粒度揭示的青藏高原湖泊水动力现代过程:以藏南普莫雍错为例

在全球变暖的背景下,冰川融水占重要补给地位的湖泊对气温变化具有潜在的敏感性.本文以藏南普莫雍错为例,通过湖泊现代水动力过程解析,结合古湖泊学气候环境序列对比,辨析湖泊沉积物中粒度对气温变化敏感性.根据表层沉积物的粒度参数、各粒级百分含量的空间格局以及频率分布曲线特征,分析了该湖不同湖区的水动力环境.结果表明,该湖碎屑沉积可分为5种类型,其中开阔湖区除小岛周围和北岸受近岸碎屑影响外,其他中心湖区主要受悬移搬运控制;沉积动力学模型(粒径趋势方法)分析表明,该湖开阔湖区沉积物具有自西向东运移的输运趋势,表明该湖西部冰川融水补给河流加曲对湖泊的影响不仅限制在冲积扇上,而且影响到整个湖泊,从而也表明了湖泊沉积物粒度的温度指示意义;中心湖区沉积物岩芯粒度指标与气温资料时间序列的对比,验证了在短时间尺度上,粒度环境意义为区域温度的良好指示器,进而验证了水动力现代过程辨析方法的可靠性.作为案例研究,本研究表明,沉积物粒径趋势分析和沉积模式常规对比方法能够辨析青藏高原冰川融水补给湖泊的水动力过程,进而有助于理解钻孔的碎屑来源和粒度大小的控制性因素,有利于提高该类湖泊的古气候反演能力.     

基于监测的藏东南然乌湖现代过程:湖泊对冰川融水的响应程度

青藏高原冰川和湖泊广布,湖泊水质、沉积物对冰川变化的响应研究较为匮乏.本文通过藏东南外流区第二大湖泊然乌湖监测的系统设计,研究了湖泊对冰川的响应程度.利用水位计对比然乌湖和各大补给河流水位与水温的关系,发现冰川融水补给河流(曲尺河)对湖泊水量平衡的重要性;利用水质多参数仪器定期监测湖泊和河流的水质参数的时空变化,发现冰川融水对然乌湖温度的时空变化有重要影响,导致水温自上而下降低,流量小的季节湖泊温度差异变小;自上游到下游电导率逐渐升高,显现出离子浓度低的冰川融水对湖泊的冲淡效应,p H随之变化;甚至影响到了叶绿素含量的时空变化;利用在上、中和下湖布设的沉积物捕获器监测沉积通量的时空变化,发现沉积速率非常大,通量具有上湖中湖下湖的规律,且时间上各湖具有入湖流量大的季节大于小的季节的规律,说明了冰川融水对然乌湖在沉积量方面的影响是决定性的.总之,然乌湖水体和沉积物能够高信度地响应上游冰川的变化,然乌湖沉积物具有高分辨率反演该区域冰川和气候变化的潜力.     

全新世太阳活动驱动的太平洋上层热力结构的瞬变演化

在中等复杂程度地球系统模式(UViC-ESCM)中, 受过去7千年来瞬变太阳活动驱动, 北半球冬季太平洋上层水体热力结构表现出百年尺度变化特征, 西太平洋暖池(WPWP)的三维热力响应被大幅度增强. 太阳活动最大值期, 热带西太平洋表层海水温度变化幅度比Niño3区域大30%左右, 而次表层海水温度变化幅度在副热带北太平洋比赤道西太平洋大40%; 太平洋纬向表层海温梯度(西-东)和经向次表层海温梯度(北-南)同时增强, 且在百年尺度周期上线性响应于太阳活动驱动. 表层海温梯度的208 a周期最为显著, 而次表层海温梯度在大于208 a的周期上更为显著. 此外, 表层海温梯度在百年尺度周期上的相位滞后(响应时间)要比次表水海温略小, 表层海温梯度中出现的148和102 a周期并未见于次表层海温梯度. 上述模拟结果初步指示WPWP古海洋记录中的全新世百年尺度波动可能来源于太阳活动变化.     

