台风“灿鸿”期间中国东部沿海城市降水中稳定同位素的变化及影响因素

为探讨极端天气降水中稳定同位素的变化,应用2015年9号台风“灿鸿”影响期间中国东部沿海城市台北、温岭、海宁、南通降水中稳定同位素资料,分析降水中稳定同位素的时空变化。结果表明：台风“灿鸿”影响期间,台北降水的δ18O平均值为-4.40‰,为最高值;温岭降水δ18O的平均值最低,为-9.80‰;海宁与南通降水的δ18O平均值居于两者之间,分别为-8.83‰和-7.88‰。4地降水δ18O均呈现出2个阶段的“厂”型变化特征。“灿鸿”降水δ18O值在时空分布上冲刷效应明显,采样站点距离台风中心越近降水δ18O值越低d值越高。台风灿鸿影响期间整个降水过程以湿润的热带海洋气团为主,台北阶段1降水受台风外围云系影响,降水的冲刷程度较轻,δ18O值偏高;台北阶段2降水与温岭降水受单一水汽团冲刷效应影响,降水δ18O不断降低;海宁和南通与灿鸿中心的距离基本相似,且水汽源相同,降水δ18O值波动比较接近。     

辽河三角洲芦苇沼泽植物冠层内外大气中水汽的稳定同位素组成

于2019年5～11月,在中国气象局东北地区生态与农业气象野外科学试验基地辽河三角洲芦苇湿地站,观测芦苇(Phragmites australis)冠层内外大气中水汽的浓度及其稳定同位素组成。采用激光光谱同位素分析技术,在辽河三角洲芦苇湿地站距地表1 m、3 m、10 m和15 m处,对芦苇冠层内外大气中水汽的稳定同位素δ~(18)O值、δ~2H值和水汽浓度进行连续测量;采用功率谱分析方法,分析大气中水汽的δ~(18)O值和δ~2H值变化的周期特征。研究结果表明,2019年5～11月芦苇冠层内外大气中水汽浓度为1 076～28 414 mg/m~3,平均值为13 095 mg/m~3,水汽浓度最大值出现在7月31日,最小值出现在11月27日;大气中水汽的稳定同位素δ~(18)O值为-29.40‰～-10.01‰,δ~2H值为-174.56‰～-67.01‰;从海洋输送的水汽带来的降水量占总降水量的54.4%,从内陆输送的水汽的δ~(18)O值和δ~2H值分别为-31.11‰～-7.81‰和-187.26‰～-52.38‰,从内陆输送的水汽同位素值明显更低;在垂直方向上,随着高度的升高,大气中水汽浓度、δ~(18)O值和δ~2H值都逐渐减小;大气中水汽的δ~(18)O值和δ~2H值在8～24 h内具有周期性变化。     

艾比湖流域降水、地表水和地下水稳定同位素特征

选取艾比湖流域降水、地表水和地下水为研究对象,结合流域水文地质资料,利用野外调查、室内试验和统计分析等方法分析了流域不同水体氢氧稳定同位素的时空变化特征。结果表明:(1)艾比湖流域降水δ~2H和δ~(18)O变化范围分别为-148.2‰～-34.5‰和-20.16‰～1.20‰,流域大气降水线斜率为6.69。降水δ~(18)O值与气温呈正相关关系,与降水量在夏季表现出显著的负相关关系。(2)地表水δ~2H和δ~(18)O变化范围为-101.0‰～-17.0‰和-14.54‰～0.29‰,其中8月最大,其次为5月和10月。博尔塔拉河同位素值从上游到下游沿流程逐渐增加,而精河沿流程变化趋势不明显,河水δ~(18)O与气温存在正相关关系。(3)地下水δ~2H和δ~(18)O值的范围分别为-85.0‰～-65.5‰和-12.18‰～-9.05‰,平均值分别为-75.5‰和-11.00‰。博尔塔拉河区地下水同位素值从上游到下游沿流程逐渐增加,精河区沿流程变化趋势不明显。艾比湖流域水体稳定同位素的测定,为阐明流域水文过程提供同位素证据,对变化环境下有效利用水资源,维护流域生态安全具有重要意义。     

