蒸发过程中水体稳定同位素富集与空气湿度的关系

通过同位素分馏模型的物理意义分析及实验模拟分析,探讨空气湿度对蒸发过程水体稳定同位素富集过程的影响机理,研究认为:1空气相对湿度决定了扩散系数和自由空气同位素组成对分馏系数的影响比例,空气相对湿度越小,分馏系数受扩散分馏系数影响越大,分馏系数受自由空气水汽同位素组成影响则越小,反之亦然;2空气相对湿度与蒸发残余水体氢氧稳定同位素富集程度具有负相关性,即空气湿度越大越不利于残余水体重同位素富集;3模拟残余水体同位素丰度对空气相对湿度的敏感性呈负指数关系。在无外界气态水介入的蒸发实验中,残余系数为0.194条件下,当相对湿度小于80%时,H、O稳定同位素模拟结果对湿度的敏感性均小于0.0002,即相对湿度变化对模拟残余水体同位素丰度影响很小;当湿度大于80%时,湿度变化对模拟结果的影响呈指数关系急剧增加,湿度大于80%的蒸发实验需要准确观测相对湿度值。     

蒸发皿中水面蒸发氢氧同位素分馏的实验研究

气象要素与蒸发密切相关,通过室内外不同气象条件下的器皿水蒸发实验,获得了水面蒸发氢氧稳定同位素分馏因子与气象要素的关系。实验结果表明,随着蒸发的进行,剩余水体中逐渐富集重同位素;自由水体蒸发同位素分馏在垂线上有分层现象,表层水体同位素值比垂线平均的同位素值略富集;不同温度条件下的室内蒸发实验中,温度越高,液-气间分馏系数越小,相应于同一剩余水体体积比,剩余水体稳定同位素值则越低。室外器皿水自由蒸发实验中得出的蒸发线方程斜率较大地偏离了当地降水线,表明实验期间水体蒸发分馏作用较明显。该研究为进一步揭示水体蒸发分馏规律提供了可靠的实验依据。     

基于瑞利分馏模式的水体蒸发线斜率模型

瑞利分馏模式是研究水体蒸发同位素变化规律的重要方法。分析了瑞利分馏中分馏系数的影响因子,基于瑞利分馏模式推导了自由水体蒸发线斜率理论方程。分析了湿度和温度因子对于蒸发线斜率的影响。结果表明,在温度不变的情况下,蒸发线斜率随着湿度的增加而减少;在湿度不变的情况下斜率随着温度的升高而增大。利用黄河中游地区的湿度和温度气象因子,基于该斜率模型模拟了黄河中游地区地表水体蒸发线斜率,并进行了实例验证。     

青藏高原中部水蒸发过程中的氧稳定同位素变化

作为青藏高原稳定同位素水文循环的一个重部分,１９９８年夏首次在青藏高原中部的那曲和安多两地同时进行了水蒸发过程中氧稳定同位素变化观测研究,模拟和实验结果都显示出大气相对湿度对水蒸发过程中氧稳定同位素变化的显著影响,模拟结果不显示剩余水中δ＾１８Ｏ与剩余水比率呈指数关系,但实验分析结果表明,蒸发过程中剩余水中δ＾１８Ｏ与剩余水比率更接近于线性关系,这种关系可以定量地表示出来,从理论上与实验中都可以计     

河道水体中氢氧稳定同位素组成的微分方程模型

介绍了前人提出并被广泛应用的瑞利分馏模型,指出了其优缺点。针对其不足,在作了一定的假定和简化的前提下,基于瑞利分馏原理和水力学基本定律分别推导了:①静止水体的氢氧稳定同位素组成随时间变化的微分方程模型,揭示了静止水体的同位素组成与时间、分馏系数和蒸发率之间的关系;②河道中运动水体的同位素组成随时间和空间变化的微分方程模型,导出了河道运动水体中稳定同位素组成与分馏系数、流速、流量、蒸发率之间的定量关系。最后通过数学推导论述了上述各模型之间的内在联系。上述模型的建立为定量计算和精确模拟运动水体中氢氧稳定同位素组成的变化提供了确定性的数学基础,也为更客观、更充分的解译水的稳定同位素数据提供了帮助。     

