探索地球之巅:60年来珠峰气候环境变化

　　摘要：世界第一高峰珠穆朗玛峰(珠峰)，是全球气候与环境变化研究的焦点与热点区域。自20世纪50年代末期以来，在珠峰地区已经开展了多次综合考察，并建立了定位观测研究站。近60年来，珠峰地区持续变暖，升温幅度与青藏高原的平均值相当，降水变化趋势不明显。珠峰地区是冰川集中分布区，近期冰川显著退缩，冰湖面积急剧扩张，径流量增大，反映了冰川和水文过程对全球变暖的响应。受到升温影响，珠峰地区的植被有变绿趋势。工业革命以来，珠峰地区受到跨境大气污染物传输的影响，也凸显了冰川消融导致的污染物二次释放的潜在风险。

　　本文源自自然杂志,2020,42(05):355-363.《自然》杂志，于1978年经国家新闻出版总署批准正式创刊，CN:31-1418/N，本刊在国内外有广泛的覆盖面，题材新颖，信息量大、时效性强的特点，其中主要栏目有：科学人文、自然笔谈、科学人物等。

　　苍茫无际的喜马拉雅山脉绵延千里，逶迤盘桓于青藏高原南部边缘。在喜马拉雅山脉中部，一座飒爽轮廓的挺拔山峰赫然屹立，呈巨型金字塔状的山峰白雪皑皑、寒风烈烈，这就是主峰——世界最高峰珠穆朗玛峰(简称珠峰，纬度27°59´17´N，经度86°55´31´E，海拔8844.43m)。珠峰地区(本文指珠穆朗玛峰国家级自然保护区)位于中国与尼泊尔边界，南坡降雨充沛、植被繁茂，北坡降水稀少、植被稀疏。珠峰地区冰川广布，是重要的淡水资源宝库，也是气候环境变化的敏感地区。人类对于珠峰的探索从未停止，从清康熙五十六年(1717年)珠峰被发现以来，作为地球之巅的珠峰吸引着无数人前赴后继进行探险和科学研究。1953年，人们第一次从南坡登顶珠峰;1960年5月25日，人类才首次实现了从北坡攀登珠峰的夙愿。自此，我国开展珠峰登山探险与科考整整60年。在气候变化的背景下，珠峰地区气候环境变化如何?产生了哪些影响?

　　1、珠峰地区科学考察简史

　　自新中国建立以来，我国科学家对珠峰地区持续开展了科学考察研究，中国科学院在历次珠峰科考中发挥了中坚主导作用。1949年，我国草测的珠峰地形图标记了珠峰的位置与地形;1958—1960年，中国科学院和原国家体委组织中国珠穆朗玛峰登山科学考察队，完成了以珠峰为中心的海拔2500～6500m范围内的地质、地貌、测量、气象、水文、冰川、地层、岩石、土壤、植物以及动物等的科学考察，编写出版了《珠穆朗玛峰地区科学考察报告》，这次科考为我国首次登顶珠峰提供了气象观测和预报等科学保障[1](图1)。1966—1968年，中国科学院西藏科学考察队以“喜马拉雅山脉的隆起及其对自然界与人类活动的影响”为中心课题，对珠峰地区开展综合科学考察，出版了《地质》《古生物》《第四纪地质》《自然地理》《现代冰川与地貌》《生物与高山生理》《气象与太阳辐射》7个分册的《珠穆朗玛峰地区科学考察报告(1966—1968)》。1975年，中国科学院再次组织珠峰科学考察分队，对珠峰地区进行了地质、气象、高山生理等考察研究，特别是成功运用我国自行设计制造的无线电心电遥测仪，对登山运动员在海拔7000m至顶峰进行心电图记录和分析，提高了对人体低氧适应性规律的科学认识。为了认识30年后珠峰地区的气候环境变化，中国科学院于2005年组织第四次综合科学考察，对冰川、水文、大气物理和大气环境、生态、地质等开展了全面考察[2]。笔者作为本次科考队队长率领科考队员首次到达珠峰海拔7200m的高度，并沿着不同海拔采集冰雪样品。同年，中国科学院青藏高原研究所在珠峰绒布河谷海拔4350m处建立了珠穆朗玛大气与环境综合观测研究站，开启了对珠峰地区大气、水文、生态与环境的连续定位观测(图2)。

