【摘要】：南北極地區(qū)遠(yuǎn)離主要人類活動區(qū),特別是南極地區(qū),在歷史時期沒有受到人類活動的干擾,是全球氣候變化的敏感地區(qū)和核心研究區(qū)域。對極地地區(qū)歷史時期氣候、環(huán)境和生態(tài)演變過程的高分辨的恢復(fù)和重建,以及現(xiàn)代全球氣候背景下痕量氣體的高精度監(jiān)測,能夠揭示地球生態(tài)環(huán)境的演變規(guī)律和控制因素,從而為預(yù)測未來可能的氣候和環(huán)境變化趨勢提供科學(xué)依據(jù)。 在對歷史時期氣候演變的研究方面,本文選擇東南極無冰區(qū)的湖泊沉積物為研究對象,以探討千年尺度的氣候環(huán)境演變特征及其與生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)關(guān)系。在對現(xiàn)代氣候背景的研究方面,本文選擇東南極拉斯曼丘陵地區(qū)和北極新奧爾松地區(qū)為主要研究區(qū)域,通過采用被動差分吸收光譜技術(shù)對03、BrO和NO2等痕量氣體進(jìn)行了連續(xù)在線觀測,獲得了大量第一手資料,并討論了相關(guān)氣體的變化特征和影響因素。 本論文的主要研究內(nèi)容及研究結(jié)果包括： 1.對東南極拉斯曼丘陵地區(qū)湖泊沉積物的生態(tài)地質(zhì)學(xué)研究 以采自東南極拉斯曼丘陵地區(qū)莫愁湖長111cm的沉積柱為研究對象,通過AMS-14C定年構(gòu)建年齡框架,并綜合550℃燒失量、巖性、粒度、磁化率和元素地球化學(xué)指標(biāo)的分析手段,以及聚類分析和主因子分析等數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法,重建了中晚全新世時期企鵝等海鳥在研究地區(qū)的種群數(shù)量變化趨勢,恢復(fù)了該地區(qū)連續(xù)的較高分辨的湖泊生產(chǎn)力的變化特征,并探討了6720cal.a BP以來研究地區(qū)氣候環(huán)境演變與生態(tài)響應(yīng)之間的關(guān)系。 結(jié)果顯示,莫愁湖沉積物的來源主要有三種：周圍基巖的風(fēng)化產(chǎn)物、藻類的沉積以及少量企鵝糞等海鳥來源的輸入。多元素指標(biāo)的統(tǒng)計分析結(jié)果顯示,易隨食物鏈富集的Cu、Zn、Hg、As、Se、Co、Ni、S等8種元素為企鵝糞的標(biāo)型元素組合,能夠指示歷史時期莫愁湖流域企鵝等海鳥的種群數(shù)量變化特征；總碳(TC)、總氮(TN)、燒失量(LOI550℃c)、Si、Ti、Ga、P、Ca、Mg、Mn等為湖泊有機(jī)質(zhì)和基巖含量的替代指標(biāo),共同指示了歷史時期湖泊生產(chǎn)力的變化趨勢。 在6720cal.a BP之前,拉斯曼丘陵地區(qū)就已經(jīng)有企鵝等海鳥活動,但其數(shù)量一直處于相對較低水平,至約3500cal.a BP前后,企鵝等海鳥種群數(shù)量出現(xiàn)持續(xù)增長。而當(dāng)?shù)貧夂蛟谥型砣率酪步?jīng)歷了多次冷暖交替的變化過程。約6720-6100cal.a BP,5400-4750cal.a BP,4600-4350cal.a BP,4200-3650cal.a BP和3400-3140cal.a BP為莫愁湖生物量高值期,氣候相對溫暖適宜,湖泊生產(chǎn)力旺盛；約6100-5400cal.a BP,4750-4600cal.a BP,4350-4200cal.a BP和3650-3400cal.a BP為莫愁湖生物量低值期,氣候相對寒冷,湖泊生產(chǎn)力相對較弱。值得注意的是,在5400-3650cal.a BP期間的暖期背景下,出現(xiàn)了兩次時間跨度在150年左右的氣候回冷,這在南極無冰區(qū)其他湖泊沉積序列相關(guān)記錄中鮮有發(fā)現(xiàn)。 與全球太陽活動和東南極大陸冰芯的氣候指標(biāo)的比對結(jié)果顯示,東南極拉斯曼丘陵地區(qū)的氣候變化特征明顯受到了太陽活動的驅(qū)動,長時間尺度上的氣候變化階段與東南極大陸冰芯記錄相吻合,但在短時間尺度上表現(xiàn)出了多樣性的變化特征。 2.對南北極地區(qū)大氣中03、BrO和N02柱濃度的觀測和研究 自南極臭氧空洞被發(fā)現(xiàn)以來,臭氧空洞形成的原因、影響因素和臭氧空洞恢復(fù)時間的預(yù)測等已是長久以來人們關(guān)注的焦點。