华北平原典型区水体蒸发氢氧同位素分馏特征

为研究华北平原衡水地区水体蒸发氢氧同位素分馏特征,采集不同盐度的深层地下淡水(TDS 为0.61g/L)和浅层地下咸水(TDS为7.97g/L),现场开展室外器皿蒸发实验,获得了当地气象条件下氢氧同位素分馏参数.实验结果显示,淡水及咸水剩余表层水δ18O与剩余水比率f呈指数关系,与瑞利分馏模拟结果一致,δD和δ18O蒸发线斜率分别为4.78和4.69.整个蒸发过程中,淡水及咸水氢氧同位素值增量ΔδD分别为Δδ18O的4.82倍和4.76倍;剩余表层水相对于初始水δD和δ18O的变化量与累积蒸发量之比,淡水分别为2.68‰/cm和0.56‰/cm,咸水分别为2.78‰/cm和0.61‰/cm;而在不同的蒸发时段,剩余表层水δD和δ18O的变化量与蒸发量无明显相关性.受水分子扩散的影响,蒸发皿中氢氧同位素分馏在垂线上分层微弱.由于水体盐度较低,在当地气候条件下进行自由蒸发时,氢氧同位素分馏的盐效应可以忽略.     

湿度效应及其对降水中δ18O季节分布的影响

提出了湿度效应的概念,即降水中稳定同位素比率与大气的温度露点差ΔT_d存在显著的正相关关系.对两个气候特征完全不同的取样站乌鲁木齐和昆明降水中δ¹⁸O与温度露点差之间的关系进行了分析,尽管两站的δ¹⁸O与ΔT_d的季节变化存在差异,但它们的湿度效应是显著的.利用稳定同位素动力分馏模型并根据500hPa月平均温度的季节分布对昆明站云中凝结物中δ¹⁸O进行了模拟,模拟的月平均δ¹⁸O与月平均温度的变化具有非常好的一致性,说明昆明站云中凝结物中的氧稳定同位素具有温度效应.这个结果与地面降水中氧稳定同位素的降水量效应截然不同.昆明站降水中δ¹⁸O一定程度上指示大气的干湿状况,同时也间接地指示降水量的多寡或季风的强弱.湿度效应的存在,影响降落雨滴中稳定同位素蒸发富集的强度以及雨滴与大气之间稳定同位素物质迁移的方向.它不仅改变降水中稳定同位素比率的大小,也改变其季节分布的特点.     

基于Stewart模型改进方案的新疆降水同位素的云下蒸发效应比较

干旱半干旱区降水稀少,蒸发能力大,雨滴在云下易发生蒸发现象并改变其同位素比率,明确雨滴降落过程中稳定氢氧同位素的变化在同位素水文学研究中具有重要意义。Stewart模型常被用于评估雨滴中同位素比率的变化,云下雨滴降落过程中的气温、相对湿度等是模型输入的关键参数。目前广泛采用的大气均质假设往往与自然条件有差异,这种均质假设对模拟结果产生的影响有待明确。基于2016年7月至2017年6月新疆66个地面气象站逐小时观测资料与8个探空站的高空定时观测资料,通过三种Stewart模型算法方案（方案①以地面气象资料代替大气气象参数,方案②假设地面气象资料与预测的云底气象参数均匀变化,以其平均值代入模型,方案③根据高空探测资料,分层计算大气参数）的对比,深入研究新疆降水同位素的云下二次蒸发效应。结果表明：（1）三种方案计算的新疆各分区云下二次蒸发存在明显的季节差异,蒸发剩余比（f）均呈现出秋冬较大、春夏较小的趋势,各分区的ΔδD、Δδ¹⁸O和Δd均为春夏较大、秋冬较小。（2）从空间来看, Δd均值在准噶尔盆地西部和塔里木盆地东侧北缘较小。对于蒸发剩余比（f）均值、ΔδD均值、Δδ¹⁸O均值和Δd均值来说,三种方案的差异性主要体现在塔里木盆地。（3）蒸发剩余比（f）与d-excess的变化量存在相关性,整体来看,三种方案的斜率均表现为塔里木盆地 > 阿尔泰山地 > 准噶尔盆地 > 天山山地。无论是新疆各分区（除天山山地方案②）还是新疆全境,三种方案的f与Δd的线性关系均>1.0‰/%,最为干旱的塔里木盆地方案③的斜率高达1.496‰/%,这可能与新疆地处干旱半干旱气候区有关。毋庸置疑方案③是后续云下二次蒸发效应研究的方向。     

