探索地球之巔:60年來珠峰氣候環(huán)境變化

　　摘要：世界第一高峰珠穆朗瑪峰(珠峰)，是全球氣候與環(huán)境變化研究的焦點與熱點區(qū)域。自20世紀50年代末期以來，在珠峰地區(qū)已經(jīng)開展了多次綜合考察，并建立了定位觀測研究站。近60年來，珠峰地區(qū)持續(xù)變暖，升溫幅度與青藏高原的平均值相當，降水變化趨勢不明顯。珠峰地區(qū)是冰川集中分布區(qū)，近期冰川顯著退縮，冰湖面積急劇擴張，徑流量增大，反映了冰川和水文過程對全球變暖的響應(yīng)。受到升溫影響，珠峰地區(qū)的植被有變綠趨勢。工業(yè)革命以來，珠峰地區(qū)受到跨境大氣污染物傳輸?shù)挠绊?，也凸顯了冰川消融導(dǎo)致的污染物二次釋放的潛在風(fēng)險。

　　本文源自自然雜志,2020,42(05):355-363.《自然》雜志，于1978年經(jīng)國家新聞出版總署批準正式創(chuàng)刊，CN:31-1418/N，本刊在國內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強的特點，其中主要欄目有：科學(xué)人文、自然筆談、科學(xué)人物等。

　　蒼茫無際的喜馬拉雅山脈綿延千里，逶迤盤桓于青藏高原南部邊緣。在喜馬拉雅山脈中部，一座颯爽輪廓的挺拔山峰赫然屹立，呈巨型金字塔狀的山峰白雪皚皚、寒風(fēng)烈烈，這就是主峰——世界最高峰珠穆朗瑪峰(簡稱珠峰，緯度27°59´17´N，經(jīng)度86°55´31´E，海拔8844.43m)。珠峰地區(qū)(本文指珠穆朗瑪峰國家級自然保護區(qū))位于中國與尼泊爾邊界，南坡降雨充沛、植被繁茂，北坡降水稀少、植被稀疏。珠峰地區(qū)冰川廣布，是重要的淡水資源寶庫，也是氣候環(huán)境變化的敏感地區(qū)。人類對于珠峰的探索從未停止，從清康熙五十六年(1717年)珠峰被發(fā)現(xiàn)以來，作為地球之巔的珠峰吸引著無數(shù)人前赴后繼進行探險和科學(xué)研究。1953年，人們第一次從南坡登頂珠峰;1960年5月25日，人類才首次實現(xiàn)了從北坡攀登珠峰的夙愿。自此，我國開展珠峰登山探險與科考整整60年。在氣候變化的背景下，珠峰地區(qū)氣候環(huán)境變化如何?產(chǎn)生了哪些影響?

　　1、珠峰地區(qū)科學(xué)考察簡史

　　自新中國建立以來，我國科學(xué)家對珠峰地區(qū)持續(xù)開展了科學(xué)考察研究，中國科學(xué)院在歷次珠峰科考中發(fā)揮了中堅主導(dǎo)作用。1949年，我國草測的珠峰地形圖標記了珠峰的位置與地形;1958—1960年，中國科學(xué)院和原國家體委組織中國珠穆朗瑪峰登山科學(xué)考察隊，完成了以珠峰為中心的海拔2500～6500m范圍內(nèi)的地質(zhì)、地貌、測量、氣象、水文、冰川、地層、巖石、土壤、植物以及動物等的科學(xué)考察，編寫出版了《珠穆朗瑪峰地區(qū)科學(xué)考察報告》，這次科考為我國首次登頂珠峰提供了氣象觀測和預(yù)報等科學(xué)保障[1](圖1)。1966—1968年，中國科學(xué)院西藏科學(xué)考察隊以“喜馬拉雅山脈的隆起及其對自然界與人類活動的影響”為中心課題，對珠峰地區(qū)開展綜合科學(xué)考察，出版了《地質(zhì)》《古生物》《第四紀地質(zhì)》《自然地理》《現(xiàn)代冰川與地貌》《生物與高山生理》《氣象與太陽輻射》7個分冊的《珠穆朗瑪峰地區(qū)科學(xué)考察報告(1966—1968)》。1975年，中國科學(xué)院再次組織珠峰科學(xué)考察分隊，對珠峰地區(qū)進行了地質(zhì)、氣象、高山生理等考察研究，特別是成功運用我國自行設(shè)計制造的無線電心電遙測儀，對登山運動員在海拔7000m至頂峰進行心電圖記錄和分析，提高了對人體低氧適應(yīng)性規(guī)律的科學(xué)認識。為了認識30年后珠峰地區(qū)的氣候環(huán)境變化，中國科學(xué)院于2005年組織第四次綜合科學(xué)考察，對冰川、水文、大氣物理和大氣環(huán)境、生態(tài)、地質(zhì)等開展了全面考察[2]。筆者作為本次科考隊隊長率領(lǐng)科考隊員首次到達珠峰海拔7200m的高度，并沿著不同海拔采集冰雪樣品。同年，中國科學(xué)院青藏高原研究所在珠峰絨布河谷海拔4350m處建立了珠穆朗瑪大氣與環(huán)境綜合觀測研究站，開啟了對珠峰地區(qū)大氣、水文、生態(tài)與環(huán)境的連續(xù)定位觀測(圖2)。

