南极拉斯曼丘陵湖泊生态气候变化及南北极痕量气体在线监测探索

摘要

南北极地区远离主要人类活动区，特别是南极地区，在历史时期没有受到人类活动的干扰，是全球气候变化的敏感地区和核心研究区域。对极地地区历史时期气候、环境和生态演变过程的高分辨的恢复和重建，以及现代全球气候背景下痕量气体的高精度监测，能够揭示地球生态环境的演变规律和控制因素，从而为预测未来可能的气候和环境变化趋势提供科学依据。
　　 在对历史时期气候演变的研究方面，本文选择东南极无冰区的湖泊沉积物为研究对象，以探讨千年尺度的气候环境演变特征及其与生态系统的响应关系。在对现代气候背景的研究方面，本文选择东南极拉斯曼丘陵地区和北极新奥尔松地区为主要研究区域，通过采用被动差分吸收光谱技术对O3、BrO和NO2等痕量气体进行了连续在线观测，获得了大量第一手资料，并讨论了相关气体的变化特征和影响因素。
　　 本论文的主要研究内容及研究结果包括：
　　 1.对东南极拉斯曼丘陵地区湖泊沉积物的生态地质学研究
　　 以采自东南极拉斯曼丘陵地区莫愁湖长111cm的沉积柱为研究对象，通过AMS-14C定年构建年龄框架，并综合550℃烧失量、岩性、粒度、磁化率和元素地球化学指标的分析手段，以及聚类分析和主因子分析等数据统计分析方法，重建了中晚全新世时期企鹅等海鸟在研究地区的种群数量变化趋势，恢复了该地区连续的较高分辨的湖泊生产力的变化特征，并探讨了6720 cal.a BP以来研究地区气候环境演变与生态响应之间的关系。
　　 结果：显示，莫愁湖沉积物的来源主要有三种：周围基岩的风化产物、藻类的沉积以及少量企鹅粪等海鸟来源的输入。多元素指标的统计分析结果显示，易随食物链富集的Cu、Zn、Hg、As、Se、Co、Ni、S等8种元素为企鹅粪的标型元素组合，能够指示历史时期莫愁湖流域企鹅等海鸟的种群数量变化特征；总碳(TC)、总氮(TN)、烧失量(LOI550℃)、Si、Ti、Ga、P、Ca、Mg、Mn等为湖泊有机质和基岩含量的替代指标，共同指示了历史时期湖泊生产力的变化趋势。
　　 在6720 cal.a BP之前，拉斯曼丘陵地区就已经有企鹅等海鸟活动，但其数量一直处于相对较低水平，至约3500 cal.a BP前后，企鹅等海鸟种群数量出现持续增长。而当地气候在中晚全新世也经历了多次冷暖交替的变化过程。约6720-6100 cal.a BP,5400-4750 cal.a BP,4600-4350 cal.a BP,4200-3650 cal.a BP和3400-3140 cal.a BP为莫愁湖生物量高值期，气候相对温暖适宜，湖泊生产力旺盛；约6100-5400 cal.a BP,4750-4600 cal.a BP,4350-4200 cal.a BP和3650-3400 cal.a BP为莫愁湖生物量低值期，气候相对寒冷，湖泊生产力相对较弱。值得注意的是，在5400-3650 cal.a BP期间的暖期背景下，出现了两次时间跨度在150年左右的气候回冷，这在南极无冰区其他湖泊沉积序列相关记录中鲜有发现。
　　 与全球太阳活动和东南极大陆冰芯的气候指标的比对结果显示，东南极拉斯曼丘陵地区的气候变化特征明显受到了太阳活动的驱动，长时间尺度上的气候变化阶段与东南极大陆冰芯记录相吻合，但在短时间尺度上表现出了多样性的变化特征。
　　 2.对南北极地区大气中O3、BrO和NO2柱浓度的观测和研究
　　 自南极臭氧空洞被发现以来，臭氧空洞形成的原因、影响因素和臭氧空洞恢复时间的预测等已是长久以来人们关注的焦点。采用地基被动差分吸收光谱(DOAS)技术对南极拉斯曼丘陵地区(69°22′24″S，76°22′14″E)和北极新奥尔松地区(78°54′26″N，11°53′9″E)的夏季O3、BrO和NO2柱浓度进行了实时在线观测，对DOAS技术在极地地区的应用进行了论证，并讨论了三种气体的垂直分布特征、变化机制和来源。
　　 1)采用天顶观测的方式，获得了南北极地区平流层中O3的斜柱浓度(SCD)，并通过对扣除弗朗和费参考谱的差分斜柱浓度(dSCD)与大气质量因子(AMF)进行线性拟合，获得了大气中O3的垂直柱浓度(VCD)。
　　 东南极拉斯曼丘陵地区夏季O3的观测结果表明，2008年12月10日-2009年2月19日期间，拉斯曼丘陵中山站上空的O3含量在219DU以上，没有出现明显的臭氧空洞。其中在2008年12月20-25日和2009年1月27日-2月1日，O3VCD分别出现大幅下降，但3-5天内恢复至原有水平，曰际变化幅度达60DU。
　　 北极新奥尔松地区夏季O3的观测结果表明，2010年7月12日-8月17日期间，新奥尔松地区上空O3柱含量基本稳定在300DU，但8月下旬出现明显下降并维持在240DU的较低水平。这很可能是由于夏季极地涡旋等大气动力过程频繁，平流层大气与对流层顶大气发生交换并迅速扩散，从而造成了较大的O3总量的波动。
　　 通过对比不同观测方式对O3的观测结果，发现被动DOAS与星载OMI所观测到的O3柱含量表现出较好的一致性，证实了被动DOAS技术在极地进行大气O3含量观测的可靠性。此外，由于被动DOAS观测的分辨率更高，其在极地地区的应用也是对高纬度地区卫星观测结果的补充和验证。
　　 2)采用多轴DOAS观测方式，分别对南极拉斯曼丘陵地区的BrO和北极新奥尔松地区的NO2柱含量进行了观测。提取五个不同观测角度(90°,5°，10°，15°/30°，20°)的光谱，得到四个离轴观测仰角痕量气体的对流层差分斜柱浓度(DSCD)，从而计算得到VCD和混合比(Mixing Ratio)的变化趋势。
　　 东南极拉斯曼丘陵地区夏季BrO的观测结果表明，2008年12月10日-2009年2月19日期间，拉斯曼丘陵地区的Bro dSCD整体呈现“W”型日变化，但四个离轴观测仰角的结果之间并没有明显差异，表明观测期间BrO在对流层中含量较低且分布均匀。Bro VCD呈现规律的“正午较高，曙暮较低”的日变化特征。对照大气质量参数的“盒子”模型(AMF Box Model)，得到观测期间BrO的平均混合比为9.64 pptv，其主要来源为人为排放溴化烃的光解产物和海冰表面酸性海盐的化学释放。
　　 北极新奥尔松地区夏季NO2的观测结果表明，2011年7月5日-8月1日期间，新奥尔松地区的NO2四个离轴角度的观测结果随仰角的减小而增大，呈现出典型的对流层气体的特征。与大气质量参数的“盒子”模型相对照，得到观测期间NO2的平均混合比为4.09 ppbv。经调查，NO2含量的高值期与新奥尔松地区码头船只的化石燃料燃烧有关，而曙暮时-NO2异常高值的出现可能受大气光化学反应和海气边界层大气化学过程的影响。
　　 地基多轴DOAS相对卫星观测在观测精度和实时性上都体现了较大优势，对边界层目标气体的短时间和小区域范围内的变化更加敏感，在极地遥感监测领域有很大的发展前景。

