探索地球之巔:60年來珠峰氣候環境變化

　　摘要：世界第一高峰珠穆朗瑪峰(珠峰)，是全球氣候與環境變化研究的焦點與熱點區域。自20世紀50年代末期以來，在珠峰地區已經開展了多次綜合考察，并建立了定位觀測研究站。近60年來，珠峰地區持續變暖，升溫幅度與青藏高原的平均值相當，降水變化趨勢不明顯。珠峰地區是冰川集中分布區，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。受到升溫影響，珠峰地區的植被有變綠趨勢。工業革命以來，珠峰地區受到跨境大氣污染物傳輸的影響，也凸顯了冰川消融導致的污染物二次釋放的潛在風險。

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

　　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，經度86°55´31´E，海拔8844.43m)。珠峰地區(本文指珠穆朗瑪峰國家級自然保護區)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。珠峰地區冰川廣布，是重要的淡水資源寶庫，也是氣候環境變化的敏感地區。人類對于珠峰的探索從未停止，從清康熙五十六年(1717年)珠峰被發現以來，作為地球之巔的珠峰吸引著無數人前赴后繼進行探險和科學研究。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，珠峰地區氣候環境變化如何?產生了哪些影響?

　　1、珠峰地區科學考察簡史

　　自新中國建立以來，我國科學家對珠峰地區持續開展了科學考察研究，中國科學院在歷次珠峰科考中發揮了中堅主導作用。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，中國科學院和原國家體委組織中國珠穆朗瑪峰登山科學考察隊，完成了以珠峰為中心的海拔2500～6500m范圍內的地質、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考察，編寫出版了《珠穆朗瑪峰地區科學考察報告》，這次科考為我國首次登頂珠峰提供了氣象觀測和預報等科學保障[1](圖1)。1966—1968年，中國科學院西藏科學考察隊以“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，對珠峰地區開展綜合科學考察，出版了《地質》《古生物》《第四紀地質》《自然地理》《現代冰川與地貌》《生物與高山生理》《氣象與太陽輻射》7個分冊的《珠穆朗瑪峰地區科學考察報告(1966—1968)》。1975年，中國科學院再次組織珠峰科學考察分隊，對珠峰地區進行了地質、氣象、高山生理等考察研究，特別是成功運用我國自行設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性規律的科學認識。為了認識30年后珠峰地區的氣候環境變化，中國科學院于2005年組織第四次綜合科學考察，對冰川、水文、大氣物理和大氣環境、生態、地質等開展了全面考察[2]。筆者作為本次科考隊隊長率領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境綜合觀測研究站，開啟了對珠峰地區大氣、水文、生態與環境的連續定位觀測(圖2)。

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

　　除了上述4次綜合性的考察外，自20世紀80年代以來，珠峰地區各類專題性的考察一直在持續。以冰川考察為例，1993年原中國科學院蘭州冰川凍土研究所(現為中國科學院西北生態環境資源研究院)開始了對東絨布冰川的連續考察，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測和測量、冰川水文和氣象監測、冰芯鉆取、雪冰和其他環境樣品采集等工作。其中，2008年冰川考察隊參與了2008年奧運會珠峰火炬傳遞的氣象保障，在珠峰大本營到北坳的不同海拔架設了自動氣象站(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”珠峰地區歷史時期高分辨率的氣候環境變化提供了珍貴資料。

　　圖2中國科學院珠峰大氣與環境綜合觀測研究站的大氣環境觀測儀器

　　圖3珠峰東絨布冰川埡口冰芯鉆取現場

　　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，中國科學院聯合國家氣候中心等研究機構和高校，對珠峰地區開展氣候、環境和人文動態等綜合科學考察。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生態環境，隨后出版了《珠穆朗瑪峰地區氣候環境變化評估》[3]，并提出了應對氣候環境變化、實現區域綠色可持續發展的科學建議。2018年起至今，隨著第二次青藏高原綜合科學考察研究的啟動實施，每年都有科考分隊在珠峰地區開展科學考察。回顧珠峰地區科學考察，從最初的地理探索發現到如今的氣候環境變化評估，從短期的科學考察到固定臺站連續觀測，從服務登山活動的氣象預報到面向科學前沿的大氣物理和大氣環境觀測研究，珠峰科考歷程是青藏高原科學研究發展進步的縮影，凝聚了一代代珠峰研究者勇攀科學高峰的榮耀和夢想。