　　圖1氣象科考隊員在珠峰大本營設(shè)立氣象觀測箱(1958年)(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　除了上述4次綜合性的考察外，自20世紀80年代以來，珠峰地區(qū)各類專題性的考察一直在持續(xù)。以冰川考察為例，1993年原中國科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所(現(xiàn)為中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院)開始了對東絨布冰川的連續(xù)考察，于1997年在遠東絨布冰川海拔6500m處鉆取一支40m長的冰芯，第二年在東絨布冰川埡口(海拔6500m)獲得80m長冰芯(圖3、圖4)。隨后幾乎是不間斷地逐年進行冰川定位監(jiān)測和測量、冰川水文和氣象監(jiān)測、冰芯鉆取、雪冰和其他環(huán)境樣品采集等工作。其中，2008年冰川考察隊參與了2008年奧運會珠峰火炬?zhèn)鬟f的氣象保障，在珠峰大本營到北坳的不同海拔架設(shè)了自動氣象站(圖5)，獲得了較為完整的高海拔氣象資料。2013年，在東絨布冰川埡口鉆取了珠峰地區(qū)最長的一支冰芯(142m)。截至2019年，在珠峰東絨布冰川獲得的冰芯達到10余支，為“解密”珠峰地區(qū)歷史時期高分辨率的氣候環(huán)境變化提供了珍貴資料。

　　圖2中國科學(xué)院珠峰大氣與環(huán)境綜合觀測研究站的大氣環(huán)境觀測儀器

　　圖3珠峰東絨布冰川埡口冰芯鉆取現(xiàn)場

　　圖4科考隊員在東絨布冰川運輸科考物資

　　圖5珠峰東絨布冰川埡口海拔6500m的自動氣象站

　　2016年，中國科學(xué)院聯(lián)合國家氣候中心等研究機構(gòu)和高校，對珠峰地區(qū)開展氣候、環(huán)境和人文動態(tài)等綜合科學(xué)考察。本次考察開展了科普活動，通過野外直播講授公開課，呼吁公眾保護珠峰地區(qū)生態(tài)環(huán)境，隨后出版了《珠穆朗瑪峰地區(qū)氣候環(huán)境變化評估》[3]，并提出了應(yīng)對氣候環(huán)境變化、實現(xiàn)區(qū)域綠色可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)建議。2018年起至今，隨著第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究的啟動實施，每年都有科考分隊在珠峰地區(qū)開展科學(xué)考察?；仡欀榉宓貐^(qū)科學(xué)考察，從最初的地理探索發(fā)現(xiàn)到如今的氣候環(huán)境變化評估，從短期的科學(xué)考察到固定臺站連續(xù)觀測，從服務(wù)登山活動的氣象預(yù)報到面向科學(xué)前沿的大氣物理和大氣環(huán)境觀測研究，珠峰科考歷程是青藏高原科學(xué)研究發(fā)展進步的縮影，凝聚了一代代珠峰研究者勇攀科學(xué)高峰的榮耀和夢想。