湖光岩玛珥湖表层沉积物磁性粒度特征及其来源

为了确定湖光岩玛珥湖沉积物中磁性矿物的来源, 对表层沉积物及火山壁上岩石进行了激光粒度分析和磁性粒度研究. 结果显示: 表层沉积物粒度为黏土质粉砂; 磁性矿物为磁铁矿, 粒径约为0.03 μm; 火山壁上岩石磁性矿物为磁铁矿, 粒径约为0.05 μm. 沉积物中的磁性矿物种类和粒径与黄土中明显不同, 而更倾向于湖泊周边火山岩的磁性特征. 湖光岩玛珥湖沉积物中的细粒组分(<8 μm)可能有一部分来自风尘, 另一部分为湖泊周边风化产物经波浪作用变为细粒; 粗粒组分为湖四周火山岩风化产物. 磁性矿物主要来自湖四周的火山岩, 虽然不排除少量的风尘沉积, 但沉积物的磁学参数作为亚洲冬季季风强弱变化的替代指标很可能存在问题, 冬季季风与磁学参数的具体关系还有待进一步研究.     

云南星云湖现代盘星藻与湖泊水深关系及其化石记录的探讨

盘星藻化石在我国第四纪湖相地层中频繁出现,但其在第四纪古环境研究中的指示意义存在较大的争议.一些研究认为盘星藻大量的出现代表了湖泊变浅,一些研究则认为盘星藻主要集中在湖泊水深较大的区域.本文对位于云南中部的星云湖现代水样和湖床表层沉积物样品中盘星藻的分布状态进行调查研究,结果显示湖面水体中盘星藻浓度在水平方向上随水深基本没有变化,在垂直方向上盘星藻在湖水底部浓度最大,推测可能与盘星藻重力沉降及波浪扰动底泥产生的再沉积作用有关;湖床表层沉积物中盘星藻含量与水深无明显关系.初步认为,在一些较大湖泊的沉积物中,盘星藻的分布与水深的关系可能是沉积过程造成的,较大湖泊中风浪的作用使得盘星藻趋中沉积非常明显;而湖水中是否有大量盘星藻生长可能与河流输入、水体营养化状态、水温、p H、盐度等水环境状态有关.不同区域、不同类型的湖泊可能机制并不一样,没有统一的规律.因此,在第四纪古环境研究中将盘星藻含量作为水深的指标需结合其他指标综合分析.星云湖过去3000年化石盘星藻含量的变化与沉积物粒度和磁化率指示的区域人类活动强度变化趋势一致,且更敏感地响应了人类活动导致的湖泊水体富营养化过程.     

东南极Dome A 近地面气温及雪层温度的观测研究

利用我国在Dome A 获取的2005~2007 年自动站观测资料, 分析了冰盖近地面3 个高度的气温和近表层4 个深度雪温的季节变化及其差异特征, 并分析了近地面底层逆温及大气稳定状况, 最后对近地面观测气温、10 m 深度雪温以及地面气温的关系作了探讨. 结果表明, Dome A近地面温度变化具有典型的无芯冬季特征, 在长达半年的冬季期间近地面存在强而稳定的逆温. 雪层中季节温度波动的振幅随深度衰减, 同时位相逐渐滞后, 导致近表层内季节温度的垂直分布廓线具有显著差异. 由于很强的近地面逆温效应, 自动站观测的近地面年平均气温比 10 m 雪温所代表的年平均地面温度高得多. 而根据边界层理论对地面气温进行近似推算得到的年平均地面气温与10 m 雪温十分接近, 考虑到其极低的10 m 雪温和很强的近地面底层逆温, Dome A 可能是地球上地面温度最低的地点,这有待于观测进一步证实.     

