长江源区降水氢氧稳定同位素特征及水汽来源

基于长江源区冬克玛底流域2014年5～10月连续采集的73个降水同位素数据,结合相关气象资料,分析了降水中δD、δ~(18)O及氘盈余(d-excess)变化特征,讨论了δ~(18)O与气温、降水量的关系,利用HYSPLIT模型追踪流域降水的水汽来源并估算不同水汽来源对降水量的贡献比例.结果表明:研究区降水中δ~(18)O和δD变化范围分别为-26.5‰～1.9‰和-195.2‰～34.0‰,且δ~(18)O和δD值随时间变化波动较大,与不同来源水汽输送有直接的关系;区域降水线的斜率和截距均大于全球大气降水线,与青藏高原北侧地区的降水线相近;不同降水类型中的δ~(18)O和δD的关系差异显著,主要与水汽来源和形成降水时的气象条件有关;由于受局地蒸发水汽及水汽输送过程影响,流域大气降水d-excess值整体上相对偏大;研究区的降水同位素存在显著的降水量效应,但不存在温度效应,表明降水量对大气降水中稳定同位素含量的控制作用更强;水汽来源轨迹表明,研究区大气降水水汽来源主要有西南季风携带的海洋性水汽、局地蒸发水汽及西风输送水汽,对降水量的贡献比例分别为43%、36%和21%.该研究结果有助于进一步了解长江源头区冬克玛底流域的大气环流特征及水循环过程.     

兰州及其周边区域大气降水δ18O特征及其水汽来源

根据2011年4月~2012年3月在兰州及其周边区域永登、皋兰和榆中这4个站点所采集到的243个大气降水样品及同期相关气象资料,对兰州及其周边区域大气降水中稳定同位素的时空变化特征及其环境效应进行了分析,通过回归分析建立了大气降水线方程,同时采用HYSPLIT 4.9模型对兰州及其周边区域水汽来源进行了追踪,并建立水汽输送模式.结果表明,兰州及其周边区域的大气降水线方程为δD=7.48δ18O+8.13,表明该区局地蒸发较强烈;在时间变化上,降水中同位素值表现为冬低夏高,而d-excess值变化趋势较为平稳,但不同时段下,也存在着一定的变化;从空间分布来看,由西至东加权平均δ18O值呈减小趋势;降水δ18O与温度呈正相关关系,而与降水量表现为负相关;在大尺度下,西风水汽、局地水汽以及东南季风水汽均对兰州及其周边区域有一定的影响,其中西风水汽占主导作用,而东南季风水汽的影响在时间上有一定的局限性,主要集中在6月初至8月初这一时段.     

河西走廊中部大气降水δ~(18)O变化特征及水汽输送

河西走廊中部地区气候条件特殊,小循环过程独特复杂,因而应用降水等各种水体中的氢氧稳定同位素信息来明晰水循环特征,成为近年较为常用的方法.利用GNIP张掖站点大气降水稳定同位素资料和NCEP/NCAR再分析资料,通过研究张掖站11年大气降水的氢氧稳定同位素组成,建立了张掖局地大气降水线方程,结合西水、莺落峡、平川、正义峡4个辅助站点资料,分析了河西走廊中部地区氢氧稳定同位素的时间变化规律,并建立水汽输送模式.结果表明,除西水外,其余站点区域大气降水线方程的斜率与截距均低于全球和中国大气水线,说明河西走廊中部地区降水主要来源于大尺度水汽循环,局地蒸发较为强烈且降水过程中张掖站点的蒸发作用强于其他站点.河西走廊中部地区大气降水中δ18O与温度、水汽压之间呈现较为显著的正相关关系;在全年尺度下,降水量效应不明显;由于干旱区降水主要集中在气温较高的月份,在暖季,温度效应掩盖了降水量效应,使得降水量效应无法体现.对过量氘和水汽输送的研究表明,西风带的水汽输送为河西走廊中部地区提供了基本的水汽来源,西风带季节变化对其水汽输送通量散度和d值季节变化有直接的作用.从d值的变化来看,河西走廊中部具有明显的季节变化特征,暖季d值明显小于冷季,且呈现一种先降后升的变化趋势;从数值来看,暖季d值小于10‰的次数多于d值大于10‰的次数,冷季d值大于10‰的次数多于d值小于10‰的次数,说明冷季水汽在运行过程中受到地表水汽补给的作用明显.     