雅鲁藏布江流域降水中δ18O 的时空变化

通过研究2005年西藏雅鲁藏布江流域拉孜、奴各沙、羊村和奴下4个站点降水中的δ18O变化,揭示了雅鲁藏布江流域降水中稳定同位素的时空变化规律.研究显示,雅鲁藏布江流域降水中δ18O季节变化明显,高值出现在季风降水之前的春季,而低值出现在季风降水季节,其间降水中δ18O具有明显的"降水量效应";从空间上看,降水中的δ18O从下游至上游递减,造成这种分布特征主要是由于"高程效应"以及水汽远距离输送导致其中的18O被贫化的结果.经计算表明,雅鲁藏布江流域降水中δ18O由于"高程效应"造成的递减率为0.34‰/100m,而水平方向上自东向西由于水汽远距离输送造成的递减率为0.7‰/100km.从季风期间大范围的降水过程来看,降水中δ18O的空间变化主要受"降水量效应"制约.     

青藏高原纳木错流域夏、秋季大气降水中δ18O与水汽来源及温度的关系

根据2005年8～10月在纳木错收集的降水样和相关气象观测,分析该地区降水中δ18O变化特征及其与水汽来源关系,揭示不同水汽来源降水中δ18O与温度之间关系.观测期间水汽来源以西南季风和青藏高原本地气团输送为主.结果表明,纳木错流域夏、秋季节历次降水中δ18O变化主导因素是水汽来源不同.远距离输送夏季风海洋性气团形成的降水δ18O值较低,而局地大陆性气团降水δ18O较高.对同源的降水事件,气温和δ18O值有一定正相关性,因而可能是次一级的响因素.     

敦煌盆地降水稳定同位素特征及水汽来源

基于敦煌盆地2012年11月至2013年11月降水氢、氧稳定同位素数据 (δD、δ¹⁸O和d-excess),结合GNIP降水同位素监测资料和HYSPLIT 4模型对降水后向气团传输路径模拟结果,对敦煌盆地降水稳定同位素特征及水汽来源进行研究。结果表明:敦煌盆地降水δD和δ¹⁸O存在明显的季节效应,即降水δD和δ¹⁸O具有夏高冬低的变化特征;同时降水δD和δ¹⁸O表现出显著的温度效应,温度每升高1 ℃,δD增加6.89‰,δ¹⁸O增加0.92‰。敦煌盆地局地大气水线(LMWL)为δD=7.45δ¹⁸O+2.72(R²=0.98),受降水二次蒸发的影响,其斜率和截距均低于全球大气水线(GMWL)。降水d-excess受当地气温和相对湿度的影响,冬半年(11月至次年4月)偏正,夏半年(5-10月)偏负。从全年来看,敦煌盆地降水水汽主要来源于西风输送,冬季和春季受极地气团的影响,夏季部分降水事件受西南季风和局地再循环水汽的影响。     

城镇化流域降水径流氢氧同位素特征及洪水径流分割

为研究人类活动影响下河流降水径流响应特征,以珠江三角洲典型城镇化流域石马河为研究对象,采集2017年1-12月日降水、河水样品和3场台风期间的时段降水、洪水样品,通过测定其氢氧稳定同位素组成（δD、δ ¹⁸O）,分析流域降水、径流氢氧同位素组成特征,并利用同位素二元混合模型,分割3场台风降水事件中事前水及事件水对流量过程的贡献。结果表明,研究区域大气降水δD、δ ¹⁸O的变化范围分别为-105.10‰~+9.98‰和-14.80‰~-0.55‰,年加权平均值为-57.88‰和-8.61‰,大气降水线为δD = 7.70δ ¹⁸O+8.61（R ²= 0.98）;河水δD、δ ¹⁸O的变化范围分别为-91.23‰~-15.96‰和-12.66‰~-4.01‰,δD-δ ¹⁸O基本落在局地大气降水线上,表明降水是石马河径流的主要来源。3场台风期间,事件水占洪水总径流量的比例分别为59.7%、55.0%和69.4%,均高于事前水占比。洪水涨水初期事前水和事件水同步增长,涨水后期事件水比例逐渐增大,洪峰期间比例大于80%,成为径流主导成分,表明流域城镇化过程中下垫面不透水面积的增加会显著改变水文循环过程。本研究成果可为珠江三角洲城镇化流域水文预报提供理论基础。     

