孫歡，王寧練

（1.陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710127；2.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院地表系統(tǒng)與災(zāi)害研究院，陜西 西安 710127）

0 引言

冰面溫度變化由于熱傳導(dǎo)作用向冰川內(nèi)部傳播而形成冰溫-深度剖面，利用冰川鉆孔溫度可以對(duì)一定時(shí)間尺度的氣候變化歷史進(jìn)行重建。這種方法作為重建古氣候的一種重要手段，已有三十多年的研究歷史。事實(shí)上，早在1923年，Lane［1］就意識(shí)到過(guò)去的氣候變化會(huì)影響地面以下的地溫-深度剖面，由此可重建過(guò)去的地表溫度變化過(guò)程。隨后的研究將這種影響認(rèn)為是恒定地?zé)岬囊环N噪音而被忽略［2-3］。直至Lachenbruch和Marshall［4］從阿拉斯加凍土的鉆孔溫度中證實(shí)了20世紀(jì)的氣候變暖，這種方法才被認(rèn)可。由于冰流運(yùn)動(dòng)和融水的影響，冰溫-深度剖面分析比凍土更為復(fù)雜［5］。最早利用冰川鉆孔溫度開(kāi)展古氣候重建研究的是格陵蘭南部的Dye3鉆孔［6］。之后，由冰川鉆孔溫度重建不同時(shí)間尺度（幾十年到上萬(wàn)年）的氣候變化歷史得到了廣泛的應(yīng)用，其中格陵蘭中部的GRIP鉆孔是直接用于古氣候重建研究中深度最深、重建時(shí)間最長(zhǎng)的鉆孔［7］。

高緯度或高海拔地區(qū)的冰川多處于自然狀態(tài)，受人類活動(dòng)的影響小，能夠真實(shí)地反映氣候變化狀況。這些地區(qū)缺乏早期的氣象觀測(cè)資料，冰川鉆孔溫度的古氣候重建研究可以在一定程度上對(duì)其進(jìn)行彌補(bǔ)。常用的研究方法是通過(guò)冰芯的氧穩(wěn)定同位素記錄這一代用指標(biāo)來(lái)進(jìn)行古氣候重建。研究表明，將冰川鉆孔溫度的古氣候重建結(jié)果分別與冰芯記錄和已有的氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以得到一致的溫度變化趨勢(shì)，說(shuō)明了冰川鉆孔溫度研究具有較大的可信度［8-9］。

冰芯記錄代表過(guò)去的大氣條件，具有較高的分辨率，而鉆孔溫度則與冰面能量平衡有關(guān)。由于熱擴(kuò)散的作用使得冰川鉆孔溫度的古氣候重建研究具有較低的分辨率。長(zhǎng)期氣候事件僅在其持續(xù)時(shí)間超過(guò)一定時(shí)間長(zhǎng)度時(shí)才能夠被冰川鉆孔溫度重建。單獨(dú)氣候事件發(fā)生的時(shí)間越早，能夠被冰川鉆孔溫度重建所需要持續(xù)的時(shí)間就越長(zhǎng)，重建結(jié)果則歸為長(zhǎng)期的平均溫度變化［10］。盡管如此，與冰芯記錄的代用指標(biāo)不同，冰川鉆孔溫度是對(duì)冰面能量平衡的直接測(cè)量，對(duì)結(jié)果不需要進(jìn)行校正。冰芯記錄的窗口太短且短期變化幅度較大，難以清晰地體現(xiàn)氣候的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)［11］。冰川鉆孔溫度雖僅能重建氣候變化歷史的低頻趨勢(shì)，卻可以在一定時(shí)間尺度得到完整的溫度變化過(guò)程。另一方面，當(dāng)冰芯記錄研究古氣候存在其他問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)冰川鉆孔溫度來(lái)進(jìn)一步研究。例如對(duì)比格陵蘭GRIP冰芯和GISP2冰芯，兩者下部10%的氧穩(wěn)定同位素記錄相差懸殊，失去了可對(duì)比性，電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果說(shuō)明了兩個(gè)冰芯之一或二者在上述深度以下都發(fā)生了年層不連續(xù)或重復(fù)出現(xiàn)的部分［12］。不僅如此，由于冰芯氧穩(wěn)定同位素含量與溫度的比值在時(shí)間和空間上是變量，這些限制使冰芯的氣候記錄研究較為困難［13］。Fairbanks［14］通過(guò)14C定年和海平面變化記錄的修正說(shuō)明了格陵蘭冰芯可能無(wú)法提供可靠的氣候變化歷史。Salamatin等［15］利用南極Vostok鉆孔溫度對(duì)古氣候進(jìn)行重建，是為了與冰芯記錄相比較而確定氣候事件的發(fā)生時(shí)間。在這些情況下，冰川鉆孔溫度的古氣候重建研究更是十分必要的，它既可以用于冰芯氧穩(wěn)定同位素的校正［16］，也可與取自該孔冰芯的氣候記錄相互印證，以解決古氣候變化研究中存在爭(zhēng)論的問(wèn)題［14］。因此，冰川鉆孔溫度無(wú)疑是古氣候研究中一個(gè)獨(dú)立完善的研究工具，提供了研究氣候變化的一種新思路和新方法，是代用指標(biāo)重建氣候的重要補(bǔ)充。

本文將從模型的建立、影響因素、反演方法、重建結(jié)果等角度出發(fā)，綜述全球范圍近幾十年來(lái)基于冰川鉆孔溫度的氣候重建工作，進(jìn)一步探討冰川鉆孔溫度研究中的潛在問(wèn)題，為今后的冰川鉆孔溫度研究提供借鑒。

