黃河源區阿尼瑪卿山耶和龍冰川積雪中不溶微粒組成特征及環境意義

武小波， 李全蓮， 賀建橋

（中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室，甘肅蘭州 730000）

0 引言

地表松散堆積物受大氣氣流的作用，在地表滾動、跳躍或者懸浮在空中，形成氣溶膠粒子，在大氣湍流運動的作用下經由大氣邊界層進入高層大氣，隨大氣環流在區域或全球范圍內傳輸、轉化和沉降［1］。氣溶膠粒子在大氣中的傳輸速率、高度以及距離取決于地表狀態、顆粒物的性質和大氣環流強度［2］，其在大氣中的傳輸過程直接或間接影響全球輻射強迫［3-4］、水循環［5］和生物地球化學循環［6-7］，因而受到普遍的關注。研究主要聚焦在應用物理、化學及數字模型方法［8-10］探討研究區域氣溶膠粒子來源、傳輸和沉降機理［11-12］，對氣候環境指示意義［13-14］和對突發事件的反饋［15］等方面。研究發現，氣溶膠粒子在遷移過程中會吸附大氣中一些揮發性氣態物質，在氣溶膠表面發生催化-光化學反應，生成新的物質，即便傳輸很短的距離其表面特征也會發生巨大的變化［16］，影響氣溶膠粒子在空氣中的物理化學性質，從而改變其輻射強迫。

氣溶膠粒子沉降到冰川表面，隨固體降水的積累、老化等成冰過程形成冰川記錄。冰芯研究發現，提取雪冰中不溶微粒的物理化學特征信息，不僅可以彌補器測數據不足，挖掘古氣候環境信息［17-18］，提高對過去氣候變化的認知水平，還可以用來評估人為活動對氣候的影響［19］，進而預測未來的氣候變化趨勢［20］。目前的研究發現，雪冰中微粒含量高時氣候多為冷干，微粒含量低時多為暖濕［21］。沙塵天氣頻率高時，微粒濃度高、粒徑大，反之則微粒含量低、粒徑?。?2］；在長時間尺度上，冰芯中微粒濃度變化可以反映氣候的冷暖變化［23］。冰芯中微粒的粒徑與其傳輸途徑和沉積過程相關［11］，如末次冰期與全新世相比，亞洲粉塵到北極的遷移時間減少了25%，使得冰芯中微粒粒徑整體存在變大趨勢［12］，反過來可以根據冰芯中微粒譜分布特征研究風場變化情況［24］。但是高海拔地區粒子的譜分布不僅與風強度有關，也與沉降區域的地形（如坡度）有關。同時，受沉積后過程的影響，如雪崩、冰崩、風吹雪，特別是融化再凝結過程，會改變雪冰中微粒的譜分布［25］。

青藏高原南部和北部以及天山已有數支冰芯和雪坑中進行了微粒研究［9，24，26-28］，但在青藏高原東部較少［29］，特別是高原邊緣地區。這些關鍵地區雪冰中微粒的記錄反映了氣團離開高原時的構成信息。而隨氣流離開高原的氣溶膠會直接進入低海拔地區的高層大氣中，影響這些地區的氣候環境。因此，研究高原邊緣地區雪冰中微粒的信息，了解氣團離開高原時氣溶膠的信息有非常重要的現實意義。

1 研究區概況

阿尼瑪卿山位于昆侖山東段，青海省的東南部，山脈呈西北—東南走向，長約120 km，是黃河上游現代冰川和第四紀冰川發育最多的地區［30］。該區域主峰瑪卿崗日海拔6 282 m，而雪線分布在4 900～5 190 m，估計雪線處降水可達700～900 mm，年平均氣溫為-9.4 ℃，是冰川發育的重要補給區［31］。冰川編目調查顯示［32］，阿尼瑪卿山發育現代冰川58 條，總面積約125 km2。該區受東亞季風的影響，降水主要集中在夏季，占到全年降水的56%～62%，是黃河上游重要水源涵養地。耶和龍冰川（圖1）位于阿尼瑪卿山東坡，面積19.40 km2，長9.4 km，是黃河上游面積僅大于10 km2的3 條冰川之一［23］。冰川變化研究發現，近年阿尼瑪卿山區氣溫升高幅度較大，而降水增加較少，造成該區域冰川退縮［33］。