台风水汽稳定同位素组成与天气过程的关系——以2015 年13 号台风“苏迪罗”为例

基于台风“苏迪罗”（1513）影响前后南京实时高频监测的水汽稳定同位素数据,并结合再分析资料、HYSPLIT后向轨迹模型分析了大气水汽δ¹⁸O与天气过程之间的关系以及大气水汽过量氘所指示的水汽来源。结果表明,1）整个台风影响过程水汽δ¹⁸O先保持基本不变后一直下降的趋势,而水汽过量氘则呈现完全相反的变化趋势。2）根据台风“苏迪罗”影响前后南京水汽δ¹⁸O变化特征,将其划分为3个阶段：Ⅰ阶段水汽δ¹⁸O较高与南京地区较为稳定的大气条件相对应,水汽过量氘值较低指示南京地区主要受海洋水汽影响;Ⅱ阶段台风环流及其残压和北方南下冷空气相互作用造成南京地区强降水,水汽凝结和降雨蒸发的共同作用导致水汽δ¹⁸O不断贫化,较高的水汽过量氘表明南京地区主要受海洋和局地混合水汽的影响;Ⅲ阶段可能是中尺度下沉气流导致南京地区极端偏负的δ¹⁸O和高水汽过量氘。     

华北隐伏型煤矿深部含水层补给源水化学与同位素示踪

为了阐明华北隐伏型煤矿深部含水层补给条件,以淮北煤田临涣矿区任楼煤矿为例,采用水化学系统聚类分析与氢氧同位素示踪技术,结合采矿活动影响,分析与探讨煤矿深部含水层中的地下水补给源及其变化机制。研究表明:矿区深层地下水形成机制为大气降水直接但不均匀入渗、滞留入渗以及古地下水混合。矿区深层地下水当总溶解固体(TDS)小于1 000 mg/L时,氢氧稳定同位素组成(δ值)随着TDS的增大而减小;当TDS大于1 000 mg/L时,δ值在平均值线附近。矿区深层地下水平均δD与δ18O分别为-67.4‰与-8.68‰,小于大气降水年平均δD与δ18O(δD=-52.4‰,δ18O=-7.80‰)。在未经采矿活动影响下,矿区深层地下水主要来源于大气降水直接但不均匀入渗补给形成的;经采矿活动影响后深部含水层长期向采空区充水,原地下水循环条件已被打破,在补给区水力交替加快,滞留于地表或土壤层的大气降水补给深部含水层。     

祁连山排露沟流域降水δ18O和δD特征及水汽来源

降水氢氧同位素受气温、降水量、海拔、水汽来源等多种因素控制,是研究区域水文循环过程的重要手段。基于祁连山中段排露沟流域3个站点降水稳定氢氧同位素数据（δ¹⁸O、δD、d-excess）和气象观测资料,结合临近GNIP站点监测资料和HYSPLIT 4.9模型对流域降水同位素特征及水汽来源进行分析。结果表明：流域降水δ¹⁸O值波动范围大（-32.32‰~+3.23‰）,季节性变化明显,冬季δ¹⁸O值较低,夏季δ¹⁸O值较高。降水δ¹⁸O和δD值与日均气温均存在密切正相关关系,即温度效应明显。受山区气候和地理条件影响,各站点局地大气降水线（LMWL）截距和斜率相似;与临近GNIP站点（张掖）进行对比,流域降水明显受局地水汽和二次蒸发影响较少。降水d-excess值表现出与δ¹⁸O值相反的季节性变化趋势。结合HYSPLIT 4.9气团轨迹模型,得出流域夏季水汽主要来源西风环流输送,冬季受西风环流和极地气团共同影响。     