1 冰川鉆孔溫度對(duì)氣候的響應(yīng)與熱傳導(dǎo)-冰流模型的建立

1.1 冰川鉆孔溫度與氣候關(guān)系

揭示冰川鉆孔溫度與氣候關(guān)系是重建氣候變化歷史的前提。一般情況下，冰面以下的溫度分布主要由兩個(gè)過(guò)程所決定：一個(gè)是冰面的溫度變化，另一個(gè)是冰川底部地?zé)崃鞯挠绊?。在假設(shè)地?zé)崃骱愣ǖ姆€(wěn)態(tài)條件下，冰面溫度變化緩慢向下傳播，且作為穩(wěn)態(tài)溫度分布的瞬時(shí)擾動(dòng)被記錄：冰面溫度的升高導(dǎo)致了冰溫-深度剖面的正向擾動(dòng)，溫度的下降則導(dǎo)致了相應(yīng)的負(fù)向擾動(dòng)，如圖1所示。通過(guò)測(cè)量冰川鉆孔溫度可以得到冰溫-深度剖面，其最大擾動(dòng)深度取決于冰面溫度變化的幅度和持續(xù)時(shí)間，變化的時(shí)間越久遠(yuǎn)，影響的深度越深，向下傳播的信號(hào)也隨著深度的增加而逐漸消逝。通常一年內(nèi)的季節(jié)變化信號(hào)向下傳播至10～15 m，而大約160 a的溫度變化信號(hào)可以達(dá)到150 m左右［17］?？紤]到冰流運(yùn)動(dòng)的影響，上述冰面溫度變化的傳播過(guò)程可以由耦合的熱傳導(dǎo)-冰流模型來(lái)描述［7］，該模型以穩(wěn)態(tài)溫度分布和冰面溫度變化為初始條件和邊界條件，可以計(jì)算任意時(shí)刻的冰溫-深度剖面。與求解模型的正問(wèn)題不同，利用冰川鉆孔溫度重建冰面溫度變化過(guò)程是由某時(shí)刻的冰溫-深度剖面求解邊界條件，是一個(gè)典型的反問(wèn)題。

圖1 冰面溫度變化對(duì)冰溫-深度剖面的影響Fig.1 Influence of glacier surface temperature change on the temperature-depth profile

1.2 熱傳導(dǎo)-冰流模型的建立

Robin［18］最早研究了冰流運(yùn)動(dòng)對(duì)鉆孔溫度的影響，Dansgaard和Johnsen［19］建立了格陵蘭冰蓋的運(yùn)動(dòng)模式，為基于冰川鉆孔溫度的古氣候重建研究奠定了基礎(chǔ)。耦合的熱傳導(dǎo)-冰流模型如下式［7］：

式中：T為溫度（℃）；t為時(shí)間（s）；v→為冰流運(yùn)動(dòng)速度（m·s-1）。ρ、k、c、f分別為冰的密度（kg·m-3）、熱導(dǎo)率（W·℃-1·m-1）、比熱容（J·kg-1·℃-1）和冰川內(nèi)部的熱源項(xiàng)（J·s-1·m-3）。為溫度隨時(shí)間的變化率，?T為溫度在空間各方向上的全微分，即溫度的空間變化率，f為冰川內(nèi)部與熱傳導(dǎo)過(guò)程無(wú)關(guān)的熱源項(xiàng)，如冰川內(nèi)部由于復(fù)雜相變產(chǎn)生的熱量等。

在冰川內(nèi)部無(wú)熱源影響、冰流運(yùn)動(dòng)水平方向速度可以忽略的情況下，上式可簡(jiǎn)化為如下的一維方程［7］：

且滿足：

式中：z為豎直方向，向下為正方向；Ts(t)、G(t)、H和T0(z)分別為冰面溫度（℃）、冰川底部地?zé)崃髅芏龋╓·m-2）、冰川厚度（m）和初始冰溫-深度剖面?；诒ㄣ@孔溫度的古氣候重建研究就是這樣一個(gè)由式（1）～（5）構(gòu)成的反演模型：已知方程在某一時(shí)刻的解T(z，ts)［ts為測(cè)量時(shí)間，T(z，ts)為測(cè)量時(shí)的冰溫-深度剖面］，求出邊界條件Ts(t)，即通過(guò)測(cè)量某一時(shí)刻的鉆孔溫度T(z，ts)重建一定時(shí)期的冰面溫度變化Ts(t)。

熱傳導(dǎo)-冰流模型的一個(gè)假設(shè)條件是冰川沒(méi)有底部滑動(dòng)過(guò)程，要求冰川底部溫度低于壓力融點(diǎn)，即冰川底部?jī)鼋Y(jié)在基巖上。一般情況下可忽略冰川內(nèi)部熱源項(xiàng)f，但是當(dāng)冰川內(nèi)部存在復(fù)雜相變?nèi)绫砻嫦诘惹闆r時(shí)，需進(jìn)一步研究這些情況對(duì)鉆孔溫度的影響。另外，對(duì)于冰川利用鉆孔溫度方法的研究需要考慮模型中物理參數(shù)的影響，可以通過(guò)靈敏度測(cè)試來(lái)檢驗(yàn)不同參數(shù)對(duì)重建結(jié)果的影響程度。冰的熱導(dǎo)率k和比熱容c的取值與溫度有關(guān)，而密度ρ的取值與深度有關(guān)，可以通過(guò)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式確定這些參數(shù)的取值［20-21］。通常假定地?zé)崃髅芏菺(t)恒定不變，主要是為了計(jì)算穩(wěn)態(tài)的溫度分布，即地?zé)崃髅芏葧?huì)對(duì)模型的初始條件產(chǎn)生影響。當(dāng)冰川位于分冰嶺附近時(shí)，可以忽略水平方向的運(yùn)動(dòng)速度，模型成為一維的式（2）［7］。在假設(shè)冰川穩(wěn)定的條件下，冰川厚度H不隨時(shí)間變化，豎直運(yùn)動(dòng)速度與平均積累率相抵［22］。利用Dye3鉆孔溫度重建氣候研究中的靈敏度測(cè)試表明積累率的取值對(duì)1.5～0.5 ka BP的重建結(jié)果有較大影響［23］，而歐亞北極地區(qū)冰川鉆孔溫度的研究表明積累率的取值在一定范圍內(nèi)（年均凈積累量0.3～0.6 m冰當(dāng)量厚度）對(duì)近200 a的重建結(jié)果幾乎沒(méi)有影響，這是因?yàn)榉e累率在該范圍內(nèi)的變化對(duì)冰川上部的熱量傳遞過(guò)程影響較?。?4］。冰面溫度信號(hào)的振幅隨深度的增加呈指數(shù)衰減［17］，重建時(shí)間不僅與熱導(dǎo)率k的取值、鉆孔深度和測(cè)量精度有關(guān)，也與所要重建的邊界條件Ts(t)有關(guān)。