过去千年3 个特征期气候的FGOALS 耦合模式模拟

利用一个气候系统模式, 对过去千年气候演变的3 个特征期——中世纪暖期、小冰期和20 世纪增暖期, 进行了系列平衡态模拟和瞬变强迫模拟试验, 比较了3 个特征期气候的异同点.结果表明: 中世纪暖期的暖信号在除北太平洋中纬度以外的全球大部分地区普遍存在, 但自然增暖的幅度整体上较20 世纪要弱; 北半球中高纬地区的增温幅度大于南半球. 小冰期变冷近乎是全球性的, 在欧亚大陆及高纬地区尤为显著, 变冷极大值位于北极地区的表层. 中世纪暖期和 20 世纪温度变化的垂直结构表现出类似特征, 最强增温都出现在热带对流层中上层的200~300 hPa. 与暖期不同, 小冰期的变冷主要表现为极地强化. 模拟结果与重建资料的比较表明, 模式对暖期温度变化的模拟能力强于冷期, 对中低纬地区温度变化的模拟能力强于高纬地区. 东亚夏季风的年际变率特征受背景气候态的影响不大, 不同特征期年际变率的降水距平型近乎相同, 但是主导周期变化显著, 东亚夏季风的准两年振荡现象在暖期更容易出现, 在冷期则不明显. 在百年尺度上, 有效太阳辐射外强迫变化驱动的季风变化外部模态由大尺度海陆热力对比的变化决定, 在110°E 以东降水呈现出“南北同号”的特征, 这与伴随耦合系统内部变率出现的“南北反号”的降水距平型不同.     

巴丹吉林沙漠诺尔图湖泊水化学特征与补给来源

选取巴丹吉林沙漠最大、最深的湖泊诺尔图作为研究对象,通过分析湖水和地下水八大离子、总溶解固体含量、稳定同位素18O和2H组成,地下水放射性同位素氚浓度,研究了诺尔图水平和垂直方向上湖水理化参数及同位素特征.结果表明,诺尔图湖水理化性质年际和季节变化明显大于附近地下水的变化,水平和垂直方向上湖水混合较均匀,不同深度湖水的水化学型一致,均为Na-Cl-CO3-(SO4).诺尔图湖水、地下水同位素沿着低于全球大气降水线斜率的当地蒸发线展布,较低的斜率表明研究区强烈的蒸发环境特征.湖水同位素大多位于蒸发线的右上角,地下水同位素大多位于蒸发线的左下角,结合湖水及地下水水位变化趋势,表征湖泊的主要补给来源为地下水.诺尔图钙华泉水(地下水)的年龄约为75~80 a,说明湖泊水初始补给源可能为次现代~1952年之间补给的混合或年代更老,有待进一步研究.     

底质粒度信息的空间分异与代表性: 以杭州湾舟山岛-金山卫断面为例

对杭州湾舟山岛-金山卫断面沉积物柱状样进行了高密度采样, 并用激光粒度仪进行了粒度分析. 结果显示, 在不同站位沉积物平均粒径具有不同的垂向分布. 由于该断面所在区域海底活动性强, 短时间尺度的活动层厚度的量级远高于长时间尺度的净沉积速率的量级, 平均粒径的垂向分布特征更多地反映了同一沉积环境中形成的不同类型沉积记录, 很难代表沉积环境的长时间尺度演化. 粉沙为主和沉积物粒径的垂向平均值随着厚度的增加而呈现收敛趋势的底质粒度特征, 说明物源因素控制着研究区总体的沉积物分布规律, 而水动力因素造成了一定程度的沉积分异. 沉积物的垂向分异使表层底质粒径的断面分布不同于活动层内垂向平均底质粒径的断面分布. 对于强潮、粉沙环境的沉积物输运模拟而言, 如果涉及的时间尺度较大, 则采用活动层的平均值作为模型的粒度参数较为合适.     

