好，说明雪中这些离子的浓度基本能反映大气的状况，而和在两种介质中的离子浓度并不相关，这与孙俊英等的研究结果相同。而在表层雪与气溶胶中的相关性，却在长时间尺度的研究中被发现（李忠勤，2007；张坤，2008；赵忠平等，2005）。李慧林等得出，在气溶胶和表层雪中随时间的变化非常相似，都有春季、夏季及秋季较高，而冬季偏低等特征，大气温度与湿度的升高可能加剧在气与雪之间的交换，导致其变化趋于同步。特别是首次得出了“淋溶作用发生在日均气温为-3.6℃这一临界值，小于这一温度，淋溶作用的影响可以忽略；气温达到0.3℃时，所有当年新增离子会全部淋溶殆尽”这一结论，引起了国内外学者的广泛关注。伴随着问题的发现、解决、再发现和再解决的过程，PGPI吸引了国内外诸多学者投身其中，在众多优秀期刊上发表论文百余篇。(www.xing528.com)

总的来说，冰芯记录在恢复气候、环境和人类活动的历史变化方面意义深刻。然而，大多数山岳冰川成冰作用是依靠融水渗浸-冻结-冰川变质过程来实现的，其最大特点是融水的参与。Johannessen（1978）的研究结果表明，积雪初始融水中的离子含量远高于雪层中的离子平均含量，这种由于积雪融水作用而导致雪层中化学成分发生迁移的现象，称为离子的淋溶作用（ion elution）。虽然其结果依然保存了当时的大气环境信息，却造成冰芯记录分辨率降低和冰芯解释困难，而且还会影响融雪径流的化学成分，产生所谓的“离子脉冲”现象。随着全球山岳冰川的加速消融，中低纬度山岳冰川冰芯钻取数量增加，淋溶作用对冰芯记录影响的广度和深度进一步加强，成为摆在冰川学家面前普遍而又亟待解决的问题。

本书即是PGPI成果的一个重要组成部分。我们聚焦摆在冰川学家面前的三个亟须解决的问题（影响冰芯记录形成的物理过程和化学过程究竟如何？气象要素与淋溶作用之间的作用机理究竟是怎样的？不同气象要素影响下，淋溶作用与冰芯记录形成过程及其分辨率关系如何？），以乌鲁木齐河源1号冰川为例，系统而全面地梳理了我国山地冰川成冰演化的物理和化学过程，定量揭示了在融水影响下的成冰过程中大气信息的损失及其对冰芯记录分辨率的影响，以期为判断冰芯记录的优劣和选取较为理想的冰芯钻取地点，以及修正冰芯记录的气候环境信息提供参考。