需要指出的是，盡管根據(jù)冰流運(yùn)動(dòng)速度v→的不同假設(shè)條件可以建立一維、二維或者三維的熱傳導(dǎo)-冰流模型，但是并不意味著多維模型一定比一維模型能夠得到更加精確的結(jié)果，這是因?yàn)槎嗑S模型增加了該反問(wèn)題的自由度，而通過(guò)測(cè)量得到的信息卻是十分有限的，即維度的增加也導(dǎo)致了更多不確定的因素［11］。

1.3 影響冰川鉆孔溫度與氣候關(guān)系的主要因素

1.3.1 測(cè)量時(shí)間與測(cè)量精度

在鉆取鉆孔的過(guò)程中，會(huì)對(duì)冰溫-深度剖面的熱平衡狀態(tài)造成擾動(dòng)，非平衡態(tài)造成的真實(shí)值與測(cè)量值的差值為0.1～1℃［17］。為了避免這一擾動(dòng)，應(yīng)在鉆取鉆孔后等到溫度達(dá)到平衡態(tài)時(shí)再進(jìn)行測(cè)量。不同的冰川鉆孔需要放置的時(shí)間不同，幾百米至上千米的鉆孔需要至少放置一年以后再測(cè)量其溫度［25-26］。通常當(dāng)鉆孔測(cè)量的溫度差異在任意深度都不超過(guò)測(cè)量精度時(shí)可近似認(rèn)為溫度達(dá)到了平衡態(tài)，即鉆孔溫度的測(cè)量精度（一般均小于0.1℃）同樣會(huì)對(duì)重建冰面溫度變化的準(zhǔn)確性造成很大影響。另外，當(dāng)冰面溫度信號(hào)向下傳播時(shí)，其振幅隨深度的增加而衰減，要利用冰川鉆孔溫度重建古氣候就需要很高的測(cè)量精度，尤其是對(duì)那些深度較深，能夠重建時(shí)間較長(zhǎng)的鉆孔溫度進(jìn)行的測(cè)量。例如格陵蘭冰蓋的Dye3鉆孔（2 037 m）和GRIP鉆孔（3 029 m）的測(cè)量精度分別為0.03℃和0.005℃［7］。

1.3.2 季節(jié)變化影響深度

冰面以下10～15 m的冰溫-深度剖面反映的是年內(nèi)的季節(jié)變化，而由冰川鉆孔溫度重建的是長(zhǎng)時(shí)間尺度的氣候變化低頻趨勢(shì)。因此，應(yīng)當(dāng)選取季節(jié)變化影響深度以下的冰溫-深度剖面來(lái)重建冰面溫度變化過(guò)程，選取深度不同，重建結(jié)果也會(huì)不同。在幾乎沒(méi)有表面消融的條件下，即最高氣溫低于0℃，冰層中不存在融水的下滲和再凍結(jié)產(chǎn)生的熱量傳遞時(shí)，季節(jié)變化影響深度處的溫度近似等于年均冰面溫度和年均氣溫，可以通過(guò)恢復(fù)該深度處的溫度變化來(lái)代替年均冰面溫度變化。約一半的格陵蘭冰蓋和大部分的南極冰蓋均滿足這個(gè)條件［27］。而大多數(shù)山地冰川存在表面消融（北極部分冰川也存在表面消融），滲浸帶融水的熱效應(yīng)顯著，溫度的小幅下降或升高會(huì)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)冰面乃至整個(gè)冰川物質(zhì)平衡產(chǎn)生重大影響［17，28］，使得季節(jié)變化影響深度在一年內(nèi)大幅變化，對(duì)選取一定的季節(jié)變化影響深度造成了困難。另一方面，由于山地冰川的運(yùn)動(dòng)速度大，滑動(dòng)摩擦所產(chǎn)生的熱量增大了冰川底部的溫度梯度［29］，或?qū)︺@孔溫度產(chǎn)生影響。

