现代以及冰川气候条件下的北极降水来源外文翻译资料

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现代以及冰川气候条件下的北极降水来源

摘要：

在低海拔地区,降水中的重氘d=D—¹⁸O一般随季节与呈反位相。然而，在格陵兰岛冰盖这样的高海拔地区雪地里的d仅仅落后于几个月的时间。一个关于d值在格陵兰降水中的模型在通过海水蒸发和升华过程中的动力效应得出预期值的瑞利凝结和升华的基础上发展起来。该模型预测在下沉空气中的初始混合比w_so 斜率决定在降水过程的后期d和的相对关系,并且水汽源地海洋表面温度T_s 只影响d的水平值。一般在冰盖降水中的高d值是只和高的w_so和T_s值兼容,这表明亚热带北大西洋的一部分海洋是冰盖降水的主要水分来源。实验证明:当模式用Ship E(35°N，48°W)观测到的月平均w_so和T_s值来运行的时候,模式会再现高的d水平,季节性d的振幅变化,以及冰盖中d和 在几个月之间的相位差。这些特征都是可以通过当地高纬度水汽源地再现出来的。

对冰芯增量详细的同位素分析跨越了几个冰川条件下的气候突变现象,分析显示在寒冷期接近现在的d值,但在温暖期是较低的d值。这个特性是根据该模型实验讨论得出的。

1. 引言

这项工作分析了在北半球高纬度降水中的同位素组成,用 表示, 表示和标准平均大洋水（SMOW）的重氚或¹⁸O 浓度的相对偏差。就高纬度海岛和沿海地区的年降水量来看，D和¹⁸O的相对关系可以用下面这个公式表示：

D=8.0¹⁸O 10permil; （1）

这就是所谓的大气降水线（Craig, 1961;Dansgaard, 1964）。

在格陵兰岛冰盖上面的积雪中观测到的¹⁸O分布有几个显著的特征：首先，¹⁸O随着海拔（z）的增加是减少的，即/z，在绝大部分格陵兰岛上是接近于-0.6permil;每100m高度（Epstein and Langway, 1959; Dansgaard, 1961）；其次，¹⁸O随着纬度（lambda;）有规律地变化，即/每1°纬度-0.54permil;，这个值和格陵兰岛西部沿海的低海拔站点降水的纬度梯度相近（Dansgaard, 1961）；再次，¹⁸O和当地年平均温度T的摄氏温标联系紧密（(Dansgaard et al., 1973）：

¹⁸O=0.62T—15.25permil; （2）

这个关系适用于Tlt;-14℃，也就是纬度从65°N到77°N并且海拔在1700m至3100m的范围内。尽管在主要的冰雪划分线以东的地区很少有表现，但一个相似的关系存在于南极洲温度Tlt;-20℃的地区(Lorius et al., 1969; Dansgaard et al., 1973; Lorius, 1983).

上述提到的特征表明：（1）在格陵兰岛绝大部分的冰盖上面温度和降水中的平均值的分布是受相同的环境参量控制的；（2）陆续以冰雪形式降落在冰盖上面的水汽源地有极大可能对于所有的冰盖站点都是相似的，至少在格陵兰岛南部和西部是这样；（3）对于格陵兰岛西部的沿海站点（一个重要的当地水汽源地会降低纬度梯度）也是同样适用；（4）雪盖上降水的主要地区形成在沉积地的附近。

与此相反，Fisher和Alt的模型把北极降水原则上归咎于亚热带高压带以北的所有纬度带，但是该模型并没有考虑到高海拔的情况。

一条解决水汽源地这一问题的线索可能会考虑到重氚

d=D—¹⁸O （3）

和等式（1）进行比较，它的值在高纬度的沿海区域降水中接近于10permil;，在水循环的非平衡过程中，动力学效应会导致d的改变，并且需要考虑解释通常情况的d值10permil;(Craig,

1961 ; Dansgaard, 1964; Merlivat and Jouzel,1979)以及符合所有数据组成的一个D和¹⁸O相对关系数据图的最佳线性图它的斜率(Jouzel and Merlivat, 1984)。Jouzel等人（1982）检测了南极洲