长江流域降水中氢氧同位素特征及水汽来源

利用全球降水同位素观测网(GNIP)所提供的数据,研究了位于长江流域的南京、武汉、成都、昆明4个站点大气降水δ~(18)O及其相关要素的时空分布特征。对长江流域4站点大气降水中的δ~(18)O与气温、降水量、在不同时间尺度下的相关关系进行了分析与研究,提出长江流域的大气降水线方程并与全球及我国大气降水线相比较。结果表明,4站点δ~(18)O与δD年平均值波动较小,而多年月平均值波动较大,其中昆明波动最大。季节尺度下,长江流域大气降水中δ~(18)O在干季具有显著的温度效应,在湿季具有降水量效应;年尺度下,长江流域具有降水量效应。与全球大气降水线相比,长江流域大气降水线的斜率与截距都要偏小,尤其是截距偏低很多。利用HYSPLIT模型对南京与昆明站点1991年夏季水汽路径进行聚类分析,其分析结果与大气降水线及氘盈余分析结果一致,即站点存在不同水汽来源。     

滇南蒙自地区降水稳定同位素特征及其水汽来源

大气降水中δD、δ~(18)O值具有规律性变化特征,与诸多气象要素及水汽来源之间存在密切联系.根据2009年1月至2011年12月对滇南蒙自地区大气降水的连续性采样,结合欧洲中期数值预报中心(ECMWF)以及美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的再分析资料,并利用HYSPLIT_4.8后向轨迹追踪模型,分析了天气尺度下蒙自地区大气降水中δD、δ~(18)O的变化特征,探究了降水稳定同位素与温度、降水量、风速及水汽来源之间的关系.结果表明,蒙自地区降水中δD、δ~(18)O值表现出明显的季节变化,即干季偏高,湿季偏低;降水中δ~(18)O与温度、降水量之间存在显著负相关,但与不同气压层(300、500、700、800 h Pa)风速之间呈现出显著正相关,表明风速也是影响降水中δ~(18)O变化的一个重要因素;随着降雨等级的增加,其大气水线的斜率与截距也增大,说明降水稳定同位素存在一定程度的云底二次蒸发效应;水汽输送轨迹显示,干季降水的水汽主要来自于西风带输送及局地再蒸发水汽,而湿季降水的水汽主要来源于远源海洋水汽的输送,并且在受台风影响期间,降水中δD、δ~(18)O值更加偏负.     

中国大气降水δ~(18)O区域特征及其对古气候研究的意义

系统地收集和分析IAEA/WMO数据库GNIP/ISOHIS与文献报道的中国及周边大气降水和石笋的δ18O等数据,发现大气降水δ18O值和降水量效应在大尺度上均与前人研究结果相似,但在小尺度上具有显著的区域性特征:以塔里木盆地、鄂尔多斯盆地和潢川-合肥盆地等为中心的区域大气降水δ18O值明显高于其它地区,而以拉萨和川-滇-黔为中心的区域明显低于其它地区;在川-滇-黔三省交界地区和湖南中东部分别出现了强和弱降水量效应。大气降水出现δ18O较高值或降低值的主要原因可能与当地蒸发和季风等因子控制的水汽来源特征有关;而降水量效应的区域性特征可能与水汽来源结构变化密切相关。对区域上的大气降水和石笋δ18O进行比较分析表明,以单一水汽来源为主的地区,石笋δ18O值能较好地反映太阳辐射强度或季风强度;两种水汽来源强度相当的地区,石笋δ18O值反映的是两种水汽来源的综合信息;在太阳辐射强度变化对不同水汽影响差异性明确之前很难直接解析为太阳辐射或季风强度信息。     

降水稳定同位素比率时间变化的iAWBM模拟

进行降水中稳定同位素比率时间变化的i AWBM模拟和比较,有助于评估模式在不同区域的适用性,改善对水循环过程中水稳定同位素变化规律的认识.本文利用i AWBM的模拟数据,分析了GNIP代表站降水中δ18O的时间变化特征、降水中δ18O与温度和降水量之间的关系、区域大气水线,并将模拟结果与实测结果进行了比较.结果表明,9个GNIP代表站的降水同位素在不同季节的变化特点均能被模拟出;各代表站模拟与实测的降水同位素长时间序列之间的相关系数达到显著的信度(p0.001),均方根误差在一个合理的估计范围;i AWBM很好地再现了出现在维也纳、雅库茨克和渥太华站的显著温度效应,出现在香港、波哥大、昆明、哈拉雷和拉罗汤加岛站的降水量效应,以及出现在曼谷站的温度效应和降水量效应共存的特点;模拟的不同气候条件下的区域大气水线与实际大气水线相近.说明i AWBM具有模拟不同气候区降水中稳定同位素时间变化的能力.     