1.3.3 其他因素

太陽(yáng)輻射、冰面反射率、融水徑流等因素都會(huì)對(duì)冰川鉆孔溫度造成影響。很多歐亞北極冰川的消融是因?yàn)橄募据^高的氣溫，融水的再凍結(jié)作為產(chǎn)熱會(huì)對(duì)冰溫產(chǎn)生影響［30］。勃朗峰的兩個(gè)冰川鉆孔溫度研究證實(shí)了冰溫的升高不僅是由于氣溫的升高，潛熱的影響也非常顯著［31］。而對(duì)于低緯度的熱帶冰川，它們是非常敏感的氣候指標(biāo)，這些地區(qū)的冷冰川通常在海拔6 km以上，特別容易受到全球變暖的影響，處于非常不穩(wěn)定的狀態(tài)。這些冰川表面消融多，冰內(nèi)相變復(fù)雜，冰溫的升高在很大程度上受到融水再凍結(jié)的影響，若忽略了這方面的影響，利用鉆孔溫度重建氣候變化會(huì)導(dǎo)致重建結(jié)果中近期的升溫幅度變大。因此，在這種情況下（熱源項(xiàng)f不可忽略）需要計(jì)算式（1）中熱源項(xiàng)f，即由于融水再凍結(jié)而產(chǎn)生的潛熱。由于高海拔地區(qū)氣候寒冷，假設(shè)冰川融水能夠重新凍結(jié)，沒(méi)有變?yōu)楸◤搅?。目前的研究是在該假設(shè)條件下，通過(guò)建立冰川消融與氣溫之間的線性關(guān)系來(lái)計(jì)算由相變（融水再凍結(jié)）產(chǎn)生的潛熱通量F（W·m-2）［32-33］：，其中a、Tref和Tair分別是融化因子（W·m-2·℃-1）、融化臨界溫度（℃）和氣溫（℃）。用以下方法對(duì)融化因子進(jìn)行估算：以鉆孔附近氣象站的氣溫觀測(cè)值（可根據(jù)溫度遞減率計(jì)算冰面氣溫）為式（1）的邊界條件，調(diào)節(jié)融化因子a，使計(jì)算的冰溫-深度剖面與測(cè)量的鉆孔溫度在最大程度上吻合，以確定a的取值。另外，在缺乏氣象資料的情況下，可以利用冰芯中冰層記錄的消融特性來(lái)進(jìn)行潛熱的估算［34］?？梢钥吹?，F(xiàn)的計(jì)算需要一定的假設(shè)條件，涉及的參數(shù)未知，難以在模型中精確計(jì)算。

1.4 熱傳導(dǎo)-冰流模型的反演算法

基于冰川鉆孔溫度重建古氣候的研究，要求利用冰面以下的冰溫-深度剖面求解熱傳導(dǎo)-冰流模型的反問(wèn)題，得到冰面溫度變化這一邊界條件。具體的反演算法主要包括了實(shí)驗(yàn)-誤差（最小二乘）方法［4］、蒙特卡羅（隨機(jī)）算法［7］、控制方法［23］和Tikhonov正則化方法［35］。此外，將非線性問(wèn)題線性化［36］、泛函空間反演［37］等方法也被用于該問(wèn)題的求解中。由于存在解的唯一性和穩(wěn)定性問(wèn)題，不論是哪種方法，目標(biāo)都是找到相對(duì)穩(wěn)定的邊界條件使計(jì)算值最大可能地與測(cè)量值接近，實(shí)質(zhì)是最優(yōu)化問(wèn)題的探討與求解。

實(shí)驗(yàn)-誤差方法、蒙特卡羅算法可以看作是正問(wèn)題的求解方法，優(yōu)點(diǎn)是操作相對(duì)簡(jiǎn)單，而控制方法和Tikhonov正則化方法才是真正意義上的反問(wèn)題研究方法。不同的方法也存在不同的問(wèn)題：實(shí)驗(yàn)-誤差方法無(wú)法體現(xiàn)更為復(fù)雜的氣候變化歷史［38］；蒙特卡羅算法對(duì)未知的邊界條件沒(méi)有任何限制，統(tǒng)計(jì)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)多個(gè)極值；控制方法存在調(diào)節(jié)因子的取值問(wèn)題和預(yù)估冰面溫度的不確定性問(wèn)題，且穩(wěn)定性較差；Tikhonov正則化方法存在不同梯度步長(zhǎng)導(dǎo)致的收斂效率以及正則化參數(shù)取值的問(wèn)題等。實(shí)驗(yàn)-誤差方法、控制方法和Tikhonov正則化方法適用于模型中參數(shù)取值可以獲得的情況［22-23，35］。而在實(shí)際問(wèn)題中，存在部分參數(shù)取值未知（受獲取條件限制）的情況。例如在假設(shè)冰川穩(wěn)定條件下，當(dāng)受降雪影響的冰川積累率的取值未知時(shí)，會(huì)導(dǎo)致豎直運(yùn)動(dòng)速度這一參數(shù)取值的不確定性；當(dāng)?shù)責(zé)崃髅芏热≈滴粗獣r(shí)，會(huì)導(dǎo)致模型穩(wěn)態(tài)溫度分布（初始條件）的不確定性。在這種情況下，可以選用蒙特卡羅算法這一統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來(lái)研究［7-8］。因此，考慮到能夠獲取的地學(xué)要素的限制，蒙特卡羅算法是最優(yōu)的。另外，由于Tikhonov正則化方法能夠很好地降低噪音干擾，使得到的解穩(wěn)定，在一定程度上解決了反問(wèn)題中解的穩(wěn)定性和唯一性問(wèn)題，因而在數(shù)學(xué)范疇內(nèi)，Tikhonov正則化方法是目前求解反問(wèn)題中最好的方法［39-40］。

2 氣候變化重建研究進(jìn)展

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，基于冰川鉆孔溫度與氣候之間的關(guān)系，研究人員開(kāi)展了相關(guān)的古氣候重建工作。這些研究多集中在兩極地區(qū)、加拿大北部和美國(guó)北部等地區(qū)，揭示了不同地區(qū)的氣候變化歷史，如表1所示。鉆取冰川鉆孔后會(huì)在不同時(shí)間對(duì)鉆孔溫度進(jìn)行多次測(cè)量，表1中的測(cè)溫年份是最后一次的測(cè)量時(shí)間，該次測(cè)量值被用于重建氣候變化歷史。以下分別對(duì)格陵蘭、北極其他地區(qū)、南極和中緯度冰川鉆孔溫度的古氣候重建研究成果進(jìn)行歸納總結(jié)，對(duì)研究中涉及的其他問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)探討。