　　2、珠峰地區持續變暖

　　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垂直鉆取的圓柱狀冰體，為保證冰芯記錄的時間連續性，冰芯鉆取位置一般在冰川積累區。大氣化學成分可以通過干、濕沉降(如降雪過程)到達冰川表面，然后被封存。基于系統的多指標定年技術與實驗室分析，可以重建過去不同時間尺度的氣候環境變化過程。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現，珠峰地區近50多年來(1961—2014年)平均氣溫為–4～3℃，空間上表現為由東南向西北遞減的趨勢。多年平均降水則呈現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估的珠峰地區未來氣候變化顯示，珠峰地區2090—2099年相對于1996—2005年的冬季和夏季平均氣溫均表現為一致升高。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))，珠峰地區升溫幅度更為顯著，整個地區年均氣溫升高3℃以上，升溫高值位于北部，范圍在4.2～4.8℃。

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

　　3、珠峰地區冰川退縮、冰湖擴張

　　由于地勢險峻、海拔極高，珠峰地區銀裝素裹，這里是喜馬拉雅山脈冰川集中分布的地區之一。根據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、北坡地區有2438條冰川，總面積3271.4km2。其中，中國境內珠峰自然保護區分布有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分布有962條共1240.9km2冰川。珠峰北坡絨布冰川是復式山谷冰川，全長約為22km，面積達85.4km2。全球變暖導致珠峰自然保護區境內(包括鄰近的南坡尼泊爾境內)的冰川發生大幅度萎縮。比較中國第一次冰川編目[11]重新數字化成果和中國第二次冰川編目成果[8]可以發現，1970—2010年間珠峰地區中國境內的冰川面積減小了約28.4%(0.83%/a);而根據尼泊爾發布的1977年和2010年的兩期冰川編目資料[10]，珠峰南坡鄰近區域的冰川在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])

　　珠峰地區也是喜馬拉雅山脈冰湖分布最為集中的地區之一[12,13]。冰湖主要包括冰面湖、冰川阻塞湖、表磧湖等(圖8)。遙感調查結果顯示，2013年珠峰地區共有冰湖1085個，總面積114.43km2。小規模冰湖(<0.1km2)數量占絕對優勢，中等規模的冰湖(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的東部和中部，西部冰湖分布較少。海拔上，珠峰地區冰湖分布范圍為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多年來珠峰地區冰湖數量略有增加，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，導致潛在危險性冰湖的形成和增多[17,18]。根據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，發現珠峰地區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，占該區冰湖總數的3%(總冰湖面積的24%)，急需加強監測并進行潰決風險評價。

　　圖8珠峰絨布冰川末端的冰湖

　　圖9珠峰地區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環境

　　工業革命以來，人類向大氣中排放了大量污染物。這些污染物經由大氣等介質的長距離傳輸，為全球環境帶來污染和潛在風險。珠峰地區作為全球偏遠地區，其大氣環境具有區域代表性。珠峰東絨布冰川粒雪芯中化學元素濃度表現出明顯的季節變化，非季風期元素濃度較高而季風期較低，其中Ca、Cr、Cs及Sr的季節變化最為顯著，顯示雪冰中元素濃度的季節變化受到春季亞洲沙塵暴頻發的影響。珠峰雪冰中的痕量元素濃度與南北極地區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[21,22]。珠峰東絨布冰川表層雪冰中汞(Hg)濃度與北極地區表層雪中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，珠峰地區仍屬世界偏遠地區大氣環境背景水平。

　　從冰芯記錄來看，珠峰大氣環境亦因全球人類活動的不斷加劇擾動而發生了改變，特別是20世紀中葉以來珠峰地區的大氣環境受到遠距離傳輸的人類污染物的顯著影響[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)，表明人類活動產生的大量黑碳可傳輸至珠峰高海拔地區;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]。這些結果顯示，工業革命以來人類活動排放的污染物持續增加影響到珠峰地區的大氣環境。

　　圖10珠峰東絨布冰芯黑碳記錄

　　(褐色實線為已發表數據，文獻[25];藍色實線為未發表數據)