目录

声明

摘要

符号及缩略词说明

上篇 南极拉斯曼丘陵地区典型湖泊的生态地质学研究

第一章 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 东南极无冰区全新世气候变化研究进展

1.3 企鹅数量变化的研究方法与研究进展

1.4 研究内容与技术路线

第二章 研究区域和样品采集

2.1 拉斯曼丘陵地区环境概况

2.2 样品采集与描述

2.3 样品的分析与测试

第三章 拉斯曼丘陵地区湖泊沉积物年代序列的建立

3.1 全新世以来拉斯曼丘陵地区相对海平面的变化

3.2 沉积柱年代框架的建立

第四章 拉斯曼丘陵湖泊沉积物的指标分析

4.1 拉斯曼丘陵莫愁湖ZH柱沉积特征

4.2 ZH沉积柱元素地球化学特征

4.3 ZH沉积柱元素聚类分析结果

4.4 ZH沉积柱主因子分析及主要影响因子的提取

第五章 拉斯曼丘陵地区中晚全新世古气候记录的恢复

5.1 中全新世拉斯曼丘陵地区企鹅等海鸟数量的变化

5.2 中全新世莫愁湖湖泊生产力的变化

5.3 中晚全新世莫愁湖地区气候环境的恢复

小结

参考文献

下篇 南北极痕量气体柱含量的在线监测研究

第一章 引言

1.1 研究背景与意义

1.2 研究概况

1.3 观测手段

1.4 本文主要内容

第二章 被动差分吸收光谱技术

2.1 DOAS技术概述

2.2 被动DOAS技术

2.3 被动DOAS原理

2.4 被动DOAS的组成与构造

第三章 研究区域与数据采集

3.1 研究区域环境概况

3.2 数据采集

3.3 光谱拟合与计算

第四章 南北极夏季臭氧柱含量时空分布特征

4.1 南极拉斯曼丘陵地区夏季O3柱总量

4.2 北极新奥尔松地区夏季O3垂直柱含量

4.3 南北极O3柱含量的对比

第五章 南极夏季BrO柱含量时空分布特征

5.1 南极拉斯曼丘陵地区夏季BrO斜柱含量

5.2 BrO垂直柱含量及混合比

5.3 BrO的来源

第六章 北极夏季NO2柱含量时空分布特征

6.1 北极新奥尔松地区夏季NO2垂直柱含量

6.2 NO2混合比及来源分析

6.3 NO2的日变化及分布

小结

参考文献

致谢

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