表1 用于古氣候重建研究的冰川鉆孔信息Table 1 Glacier borehole information for paleoclimate reconstruction

2.1 格陵蘭冰蓋鉆孔溫度的古氣候重建研究

2.1.1 格陵蘭冰蓋鉆孔溫度所揭示的氣候變化

最早利用冰川鉆孔溫度開(kāi)展古氣候重建研究的是格陵蘭南部的Dye3鉆孔［6］。Dye3鉆孔遠(yuǎn)離分冰嶺，表面速度高達(dá)13 m·a-1，且夏季多有表面消融，因此它并不是古氣候重建研究的理想位置。盡管如此，研究者還是利用了Dye3鉆孔溫度開(kāi)展了古氣候重建研究并與隨后鉆取的GRIP鉆孔溫度的重建結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。GRIP鉆孔位于格陵蘭冰蓋頂部的分冰嶺處，在Dye3鉆孔以北865 km，少有表面消融，較Dye3鉆孔的位置更為理想。GRIP和Dye3鉆孔溫度的重建時(shí)間分別為50 ka和8 ka。盡管兩個(gè)鉆孔深度能夠重建的時(shí)間尺度較大，但是難以體現(xiàn)近幾百年或近幾十年內(nèi)更為詳盡的溫度變化過(guò)程。GRIP鉆孔溫度的古氣候重建結(jié)果表明，與20世紀(jì)90年代中期的溫度相比，末次冰期冰盛期、氣候適宜期、中世紀(jì)暖期、小冰期（Little Ice Age，LIA）和20世紀(jì)30年代前后暖期的溫度變化幅度分別為?23℃，+2.5℃，+1℃，?1℃和0.5℃［7］。兩個(gè)鉆孔溫度近8 ka的重建結(jié)果對(duì)比如圖2所示。由圖2可以看出，利用Dye3和GRIP鉆孔溫度得到的近5 ka的溫度變化趨勢(shì)較為一致，說(shuō)明了格陵蘭中部和南部的溫度變化過(guò)程基本一致。由于地理位置的不同，與GRIP鉆孔相比，Dye3鉆孔位置的溫度變化幅度更大，可能是由于冰川融水的影響，也表明此處較GRIP鉆孔位置可能存在更強(qiáng)的氣候變量。

圖2 Dye3和GRIP鉆孔溫度的古氣候重建結(jié)果［7］Fig.2 The reconstructed temperature histories from GRIP and Dye3 boreholes［7］

2.1.2 對(duì)格陵蘭冰蓋鉆孔溫度能否重建新仙女木事件的探討

新仙女木（Younger Dryas，YD）事件是末次冰期向全新世轉(zhuǎn)換期間急劇升溫過(guò)程中的最后一次快速降溫事件，Broecker和Denton［47］認(rèn)為YD事件是由于冰川融水遷移使得北大西洋深層水生成的停止所導(dǎo)致，該事件最具權(quán)威的記錄來(lái)自格陵蘭冰芯［48-49］。格陵蘭冰芯記錄了12～11 ka BP氧穩(wěn)定同位素含量的突然下降，證實(shí)了該地區(qū)在這期間的溫度下降了約7℃［50］。Fairbanks［14］通過(guò)14C定年和海平面變化記錄的修正說(shuō)明了格陵蘭冰芯可能無(wú)法提供可靠的氣候變化歷史，指出對(duì)應(yīng)氧穩(wěn)定同位素含量的降低是因?yàn)楸ㄈ谒w移而非氣候變化。而Macayeal對(duì)Dye3鉆孔溫度進(jìn)行的古氣候重建結(jié)果體現(xiàn)了9 ka BP的YD事件［23］，但是10～7.5 ka BP的氣候重建結(jié)果與冰芯記錄不一致，由此說(shuō)明Fairbanks可能是對(duì)的。Firestone［50］針對(duì)能否通過(guò)Dye3鉆孔溫度重建YD事件這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了詳盡的探討，證實(shí)了通過(guò)Dye3鉆孔溫度無(wú)法重建YD事件，引起了格陵蘭可能沒(méi)有經(jīng)歷YD事件的推測(cè)。此外，通過(guò)GRIP鉆孔溫度同樣無(wú)法重建YD事件，這是由于該事件的持續(xù)時(shí)間太短導(dǎo)致了對(duì)應(yīng)溫度信號(hào)在冰溫-深度剖面上的消失［7］。

事實(shí)上，對(duì)于Dye3鉆孔溫度的古氣候重建結(jié)果，當(dāng)積累率等參數(shù)改變時(shí)，YD事件消失，這些不確定性說(shuō)明結(jié)果中YD事件的出現(xiàn)及持續(xù)時(shí)間有可能是不準(zhǔn)確的。要通過(guò)冰川鉆孔溫度重建YD事件，需要提高測(cè)量值和不確定分析的精確度和更為優(yōu)化的模型。模型需要考慮到短期積累率的變化、冰川不同方向的運(yùn)動(dòng)、內(nèi)部形變、底部地?zé)崃髅芏取⒈ê穸鹊母淖兒头直鶐X位置的移動(dòng)等因素。但在實(shí)際中幾乎不可能獲取足夠的信息，這一問(wèn)題仍然值得進(jìn)一步研究［50］。