稳定性氢氧同位素在水体蒸发中的研究进展

介绍了同位素分馏的基本概念以及利用稳定同位素研究水体蒸发的基本原理。综述了国内外对水体蒸发中稳定同位素分馏机制的研究,分析了温度、湿度等气象因子对蒸发同位素分馏的影响,对动力分馏模型进行了详细推导,概述了利用同位素估算蒸发量的方法。指出了国内这方面研究的不足,并展望了今后的研究趋势。     

下垫面蒸发和云中凝结分馏对降水稳定同位素影响的数值试验——时间变化的比较(以长沙降水同位素为例)

利用稳定同位素大气水平衡模式（iAWBM）的模拟数据,分析了在不同的下垫面蒸发和不同的凝结分馏条件下降水中δ¹⁸O的时间变化、降水量效应、负温度效应和大气水线。并通过与长沙站5年实测数据的比较以及模拟试验结果之间的相互比较,揭示下垫面蒸发水汽中稳定同位素的季节性变化和云中稳定同位素分馏对降水中稳定同位素变化的可能影响,增进对季风区水稳定同位素效应的理解和认识。iAWBM给出的4个模拟试验均很好地再现了监测站降水中δ¹⁸O的时间变化,模拟出季风区降水中稳定同位素在暖半年被贫化、在冷半年被富集的基本特点。与平衡分馏相比,动力分馏下降水中稳定同位素被贫化的程度加强、季节差和离散程度减小;由下垫面蒸发水汽中稳定同位素δ_e季节性变化所引起的降水中稳定同位素的变化在不同季节完全相反：在长沙,暖半年降水中δ¹⁸O更低,冷半年降水中δ¹⁸O更高,使得降水中稳定同位素季节差和离散程度增大。4个模拟试验均很好地再现了季风区的降水量效应和负温度效应。与平衡分馏相比,动力分馏下模拟的降水量效应和负温度效应的斜率相对较小;δ_e季节性变化导致模拟的降水量效应和负温度效应的斜率增大。利用iAWBM,模拟出季风区湿热气候条件下的MWL。动力分馏以及δ_e季节变化均使模拟得到的MWL的斜率和截距减小。     

下垫面蒸发和云中凝结分馏对降水稳定同位素影响的数值试验——空间分布的比较

利用稳定同位素大气水平衡模式（iAWBM）,在一个水平衡和水稳定同位素平衡的框架下以及在相同的气象驱动下,模拟在不同的下垫面蒸发和不同的云中凝结分馏条件下降水中稳定同位素效应的空间分布特征,并通过与GNIP实测数据的比较以及模拟试验结果之间的相互比较,揭示云中的稳定同位素分馏和从下垫面蒸发的水汽同位素δ_e对降水中稳定同位素变化的可能影响,增进对全球水循环中稳定同位素效应的理解和认识。结果显示：iAWBM的4个模拟试验均很好地再现了全球降水中平均δ¹⁸O和平均δ¹⁸O季节差的空间分布特征;很好地模拟了降水同位素的温度效应、降水量效应的分布特点以及全球的大气水线MWL;比较而言,平衡分馏假设下模拟的全球降水中平均δ¹⁸O的空间分布与根据GNIP数据得到的实际空间分布以及模拟的全球MWL与实际MWL最接近,且模拟效果亦最好;动力分馏假设下模拟的降水中δ¹⁸O平均季节差的空间分布与根据GNIP数据得到的实际分布之间的相关程度较好,且拟合水平明显提高;在动力分馏和δ_e季节性的假设下,iAWBM再现全球δ¹⁸O-T和δ¹⁸O-P相关关系空间分布的能力较强。     