圖1 耶和龍冰川地理位置和采樣點Fig.1 Geographic location of Yehelong Glacier and sampling sites

2 樣品采集與分析

2005年9月下旬在黃河源區阿尼瑪卿山耶和龍冰川平衡線附近，選取6 塊比較平坦的表面挖取雪坑（表1）。采用固定間隔采樣方法，從表層到冰川冰，每隔5 cm 采集一個樣品，共采集89 個雪樣。采集的雪樣在冷藏條件下運回實驗室。實驗分析時首先將樣品在潔凈條件下自然融化，樣品完全融化后搖勻，立即取1 mL水樣注入微粒分析系統。本實驗中利用美國PSS公司生產的微粒分析系統（Accu-Sizer 780A）對樣品中不溶微粒粒徑和濃度進行分析。該儀器采用了單粒子光學傳感技術，利用粒子通過光路時對光的散射和消減關系測量粒子粒徑，其測量范圍達0.5～400 μm，重復性誤差小于5%。具體分析方法和儀器分析條件見文獻［34］。

表1 雪坑信息Table 1 Basic information about the snowpits

3 結果

大氣中超細氣溶膠粒子多因易發生碰并作用從大氣中清除，粒徑太大則受重力影響，在大氣中的停留時間比較短，對氣候環境的影響有限。而0.1～10 μm 的氣溶膠粒子在大氣中的壽命比較長，對氣候環境的影響顯著［25］。氣溶膠粒子通過干濕沉降的方式存儲在雪冰中，豐富了冰芯氣候環境記錄信息。本實驗中所用儀器粒徑測量范圍在0.56～400 μm 之間，所有樣品中0.56～100 μm 之間的粒子占到所測總粒子數的99.9% 以上，因此在圖2 中未考慮粒徑大于100 μm 粒子。鑒于不同粒徑粒子對氣候環境變化的響應具有差異性［26］，因此對不同粒徑組的微粒變化特征進行了分析。便于分析不同粒徑的微粒對總粒子濃度的貢獻，探討不同粒徑微粒對總粒子濃度及粒徑變化時的響應，揭示不溶微粒來源。由于雪坑IV 和雪坑V 丟失了3 組數據，因此以下是86個雪冰樣品的分析結果。

由圖2 可見積雪中不溶微粒的數濃度分布在1×105～4×106個·mL-1之間，平均濃度為1.1×105個·mL-1。而0.56～1 μm的不溶微粒占總粒子數的70%以上，1～2.5 μm 占到約20%，2.5～10 μm 的占到不足10%。可知耶和龍冰川積雪中不溶微粒以細粒子為主。在圖2中以數濃度為權重計算了積雪中不溶微粒的平均粒徑，分布在1.13～1.81 μm 之間，以小粒徑粒子為主。在這個粒徑范圍內大氣干沉降速率最小，以濕沉降為主［11］。從圖2 中也可以發現在IV、V、VI 號雪坑中微粒的濃度與粒徑變化趨勢基本一致，在海拔較高的I、II、III號雪坑下部也存在類似現象，而上部則相反。特別是II號雪坑中，不溶微粒的濃度最小而平均粒徑最大。

4 討論

4.1 不溶微粒的季節變化

冰川積累區雪坑中不溶微粒隨積雪深度的變化反映了微粒的季節變化信息，是大氣環境季節變化的體現［18］。從圖2可見不溶微粒隨雪坑深度的變化趨勢基本一致（除了IV 和V 號雪坑），因此在本文中以位于冰川較為平坦處，受風吹雪等沉降后過程影響較小的III 號雪坑為例（圖3），探討雪坑不同深度積雪中δ18O［35］及不溶微粒濃度、粒徑信息。從圖3可見整體上可劃分為3 階段：雪坑上部微粒濃度和粒徑均較大，18O 相對富集；中部的積雪中微粒濃度和粒徑均較小，貧18O；雪坑下部積雪中微粒濃度和粒徑均最大，采樣時也發現在雪坑下部存在一個唯一的污化層，而δ18O值基本與雪坑上部持平。

圖2 阿尼瑪卿山耶和龍冰川雪坑中不溶微粒粒徑、數濃度及組成隨雪坑海拔的變化Fig.2 Variations of insoluble microparticles’size and number concentration，and composition with snowpits’altitude at Yehelong Glacier，Mt.Anyemaqen

研究發現青藏高原南部的冰川中δ18O變化主要受降水量控制，暖期降水較多時積雪中δ18O偏負，冷期則相反。而青藏高原北部冰川中δ18O的變化主要受到溫度影響［17］，其季節變化過程與溫度變化一致。以前研究指出耶和龍冰川中δ18O變化主要受降水量效應的影響［35］，即夏季降水豐富，δ18O 值偏負，在冷季則相反。從圖3 可見耶和龍冰川雪坑中δ18O變化過程與不溶微?；疽恢?，說明微粒的濃度和粒徑在冷期相對較大，暖期則相反。

圖3 雪坑III中δ18O及不溶微粒粒徑、數濃度隨深度的變化Fig.3 Variations of δ18O and insoluble microparticles’size and number concentration with depth from Snowpit III