2.2 北極其他地區(qū)冰川鉆孔溫度的古氣候重建研究

與格陵蘭冰蓋Dye3和GRIP鉆孔位置不同，北極其他地區(qū)的冰川夏季幾乎都有強(qiáng)烈的表面消融，這一弊端使得由這些冰川鉆孔溫度得到的近期變暖結(jié)果都可能與強(qiáng)烈的表面消融有關(guān)。這些冰川鉆孔深度介于100～800 m之間，雖然能夠重建的時(shí)間小于格陵蘭冰蓋鉆孔能夠重建的時(shí)間，但是優(yōu)勢(shì)是能夠很好地體現(xiàn)近百年甚至是近幾十年內(nèi)的溫度變化過(guò)程。如斯瓦爾巴群島冰川鉆孔溫度的古氣候重建結(jié)果，表明了20世紀(jì)該地區(qū)的溫度升高了2～2.5℃［44］。資料顯示［51］，加拿大東部在過(guò)去100～200 a升溫1～2℃。但是Nagornov等［42］由加拿大北極群島東北部?jī)蓚€(gè)冰帽鉆孔溫度的重建結(jié)果，表明了僅在過(guò)去70～100 a升溫就達(dá)到了5℃，如圖3所示。由Windy Dome和Akademii Nauk冰帽鉆孔溫度得出的溫度變化趨勢(shì)基本是同步的，其升溫幅度明顯大于整個(gè)北極地區(qū)的平均升溫幅度（約為2℃）［35］，Nagornov等認(rèn)為夏季強(qiáng)烈的表面消融和滲透融水再凍結(jié)過(guò)程中的熱量釋放是導(dǎo)致得到顯著升溫結(jié)果的原因。需要指出的是，Nagornov等采用的是慣用的10 m深度作為季節(jié)影響深度，重建結(jié)果也是以該深度的冰溫作為邊界條件，并沒(méi)有考慮到在強(qiáng)烈的表面消融影響下導(dǎo)致的季節(jié)變化影響深度在一年內(nèi)大幅變化的情況。因此，該重建結(jié)果的準(zhǔn)確性是值得懷疑的。

圖3 Windy Dome和Akademii Nauk冰帽鉆孔10 m處的溫度變化過(guò)程［42］Fig.3 The reconstructed 10 m temperatures of Windy Dome and Akademii Nauk Ice Cap［42］

2.3 南極冰川鉆孔溫度的古氣候重建研究

2.3.1 南極冰川鉆孔溫度所揭示的氣候變化

資料顯示［52］，南極東西部氣溫差異非常大。由于相對(duì)較低的海拔高度，西南極具有較多降水和較暖溫度，這與海冰的減少有關(guān)。1957—2006年西南極和東南極的平均升溫速率分別是（0.17±0.06）℃·（10a）-1和（0.1±0.07）℃·（10a）-1。位于東南極洲的Law Dome冰帽鉆孔溫度4 ka的氣候重建結(jié)果表明最近1 ka與冰芯記錄吻合較好，如圖4所示［8］。鉆孔溫度4～3 ka BP的重建結(jié)果體現(xiàn)了這段時(shí)期溫度的明顯升高，與冰芯記錄存在差異。事實(shí)上，維多利亞地南部有關(guān)阿德利企鵝群棲地的研究［53］，表明了該地區(qū)4.3～2.8 ka BP的變暖，盡管由Law Dome冰帽鉆孔溫度得到4～3 ka BP的升溫幅度存在一定程度的高估，卻能夠比冰芯記錄更好地反映這段時(shí)期的變暖。Law Dome冰帽鉆孔溫度近2 ka的重建結(jié)果表明溫度最低值出現(xiàn)在1250年和1850年前后，自1850年前后溫度持續(xù)升高，僅在20世紀(jì)60年代末至90年代末這30 a的升溫就達(dá)到了0.75℃，與南極在這30 a平均升溫0.5℃的結(jié)論較為一致［54］。此外，毛德皇后地3個(gè)鉆孔溫度的短期氣候重建結(jié)果［36］，表明了1960—2010年溫度升高了1～1.5℃，與Law Dome冰帽鉆孔溫度在重疊時(shí)間段的氣候重建結(jié)果基本一致。盡管東南極觀測(cè)到了20世紀(jì)中期以后局部地區(qū)的升溫，但仍有部分地區(qū)20世紀(jì)中期以后幾乎沒(méi)有升溫趨勢(shì)，如羅斯海西岸Styx冰川鉆孔溫度的古氣候重建結(jié)果［9］，表明了20世紀(jì)的溫度較之前高（1.7±0.4）℃，但是該地區(qū)20世紀(jì)中期以來(lái)卻未有明顯的升溫趨勢(shì)，其氣候可能受到南半球環(huán)狀模態(tài)的影響。

圖4 Law Dome冰帽鉆孔溫度的古氣候重建結(jié)果與冰芯氧穩(wěn)定同位素記錄對(duì)比［8］Fig.4 The reconstructed temperature history is compared to the stable oxygen isotope from Law Dome［8］

西南極Rutford冰流鉆孔溫度的古氣候重建結(jié)果［25］，表明了自1930年起，平均升溫速率是（0.17±0.07）℃·（10a）-1，與資料顯示的西南極平均升溫速率一致，體現(xiàn)了南極半島的快速升溫已經(jīng)向南延伸到了Rutford冰流［52］。布魯斯高原冰川鉆孔溫度近200 a的氣候重建結(jié)果，表明了最冷時(shí)期在1920—1940年，之后開(kāi)始升溫至1995年前后，與Rutford冰流在同時(shí)期的溫度變化過(guò)程一致，只是升溫速率更快一些，約為0.3℃·（10a）-1［22］。

2.3.2 南極冰川鉆孔溫度證實(shí)LIA是全球性的氣候異常期

LIA是北半球過(guò)去1 ka間最為顯著的氣候異常期，時(shí)間跨度為1400—1900年。關(guān)于LIA存在的證據(jù)，最初起源于歐洲［55］。南半球尤其是南極是否具有與北半球同步的氣候響應(yīng)，一直存在著爭(zhēng)議［56］。