西北干旱区降水中 δ18O变化特征及其水汽输送

以IAEA/WMO提供的乌鲁木齐(1986～2003年)、张掖(1986～2003年)与和田(1988～1992年)大气降水稳定同位素观测数据和相关气象要素为基础,通过回归分析得到西北干旱区大气降水方程,并对降水中稳定同位素的时空变化特征及其与气温和降水量的相关关系进行了分析;采用HYSPLIT4.9模型对3个站点水汽来源进行追踪,建立了西北干旱区的水汽输送模式,并对冰冻圈δ18O的记录进行了探讨.结果表明,该区大气降水方程为δD=7.24δ18O+1.96‰,局地蒸发较强烈;乌鲁木齐、张掖与和田降水中δ18O分别波动于-20.58‰～-5.4‰、-18.58‰～-2.46‰和-20.33‰～-0.01‰,均表现出冬低夏高的特点,而d值则表现为冬高夏低;从空间分布来看,δ18O张掖最高,和田次之,乌鲁木齐最低,d值则乌鲁木齐最高,和田次之,张掖最低;降水中δ18O温度效应显著,相关系数分别为0.85、0.81、0.86,而降水量效应不存在;水汽来源轨迹表明,该区全年有两条水汽路径,分别为西风带输送的大西洋海源水汽以及极地北冰洋地区水汽,受其影响δ18O冬半年较低,夏半年则较高;由于冰冻圈环境的独特性,该区冰川雪冰中δ18O的变化与相应的气象站记录对应关系良好,很好地反映着气温的变化.     

上海地区大气水汽氢氧同位素特征及其环境意义

大气水汽作为降水的前体物质,对降水同位素有直接的影响,且水汽同位素研究相对于降水有其独特的优势,因此研究大气水汽的同位素组成对分析本地水汽来源及本地蒸发贡献具有重要的意义.本研究使用低温冷阱法,采集了上海地区2019年冬、春、夏三季的大气水汽,并对水汽氢氧同位素进行测试,分析了D、18O和17O的分布特征,并探讨了环境因素与同位素值的关系.结果表明:上海地区大气水汽氢氧同位素值的季节变化小于降水氢氧同位素;水汽同位素值在冬、春季节与绝对湿度的相关性较好,而在夏季不明显;水汽同位素中δ18O和δD拟合曲线斜率与截距,依次为冬季<春季<夏季,水汽氘盈余(d)值明显高于降水d值,且与相对湿度负相关,相关性冬高夏低;δ18O和δ17O基本符合质量分馏效应,但在冬季略有异常;δD实测值与平衡分馏理论值的差异不大,δ18O的实测值小于理论值,d值实测值明显大于理论值且二者差值与相对湿度有一定的负相关关系.上海地区冬季水汽来源以本地蒸发为主,而夏季受东南及西南季风影响,水汽主要来自海洋输送.     

降水稳定同位素的iAWBM模拟及其与GNIP实测值的比较

利用iAWBM的模拟数据,分析了全球降水中平均δ~(18)O、δ~(18)O季节差、降水量效应和温度效应的空间分布以及全球大气水线(MWL),模拟结果与GNIP监测数据进行了比较.结果表明,iAWBM的模拟很好地再现了全球降水中稳定同位素的纬度效应、大陆效应和高度效应;模拟的δ~(18)O季节差的空间分布与实际分布基本对应,在北半球低纬度地区,δ~(18)O的季节差主要表现为负值,而在高纬度大陆地区主要表现为正值;模拟的δ~(18)O的降水量效应主要出现在中低纬度的海洋和季风区,温度效应主要出现在中高纬度的内陆地区,这与实测结果吻合;模拟的全球MWL为δ~2H=7.93δ~(18)O+10.19,该方程的斜率和截距均与实测结果相近.     

雅鲁藏布江河水氢氧同位素时空变化特征

为揭示流域内水汽循环过程变化规律、揭示河水稳定同位素与气象要素及海拔之间的关系,2018年先后采集雅鲁藏布江干流丰、平、枯,水期水样90个,对河水的氢氧同位素组成进行了分析.结果表明：利用δ¹⁸O与纬度和海拔定量关系模型研究了雅江流域降水氢氧同位素空间变化特征,发现降水中δ¹⁸O值变化呈现东西部（雅江上、下游）高中部（雅江中游）低的趋势;建立了雅江丰、平、枯水期河水氢氧同位素方程,研究发现δD与δ¹⁸O的线性方程斜率低于中国大气降水线,河水δD与δ¹⁸O有一定的季节性特征,其受大气降水的影响较大,且丰水期较平水期以及枯水期相比更为明显;雅江河水中δ¹⁸O空间特征表现为,从上游至下游整体表现出先降低再升高的变化趋势.南北空间上表现为河水δD-δ¹⁸O从南至北逐步增高的趋势.δD-δ¹⁸O值与海拔高度具有较弱的负相关关系;受地表蒸发分馏、降水云团迁移以及流域岩石风化的影响,雅江河水d值季节性、空间性变化明显.     