采用地基被動差分吸收光譜(DOAS)技術(shù)對南極拉斯曼丘陵地區(qū)(69°22'24"S,76°22'14"E)和北極新奧爾松地區(qū)(78°54'26"N,11°53'9"E)的夏季03、BrO和N02柱濃度進(jìn)行了實時在線觀測,對DOAS技術(shù)在極地地區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行了論證,并討論了三種氣體的垂直分布特征、變化機(jī)制和來源。 1)采用天頂觀測的方式,獲得了南北極地區(qū)平流層中O3的斜柱濃度(SCD),并通過對扣除弗朗和費參考譜的差分斜柱濃度(dSCD)與大氣質(zhì)量因子(AMF)進(jìn)行線性擬合,獲得了大氣中O3的垂直柱濃度(VCD)。 東南極拉斯曼丘陵地區(qū)夏季O3的觀測結(jié)果表明,2008年12月10日-2009年2月19日期間,拉斯曼丘陵中山站上空的03含量在219DU以上,沒有出現(xiàn)明顯的臭氧空洞。其中在2008年12月20-25日和2009年1月27日-2月1日,O3VCD分別出現(xiàn)大幅下降,但3-5天內(nèi)恢復(fù)至原有水平,日際變化幅度達(dá)60DU。 北極新奧爾松地區(qū)夏季03的觀測結(jié)果表明,2010年7月12日-8月17日期間,新奧爾松地區(qū)上空O3柱含量基本穩(wěn)定在300DU,但8月下旬出現(xiàn)明顯下降并維持在240DU的較低水平。這很可能是由于夏季極地渦旋等大氣動力過程頻繁,平流層大氣與對流層頂大氣發(fā)生交換并迅速擴(kuò)散,從而造成了較大的03總量的波動。 通過對比不同觀測方式對O3的觀測結(jié)果,發(fā)現(xiàn)被動DOAS與星載OMI所觀測到的03柱含量表現(xiàn)出較好的一致性,證實了被動DOAS技術(shù)在極地進(jìn)行大氣O3含量觀測的可靠性。此外,由于被動DOAS觀測的分辨率更高,其在極地地區(qū)的應(yīng)用也是對高緯度地區(qū)衛(wèi)星觀測結(jié)果的補(bǔ)充和驗證。 2)采用多軸DOAS觀測方式,分別對南極拉斯曼丘陵地區(qū)的BrO和北極新奧爾松地區(qū)的N02柱含量進(jìn)行了觀測。提取五個不同觀測角度(90°,5°,10°,15°/30°,20°)的光譜,得到四個離軸觀測仰角痕量氣體的對流層差分斜柱濃度(DSCD),從而計算得到VCD和混合比(Mixing Ratio)的變化趨勢。 東南極拉斯曼丘陵地區(qū)夏季BrO的觀測結(jié)果表明,2008年12月10日-2009年2月19日期間,拉斯曼丘陵地區(qū)的BrO dSCD整體呈現(xiàn)“W”型日變化,但四個離軸觀測仰角的結(jié)果之間并沒有明顯差異,表明觀測期間BrO在對流層中含量較低且分布均勻。BrO VCD呈現(xiàn)規(guī)律的“正午較高,曙暮較低”的日變化特征。對照大氣質(zhì)量參數(shù)的“盒子”模型(AMF Box Model)得到觀測期間BrO的平均混合比為964pptv,其主要來源為人為排放溴化烴的光解產(chǎn)物和海冰表面酸性海鹽的化學(xué)釋放。 北極新奧爾松地區(qū)夏季N02的觀測結(jié)果表明,2011年7月5日-8月1日期間,新奧爾松地區(qū)的NO2四個離軸角度的觀測結(jié)果隨仰角的減小而增大,呈現(xiàn)出典型的對流層氣體的特征。與大氣質(zhì)量參數(shù)的“盒子”模型相對照,得到觀測期間NO2的平均混合比為4.09ppbv。經(jīng)調(diào)查,N02含量的高值期與新奧爾松地區(qū)碼頭船只的化石燃料燃燒有關(guān),而曙暮時N02異常高值的出現(xiàn)可能受大氣光化學(xué)反應(yīng)和海氣邊界層大氣化學(xué)過程的影響。 地基多軸DOAS相對衛(wèi)星觀測在觀測精度和實時性上都體現(xiàn)了較大優(yōu)勢,對邊界層目標(biāo)氣體的短時間和小區(qū)域范圍內(nèi)的變化更加敏感,在極地遙感監(jiān)測領(lǐng)域有很大的發(fā)展前景。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：X16

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本文編號：2734066