祁连山老虎沟12号冰川消融期表面黑碳和粉尘的时空变化及其对反照率的影响

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太阳辐射,特别是短波辐射是雪冰消融的主要能量来源,而冰川表面吸收太阳能量的多少主要取决于冰川表面的反照率。大气气溶胶中的黑碳(Black carbon,BC)和矿物粉尘(Mineral dust,MD)等吸光性物质通过干、湿沉降到雪冰表面后,能够降低雪冰表面反照率,从而加速雪冰的消融。青藏高原毗邻中亚干旱半干旱区和东亚、南亚两个全球最大的污染物排放区,因而极易受到上述地区大气传输的黑碳和粉尘的影响。祁连山地区位于青藏高原东北部,是青藏高原重要的冰川发育区和西北干旱区的重要水源地。本论文选取祁连山西段老虎沟12号冰川为观测研究区,分别于2013年、2014年和2015年消融季节采集了冰川表层雪冰,用热光学方法测定雪冰中黑碳浓度,用称重法获得粉尘浓度,进而分析了黑碳和粉尘的时空变化及影响因素;结合SNICAR模型(Snow IceAerosol Radiative Online Model)模拟,定量分析了黑碳和粉尘对冰川反照率和辐射强迫的影响。主要结论如下:  (1)老虎沟12号冰川表层新降雪中黑碳和粉尘的平均浓度分别为291.6 ng g-1和38.4μμg g-1,随着雪冰融化,黑碳和粉尘在冰川表层不断富集导致浓度升高;当冰川消融区粒雪全部融化,表层附加冰中黑碳和粉尘的平均浓度分别上升至20846.7 ng g-1和2499.4μg g-1。空间上,由于不同海拔粒雪融化程度不同,雪冰中黑碳和粉尘的浓度总体上从冰川消融区至冰川积累区逐步减小。气温的升高加速雪冰融化,导致吸光性物质在雪冰表层的富集;降水事件使得发生富集的粒雪和附加冰被洁净的新降雪覆盖,导致冰川表面吸光性物质浓度降低。与亚洲其他高海拔地区对比可见,由于该区距离人类污染物排放源相对较近,导致消融期老虎沟12号冰川雪冰中黑碳和粉尘的平均浓度高于亚洲其他区域。  (2)老虎沟12号冰川消融区自动气象站的数据分析表明,老虎沟12号冰川消融区反照率日均变化特征显著,这与日均气温、降水事件密切相关。通过SNICAR模型对影响老虎沟12号冰川反照率降低的各种因素的敏感性分析表明,由于雪冰中吸光性物质的浓度、雪冰粒径、雪层深度等变化,黑碳和粉尘对反照率的影响和辐射强迫存在很大的时空差异。当老虎沟12号冰川为新雪覆盖时,黑碳和粉尘共同作用对反照率降低的贡献率为40%,太阳高度角、雪冰粒径、含水量和雪深等是降低反照率的主要因素;而随着雪冰融化,吸光性物质在冰川表面不断富集,对反照率的影响逐渐变大,当冰川表面为附加冰时,黑碳和粉尘对雪冰表面反照率降低的贡献率分别达到45.7%和29.6%,其辐射强迫分别达到34.9 W m-2和22.9 W m-2。老虎沟12号冰川消融期黑碳和粉尘分别导致反照率平均降低了0.067和0.045,其平均辐射强迫分别为17.5 W m-2和11.8 Wm-2,表明黑碳在加速老虎沟12号冰川消融的过程中起到了主要作用,但粉尘的作用也不能忽视。
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