Earth Science Reviews: 研究全面评估全球雪冰中黑碳分布及其对冰冻圈消融的影响
发表日期:2020-10-13来源：冰冻圈科学国家重点实验室
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黑碳可通过改变直接辐射强迫、气溶胶与云的相互作用、雪冰反照率、以及相关反馈机制，显著影响大气圈和冰冻圈的能量平衡，对全球气候系统具有独特而重要的作用。全球变暖背景下，黑碳导致的冰川表面反照率降低进一步加剧了冰川消融，影响着区域的水循环及水资源。针对全球范围内雪冰黑碳研究最新进展及存在问题，中国科学院西北生态环境资源研究院(简称西北研究院)康世昌团队与美国西北太平洋国家实验室等相关科研人员合作，全面评估了全球雪冰中黑碳分布及其对冰冻圈变化的影响。
全球尺度上，雪冰中黑碳浓度存在显著时空差异（图1）。自工业革命以来，由于受到人类活动排放的大量黑碳气溶胶的影响，冰芯记录的黑碳浓度总体升高，但不同地区的变化趋势存在差异（图1）。例如，北极和欧洲区域20世纪初黑碳浓度快速升高，但青藏高原在20世纪中后期快速升高；南半球冰芯黑碳历史记录与北半球不同，主要体现出南半球黑碳排放的影响。这种历史变化的差异主要受到黑碳的来源和传输过程的影响，同时也揭示出冰芯黑碳记录是自然源和人类活动排放双重影响的体现，为我们认识历史时期黑碳气溶胶的变化提供了全球视角的参考。
现代雪冰中黑碳含量总体上呈南、北极较低而中纬度地区偏高的特征，但即便是在同一个地区（如北极或青藏高原），雪冰黑碳含量也呈现较大的差异，体现出距离黑碳气溶胶排放源区远近、大气传输以及沉降后过程等因素的影响。特别是对青藏高原典型冰川的强化监测发现，冰川消融过程可导致大量黑碳富集在冰川表面，使得黑碳在不同类型雪冰（老雪、新雪、粒状冰等）中的含量相差1~2个数量级，尤其是冰川消融区老雪和粒状冰中黑碳含量远高于积累区雪坑/冰芯含量（图2）。同一条冰川表面黑碳浓度存在空间分布的巨大差异，为利用大尺度模型准确评估黑碳对冰川消融的影响带来了新的挑战。
基于现有相关的模式模拟研究发现，雪冰中黑碳导致的辐射强迫在全球尺度上约为+0.04Wm-2，中纬度地区（如青藏高原地区）的辐射强迫要显著高于南、北极地区（图3）。虽然北极地区雪冰中黑碳的辐射强迫值较小（通常不足1Wm-2），但是对冰冻圈的影响不容忽视（图4）。例如，黑碳的正反馈作用可导致7~9月北极海冰（北纬66.5-90°）的范围减少1~3%；雪冰中黑碳导致的北极积雪减少约占20世纪减少量的20%。对格陵兰冰盖而言，黑碳可导致消融量增加约6.8%。在欧洲阿尔卑斯地区，黑碳导致冰川消融增加15~19%。青藏高原雪冰中黑碳可导致冰川消融增加约20%，积雪持续期减少约3.1-4.4天。北美地区雪冰中黑碳作用使得积雪消融提前31~51天。综上所述，雪冰中黑碳可显著加速冰冻圈的消融，并由此在一定程度上改变着区域尺度的水循环以及水资源的时空分布。
然而，上述黑碳对冰冻圈消融的影响评估结果仍存在不确定性。首先，雪冰中黑碳的不同测试方法（如热光法、SP2等）会导致黑碳含量的显著差异，可达1~2个数量级；且由于雪冰中粉尘颗粒物的存在，前处理过程是否进行酸熏等也会导致黑碳含量相差达50%。雪冰物理参数、黑碳粒径、黑碳吸光性（MAC值）、以及黑碳混合状态（内混合或外混合）的变化等，都会带来黑碳辐射强迫的差异。这些差异进一步导致黑碳对冰冻圈消融影响评估的较大误差。未来的研究则着重于雪冰黑碳实测值与模拟值的相互验证，建立规范有效的雪冰黑碳测试方法。其次，细致开展黑碳与冰川、积雪和海冰融化过程的研究，探讨日尺度上黑碳的反馈作用机制，建立区域乃至全球日尺度到季节尺度的模式模拟的参数化方案。
该研究加深了黑碳对冰冻圈消融影响的认识，为进一步探讨区域和全球尺度上雪冰中黑碳的气候效应，以及由此导致的水文过程以及水资源变化等研究提供有益参考。研究成果以A review of black carbon in snow and ice and its impact on the cryosphere为题发表于地球科学国际一流期刊Earth Science Reviews。西北研究院康世昌研究员为第一作者、张玉兰副研究员为通讯作者。该研究获第二次青藏高原科考项目（2019QZKK0605）、中国科学院战略性先导科技专项（A类）（XDA19070501、XDA20040500）、国家自然科学基金（41671067、41630754）、西部之光及冰冻圈科学国家重点实验室自主课题（SKLCS-ZZ-2020）等联合资助。
图1 不同区域雪冰中黑碳浓度以及工业革命以来冰芯记录的黑碳历史变化
图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间分布（b）
图3 不同区域雪冰中黑碳导致的辐射强迫
图4 雪冰中黑碳对冰冻圈消融的影响
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