　　2、珠峰地區(qū)持續(xù)變暖

　　在珠峰東絨布冰川獲得的10余支冰芯記錄，為我們了解該地區(qū)的氣候變化歷史提供了豐富信息。所謂“冰芯”，是從冰川表面向下連續(xù)垂直鉆取的圓柱狀冰體，為保證冰芯記錄的時間連續(xù)性，冰芯鉆取位置一般在冰川積累區(qū)。大氣化學(xué)成分可以通過干、濕沉降(如降雪過程)到達冰川表面，然后被封存?；谙到y(tǒng)的多指標定年技術(shù)與實驗室分析，可以重建過去不同時間尺度的氣候環(huán)境變化過程。過去2000年珠峰東絨布冰芯氣泡中空氣含量可表征珠峰地區(qū)夏季氣溫變化，揭示出20世紀是過去2000年來最為溫暖的時期，但是中世紀暖期與小冰期的特征并不明顯[4]。過去500年來的冰芯積累量變化表明，珠峰地區(qū)在16世紀與20世紀后期降水偏多，其他時段降水偏少[5]。

　　基于臺站資料分析發(fā)現(xiàn)，珠峰地區(qū)近50多年來(1961—2014年)平均氣溫為–4～3℃，空間上表現(xiàn)為由東南向西北遞減的趨勢。多年平均降水則呈現(xiàn)由南向北降低的趨勢，降水的高值中心位于西南部的喜馬拉雅山脈，年平均降水量可達550～600mm，北部的年平均降水量則在375～425mm[3]。

　　20世紀以來，青藏高原整體上氣候快速變暖，而且近50年來的變暖超過全球同期平均升溫率的2倍，達到每10年0.3～0.4℃[6,7]。同期珠峰地區(qū)平均升溫率約為每10年0.33℃，與青藏高原平均水平接近;冬季升溫率可達每10年0.39℃;降水變化趨勢不明顯[3]。利用動力降尺度方法預(yù)估的珠峰地區(qū)未來氣候變化顯示，珠峰地區(qū)2090—2099年相對于1996—2005年的冬季和夏季平均氣溫均表現(xiàn)為一致升高。在典型濃度路徑(RCP)4.5情景下(圖6(a))，年均氣溫升高1.2～2.4℃，升溫幅度呈由南向北遞增的趨勢，北部氣溫升高為1.8～2.4℃;在RCP8.5情景下(圖6(b))，珠峰地區(qū)升溫幅度更為顯著，整個地區(qū)年均氣溫升高3℃以上，升溫高值位于北部，范圍在4.2～4.8℃。

　　圖6珠峰地區(qū)年平均地面氣溫的變化(2090—2099年相對于1996—2005年)：

　　3、珠峰地區(qū)冰川退縮、冰湖擴張

　　由于地勢險峻、海拔極高，珠峰地區(qū)銀裝素裹，這里是喜馬拉雅山脈冰川集中分布的地區(qū)之一。根據(jù)中國第二次冰川編目[8,9]和尼泊爾冰川編目[10]，得出珠峰南、北坡地區(qū)有2438條冰川，總面積3271.4km2。其中，中國境內(nèi)珠峰自然保護區(qū)分布有1476條冰川，面積為2030.5km2(占總面積的62%)，而鄰近的南坡尼泊爾境內(nèi)分布有962條共1240.9km2冰川。珠峰北坡絨布冰川是復(fù)式山谷冰川，全長約為22km，面積達85.4km2。全球變暖導(dǎo)致珠峰自然保護區(qū)境內(nèi)(包括鄰近的南坡尼泊爾境內(nèi))的冰川發(fā)生大幅度萎縮。比較中國第一次冰川編目[11]重新數(shù)字化成果和中國第二次冰川編目成果[8]可以發(fā)現(xiàn)，1970—2010年間珠峰地區(qū)中國境內(nèi)的冰川面積減小了約28.4%(0.83%/a);而根據(jù)尼泊爾發(fā)布的1977年和2010年的兩期冰川編目資料[10]，珠峰南坡鄰近區(qū)域的冰川在1980—2010年間面積總計退縮了26%(0.91%/a)(圖7)。