东部Dome C冰盖边的过量氚，并且解释了从更新世到全新世d值有一个从4permil;到8permil;的增长，这个增长是由于冰河时期较后冰期时期海洋相对湿度更大（也就是说，在蒸发过程中有更少的动力效应）。

在1979至1981年之间，在美国、丹麦、瑞士三国的共同努力打造的GISP (Greenland Ice Sheet Program; Langwayet al., 1985)，在格陵兰岛的东南部，Dye3钻孔了一个有2073m深的冰芯。有距今10720 150年的数据显示在1786m深处¹⁸O突降，这标示着在Wisconsin/Wurm的冰川时期向冰雪堆积的转变。这些冰雪相比于全新世时的冰雪¹⁸O少6permil;到7permil;(Hammeret al., 1986)，但是的许多或增加或减少的突变是具有更重要的特点的（图2），这也和从格陵兰岛西北部Camp Century记录到的深层冰芯里的具有一致的特点(Dansgaard et al., 1982)。这也暗示北大西洋的气候环境具有两个阶段准稳定状态的震荡(Dansgaard et al., 1971,1984)。相似的突变也在Grande Pile发现的法国东北部的花粉剖面(Woillard and Mook, 1981)以及在格陵兰岛海域里面大量存在的浮游类有孔虫中存在(Ruddiman and McIntyre, 1981)。它们可能与极面的进退有关，因此和海冰冰盖也有一定关系，和经历最后一次冰川气候震荡Bslling/AllerPrd-Younger Dryas的突变相似(Ruddiman andMcIntyre, 1981)。

众多震荡中的其中三个（在深1975m-1889m处）已经被详细地分析了其化学组成(Finkel

and Langway, 1985)，有¹⁰Be(Beer et al., 1984)，CO₂(Stauffer et al., 1984)，¹⁸O和灰尘含量(Dansgaard et al., 1984; Hammer et al., 1985)。所有的这些参量都是同时发生变化的，这意味着整个环境的剧变。

2、数据

2.1.近代沉积物

除了Dye 3深孔之外，1971-1985年期间在GISP中还有许多深度从10m到400m不等的冰芯被挖（图1）。这些冰芯为使用被一种相同的技术手段搜集和操作的综合性的GISP材料来重建¹⁸O均值和平均地面温度T（用10m或20m深度的温度来代表）的相对关系提供了机会。

这些数据被标绘在图3中。符合格陵兰岛西部和南部站点数据最好的线性关系是：

¹⁸O=（0.67 0.02）T—（13.7 0.5）permil;

格陵兰岛东北部的地区是起源于西部地区的(Clausen et al., 1987)，因此在重同位素方面有很大的削减。这些地区在图3中用十字标示了出来。

已经证实的是，降水中的同位素组成在一个季节性周期内变化，夏季有最大的值，冬季有的最小值(Epstein and Langway,1959)。这一周期在远离水汽源地的站点尤其显著，并且已经用于判定每年冰盖中冰和雪的地质层，因此也可以对冰芯进行绝对年代测定(e.g.,

Hammer et al., 1978; Clausen et al., 1987)。在这种情形下，就从更新世向全新世转变的准确日期看，这些周期已经被认为是经历了绝大部分的全新世(Hammer et al., 1986)。

很少注意到的是这样一个事实，正如在等式3给出的重氚，在低海拔的站点是和呈反位相变化的，如图4所示。

因此，月降水中的平均同位素组成在D和¹⁸O的图解中是形成一条的斜率小于8的直线的，尽管大部分的年平均值是和等式2描述的直线接近的。

然而，格陵兰岛冰盖上的冰雪中的同位素组成却表现出不一样的特点。

两个连续的鱼样本系列被搜集到，其中一个是在1983年，在格陵兰岛的东南部Dye 3地区的4B站点(65'10',43'56W)，另一个是在1985年在格陵兰岛的中部G站点(71'09',35'50W)，如图1 所示。同位素分析进行后，出现分析性的不确定性，D的精度为 0.3permil;，¹⁸O的精度为 0.06permil;。