出現這種分布態勢主要是由于阿尼瑪卿山屬于水熱同期的區域，夏季受亞洲季風影響降水較多，氣候比較濕潤［31，33］，因此大氣中的氣溶膠粒子含量少，同期又受到降水的稀釋，雪冰中不溶微粒含量低。而春季氣溫回暖、空氣干燥，同期凍土表層融化，增加了地表對大氣中氣溶膠粒子的輸送。在這個階段冷熱氣流作用強烈，加大了對源區顆粒物的搬運，導致沙塵天氣頻發，在雪冰中形成了強烈的污化層。積雪中不溶微粒的濃度和粒徑同時增加。在青藏高原五道梁氣溶膠的研究也發現，低層大氣中春季氣溶膠的濃度最大［36］。秋季西風環流逐漸增強，大氣中氣溶膠粒子濃度逐漸增強，導致積雪中不溶微粒的濃度增加。

以前研究指出，微粒源區輸送及環流的搬運能力都會對微粒造成影響［11］。極地研究中發現，冰芯中微粒的粒徑與搬運風力存在正相關［27］。在黃土研究中將黃土顆粒物粒徑作為指示冬季風強弱的指標［13］。可見微粒的粒徑與大氣環流的強弱密切相關。耶和龍冰川積雪中不溶微粒的濃度與粒徑變化上整體呈現一致性，可能是源區輸送強度和大氣環流季節變化共同作用的結果。而降水量季節變化的疊加使微粒濃度的季節變化更加顯著。

4.2 不溶微粒的空間變化

大氣環流模式和與沙塵源區位置關系決定了青藏高原大氣中的塵埃由北向南依次遞減［19］。青藏高原氣溶膠光學厚度和冰芯中不溶微粒研究也均反映出塵埃在高原上從西北向東南輸送［37］。這主要是由于在高原盛行西北風，而高亞洲粉塵源位于高原西北部的干旱荒漠、沙漠帶，盛行風攜帶大量的粉塵，在區域或半球尺度傳輸［38］。受氣溶膠粒子自身物理化學性質、地形和降水等因子影響，形成了青藏高原氣溶膠濃度南低北高的格局。源區和大氣環流是影響氣溶膠濃度分布的主要因子。

在冰川作用區，除受大范圍大氣環流影響外還受到局地的冰川風-山谷風耦合系統的影響［39］，山谷風攜帶大量冰緣區巖石碎屑輸入到冰川，距源近的冰川末端雪冰中微粒的含量最高、粒徑較大。而受風場和重力場作用，隨海拔升高，積雪中不溶微粒的濃度和粒徑均降低。如圖4 所示，在耶和龍冰川雪線附近上述現象并不顯著?？赡苁呛０翁荻忍。b別不出局地源的擾動信號。而雪坑中微粒的平均粒徑在1.13～1.81 μm 之間，粒徑較小，可能說明遠源物質的輸入是耶和龍冰川中不溶微粒的主要來源，局地源對樣品中不溶微粒影響有限。

圖4 不溶微粒組成和粒徑與海拔之間的關系Fig.4 Relationship between insoluble particles’composition，size and altitude

質量隨粒徑的增加而呈指數增加，平均質量粒徑的增加意味著大粒子豐度的增加，而以數濃度以權重計算的平均粒徑則更多的反映了小粒徑粒子的情況。粒度譜分布可以很直觀的反映不溶微粒實際信息。大氣氣溶膠譜粒度譜分布特征決定其在大氣中的遷移特性、停留時間及沉降方式［25］。雪冰中不溶微粒的粒度譜分布是大氣氣溶膠粒度譜分布經過一系列改造后的表現，在某種程度冰川積累區積雪中不溶微?？梢苑从吃磪^和搬運風力強弱特征［13］。在本文中參考氣溶膠粒子粒度譜分布表征方法［40］，研究了雪坑樣品中不溶微粒的濃度、體積及表面積譜分布特征（圖5）。從圖可見在所測量粒徑范圍內，數濃度譜分布呈非正態分布，眾數出現在更小粒徑。微粒的表面積譜分布中出現2個峰值，一個出現在1 μm，另一個出現在10 μm（海拔較高的雪坑）/30 μm（海拔較低的雪坑）?？赡苁艿匠杀^程的影響。研究發現濕沉降對小粒徑粒子清除效果顯著，而干沉降對大氣中粗粒子的清除效率較高，這可能是積雪中出現雙峰值的原因。也有可能是粉塵遠源與局地源相互作用的結果。