　　圖7珠峰南北坡冰川面積變化率分布圖(修改自文獻[3])

　　珠峰地區(qū)也是喜馬拉雅山脈冰湖分布最為集中的地區(qū)之一[12,13]。冰湖主要包括冰面湖、冰川阻塞湖、表磧湖等(圖8)。遙感調(diào)查結(jié)果顯示，2013年珠峰地區(qū)共有冰湖1085個，總面積114.43km2。小規(guī)模冰湖(<0.1km2)數(shù)量占絕對優(yōu)勢，中等規(guī)模的冰湖(0.1～1km2)面積占比較高。在空間分布上，冰湖主要沿著喜馬拉雅山主脈南北坡并集中分布在珠峰地區(qū)的東部和中部，西部冰湖分布較少。海拔上，珠峰地區(qū)冰湖分布范圍為3600～6100m，其中5000～5400m最為集中，約占冰湖總面積的56%，分布峰值高度帶為5300～5400m(21.99km2)，約占冰湖總面積的19%。

　　受到冰川快速融化的影響，該地區(qū)冰湖變化劇烈且時空差異顯著[14,15,16]。近20多年來珠峰地區(qū)冰湖數(shù)量略有增加，由1990年的1034個增加到2013年的1085個;冰湖面積則呈快速擴張態(tài)勢，由1990年的99.63km2擴張至2013年的114.43km2，年擴張率為0.65%。大量冰湖消失與生成共存，但新生冰湖面積大于消失冰湖面積。近20年多來一直存在的冰湖共有815個，其中44%的冰湖面積增加顯著，而且總體上冰湖擴張面積遠大于退縮面積，導(dǎo)致潛在危險性冰湖的形成和增多[17,18]。根據(jù)Wang等[19]和Worni等[20]對潛在危險性冰湖識別指標及其潰決危險性等級評價方法，發(fā)現(xiàn)珠峰地區(qū)共有潛在危險性冰湖109個(圖9)。潰決危險性等級為“高”的潛在危險性冰湖，占該區(qū)冰湖總數(shù)的3%(總冰湖面積的24%)，急需加強監(jiān)測并進行潰決風(fēng)險評價。

　　圖8珠峰絨布冰川末端的冰湖

　　圖9珠峰地區(qū)冰湖分布及其潛在危險性等級(修改自文獻[3])

　　4、遠距離傳輸大氣污染物影響珠峰地區(qū)環(huán)境

　　工業(yè)革命以來，人類向大氣中排放了大量污染物。這些污染物經(jīng)由大氣等介質(zhì)的長距離傳輸，為全球環(huán)境帶來污染和潛在風(fēng)險。珠峰地區(qū)作為全球偏遠地區(qū)，其大氣環(huán)境具有區(qū)域代表性。珠峰東絨布冰川粒雪芯中化學(xué)元素濃度表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，非季風(fēng)期元素濃度較高而季風(fēng)期較低，其中Ca、Cr、Cs及Sr的季節(jié)變化最為顯著，顯示雪冰中元素濃度的季節(jié)變化受到春季亞洲沙塵暴頻發(fā)的影響。珠峰雪冰中的痕量元素濃度與南北極地區(qū)雪中的濃度大致相當，但遠遠低于受人類活動影響強烈的城市地區(qū)[21,22]。珠峰東絨布冰川表層雪冰中汞(Hg)濃度與北極地區(qū)表層雪中Hg本底濃度相當，但與法國阿爾卑斯山雪冰中Hg濃度的下限值水平一致[23]。因此，珠峰地區(qū)仍屬世界偏遠地區(qū)大氣環(huán)境背景水平。