d的估计精度为 0.8permil;。这些数据显示，首先，两个序列的沉积雪跨距都是10-11年（图5图6的右侧）；其次，d（图的左侧）在一个季节周期内变化，但是不是和¹⁸O呈反位相的关系。重氚通常是在秋季最高在春季最低，并且振幅接近4permil;。这两个记录有这些共同点，并且这些共同的特点是很重要的，因为它表明，在任何情况下冰盖上的广泛降雪本质上都是给这两个站点相同的重氚，尽管这两个站点在¹⁸O含量上相差6permil;。

由于和d接近90°的位相差，个别的一些样本不可能像期望的那样满足当把D和¹⁸O在图中绘制出来时满足一条斜率小于8的直线，但是，在理想的情况下，可以看作是一个椭圆它的主轴平行于降水线。图7的上面部分显示的是根据4B站点230个样本绘制的图。Table 1的最后两行给出了和两个鱼样本序列最符合线性直线的特征。两条直线的斜率都没有显著偏离8.0并且重氚d的平均值也在本质上相同。

2.2.更新世沉积物

不幸的是，冰川时期的冰雪在那个时期并没有保留有季节性的周期。它们都由于分子扩散的作用被破坏了(Johnsen, 1977)。无论把一个来自Dye 3冰芯离基岩少于250m处的样本切得有多薄，它的同位素组成将会呈现数年沉积雪的平均值。

然而，深度1875-1889m处的三个振荡对应图2左侧所示的Dye 3的剖面，已经被做成了样本准备对其进行具体的同位素分析。结果已经在图8的顶部和中部显示出来，在图8中最年轻的样本在左边，最久远的样本被放在右边（时间序列向左）。温和的时期（¹⁸Ogt;-33.5permil;）和寒冷期（¹⁸Olt;33.5permil;）用浅色和阴影分别填色，并且通过明显的趋势或是rsquo;s在两组中的转变来指示时期的转变，从而进行分隔。

就平滑的扩散效应来看，从寒冷期向温和期的转变似乎非常得剧烈，持续大约10年，另一方面，从温和期向寒冷期的转变要更缓慢些。

在图9中较低的部分显示，重氚的变化本质上是和rsquo;s呈反位相的（注意到相反的d的范围），尽管是这样，可以看作是像在从寒冷期向温和期转变过程中重氚的变化先于的转变（如在1884m深处的转变），在从温和期向寒冷期转变过程中重氚的变化又落后于的变化。这些特征对于在冰雪中不能溶解的灰尘浓度也很典型(Hammer et al., 1985; Dansgaard et al., 1984).。

一个较不详细的样本可能会画出一条斜率小于8的直线，这会产生对于D和¹⁸O关系的错误认识。然而，当把120个寒冷时期样本的的值和99个温和期样本的的值分别画出关于D和¹⁸O的图解（图7中较低部分），两条不同的线便会产生，两条线的斜率都没有明显偏离8.0。寒冷时期和温和时期的重氚d的平均值却明显得不一样，如Table1.

足够惊奇的是，重氚在寒冷期（8.0permil;）比在温和期（4.1permil;）接近当前的冰盖值（Dye 3 8.3permil;；G站点8.8permil;）。

3、模型

下面所描述的模型是设计出来用于解释现在可以从格陵兰岛冰芯中使用的重氚数据。我们首先考虑在海表面蒸发过程中的同位素分馏过程，然后是气团从水汽源地向冰盖的运输，最后是在整个运输过程中同位素分馏的凝结/升华过程。

3.1.蒸发

假设海洋是由标准平均大洋水（SMOW）组成的，在这种情况下，原始水蒸气的同位素组成_vo可以根据Merlivat和Jouzel（1979）给出的公式计算：

_vo=-1 (4

_e是D或者¹⁸O在海表温度为T_s时的平衡分馏系数；k是描述大气-海洋分界处的动力分馏效应的可变参数；R_h(异常地)温度为T_s下的空气相对于饱和空气的湿度。

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