Ag/Bi多层膜的互扩散行为研究

互扩散系数是研究多层膜中扩散机理和固相反应的重要参数,利用调制波长为纳米级的成分调制多层膜可以测量10~(-27)m~2/s量级的扩散系数。当组分调制多层膜的调制波长L(L为两组分厚度之和)在纳米量级时,在垂直膜面方向形成一个一维的人造晶格。这种人造晶格所产生的在0°～10°范围内的Bragg衍射峰(调制峰)的强度对退火过程中多层膜间的互扩散十分敏感。测量多层膜的第1级小角X射线衍射峰强度随退火时间的变化可以得出多层膜间的互扩散系数。为了准确测量,最近我们设计了一种可以原位测量第1级小角衍射峰强     

细菌降解作用对异养黄化藻热解产气的影响

海洋或湖泊内大量浮游藻类在受热力降解作用之前的沉积埋藏过程中,其细胞会发生一些变化.一般而言,主要包括叶绿素消失、细胞黄化和藻细胞受到微生物的降解.我们用异养黄化藻类热模拟产烃的实验揭示300℃时异养黄化藻细胞热解产烃率为绿色自养藻细胞的32倍,黄化藻细胞热解产出的烃气率大大高于绿色藻细胞,两类藻细胞产气组分特征指标参数也明显不同.关于微生物降解作用对藻类热解成烃的影响资料非常有限.     

西藏南部普莫雍错19 cal ka BP 以来高分辨率环境记录

利用西藏南部普莫雍错深水湖区获取的3.8 m 长湖芯, 对湖芯中25 个样品的植物碎屑进行筛选和有机碳同位素测定, 在确定植物来源的前提下进行了¹⁴C 测定, 结合表层样品的过剩²¹⁰Pb衰变计算的沉积速率对整个湖芯的¹⁴C 测年及其碳库效应进行了系统校正, 结果显示该湖芯完整地覆盖了19 cal ka BP 以来的时间尺度. 通过对湖芯TOC, IC, 粒度和孢粉的分析, 发现该湖在16.2 cal ka BP 之前为一个水深较浅的湖泊, 尽管温度升高导致冰川开始融化, 湖区环境仍然具有冷干的特征; 16.2~11.8 cal ka BP, 沉积环境剧烈而频繁的波动, 14.2 和11.8 cal ka BP 左右的2 次冷事件可能是老仙女木和新仙女木事件的反映. 11.8 cal ka BP 之后, 已经形成了现今状态的深水湖泊, 冰川融水的补给使得湖泊水温较低, 受到湖泊水体影响的沉积物环境代用指标对温暖条件的响应并不明显. 通过普莫雍错湖与西藏南部相同时代的不同湖泊沉积物记录的比较, 发现末次冰消期开始的气候转暖对青藏高原东南部影响更加显著, 反映了西南季风自冰消期以后逐渐加强、向高原内部推移的过程, 以冰川融水补给为主的湖泊对冷事件的响应更加明显. 全新世以来,西南季风对整个西藏南部区域发挥着控制性影响.     

山地冰川表面分布式能量-物质平衡模型及其应用

基于“七一”冰川物质平衡、水文气象观测资料, 结合DEM数据, 初步建立了一套时间分辨率达1 h、空间分辨率为15 m的冰川表面分布式能量-物质平衡模型. 模型考虑地形对太阳辐射的遮蔽效应, 引入新的冰川反照率参数化方案, 并发现分布式能量-物质平衡模型对气温垂直递减率、降水梯度、降水固/液态划分指标等参数较敏感. 利用该模型对2007年6月30日20:00~10月10日12:00时段“七一”冰川粒雪线高度变化、物质平衡演变、融水径流状况及其对气候变化的响应等过程进行了模拟研究. 结果表明, 冰川物质平衡高度结构主要受反照率高度结构的影响, 反照率大小直接影响冰川物质平衡水平. 气候敏感性试验表明, 物质平衡对气温变化非常敏感, 它对气温变化的响应呈非线性特征; 而物质平衡对降水量变化敏感性相对较弱, 对降水量变化的响应是线性的. 增温引起的冰川物质亏损量不能靠降低相同气温来得到弥补, 物质平衡变化对气候变暖具有不可逆效应. 气温升高1℃, 即使降水量增加20%, “七一”冰川也会呈现较大的物质亏损状态.     