格陵蘭冰蓋鉆孔溫度的古氣候重建結(jié)果均表明了LIA在格陵蘭存在的事實(shí)（圖2）：該時(shí)期的溫度較20世紀(jì)90年代中期低約1℃，冷期有兩個(gè)溫度極小值出現(xiàn)在1550年和1850年前后。南極Law Dome冰帽經(jīng)歷了1300—1850年的冷期（圖4），與北半球LIA時(shí)間較為一致，1400—1600年期間有小幅升溫，溫度最低值也在1850年前后［8］。西南極冰蓋鉆孔溫度的古氣候重建結(jié)果［43］，表明了該地區(qū)1400—1800年的平均溫度比過(guò)去100 a的平均溫度低（0.52±0.28）℃，約為格陵蘭溫度變化的一半。南極Law Dome冰帽和西南極冰蓋鉆孔溫度的古氣候重建結(jié)果，均證實(shí)了LIA是全球性的氣候異常期。

2.4 中緯度冰川鉆孔溫度的氣候重建研究

對(duì)于中緯度冰川，由于受冰川規(guī)模、年齡、流動(dòng)特性及冰川內(nèi)部相變等條件的限制，利用鉆孔溫度重建氣候的研究較少，且重建時(shí)間較短，一般僅能重建近百年的氣候變化歷史。Gilbert等［32］于2010年對(duì)玻利維亞Illimani峰的冰川鉆孔溫度進(jìn)行氣候重建研究，表明了20世紀(jì)的平均溫度較之前升高了（1.1±0.2）℃。該鉆孔位置選擇在Illimani頂峰上冰流速很小的最平坦的地方，并分析了融水的影響，得到了較好的結(jié)果。

我國(guó)青藏高原是中緯度地區(qū)最大的冰川分布區(qū)，按照氣候類型和冰川溫度的不同，可以將冰川分為三個(gè)主要類型：極大陸型冰川、大陸型冰川和海洋型冰川。極大陸型冰川海拔高，氣候寒冷干燥，冰川溫度低，底部一般呈負(fù)溫且凍結(jié)在基巖上，表面消融微弱，冰川內(nèi)部相變對(duì)冰溫-深度剖面的影響小，可以利用鉆孔溫度重建氣候變化。對(duì)于大陸型冰川，表面存在一定的消融，冰川內(nèi)部相變會(huì)對(duì)冰溫-深度剖面造成影響，當(dāng)前模型對(duì)該影響的研究存在不足，使得利用鉆孔溫度重建氣候變化比較困難。對(duì)于海洋型冰川，大多數(shù)情況下冰川溫度接近零度，表面溫度的變化對(duì)冰溫-深度剖面影響很小，不適合利用鉆孔溫度重建氣候變化。由此，利用青藏高原極大陸型冰川鉆孔溫度重建氣候變化是可行的。以往對(duì)青藏高原地區(qū)冰川重建古氣候的研究均利用冰川變化或冰芯記錄的方法［57-59］，2021年，利用青藏高原北部馬蘭冰川（最高峰海拔6 056 m，其嚴(yán)寒程度與東南極冰蓋邊緣地區(qū)相近，屬于極大陸型冰川）鉆孔溫度重建20世紀(jì)氣候變化的研究［45］，為該地區(qū)的古氣候重建提供了一種新途徑和新方法。重建結(jié)果表明20世紀(jì)的升溫幅度約為1.1℃，與冰芯記錄一致，馬蘭冰川鉆孔溫度得到的1959—1998年的升溫趨勢(shì)［約0.16℃·（10a）-1］與最近的氣象站記錄同時(shí)期的升溫趨勢(shì)基本一致［0.15℃·（10a）-1］，說(shuō)明了該方法的可靠性。

3 其他冰川鉆孔溫度的相關(guān)研究工作

3.1 冰川鉆孔溫度對(duì)冰芯氧穩(wěn)定同位素記錄的驗(yàn)證

冰芯記錄著過(guò)去氣候環(huán)境自然變化的信息，將冰芯δ18O記錄解釋為氣溫的變化存在不確定性，δ18O和溫度值T之間的線性關(guān)系也不是恒定的。一方面是因?yàn)槌司植繗鉁氐淖兓€有很多其他的因素影響δ18O含量；另一方面是由于各種因素是隨著時(shí)間的變化而變化的。于是需要尋找與冰芯記錄完全獨(dú)立的方法驗(yàn)證δ18O和T之間的關(guān)系，而通過(guò)測(cè)量冰川鉆孔溫度正是一種這樣的方法［12］。

1995年，Cuffey等［16］通過(guò)格陵蘭冰蓋GISP2鉆孔溫度對(duì)冰芯δ18O和T如下線性關(guān)系中的參數(shù)α和β進(jìn)行了驗(yàn)證：δ18O=αT+β。首先任意給定α和β的初值，結(jié)合δ18O記錄得到由α和β初值確定的T；再建立熱傳導(dǎo)-冰流模型，將T作為邊界條件，計(jì)算出冰溫-深度剖面；最后將計(jì)算值與鉆孔溫度測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，運(yùn)用Levenberg-Marquardt（LM）算法調(diào)整α和β的取值，使計(jì)算值與測(cè)量值的差值達(dá)到最小。Cuffey等的計(jì)算結(jié)果不僅證實(shí)了GISP2冰芯δ18O是反映長(zhǎng)期平均溫度變化的可靠指標(biāo)，也給出了不同時(shí)期參數(shù)α的不同取值，根據(jù)冰芯δ18O記錄解釋了近40 ka氣溫的變化。同時(shí)，Johnsen等［60］用類似的方法對(duì)GRIP冰芯δ18O記錄也進(jìn)行了驗(yàn)證，證實(shí)了冰川鉆孔溫度方法是冰芯記錄重建氣候的重要補(bǔ)充。