　　图1气象科考队员在珠峰大本营设立气象观测箱(1958年)(图片来自网络)

　　除了上述4次综合性的考察外，自20世纪80年代以来，珠峰地区各类专题性的考察一直在持续。以冰川考察为例，1993年原中国科学院兰州冰川冻土研究所(现为中国科学院西北生态环境资源研究院)开始了对东绒布冰川的连续考察，于1997年在远东绒布冰川海拔6500m处钻取一支40m长的冰芯，第二年在东绒布冰川垭口(海拔6500m)获得80m长冰芯(图3、图4)。随后几乎是不间断地逐年进行冰川定位监测和测量、冰川水文和气象监测、冰芯钻取、雪冰和其他环境样品采集等工作。其中，2008年冰川考察队参与了2008年奥运会珠峰火炬传递的气象保障，在珠峰大本营到北坳的不同海拔架设了自动气象站(图5)，获得了较为完整的高海拔气象资料。2013年，在东绒布冰川垭口钻取了珠峰地区最长的一支冰芯(142m)。截至2019年，在珠峰东绒布冰川获得的冰芯达到10余支，为“解密”珠峰地区历史时期高分辨率的气候环境变化提供了珍贵资料。

　　图2中国科学院珠峰大气与环境综合观测研究站的大气环境观测仪器

　　图3珠峰东绒布冰川垭口冰芯钻取现场

　　图4科考队员在东绒布冰川运输科考物资

　　图5珠峰东绒布冰川垭口海拔6500m的自动气象站

　　2016年，中国科学院联合国家气候中心等研究机构和高校，对珠峰地区开展气候、环境和人文动态等综合科学考察。本次考察开展了科普活动，通过野外直播讲授公开课，呼吁公众保护珠峰地区生态环境，随后出版了《珠穆朗玛峰地区气候环境变化评估》[3]，并提出了应对气候环境变化、实现区域绿色可持续发展的科学建议。2018年起至今，随着第二次青藏高原综合科学考察研究的启动实施，每年都有科考分队在珠峰地区开展科学考察。回顾珠峰地区科学考察，从最初的地理探索发现到如今的气候环境变化评估，从短期的科学考察到固定台站连续观测，从服务登山活动的气象预报到面向科学前沿的大气物理和大气环境观测研究，珠峰科考历程是青藏高原科学研究发展进步的缩影，凝聚了一代代珠峰研究者勇攀科学高峰的荣耀和梦想。

　　2、珠峰地区持续变暖

　　在珠峰东绒布冰川获得的10余支冰芯记录，为我们了解该地区的气候变化历史提供了丰富信息。所谓“冰芯”，是从冰川表面向下连续垂直钻取的圆柱状冰体，为保证冰芯记录的时间连续性，冰芯钻取位置一般在冰川积累区。大气化学成分可以通过干、湿沉降(如降雪过程)到达冰川表面，然后被封存。基于系统的多指标定年技术与实验室分析，可以重建过去不同时间尺度的气候环境变化过程。过去2000年珠峰东绒布冰芯气泡中空气含量可表征珠峰地区夏季气温变化，揭示出20世纪是过去2000年来最为温暖的时期，但是中世纪暖期与小冰期的特征并不明显[4]。过去500年来的冰芯积累量变化表明，珠峰地区在16世纪与20世纪后期降水偏多，其他时段降水偏少[5]。

　　基于台站资料分析发现，珠峰地区近50多年来(1961—2014年)平均气温为–4～3℃，空间上表现为由东南向西北递减的趋势。多年平均降水则呈现由南向北降低的趋势，降水的高值中心位于西南部的喜马拉雅山脉，年平均降水量可达550～600mm，北部的年平均降水量则在375～425mm[3]。