青藏高原不同类型湖泊温度季节性变化及其分类

青藏高原广泛分布的湖泊是研究高原气候变化及其与全球气候系统相互关系的理想载体,但是目前对于高原湖泊现代过程研究仍然比较缺乏,在某种程度上制约了对过去气候环境变化记录的指标意义和湖泊生态系统演替的深入理解.本研究对青藏高原西部淡水湖泊班公错和中部咸水湖泊达则错开展了为期1年的湖水温度监测,讨论其湖水分层、翻转等水文物理过程.数据显示班公错属于典型的双季对流混合型湖泊(dimictic lake),而达则错属于半对流湖泊(meromictic lake),可能与达则错深部湖水盐度较高有关.利用湖泊模型Lake Analyzer进一步确认达则错不完全混合是由湖水盐度梯度所致.现代湖泊温度监测为高原湖泊分类提供有效数据,也为进一步深入研究过去气候变化和生态系统演替提供了水文物理学基础.     

青藏高原西南部湖泊沉积正构烷烃及其单体δD的气候意义

对青藏高原西南部-南部3个不同气候区9个湖泊的表层沉积物正构烷烃及其单体氢同位素分布特征进行了分析,并与流域植被的正构烷烃和气候要素进行了对比.结果表明,湖泊表层沉积物的n-C23主要来自水生植物,n-C27~n-C33来自陆生高等植物.湖泊表层沉积物正构烷烃n-C27~n-C33平均碳链长度(ACL27~33)与年均降水量正相关.陆生植物来源的高碳链n-C29和n-C31氢同位素比值分布范围分别为-169‰~-214‰和-185‰~-226‰,与年均降水量反相关,但与大气降水的年均-D变化一致,且n-C31的-D值与生长季节(5~9月)大气降水平均-D值相关性较强(R2=0.74).水生植物来源的n-C23的-D值较陆生n-C31偏高(平均约27‰),体现了青藏高原西南部-南部干旱-半干旱地区湖水由于强蒸发作用引起的较大气降水富集-D值的特点.-n-C25~31/p(高碳链表观分馏)平均值为-95‰,较欧洲湿润地区明显偏高(-128‰),其中εn-C31/p约为-116‰(SD=9较恒定,进一步说明湖泊表层沉积物n-C31对于环境变化具有较好的指示作用.     

西藏纳木错全新世沉积物的环境磁学参数变化机理

青藏高原的高分辨环境记录对于理解全球气候与环境变化至关重要.湖泊沉积物的磁学参数能够记录沉积环境和古气候信息.纳木错是西南季风过渡区大湖的典型代表,前人在该湖开展了大量地球化学、微体化石、沉积学和生物化学分析,极大地推动了该区古气候环境的重建工作.但迄今为止,还缺乏对纳木错湖泊沉积物系统的环境磁学研究.因此,本文选取纳木错湖芯NC08/01孔全新世以来(11.3calkaBP)的湖泊沉积物进行详细的岩石磁学与环境磁学研究,结合地球化学指标,在明确的气候背景下探讨该湖沉积物磁性参数的变化机制.结果表明,纳木错全新世沉积物的磁性参数受到陆源磁性矿物输入、还原溶解作用和磁细菌活动的共同影响.根据各磁学参数系统的变化趋势,可将该研究段样品分为3段:第Ⅰ段(236～199cm,11.3～7.8calkaBP)主要载磁矿物为粗颗粒磁铁矿,粒度均一,含量较高,并与Ti含量呈正相关关系,指示该段磁性矿物受后期溶解作用影响较小,其含量主要反映物源输入信息;第Ⅱ段(198～102cm,7.8～2.1calkaBP),磁性矿物颗粒变细,含量明显降低.在该段,湖面下降,水动力减小,进而输入的磁性矿物粒径也减小,容易受到后期溶解作用的影响;第Ⅲ段(101～0cm,2.1～0calkaBP),磁性矿物以生物成因单畴磁铁矿和陆源碎屑成因磁铁矿为主,磁性颗粒含量的变化与Ti含量不相关.以上结果表明,在弱还原环境中,湖泊沉积物磁性矿物的保存状态及磁学性质与其初始粒径密切相关.通过对磁性矿物信息的系统研究(包括粒径和含量变化等)并结合陆源输入指标(如Ti含量),能够较为准确地反映湖泊环境氧化还原程度的变化.以上结果为正确解译该湖沉积物的环境磁学指标提供了基础.     

