乌鲁木齐河源1号冰川气象要素与雪--冰化学演化过程的关系研究

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大多数山岳冰川,其降雪中的各种物理、化学信息在转化为稳定的冰芯记录之前,都要经历融水渗浸和迁移影响下的离子淋溶过程,进而导致冰芯记录分辨率降低和解释困难。气温等气象要素是影响淋溶过程的关键。随着全球冰川加速消融,中低纬度山岳冰芯数量日益增加,探究淋溶过程对冰芯记录影响的普遍规律,在雪冰现代过程及冰芯研究中已刻不容缓。本论文以天山冰川观测实验站为依托,以乌鲁木齐河源1号冰川为研究对象,基于多年观测研究和资料积累,进行气象要素观测分析、雪冰化学过程和雪冰记录综合对比分析,开展气象要素对冰芯记录形成过程及其分辨率的影响机理研究。基于乌鲁木齐河源1号冰川海拔4130m处多年连续雪坑化学资料,对该处2003-2007年雪坑化学离子浓度的变化规律进行了分析总结,并结合同期气温和降水资料,建立了气温影响下雪坑离子浓度的变化规律和变化模型。通过污化层(化学离子浓度峰值)的演变探究了冰芯记录的形成过程,雪-冰界面化学离子的迁移特征,并对冰芯记录分辨率及其影响因素进行了探讨。获得以下研究结果:  (1)通过对雪坑化学离子在干湿季的浓度变化值进行主成分和特征值分析,得到沉积和沉积后过程对离子浓度的影响。在干季,第一、二、三主成分明显不同,反映了沉积和沉积后过程之间的复杂关联。雪坑化学离子因受到不同的沉积后过程影响,变化相对独立;在湿季,所有离子均可被第一主成分解释,说明融水对所有离子的影响起到绝对作用。湿季离子浓度的变化可用高斯方程进行拟合。  (2)不溶微粒和Mg2+在气-雪界面和雪坑中迁移的相关性研究,得出:表层雪中不溶微粒和Mg2+的浓度变化表现出一致性,6-8月出现浓度的最大值,并伴有较大幅度的波动,这与同期频繁的降水和盛行局地风密切相关。粗微粒(直径大于10μm)和Mg2+浓度在雪层垂直剖面中的分布具有相似性,且其演化过程也十分近似。二者的相关性受到温度的影响,气温越高,不溶微粒与Mg2+在沉积后过程中的相关性越低,气温越低,二者的相关性越高。  (3)对雪坑离子浓度的变化和同期气温、降水资料进行对比分析,雪坑离子浓度的变化与日平均气温呈一定的反相关关系。夏季,日平均气温升高,离子浓度降低。而在气温较低且降水稀少的冬季,雪坑中的离子浓度受气温影响较小。强烈淋溶期(6月初至8月底)雪坑中的离子浓度随正积温的升高呈指数衰减。衰减过程可分为快速衰减和缓慢衰减两个阶段。当正积温达到0℃以上时雪坑离子浓度急剧减少,离子淋溶速度快、损失量大;当正积温达到60℃左右时,雪坑离子浓度的减小趋势逐渐变缓,离子淋溶速度慢、损失量小。不同离子对正积温变化的响应具有差异性。SO42-,NO3-,Na+,Cl-,NH4+和Ca2+随正积温增加呈现出的衰减态势与指数函数拟合较好,拟合度分别为0.91,0.96,0.85,0.82,0.78和0.89; Mg2+和K+在正积温影响下并未有明显的规律性变化。淋溶因子显示雪层中最容易淋溶的离子为SO42-(淋溶因子为0.84),Mg2+最为稳定(淋溶因子为0.43)。强烈淋溶期,降水量对雪坑离子浓度的影响并不明显。非强烈淋溶期,降水量与雪坑离子浓度呈微弱的正相关关系,降水主要通过增加表层雪中的离子浓度使得整个雪坑离子浓度增加。  (4)通过跟踪污化层(不溶微粒和镁离子浓度峰值)的演变得出,尽管受到消融的影响,乌鲁木齐河源1号冰川化学离子依然能以1年为分辨率形成冰芯记录。对比同期的气温和降水资料,得到该过程受气温影响十分显著,高温条件明显导致浓度值减少,仅有30%保留至冰芯记录中。每年4月,化学离子浓度峰值均会因受到春季化学离子来源的影响而增大,即在春季降水频发期出现浓度的升高。  (5)化学离子在雪-冰界面的迁移特征是:在雪-冰界面10cm尺度下,雪层底部干季主要离子浓度的平均值大于湿季,冰层顶部干季主要离子浓度的平均值小于湿季。干季雪冰比的平均值大于1,而湿季雪冰比的平均值小于1。即,干季雪层底部离子的浓度一般高于冰层顶部的浓度,湿季则相反。雪-冰界面附近离子的迁移反映了环境信息的记录过程,受融水和气温变化、物质来源等不同因素的综合影响。
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