黑河上游青海云杉森林生态系统蒸散发分割

通过对黑河上游排露沟流域海拔2 700 m和2 900 m处青海云杉森林生态系统不同季节的土壤水、 植物水和大气水汽等不同水体稳定氧同位素组成（δ¹⁸O）的测定, 运用Craig-Gordon模型、 同位素稳态假设和Keeling Plot模型分别得出土壤蒸发、 植物蒸腾和蒸散发的δ¹⁸O, 结合多元线性混合模型将生态系统蒸散发分割为土壤蒸发和植物蒸腾。结果表明： 土壤蒸发水汽的δ¹⁸O_E、 植物蒸腾水汽的δ¹⁸O_T及蒸散发水汽的δ¹⁸O_ET分别介于-35.9‰ ~ -25.2‰、 -9.0‰ ~ -4.2‰和-18.5‰ ~ -10.2‰之间, 三者顺序为δ¹⁸O_T > δ¹⁸O_ET > δ¹⁸O_E, 满足同位素稳态假设。植物蒸腾对蒸散发的贡献率（f_T）在52.2% ~ 88.4%之间变化, 土壤蒸发对蒸散发的贡献率（f_E）在11.6% ~ 47.8%之间变化, f_T远大于f_E, 说明生态系统蒸散发大部分来自于植物蒸腾, 即植物蒸腾是青海云杉森林生态系统蒸散发的重要组成部分。f_T与气温呈负相关, 而与相对湿度呈正相关, 说明气温对f_T起抑制作用, 相对湿度对f_T起促进作用, 但是相关系数不高, 说明f_T在自然环境下还可能受除气温和相对湿度外的多种环境因素和生物因素综合影响, 具体影响机理有待进一步探究。本研究结果可为进一步研究黑河流域区域内循环和流域尺度水循环研究提供理论依据。     

Isotopic compositions of oxygen, iron, chromium, and nickel in cosmic spherules: Toward a better comprehension of atmospheric entry heating effects