　　從冰芯記錄來看，珠峰大氣環(huán)境亦因全球人類活動的不斷加劇擾動而發(fā)生了改變，特別是20世紀中葉以來珠峰地區(qū)的大氣環(huán)境受到遠距離傳輸?shù)娜祟愇廴疚锏娘@著影響[24]。珠峰冰芯黑碳(blackcarbon,BC)記錄顯示：1975—2000年的黑碳濃度較1860—1975年高3倍(圖10)，表明人類活動產(chǎn)生的大量黑碳可傳輸至珠峰高海拔地區(qū);1975—2000年間冰芯中黑碳引起的輻射強迫為0.69W·m-2，比1860—1975年高2倍[25]。這些結(jié)果顯示，工業(yè)革命以來人類活動排放的污染物持續(xù)增加影響到珠峰地區(qū)的大氣環(huán)境。

　　圖10珠峰東絨布冰芯黑碳記錄

　　(褐色實線為已發(fā)表數(shù)據(jù)，文獻[25];藍色實線為未發(fā)表數(shù)據(jù))

　　近期的監(jiān)測研究發(fā)現(xiàn)，珠峰地區(qū)大氣氣溶膠的黑碳、有機碳以及生物質(zhì)燃燒的指示物(如左旋葡聚糖)等具有顯著相關(guān)關(guān)系，均在春季呈現(xiàn)高值，對應(yīng)于印度北部和尼泊爾的農(nóng)業(yè)秸稈焚燒以及森林火災(zāi)密集時期。氣團軌跡分析表明：珠峰地區(qū)非季風(fēng)期主要受西風(fēng)急流控制，氣團主要途經(jīng)尼泊爾西部、印度西北部和巴基斯坦;而夏季季風(fēng)期，氣團主要來自孟加拉灣。這表明喜馬拉雅山脈南側(cè)的生物質(zhì)燃燒是春季珠峰地區(qū)高濃度碳質(zhì)組分的主要原因[26,27,28]。除了大尺度的環(huán)流影響外，喜馬拉雅山脈局地山谷風(fēng)也是造成大氣污染物跨境傳輸?shù)闹匾?。在喜馬拉雅山脈南坡，白天盛行的谷風(fēng)將低海拔的污染物輸送到高海拔地區(qū);而在北坡，冰川面積分布廣闊，使得下沉的冰川風(fēng)盛行。南北坡的局地環(huán)流耦合，導(dǎo)致山谷成為污染物傳輸?shù)挠行ǖ繹26]。其他觀測和模式模擬也表明，南亞大氣污染物能夠翻越喜馬拉雅山脈跨境傳輸進入青藏高原[29]。

　　相關(guān)研究還指出，雪冰中黑碳可加速雪冰消融。珠峰地區(qū)雪冰中黑碳含量較低(16ng·g-1)，導(dǎo)致的輻射強迫約為4.5W·m-2[30]，而Ménégoz等[31]模擬的喜馬拉雅山區(qū)雪中黑碳輻射強迫為1～3W·m-2。珠峰西南部Yala冰川的觀測結(jié)果表明，若表層雪(厚度為2cm)中黑碳含量為26.0～68.2ng·g-1，則對反照率降低的影響可達2.0%～5.2%，從而導(dǎo)致冰川徑流增加70～204mm。該結(jié)果尚不包括雪的老化、粉塵以及反照率反饋機制等的影響[32]。特別值得注意的是，在珠峰地區(qū)冰川加速消融背景下，雪冰中積累的重金屬等有毒物質(zhì)可能隨冰川融水進入到下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境中，這將對珠峰地區(qū)以及下游流域的生態(tài)安全帶來潛在的威脅[3]。

　　5、珠峰地區(qū)變綠，植被生長期延長

　　珠峰地區(qū)植被主要由高山草甸、高山草原和高山灌叢構(gòu)成。高山植被對氣溫變化敏感，植被物候與生長季平均綠度均是氣候變化影響下生態(tài)系統(tǒng)變化的有效指標[33]。珠峰地區(qū)植被指數(shù)(NDVI)分布的總特征是南部和北部高，中部低。NDVI自20世紀80年代開始呈上升趨勢，2000年之后略有降低，其中，珠峰地區(qū)中部和北部的NDVI下降最為明顯，而南部核心保護區(qū)森林和灌叢的NDVI則呈顯著上升趨勢，且變化幅度較大[34]。珠峰地區(qū)草原返青期提前，生長期延長，凈初級生產(chǎn)力總體呈增加態(tài)勢，可供更多的動物繁衍生息。