不同水汽来源对湖南长沙地区降水中 δD、δ18O的影响

根据2010年在长沙地区进行降水收集和气象要素观测的资料,分析了该地区降水中δ¹⁸O与温度、降水量之间的关系,揭示了降水中δD、δ¹⁸O的变化特征,讨论了水汽输送对降水中δ¹⁸O变化的影响。结果表明,在天气尺度下,长沙地区大气降水中δ¹⁸O与降水量、温度之间存在显著的负相关关系,即该地区降水中δ¹⁸O的变化具有显著的降水量效应及反温度效应。对长沙地区的降雪样和降雨样进行线性回归,得出大降水事件和降雪的大气降水线具有较大斜率和截距。随着降水量的减小,大气降水线方程的斜率和截距也逐渐减小,这主要由于小降水事件的雨滴在降落过程中受到二次蒸发强烈,同位素分馏强烈。利用HYSPLIT模式追踪该地区气流的轨迹发现,在季风降水期间(5—9月),δ¹⁸O值偏低的水汽主要来自孟加拉湾、南海洋面与西太平洋海区;在非季风降水期间(10—4月),δ¹⁸O值偏高的水汽主要来自西风带携带的水汽和局地水汽环流。     

庐山地区大气降水中稳定同位素变化特征

氢氧稳定同位素技术被广泛用来研究水循环过程中的水汽来源、水量平衡及不同水体间的补给关系。以2016年4月至2017年4月在庐山地区三个不同研究点（庐山西北面莲花镇,山顶牯岭镇和东南面海会镇）采集的102个次降水样品同位素资料为基础,应用线性回归分析和对比分析等方法,对庐山地区大气降水中氢氧稳定同位素和氘盈余的时空分布特征及大气水汽来源进行了研究。结果发现：庐山地区夏半年降水中的稳定同位素值δ¹⁸O平均值（-6.1‰）小于冬半年（-4.8‰）;氢氧同位素特征和氘盈余呈现明显的季节差异;平均氘盈余值（10.6‰）大于全球大部分地区的评估值（10.0‰）;当地大气降水线（LMWL）δD=7.45δ¹⁸O+8.36与全球大气降水线（GMWL）δD=8δ¹⁸O+10相比,其斜率和截距均偏小。结合HYSPLIT后向轨迹模型分析同位素特征发现,庐山地区大气水汽夏半年主要来源于低纬度南海和印度洋,冬半年来自于干燥的华北和西北内陆;局地水汽影响和地理位置差异导致了降雨同位素特征的空间差异性。本研究可为今后展开庐山地区水循环过程的研究提供科学依据。     

台风“麦德姆”福州降水δ18O特征及水汽来源分析

大气降水的氢氧同位素不仅在长时间尺度和短时间尺度上对气候环境有一定的响应,而且在极端天气事件中也响应强烈。论文基于2014年7月23—24日10号台风麦德姆登陆前后福州降水的氢氧稳定同位素分析,发现台风麦德姆降水的δ¹⁸O变化范围为-7.2‰~-15.4‰,整个降雨过程分为3个阶段：阶段1（23日3：00至23日12：00）,雨水δ¹⁸O相对偏正（加权平均值为-7.8‰）,降水开始增加,主要受台风外围环流的影响;阶段2（23日12：00至24日8：00）,雨水δ¹⁸O显著偏负（加权平均值为-13.9‰）,采样点降水量达134.8 mm,约占观测时段降水量的78%,降雨量效应明显,主要受台风云雨区影响;阶段3（24日8：00至24日17：00）,雨水δ¹⁸O偏正（加权平均值为-9.2‰）,降水减少,台风远离福州。通过降水δ¹⁸O的阶段性特征以及过量氘,结合水汽输送通量与HYSPLIT-4模拟水汽轨迹分析,确定此次降水的水汽源主要来自西北太平洋水汽通道与孟加拉湾和南海水汽通道。     