台风“海马”对洞庭湖流域降水同位素的影响研究

基于2011年第4号台风“海马”登陆前后洞庭湖流域内长沙降水同位素资料,分析了降水同位素的变化特征以及水汽输送对降水同位素的影响。结果表明：台风“海马”在洞庭湖流域内长沙所形成降水的大气水线的斜率和截距均小于长沙夏季大气水线,这与根据同位素分馏理论做出的推测相吻合。台风天气系统影响下的流域降水δ ¹⁸O值为研究时段内的最低值,即降水同位素被显著贫化,而降水过量氘（deuterium excess,记为d）波动明显要小于其他时段,后者反映了形成台风降水的水汽来源较为单一。研究时段内长沙降水d指示台风降水前、台风降水中两个阶段水汽来源于西太平洋,水汽输送轨迹也印证了降水d所指示的水汽来源情况,如流域台风降水的水汽主要来自前期台风输送至南海北部的西太平洋水汽。台风降水后这一阶段降水中d指示海洋水汽来源的效果降低,其原因在于海洋水汽输送减少、陆地蒸发旺盛以及下落雨滴蒸发强烈所致。     

华北北纬38°带极端强降水氢氧稳定同位素特征与水汽来源的关系

华北北纬38°带是华北地区的重要农业区,降水是区域地下水的主要补给源。近年来,极端强降水频率增加改变了地下水补给方式,明确极端强降水氢氧稳定同位素特征及其水汽来源对于深入认识区域水循环特征具有重要意义。本研究基于2016年1月至2021年12月华北北纬38°带的1个山区站点(太行山站)和2个平原区站点(栾城站和南皮站)降水样品采集,采用相关分析和HYSPLIT模型,揭示了研究区极端强降水δ²H和δ¹⁸O的时空分布特征与水汽来源的关系。结果表明：降水氢氧稳定同位素呈现丰水年贫化的年际特征,雨季富集、旱季贫化的季节性变化特征,极端强降水同位素最为贫化(-105.7‰～-39.1‰,-14.6‰～-5.7‰)。大气降水同位素关系表明位于山前平原的栾城站斜率和截距最小,蒸发作用最强。HYSPLIT模型结果表明,太行山站极端强降水水汽主要来自于东南季风和西南季风水汽,而栾城站和南皮站极端强降水水汽主要来自于西风水汽和东南季风水汽,西南季风水汽比例增加(16.67%～58.33%)是导致山区极端强降水同位素比平原区贫化的主要原因。水汽来源的差异导致研究区...     

水汽来源和环境因子对典型亚热带季风区降水稳定同位素的影响——以湖口地区为例

基于亚热带季风区湖口降水稳定同位素进行高频监测,利用HYSPLIT模型、潜在源贡献因子算法和质量浓度权重轨迹等方法对湖口区降水水汽来源进行分析,研究结果表明：① 湖口地区大气降水同位素组成呈夏季低、春冬季高变化趋势,湖口地区大气降水线斜率（8.19）和截距（12.5）与全球大气水线较为接近,说明整体上该研究区气候环境相对湿润。② 湖口降水同位素组成与降水量、湿度和温度均成显著负相关关系,这表明其具有显著的降水量效应、湿度效应和反温度效应。③ 湖口地区水汽来源主要受东南沿海内陆地区、南海和孟加拉湾源区水汽影响显著,其造成降水同位素值也明显偏小,尤其在夏季和秋季。④ 湖口地区降水同位素组成变化还受锋面天气系统（准静止锋和冷锋）和台风影响,台风降水的水汽来源主要来自中国南海和东海地区,此水汽往内陆输送过程中不断形成降水,此过程中降水重同位素（¹⁸O和²H）不断被冲刷造成其值逐渐变小;受准静止锋面系统影响降水δ¹⁸O值为极小值,这与锋面系统中冷、暖气团相遇造成强烈空气对流活动密切相关;而在冷锋面系统影响下,湖口地区降水δ¹⁸O值和d-excess较大,这与中国南方内陆局地再循环水汽补充有关,该研究结果将为鄱阳湖流域大气环流和水循环过程研究提供科学依据和数据支撑。     