圖5 阿尼瑪卿山耶和龍冰川雪坑I和VI中不溶微粒數濃度、體積及表面積譜分布Fig.5 Distribution of insoluble microparticles’number concentration，volume，and surface area from Snowpits I and VI at Yehelong Glacier，Mt.Anyemaqen

而在海拔較低的雪坑中微粒的粒度譜分布略有不同，表面積與體積眾數出現的粒徑更加接近。相對于雪坑I，雪坑VI 中微粒的粒徑對表面積譜分布的影響更加顯著。

從圖5 中可見雪坑I 中微粒的數濃度顯著高于雪坑VI，但其總體積卻小于雪坑VI。可能是體積與濃度、粒徑的3次方成正比，微粒的體積譜分布受粒徑影響比較顯著。甚至在有的樣品中偶爾出現的一個大粒子，體積就有可能大于數濃度最高時的小粒徑粒子的總體積。從而也說明局地源對雪坑中不溶微粒的影響。

但是由于這些小概率出現的大粒子很難進入大氣層中上部，主要以局地搬運為主，對大氣輻射強迫和環境的影響有限。但是對于冰川表面的能量和物質平衡的影響可能較大，可見在不同方向的研究中對不溶微粒粒徑選擇的重要性。

4.3 微粒來源分析

在本次研究中利用NCEP 全球數據同化系統輸出的數據，應用HYSPLIT-4 模式探討到達研究區域上空的氣團移動軌跡［41］，從而指導雪冰中不溶微粒來源研究。研究發現濕沉降過程主要與粒徑相關［42］，干沉降過程通常與大氣邊界層狀態有關，也與氣溶膠粒子的粒徑、密度、氣溶膠粒子的物理化學性質有關。粗粒子或者巨粒子也有可能來源于百或數千公里外地區，巨粒子＞62.5 μm傳統觀點認為巨粒子在傳輸過程中受重力作用的影響首先沉降，傳輸距離一般不超過1 000 km［10］。模式研究發現粒徑1～2.5 μm 的粒子的壽命約7 天，2.5～5 μm約3.6 天，5～10 μm 的為1.34 天［43］，12～20 μm 約28小時，后來的研究指出8～16 μm 壽命達2.2 天［44］。因此計算了全年每天4個時間段到達耶和龍冰川上空氣團的7天后向軌跡。隨后對所得軌跡分時間段進行了聚類分析。

從圖6 可見春季時氣團活動相對劇烈，主要受到西風環流北支和南支共同作用的影響，沙塵源幾乎涵蓋了整個青藏高原、塔克拉瑪干以及中亞部分地區。夏季氣團活動相對較弱，同期降水較多，可推斷積雪中不溶微粒的含量最低。冬季氣團活動最為劇烈，降水少，積雪中不溶微粒的含量最高，與圖2的所示的實驗結果一致。說明在耶和龍冰川積雪中不溶微粒的濃度及粒徑隨雪坑深度的變化可以反映氣團強度的季節變化過程，夏季降水增加信號的疊加強化了積雪中不溶微粒的季節變化特征。由圖6 中氣團移動軌跡可見青藏高原、塔克拉瑪干沙漠以及中亞干旱區可能是耶和龍冰川中不溶微粒的來源。

圖6 阿尼瑪卿山耶和龍冰川不同季節上空氣團的7天后向軌跡Fig.6 Air mass backward trajectories of seven days in different seasons over Yehelong Glacier，Mt.Anyemaqen

5 結論

黃河源區阿尼瑪卿山耶和龍冰川89 個積雪樣品中不溶微粒的數濃度平均值為1.1×105個·mL-1，在所測總粒子中小于10 μm的占99%。以數濃度為權重的平均粒徑分布1.1～1.8 μm 之間，說明耶和龍冰川積雪中不溶微粒以細粒子為主。不溶微粒的粒徑與濃度在雪坑中部均較小，在下部污化層附近則同步增加，而在雪坑上部變化趨勢不一致。不溶微粒的粒度譜分布不符合正態分布規律，粒子濃度的眾數出現在更小粒徑。通過雪坑中不溶微粒的研究發現，微粒源區輸入和大氣環流強度是控制積雪中不溶微粒特征的主要因素。源區輸入和風場強度均較大時，積雪中不溶微粒濃度及粒徑均較大，反之則相反。但是當源區輸入較弱而風場強度較大時，積雪中微粒濃度有所增加，但是粒徑的增加更加顯著。通過HYSPLIT-4 模式研究說明，在耶和龍冰川積雪中不溶微粒的濃度及粒徑隨雪坑深度的變化可以反映氣團強度的季節變化過程，夏季降水增加信號的疊加強化季節冰川過程。西風攜帶的塔克拉瑪干沙漠和中亞干旱區塵埃是耶和龍冰川中春秋積雪中不溶微粒的一個重要來源。