我国东北地区季节降雪高分辨率数值模拟

利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式,进行了我国东北地区冬季降雪的高分辨率数值模拟,评估了WRF模式对季节降雪的模拟能力,并探讨了模式水平分辨率和物理过程参数化方案对降雪模拟的影响.结果显示WRF模式可以合理地模拟冬季气温和降水的空间分布,模拟结果和观测吻合较好.该模式可以合理地模拟东北地区季节降雪的空间分布和时间演变,显示了该模式较强的模拟性能.水平分辨率和物理过程参数化方案对降雪模拟有重要影响,高分辨率模拟结果更接近观测;相对于积云对流参数化方案,模式对陆面过程和微物理过程参数化方案更加敏感.     

底质粒度信息的空问分异与代表性：以杭州湾舟山岛-金山卫断面为例

对杭州湾舟山岛-金山卫断面沉积物柱状样进行了高密度采样，并用激光粒度仪进行了粒度分析．结果显示，在不同站位沉积物平均粒径具有不同的垂向分布．由于该断面所在区域海底活动性强，短时间尺度的活动层厚度的量级远高于长时间尺度的净沉积速率的量级，平均粒径的垂向分布特征更多地反映了同一沉积环境中形成的不同类型沉积记录，很难代表沉积环境的长时间尺度演化．粉沙为主和沉积物粒径的垂向平均值随着厚度的增加而呈现收敛趋势的底质粒度特征，说明物源因素控制着研究区总体的沉积物分布规律，而水动力因素造成了一定程度的沉积分异．沉积物的垂向分异使表层底质粒径的断面分布不同于活动层内垂向平均底质粒径的断面分布．对于强潮、粉沙环境的沉积物输运模拟而言，如果涉及的时间尺度较大，则采用活动层的平均值作为模型的粒度参数较为合适．     

基于大气反演陆地碳通量季节变化信息的模型参数优化研究

<正>生态系统碳通量是光合作用和呼吸作用之和.在没有附加信息的情况下,区分光合作用和呼吸作用对碳通量的贡献是目前参数优化研究的难点.本研究探讨了利用陆地生态系统碳通量的季节变化信息,优化生态系统模型中光合作用和呼吸作用参数的可行性,并利用大气反演系统估算的净生态系统生产力(NEP),在北美北部地区(BNA)开展了陆地生态系统模型参数(25maxV和Q10)优化研究.通过模型敏感性分析,我们发现     

湖泊底泥疏浚对内源释放影响的过程与机理

对城郊污染湖泊五里湖和玄武湖底泥疏浚前后内源负荷模拟研究和现场样品采集分析表明, 疏浚可在短期内使内源污染负荷得到一定程度的抑制, 由于疏浚方法所造成的疏浚质量差异将对底泥内源控制效果产生影响; 随着颗粒沉降、动力扰动和生物转化等生物地球化学过程的持续作用, 内源回复现象将有可能逐步出现, 其回复的速度主要与疏浚方式、新生表层界面过程变化有关, 沉积物中较高的营养物和有机物含量本底对底泥界面过程和营养物再生起促进作用. 浚前研究污染湖泊底泥物化、生物特性和底泥释放特征, 对确定污染湖泊底泥疏浚方式和预测疏浚效果等极其重要.