　　20世纪以来，青藏高原整体上气候快速变暖，而且近50年来的变暖超过全球同期平均升温率的2倍，达到每10年0.3～0.4℃[6,7]。同期珠峰地区平均升温率约为每10年0.33℃，与青藏高原平均水平接近;冬季升温率可达每10年0.39℃;降水变化趋势不明显[3]。利用动力降尺度方法预估的珠峰地区未来气候变化显示，珠峰地区2090—2099年相对于1996—2005年的冬季和夏季平均气温均表现为一致升高。在典型浓度路径(RCP)4.5情景下(图6(a))，年均气温升高1.2～2.4℃，升温幅度呈由南向北递增的趋势，北部气温升高为1.8～2.4℃;在RCP8.5情景下(图6(b))，珠峰地区升温幅度更为显著，整个地区年均气温升高3℃以上，升温高值位于北部，范围在4.2～4.8℃。

　　图6珠峰地区年平均地面气温的变化(2090—2099年相对于1996—2005年)：

　　3、珠峰地区冰川退缩、冰湖扩张

　　由于地势险峻、海拔极高，珠峰地区银装素裹，这里是喜马拉雅山脉冰川集中分布的地区之一。根据中国第二次冰川编目[8,9]和尼泊尔冰川编目[10]，得出珠峰南、北坡地区有2438条冰川，总面积3271.4km2。其中，中国境内珠峰自然保护区分布有1476条冰川，面积为2030.5km2(占总面积的62%)，而邻近的南坡尼泊尔境内分布有962条共1240.9km2冰川。珠峰北坡绒布冰川是复式山谷冰川，全长约为22km，面积达85.4km2。全球变暖导致珠峰自然保护区境内(包括邻近的南坡尼泊尔境内)的冰川发生大幅度萎缩。比较中国第一次冰川编目[11]重新数字化成果和中国第二次冰川编目成果[8]可以发现，1970—2010年间珠峰地区中国境内的冰川面积减小了约28.4%(0.83%/a);而根据尼泊尔发布的1977年和2010年的两期冰川编目资料[10]，珠峰南坡邻近区域的冰川在1980—2010年间面积总计退缩了26%(0.91%/a)(图7)。

　　图7珠峰南北坡冰川面积变化率分布图(修改自文献[3])

　　珠峰地区也是喜马拉雅山脉冰湖分布最为集中的地区之一[12,13]。冰湖主要包括冰面湖、冰川阻塞湖、表碛湖等(图8)。遥感调查结果显示，2013年珠峰地区共有冰湖1085个，总面积114.43km2。小规模冰湖(<0.1km2)数量占绝对优势，中等规模的冰湖(0.1～1km2)面积占比较高。在空间分布上，冰湖主要沿着喜马拉雅山主脉南北坡并集中分布在珠峰地区的东部和中部，西部冰湖分布较少。海拔上，珠峰地区冰湖分布范围为3600～6100m，其中5000～5400m最为集中，约占冰湖总面积的56%，分布峰值高度带为5300～5400m(21.99km2)，约占冰湖总面积的19%。

　　受到冰川快速融化的影响，该地区冰湖变化剧烈且时空差异显著[14,15,16]。近20多年来珠峰地区冰湖数量略有增加，由1990年的1034个增加到2013年的1085个;冰湖面积则呈快速扩张态势，由1990年的99.63km2扩张至2013年的114.43km2，年扩张率为0.65%。大量冰湖消失与生成共存，但新生冰湖面积大于消失冰湖面积。近20年多来一直存在的冰湖共有815个，其中44%的冰湖面积增加显著，而且总体上冰湖扩张面积远大于退缩面积，导致潜在危险性冰湖的形成和增多[17,18]。根据Wang等[19]和Worni等[20]对潜在危险性冰湖识别指标及其溃决危险性等级评价方法，发现珠峰地区共有潜在危险性冰湖109个(图9)。溃决危险性等级为“高”的潜在危险性冰湖，占该区冰湖总数的3%(总冰湖面积的24%)，急需加强监测并进行溃决风险评价。