达里诺尔湖水中氢、氧稳定同位素组成的空间变化特征及影响因素

在达里诺尔湖中,布设了12个采样点,于2015年8月15日和2016年8月15日(夏季)、2016年1月15～16日和2018年1月15～16日(冬季),分别采集了达里诺尔湖的冰样和水样,并采集了达里诺尔湖周边河水的水样,分析各样品中氢、氧稳定同位素(δD、δ18O)的分布特征,并分析了δD值、δ18O值分别与水中总溶解性固体含量、溶解氧含量和水的电导率的关系。研究结果表明,达里诺尔湖冰、水样品的δD值、δ18O值都大于周边河水;冬季湖泊冰样的δD值、δ18O值最大,分别为-22.11‰和-0.79‰,夏季湖水样品的δD值、δ18O值最小,分别为-32.34‰和-2.05‰;受河水输入的影响,亮子河和贡格尔河入湖口附近的采样点的冰、水样的δD值、δ18O值都比其它采样点小;冬季底层(深度为60～70 cm)冰样的δD值、δ18O值大于表层(深度为0～10 cm)的,而冬季和夏季表层(深度为0～10 cm)水样的δD值、δ18O值都大于其底层(深度700 cm);冬季和夏季冰、水样的δD值、δ18O值都与水中溶解氧含量显著正相关,而与电导率和总溶解性固体含量显著负相关,表明δD、δ18O值受湖水水质的影响。     

西北地区大气降水δ18O的特征及水汽来源

根据2005年各月在中国大气降水同位素观测网(CHNIP)位于西北地区的阜康、策勒、临泽、海北、沙坡头、长武和安塞观测站点收集的降水样品,对其中的同位素的组分进行测定,分析了西北地区大气降水中δ18O的时空分布特征.所建立的局地大气降水线方程δD=7.05δ18O-2.17,反应了西北地区独特的局地气候特点.降水δ18O的温度效应显著,而降水量效应只在夏季(6-8月)间存在.δ18O的空间分布特征可以很好地反映西北地区的大气环流背景.应用瑞利分馏模型及动力分馏模型对阜康-安塞沿线降水δ18O的定量模拟结果,揭示了西北地区降水水汽的分馏主要以动力分馏为主,雨滴在降落过程中历经了一定的二次蒸发过程,其降水水汽中也混入一定量的由局地再蒸发的水汽.此外,利用西北地区在全球大气降水同位素观测网络(GNIP)中的乌鲁木齐、和田、张掖、兰州、银川和西安6个站点的长时间序列的δ18O与降水量、温度等气候因子建立的多元线性回归关系可以对降水δ18O进行定量估算;基于乌鲁木齐站点12年的δ18O资料对该地区的温度拟合,为历史气候的定量恢复提供了依据.     

湖泊无机碳酸盐矿物氧同位素组成差值及其单矿物同位素组成的确定

湖积物中不同无机碳酸盐矿物常常混杂在一起,其氧同位素组成(δ18O)差异会影响碳酸盐δ18O环境信息提取的可靠性。不同矿物之间δ18O差值明显且幅度不一。20~25℃时生成的白云石比共生的方解石富集18O可能为0‰~9‰不等,亦或方解石比白云石可能更富集18O达0‰~12.3‰。常温状态,相同条件下形成的文石δ18O值较方解石高出0‰~1‰,或者方解石较文石δ18O值高出0‰~4.47‰。镁方解石中MgCO3的mol百分含量每增加1%,其δ18O值相对于纯方解石δ18O值增加0.06‰~0.17‰。在利用碳酸盐δ18O进行气候及环境研究时,不能根据某种差值进行校正,而应进行单矿物测试。由此,对不同无机碳酸盐矿物的分离及同位素测试、推算方法进行了归纳和述评。     