3.2 冰川鉆孔溫度與氣溫關(guān)系的研究

為進(jìn)行冰川動(dòng)力學(xué)模擬研究，必須有一定的冰面邊界條件。另一方面，對(duì)氣候模擬而言，冰川也是具有強(qiáng)烈反饋?zhàn)饔玫闹匾吔?。因此，氣候系統(tǒng)與冰川的相互作用對(duì)冰川學(xué)和氣候?qū)W這兩個(gè)領(lǐng)域都有十分重要的意義［29］。一般認(rèn)為，對(duì)于沒(méi)有表面消融的冰川，10 m深度處的溫度（T10）接近過(guò)去一年的平均空氣溫度（Ta）。顯然，T10取決于冰面的溫度和條件，與氣溫并不完全相同。例如當(dāng)存在較厚的積雪覆蓋時(shí)，積雪阻隔了冬季較低的氣溫，春季融水的下滲使得冰面溫度接近融點(diǎn)，年均冰面溫度可能高于氣溫［61］。

季節(jié)氣溫的變化和冰面條件的差異導(dǎo)致了T10在時(shí)間和空間上的變化，使得Ta和T10的溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)（temperature transfer function，TTF）存在差異。有關(guān)氣候-冰川相互作用最詳細(xì)、最持久的研究是對(duì)加拿大西北部的White冰川［28］，該冰川融水的遷移引起了表面條件的顯著變化，最劇烈的變化發(fā)生在平衡線附近，因此，要確定相應(yīng)的TTF變得十分復(fù)雜。Zagorodnov等［17］在極地和中緯度冰川的積累區(qū)選取了41個(gè)T10與附近站點(diǎn)的實(shí)測(cè)Ta進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，當(dāng)Ta介于?60～?7℃時(shí)，大致有T10=1.2Ta+6.7成立，同時(shí)分析了不同緯度不同氣溫對(duì)冰川的影響。除此之外，Zagorodnov等［17］還對(duì)其中4個(gè)鉆孔溫度分別建立熱傳導(dǎo)-冰流模型，計(jì)算得出冰面溫度，并將計(jì)算值與實(shí)際測(cè)得的T10進(jìn)行了對(duì)比，兩者結(jié)果一致。

TTF的相關(guān)研究可以更好地解釋冰芯記錄，提供了基于氣象站數(shù)據(jù)的冰川溫度估算方法，但是這種方法受到冰川表面強(qiáng)烈消融等因素的限制。TTF提供了氣候-冰川相互作用的一般特征，可以揭示T10中的異常，對(duì)選擇新的冰芯鉆探地點(diǎn)也具有重要意義。此外，該研究也有助于預(yù)測(cè)冰川對(duì)未來(lái)氣候變化的響應(yīng)。如Vandewal等［44］預(yù)測(cè)了在變暖趨勢(shì)下斯瓦爾巴群島冰川的底部溫度將在90 a以后達(dá)到壓力融點(diǎn)，這將會(huì)改變冰川的動(dòng)力學(xué)特征，影響冰川的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論與展望

本文通過(guò)對(duì)利用冰川鉆孔溫度重建古氣候研究成果進(jìn)行歸納總結(jié)，以期為進(jìn)一步冰川鉆孔溫度研究提供參考和幫助。

冰川鉆孔溫度研究多集中在有大量冰川分布的兩極地區(qū)或高海拔地區(qū)，這些地區(qū)缺乏早期的氣象站數(shù)據(jù)，通過(guò)冰川鉆孔溫度可以重建百年至萬(wàn)年尺度的氣候變化歷史，是研究氣候變化的重要補(bǔ)充。由于所處位置和環(huán)境的差異，表面少有消融的冷冰川鉆孔溫度能夠更好地揭示氣候變化。我國(guó)青藏高原地區(qū)氣象站是20世紀(jì)50年代以后建立且多位于青藏高原東部和南部。然而，青藏高原北部和西部大部分地區(qū)是高海拔冰凍圈的主要區(qū)域，缺乏早期的氣候變化數(shù)據(jù)。因此，重建青藏高原北部過(guò)去的氣候變化對(duì)于了解那里的冰凍圈變化（尤其是凍土、冰川和積雪）非常重要。未來(lái)加深這一方面的研究將有助于揭示中緯度高海拔地區(qū)的氣候變化狀況。此外，通過(guò)冰川鉆孔溫度方面的研究可以了解冰川與氣溫的耦合作用，進(jìn)一步預(yù)測(cè)冰川對(duì)未來(lái)氣候變化的響應(yīng)。

利用冰川鉆孔溫度重建古氣候已有三十多年研究歷史，建立的熱傳導(dǎo)-冰流模型對(duì)于物理過(guò)程的保真度和精確性方面卻少有提高。僅有少部分研究考慮到了冰川內(nèi)部所有可能影響冰川鉆孔溫度的物理過(guò)程，如融水、潛熱等。未來(lái)可以考慮冰川幾何形狀的變化，建立二維或三維模型，同時(shí)對(duì)冰川鉆孔溫度的影響因素進(jìn)行定量研究，重建更準(zhǔn)確的氣候變化歷史?？傊?，利用冰川鉆孔溫度重建古氣候在很大程度上是可信的，是古氣候研究中一個(gè)獨(dú)立完善的研究工具。為了得到更精確的重建結(jié)果，未來(lái)工作的重點(diǎn)是要掌握更加全面的氣候變化資料，取得更深的冰溫-深度剖面，并不斷改進(jìn)測(cè)量技術(shù)提高測(cè)量精度。