　　图8珠峰绒布冰川末端的冰湖

　　图9珠峰地区冰湖分布及其潜在危险性等级(修改自文献[3])

　　4、远距离传输大气污染物影响珠峰地区环境

　　工业革命以来，人类向大气中排放了大量污染物。这些污染物经由大气等介质的长距离传输，为全球环境带来污染和潜在风险。珠峰地区作为全球偏远地区，其大气环境具有区域代表性。珠峰东绒布冰川粒雪芯中化学元素浓度表现出明显的季节变化，非季风期元素浓度较高而季风期较低，其中Ca、Cr、Cs及Sr的季节变化最为显著，显示雪冰中元素浓度的季节变化受到春季亚洲沙尘暴频发的影响。珠峰雪冰中的痕量元素浓度与南北极地区雪中的浓度大致相当，但远远低于受人类活动影响强烈的城市地区[21,22]。珠峰东绒布冰川表层雪冰中汞(Hg)浓度与北极地区表层雪中Hg本底浓度相当，但与法国阿尔卑斯山雪冰中Hg浓度的下限值水平一致[23]。因此，珠峰地区仍属世界偏远地区大气环境背景水平。

　　从冰芯记录来看，珠峰大气环境亦因全球人类活动的不断加剧扰动而发生了改变，特别是20世纪中叶以来珠峰地区的大气环境受到远距离传输的人类污染物的显著影响[24]。珠峰冰芯黑碳(blackcarbon,BC)记录显示：1975—2000年的黑碳浓度较1860—1975年高3倍(图10)，表明人类活动产生的大量黑碳可传输至珠峰高海拔地区;1975—2000年间冰芯中黑碳引起的辐射强迫为0.69W·m-2，比1860—1975年高2倍[25]。这些结果显示，工业革命以来人类活动排放的污染物持续增加影响到珠峰地区的大气环境。

　　图10珠峰东绒布冰芯黑碳记录

　　(褐色实线为已发表数据，文献[25];蓝色实线为未发表数据)

　　近期的监测研究发现，珠峰地区大气气溶胶的黑碳、有机碳以及生物质燃烧的指示物(如左旋葡聚糖)等具有显著相关关系，均在春季呈现高值，对应于印度北部和尼泊尔的农业秸秆焚烧以及森林火灾密集时期。气团轨迹分析表明：珠峰地区非季风期主要受西风急流控制，气团主要途经尼泊尔西部、印度西北部和巴基斯坦;而夏季季风期，气团主要来自孟加拉湾。这表明喜马拉雅山脉南侧的生物质燃烧是春季珠峰地区高浓度碳质组分的主要原因[26,27,28]。除了大尺度的环流影响外，喜马拉雅山脉局地山谷风也是造成大气污染物跨境传输的重要原因。在喜马拉雅山脉南坡，白天盛行的谷风将低海拔的污染物输送到高海拔地区;而在北坡，冰川面积分布广阔，使得下沉的冰川风盛行。南北坡的局地环流耦合，导致山谷成为污染物传输的有效通道[26]。其他观测和模式模拟也表明，南亚大气污染物能够翻越喜马拉雅山脉跨境传输进入青藏高原[29]。

　　相关研究还指出，雪冰中黑碳可加速雪冰消融。珠峰地区雪冰中黑碳含量较低(16ng·g-1)，导致的辐射强迫约为4.5W·m-2[30]，而Ménégoz等[31]模拟的喜马拉雅山区雪中黑碳辐射强迫为1～3W·m-2。珠峰西南部Yala冰川的观测结果表明，若表层雪(厚度为2cm)中黑碳含量为26.0～68.2ng·g-1，则对反照率降低的影响可达2.0%～5.2%，从而导致冰川径流增加70～204mm。该结果尚不包括雪的老化、粉尘以及反照率反馈机制等的影响[32]。特别值得注意的是，在珠峰地区冰川加速消融背景下，雪冰中积累的重金属等有毒物质可能随冰川融水进入到下游地区的生态环境中，这将对珠峰地区以及下游流域的生态安全带来潜在的威胁[3]。