　　近期的監測研究發現，珠峰地區大氣氣溶膠的黑碳、有機碳以及生物質燃燒的指示物(如左旋葡聚糖)等具有顯著相關關系，均在春季呈現高值，對應于印度北部和尼泊爾的農業秸稈焚燒以及森林火災密集時期。氣團軌跡分析表明：珠峰地區非季風期主要受西風急流控制，氣團主要途經尼泊爾西部、印度西北部和巴基斯坦;而夏季季風期，氣團主要來自孟加拉灣。這表明喜馬拉雅山脈南側的生物質燃燒是春季珠峰地區高濃度碳質組分的主要原因[26,27,28]。除了大尺度的環流影響外，喜馬拉雅山脈局地山谷風也是造成大氣污染物跨境傳輸的重要原因。在喜馬拉雅山脈南坡，白天盛行的谷風將低海拔的污染物輸送到高海拔地區;而在北坡，冰川面積分布廣闊，使得下沉的冰川風盛行。南北坡的局地環流耦合，導致山谷成為污染物傳輸的有效通道[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]。

　　相關研究還指出，雪冰中黑碳可加速雪冰消融。珠峰地區雪冰中黑碳含量較低(16ng·g-1)，導致的輻射強迫約為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%，從而導致冰川徑流增加70～204mm。該結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，在珠峰地區冰川加速消融背景下，雪冰中積累的重金屬等有毒物質可能隨冰川融水進入到下游地區的生態環境中，這將對珠峰地區以及下游流域的生態安全帶來潛在的威脅[3]。

　　5、珠峰地區變綠，植被生長期延長

　　珠峰地區植被主要由高山草甸、高山草原和高山灌叢構成。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系統變化的有效指標[33]。珠峰地區植被指數(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，珠峰地區中部和北部的NDVI下降最為明顯，而南部核心保護區森林和灌叢的NDVI則呈顯著上升趨勢，且變化幅度較大[34]。珠峰地區草原返青期提前，生長期延長，凈初級生產力總體呈增加態勢，可供更多的動物繁衍生息。

　　6、結論與展望

　　冰芯記錄顯示，珠峰地區氣溫逐漸升高，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，珠峰地區氣溫將持續升高，且升溫幅度存在季節性以及區域差異，其中冬季增溫更為顯著，北部升溫較大。

　　珠峰地區冰川整體萎縮，1970—2010年間珠峰北坡中國境內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、北坡地區的冰川面積減少超過900km2。該地區冰湖面積急劇擴張，表現為已有湖泊面積呈增大趨勢且湖泊數量增加，而且珠峰地區潛在危險性的冰湖發育廣泛，需要定位監測和評估其危險性。

　　珠峰地區的大氣環境與全球偏遠地區，如南、北極地區相當。然而，從過去數百年來的大氣環境歷史變化的角度看，珠峰地區大氣中人類來源的重金屬、持久性有機污染物等自工業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，反映了南亞地區增強的工農業活動的影響。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，這將會導致珠峰地區冰川的加速消融。總之，人類活動已經深刻影響了珠峰地區的大氣環境。

　　珠峰地區持續變綠，生態系統總體向好，但局部地區的人類活動有加強的趨勢，如本地的農牧業活動不斷加強，進入珠峰的游客人數在增加。自20世紀末以來，隨著發展方式的轉變，特別是生態建設工程的實施，珠峰地區人類活動對環境的負面影響得到遏制，環境質量呈現逐步改善的趨勢。目前農牧業和旅游產業對珠峰地區的環境影響較小，環境承載力仍然有一定彈性。

　　總之，自1960年開始，科學家對珠峰地區已經開展了數次綜合科學考察，涵蓋冰川、氣象、水文、生態、地質、測繪等各個方面，揭示出珠峰地區氣候環境變化的事實與影響，彰顯了我國科學家探索地球之巔的不懈努力。科學的認知是沒有邊界和峰頂的，隨著第二次青藏高原綜合科學考察研究的開展，我們對于世界之巔珠峰的探索仍在繼續。極高海拔區域的氣象觀測是當務之急，研究人員需要沿著東絨布冰川的不同海拔布設自動氣象觀測站，特別是在海拔7000m以上布設，并實現數據的實時傳輸，為登山活動和科學研究提供基礎資料;其次是持續監測冰川、水文、植被、動物等，為自然保護區提供基礎數據;最后是加強危險性冰湖的強化監測，未雨綢繆，為防災減災和區域可持續發展服務。珠峰地區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。持續的冰芯記錄研究以及生態環境監測，不但為認識珠峰氣候環境演變提供堅實的基礎，也為評估人類活動對地球的擾動提供參考。

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