北京西山大气降水中D和18O组成变化及水汽来源

论文利用北京西山鹫峰地区2011年7月—2012年7月观测站点内大气降水δD和δ¹⁸O数据,研究了北京西山山前丘陵区降水稳定同位素的变化特征。结果表明：研究区的大气降雨δD和δ¹⁸O的平均值要低于中国和全球降水同位素的平均值,并与北京地区的降水同位素组成平均值之间显示出较大的差异,且同一个月份内降水的同位素特征也具有较大的变化范围。由于季风气候以及局地水汽循环的共同影响,使得夏季降水中的δD和δ¹⁸O值较小,并且在4—7月随着月降水量的增加和温度的升高,在温度效应和降雨量效应的交互作用中,降雨量效应此时起主导作用,月均δD和δ¹⁸O值呈现减小的趋势,而在7—9月,温度效应呈现出主导作用,δD和 δ¹⁸O值呈现增加的趋势,而冬季来自偏北风的大陆性气团形成的降水δD和δ¹⁸O值较大。同时局地水汽循环过程中降水的二次蒸发,也导致在典型长历时场降水过程中δD和δ¹⁸O值呈现出分段波动式下降的特征。研究区大气降水线方程为 δD = 7.17 δ¹⁸O + 1.46,斜率和截距小于全球和中国大气降水线方程,而与北京地区大气降水线方程的对比发现,斜率差异较小而截距差异明显,说明海洋水汽不是研究区唯一的水汽来源,同时受到大陆性气团以及局地较强的水汽循环和北京地区近年的干旱化过程的影响。而氘盈余的年内变化的无规律则间接反映了研究区水汽来源的复杂性。     

水汽源区变化对黄河中游降水稳定同位素的影响

利用黄河中游地区9个站点的降水同位素数据,分析其时空分布特征及环境效应,并模拟代表站点的气团运移轨迹,利用OLR技术研究水汽源区变化及输送过程对夏半年降水稳定同位素的影响。结果表明：δ¹⁸O有着较为明显的季节性变化规律,春夏较低,秋冬较高;空间分布则呈由东南向西北升高的趋势。大气降水线方程表现出明显的过渡性区位特征,降水量效应较为显著。水汽主要通过西北与东南两个水汽通道输送,东向水汽与青藏高原的热力、动力性质对流域的水源差异产生了较大影响。水汽源区变化与对流层中上部水汽含量场都与稳定同位素特征有着较强的对应关系,8、9月形成于西太平洋的热带辐合带（ITCZ）使东南季风成为夏季黄河中游地区主要的水汽输送通道。     

长沙大气降水中稳定同位素变化及过量氘指示水汽来源

基于2010 年1 月1 日至2012 年5 月31 日长沙日降水同位素资料,对长沙降水中稳定同位素、过量氘(记为d) 的变化特征以及它们与降水、温度和湿度的关系进行了分析。研究发现:①在季风系统下, 降水中稳定同位素、d 均具有明显的季节变化,表现出夏半年的低值与冬半年的高值交替变化的特点;②降水中稳定同位素在不同时段均存在降水量效应和湿度效应,另外,夏半年中表现为反温度效应,冬半年则表现出温度效应;③综合考虑降水中d 和δ¹⁸O 与大气湿度的关系, 可认为影响长沙降水中稳定同位素变化的主要原因与降水的气团性质有关。夏半年中,夏季风盛行,降水的水汽主要来源于西南季风、东南季风所携带的海洋水汽,空气湿度大,d 小,重同位素在水汽输送过程中因不断冷凝而大大贫化,从而降水中δ¹⁸O(δD) 较小;冬半年中,长沙受大陆性气团控制,降水的水汽则主要来源于西风带及当地蒸发,空气湿度小,降水中δ¹⁸O(δD) 以及d 均较高。     

石羊河流域降水稳定同位素变化的区域差异

为了了解干旱内陆河流域降水稳定同位素变化过程及其影响因素,基于石羊河流域荒漠区、绿洲区和山区8个站点2013年7月至2014年7月,497个降水样品氢氧稳定同位素数据及相应气象数据,研究了石羊河流域降水稳定同位素的时空变化、环境效应以及降水水汽来源.结果显示：石羊河流域局地大气水线斜率和截距表现出夏低冬高的变化趋势;降水稳定同位素表现出夏高冬低的变化趋势,从荒漠区、绿洲区到山区,稳定同位素值随海拔升高而降低,海拔效应为-0.22‰/100m,这是温度效应的另一种体现;流域降水稳定同位素表现出显著的温度效应,温度效应为0.43‰/℃,在天气尺度下受季风水汽和降水淋洗过程的影响表现出降水量效应;流域降水来源主要受西风水汽控制,夏季也会会受到季风水汽影响,冬季也受到极地气团影响.