　　5、珠峰地区变绿，植被生长期延长

　　珠峰地区植被主要由高山草甸、高山草原和高山灌丛构成。高山植被对气温变化敏感，植被物候与生长季平均绿度均是气候变化影响下生态系统变化的有效指标[33]。珠峰地区植被指数(NDVI)分布的总特征是南部和北部高，中部低。NDVI自20世纪80年代开始呈上升趋势，2000年之后略有降低，其中，珠峰地区中部和北部的NDVI下降最为明显，而南部核心保护区森林和灌丛的NDVI则呈显著上升趋势，且变化幅度较大[34]。珠峰地区草原返青期提前，生长期延长，净初级生产力总体呈增加态势，可供更多的动物繁衍生息。

　　6、结论与展望

　　冰芯记录显示，珠峰地区气温逐渐升高，20世纪是最为温暖的时段。过去50年来，年均气温升高约0.33℃/10a，与青藏高原平均升温率大致相当，高于全球平均。未来温室气体排放情景下，珠峰地区气温将持续升高，且升温幅度存在季节性以及区域差异，其中冬季增温更为显著，北部升温较大。

　　珠峰地区冰川整体萎缩，1970—2010年间珠峰北坡中国境内的冰川面积减小了约28.4%，珠峰南坡的冰川在1980—2010年间面积退缩了26%。珠峰南、北坡地区的冰川面积减少超过900km2。该地区冰湖面积急剧扩张，表现为已有湖泊面积呈增大趋势且湖泊数量增加，而且珠峰地区潜在危险性的冰湖发育广泛，需要定位监测和评估其危险性。

　　珠峰地区的大气环境与全球偏远地区，如南、北极地区相当。然而，从过去数百年来的大气环境历史变化的角度看，珠峰地区大气中人类来源的重金属、持久性有机污染物等自工业革命以来呈增加趋势，特别是20世纪中叶以来显著增加2～3倍，反映了南亚地区增强的工农业活动的影响。此外，源自人类活动释放的黑碳在1970年以来显著增加近2倍，这将会导致珠峰地区冰川的加速消融。总之，人类活动已经深刻影响了珠峰地区的大气环境。

　　珠峰地区持续变绿，生态系统总体向好，但局部地区的人类活动有加强的趋势，如本地的农牧业活动不断加强，进入珠峰的游客人数在增加。自20世纪末以来，随着发展方式的转变，特别是生态建设工程的实施，珠峰地区人类活动对环境的负面影响得到遏制，环境质量呈现逐步改善的趋势。目前农牧业和旅游产业对珠峰地区的环境影响较小，环境承载力仍然有一定弹性。

　　总之，自1960年开始，科学家对珠峰地区已经开展了数次综合科学考察，涵盖冰川、气象、水文、生态、地质、测绘等各个方面，揭示出珠峰地区气候环境变化的事实与影响，彰显了我国科学家探索地球之巅的不懈努力。科学的认知是没有边界和峰顶的，随着第二次青藏高原综合科学考察研究的开展，我们对于世界之巅珠峰的探索仍在继续。极高海拔区域的气象观测是当务之急，研究人员需要沿着东绒布冰川的不同海拔布设自动气象观测站，特别是在海拔7000m以上布设，并实现数据的实时传输，为登山活动和科学研究提供基础资料;其次是持续监测冰川、水文、植被、动物等，为自然保护区提供基础数据;最后是加强危险性冰湖的强化监测，未雨绸缪，为防灾减灾和区域可持续发展服务。珠峰地区是全球变化的天然实验室，是处在快速变化中的地球的缩影。持续的冰芯记录研究以及生态环境监测，不但为认识珠峰气候环境演变提供坚实的基础，也为评估人类活动对地球的扰动提供参考。

　　参考文献：

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