Large, correlated, mass-dependent enrichments in the heavier isotopes of O, Cr, Fe, and Ni are observed in type-I (metal/metal oxide) cosmic spherules collected from the deep sea. Limited intraparticle variability of oxygen isotope abundances, typically <5‰ in δ¹⁸O, indicates good mixing of the melts and supports the application of the Rayleigh equation for the calculation of fractional evaporative losses during atmospheric entry. Fractional losses for oxygen evaporation from wüstite, assuming a starting isotopic composition equal to that of air (δ¹⁸O = 23.5‰; δ¹⁷O = 11.8‰), are in the range 55%-77%, and are systematically smaller than evaporative losses calculated for Fe (69%-85%), Cr (81%-95%), and especially Ni (45%-99%). However, as δ¹⁸O values increase, fractional losses for oxygen approach those of Fe, Cr, and Ni indicating a shift in the evaporating species from metallic to oxidized forms as the spherules are progressively oxidized during entry heating. The observed unequal fractional losses of O and Fe can be reconciled by allowing for a kinetic isotope mass-dependent fractionation of atmospheric oxygen during the oxidation process and/or that some metallic Fe may have undergone Rayleigh evaporation before oxidation began.In situ measurements of oxygen isotopic abundances were also performed in 14 type-S (silicate) cosmic spherules, 13 from the Antarctic ice and one from the deep sea. Additional bulk Fe and Cr isotopic abundances were determined for two type-S deep-sea spherules. The isotopic fractionation of Cr isotopes suggest appreciable evaporative loss of Cr, perhaps as a sulfide. The oxygen isotopic compositions for the type-S spherules range from δ¹⁸O = −2‰ to + 27‰. The intraspherule isotopic variations are typically small, ∼5% relative, except for the less-heated porphyritic spherules which have preserved large isotopic heterogeneities in at least one case. A plot of δ¹⁷O vs. δ¹⁸O values for these spherules defines a broad parallelogram bounded at higher values of δ¹⁷O by the terrestrial fractionation line, and at lower values of δ¹⁷O by a line parallel to it and anchored near the isotopic composition of δ¹⁸O = −2.5‰ and δ¹⁷O = −5‰. Lack of independent evidence for substantial evaporative losses suggests that much of this variation reflects the starting isotopic composition of the precursor materials, which likely resembled CO, CM, or CI chondrites. However, the enrichments in heavy isotopes indicate that some mixing with atmospheric oxygen was probably involved during atmospheric entry for some of the spherules. Isotopic fractionation due to evaporation of incoming grain is not required to explain most of the oxygen isotopic data for type-S spherules. However spherules with barred olivine textures that are thought to have experienced a more intense heating than the porphyritic ones might have undergone some distillation. Two cosmic spherules, one classified as a radial pyroxene type and the other showing a glassy texture, show unfractionated oxygen isotopic abundances. They are probably chondrule fragments that survived atmospheric entry unmelted.Possible reasons type-I spherules show larger degrees of isotopic fractionation than type-S spherules include: a) the short duration of the heating pulse associated with the high volatile content of the type-S spherule precursors compared to type-I spherules; b) higher evaporation temperatures for at least a refractory portion of the silicates compared to that of iron metal or oxide; c) lower duration of heating of type-S spherules compared to type-I spherules as a consequence of their lower densities.     

羊卓雍湖流域湖水稳定同位素循环过程研究

基于卓雍错流域2004年降水、河水、湖水中δ¹⁸O的监测结果,结合内陆湖水循环稳定同位素蒸发分馏模型,探讨了青藏高原南部羊卓雍湖水中稳定同位素的变化过程.研究表明:羊卓雍现代湖水中-5.9‰的δ¹⁸O平均值,相对应于当地相对湿度介于54%~58%的气候条件下,这是湖水蒸发分馏作用的最后结果.此外,入湖河水中δ¹⁸O变化也对湖水中平衡δ¹⁸O有一定的影响,而湖水温度的直接影响可以乎略.湖水中δ¹⁸O对入湖水δ¹⁸O的波动的调节能力很强,对于入湖水中δ¹⁸O大的波动,只有不到50 a的时间,湖水中稳定同位素会重新达到平衡.     

长江流域降水稳定同位素的云下二次蒸发效应

对长江流域443个GNIP的降水样品同位素原始资料,分降雪和降雨进行δ2H和δ18O线性回归,得到降雪样品的相关方程为δ2H=7.965δ18O+17.114,有最大的斜率和截距;而降雨样品根据降水量大小从<10mm至>300mm分为4组后,得到的相关方程随着降水量的减小,斜率和截距均减小,斜率从7.701减小为5.705,截距从7.812×10-3减小为-5.479×10-3。δ2H~δ18O相关方程的斜率及截距与气温、水汽压之间的关系表明,在降水从云层底部降落到地面的过程中,仅较小降雨事件有明显的二次蒸发现象,并伴随着同位素的分馏。长江流域较小降雨事件占有比例很小,仅为所有降水事件的6.32%,所以二次蒸发效应仅引起地区大气降水方程斜率和截距的微弱减小。研究表明,单个降水原始资料的同位素分析,能产生长期加权平均降水同位素分析得不到的宝贵信息。