　　6、結(jié)論與展望

　　冰芯記錄顯示，珠峰地區(qū)氣溫逐漸升高，20世紀是最為溫暖的時段。過去50年來，年均氣溫升高約0.33℃/10a，與青藏高原平均升溫率大致相當，高于全球平均。未來溫室氣體排放情景下，珠峰地區(qū)氣溫將持續(xù)升高，且升溫幅度存在季節(jié)性以及區(qū)域差異，其中冬季增溫更為顯著，北部升溫較大。

　　珠峰地區(qū)冰川整體萎縮，1970—2010年間珠峰北坡中國境內(nèi)的冰川面積減小了約28.4%，珠峰南坡的冰川在1980—2010年間面積退縮了26%。珠峰南、北坡地區(qū)的冰川面積減少超過900km2。該地區(qū)冰湖面積急劇擴張，表現(xiàn)為已有湖泊面積呈增大趨勢且湖泊數(shù)量增加，而且珠峰地區(qū)潛在危險性的冰湖發(fā)育廣泛，需要定位監(jiān)測和評估其危險性。

　　珠峰地區(qū)的大氣環(huán)境與全球偏遠地區(qū)，如南、北極地區(qū)相當。然而，從過去數(shù)百年來的大氣環(huán)境歷史變化的角度看，珠峰地區(qū)大氣中人類來源的重金屬、持久性有機污染物等自工業(yè)革命以來呈增加趨勢，特別是20世紀中葉以來顯著增加2～3倍，反映了南亞地區(qū)增強的工農(nóng)業(yè)活動的影響。此外，源自人類活動釋放的黑碳在1970年以來顯著增加近2倍，這將會導(dǎo)致珠峰地區(qū)冰川的加速消融?？傊?，人類活動已經(jīng)深刻影響了珠峰地區(qū)的大氣環(huán)境。

　　珠峰地區(qū)持續(xù)變綠，生態(tài)系統(tǒng)總體向好，但局部地區(qū)的人類活動有加強的趨勢，如本地的農(nóng)牧業(yè)活動不斷加強，進入珠峰的游客人數(shù)在增加。自20世紀末以來，隨著發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，特別是生態(tài)建設(shè)工程的實施，珠峰地區(qū)人類活動對環(huán)境的負面影響得到遏制，環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)逐步改善的趨勢。目前農(nóng)牧業(yè)和旅游產(chǎn)業(yè)對珠峰地區(qū)的環(huán)境影響較小，環(huán)境承載力仍然有一定彈性。

　　總之，自1960年開始，科學(xué)家對珠峰地區(qū)已經(jīng)開展了數(shù)次綜合科學(xué)考察，涵蓋冰川、氣象、水文、生態(tài)、地質(zhì)、測繪等各個方面，揭示出珠峰地區(qū)氣候環(huán)境變化的事實與影響，彰顯了我國科學(xué)家探索地球之巔的不懈努力?？茖W(xué)的認知是沒有邊界和峰頂?shù)?，隨著第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究的開展，我們對于世界之巔珠峰的探索仍在繼續(xù)。極高海拔區(qū)域的氣象觀測是當務(wù)之急，研究人員需要沿著東絨布冰川的不同海拔布設(shè)自動氣象觀測站，特別是在海拔7000m以上布設(shè)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，為登山活動和科學(xué)研究提供基礎(chǔ)資料;其次是持續(xù)監(jiān)測冰川、水文、植被、動物等，為自然保護區(qū)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù);最后是加強危險性冰湖的強化監(jiān)測，未雨綢繆，為防災(zāi)減災(zāi)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。珠峰地區(qū)是全球變化的天然實驗室，是處在快速變化中的地球的縮影。持續(xù)的冰芯記錄研究以及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，不但為認識珠峰氣候環(huán)境演變提供堅實的基礎(chǔ)，也為評估人類活動對地球的擾動提供參考。

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