湘江流域中下游长沙地区不同水体中δ~(18)O、δD的变化

根据2010年在长沙地区所收集的降水、河水、泉水和井水水样资料,分析了取样期间不同水样稳定同位素的变化特征,并结合湘江长沙段水位和相关气象资料,揭示了降水中δ18O、δD因水汽来源不同而其表现出冬半年高、夏半年低的特点;由于降水降落于地表后,地表对降水滞留作用而使得河水、泉水和井水中δ18O、δD的波动幅度明显小于降水中δ18O的波动幅度;在汛期,河水中δ18O算术平均值大于降水,在枯水期河水中δ18O比泉水和井水中δ18O要大;河水线(RWL)的斜率和截距与全球大气水线(GMWL)比较接近,说明该地区位于季风区河流的补给主要来自大气降水,井水线(WWL)的斜率和截距比泉水线(SWL)要小,这表明降水入渗形成井水过程中经历的蒸发作用要比形成泉水要强,井水补给比泉水补给要复杂。这为今后研究该地区地表水-地下水-大气降水之间转换关系提供了科学依据,对掌握"三水"间转换规律和合理开发利用水资源具有重要的意义。     

哈达贺休盐湖卤水氢氧同位素特征及成因分析

内蒙古哈达贺休盐湖蕴藏着较为丰富的地下卤水资源，但人们对其成因和演化机制尚缺乏充分的认识。本文采用稳定同位素方法，研究了哈达贺休盐湖地下卤水及其周边水体的氢氧同位素组成特征，并对卤水的成因进行了分析。结果表明：哈达贺休盐湖地下卤水的?D和?18O值平均值分别为-0.53 ‰和4.01 ‰，黑河河水的?D和?18O值平均值分别为-36.73 ‰和-5.51 ‰，居延海湖水的?D和?18O值平均值分别为1.26 ‰和2.73 ‰，当地大气降水的?D和?18O值平均值分别为-5.30 ‰和-1.20 ‰。研究区水体的蒸发趋势线方程为δD=5.32δ18O-20.08，该蒸发线偏离全球大气降水线。黑河河水的氘盈余值（d）最大，湖水和地下卤水的最小，而且湖水和卤水的d值与TDS呈负相关关系。偏正的?D和?18O值以及较小的d值，表明研究区卤水经历了强烈的蒸发，同时还存在与含氧类矿物的同位素交换反应。卤水和居延海湖水氢氧同位素值分布比较集中并且接近，二者都由黑河河水演化而来。     

过量氘新的定义及其在极地地区的应用综述

水汽中过量氘主要受蒸发过程中非平衡动力分馏控制,而水汽冷凝过程一般认为同位素发生平衡分馏,平衡分馏过程对降水及水汽中过量氘影响较小,因此理论上可以利用冰芯过量氘记录进行水汽源区环境条件的定量重建。在极地地区,较低的温度导致水汽的冷凝程度较高,氢(δD)与氧(δ~(18)O)稳定同位素的斜率受与温度有关的平衡分馏系数显著影响,因此极地降水中过量氘实际上还受平衡分馏系数影响;此外,随着水汽冷凝程度的升高,水汽中δD/δ~(18)O值越来越低,δD和δ~(18)O之间的非线性关系越来越明显,这导致传统线性过量氘(定义为d_(excess)=δD-8δ~(18)O)的值还受同位素值本身的影响。因此,上述线性过量氘定义的不足使得利用极地冰芯过量氘记录进行水汽源区环境条件定量重建的精度受到了很大的限制。为了弥补传统线性过量氘定义的不足,近年来一些研究者提出了过量氘的对数定义和指数定义。本文旨在说明传统线性过量氘定义的不足,详细介绍两种过量氘新定义的基本原理与优势、最新研究进展及其在极地地区的应用前景。     

沿三条水汽输送路径的降水中(&)18o变化特征

分析和比较了沿三条水汽输送路径降水中稳定同位素的变化.沿南方水汽路径,低纬度地区取样站降水中平均δ18O的季节差异较小.自曼谷起,降水中δ18O的季节差异明显增加.沿北方水汽路径,郑州以西取样站暖半年与冷半年平均δ18O的季节差异均大于零.随着经度的增加,降水中平均δ18O的季节差减小.沿高原水汽路径,印度次大陆南部降水中的δ18O相对较高,随着纬度的增加,降水中δ18O逐渐减小.在翻越喜马拉雅山后,由于强烈的洗涤作用,降水中δ18O急剧下降.