黑河流域中上游地区降水δ18O变化特征

水资源短缺和合理利用是黑河流域面临的一个严峻问题,解决问题的关键就是要深入了解水循环过程.降水作为水循环中一个重要环节,分析其环境同位素变化特征是应用同位素示踪技术研究水循环过程所必须的前提.根据黑河流域中上游地区取得的降水水样和降水气象资料,分析了该区域降水中δ¹⁸O的变化特征.结果表明:降水δ¹⁸O受降水量、季节、高度和温度等众多因素综合影响,其中温度占主导地位;由于位于干旱内陆地区,降水中δ¹⁸O的季节变化幅度较大,可达20‰以上;降水δ¹⁸O与降水前后平均气温的相关性显著,分别高于δ¹⁸O与降水前气温或降水后气温的相关性.从空间上来看,山区或上游地区降水δ¹⁸O与气温之间的相关性显著,分别高于δ¹⁸O与山前或山前盆地的相关性.     

北美洲降水中稳定同位素的时空分布以及与ENSO的关系

分析了北美洲降水中δ¹⁸O的时空分布特征以及与温度、降水量、ENSO的关系.结果表明:无论是在陆地还是在海洋,北美降水中平均δ¹⁸O的纬向分布是非常显著的.随着纬度的升高,降水中δ¹⁸O迅速减小.整个北美大陆均存在温度效应,并随纬度的增加而加强.不同季节温度效应分布的差异仅表现在其范围和强度的变化上.降水量效应主要出现在低纬度海洋、中低纬度太平洋的东海岸和湾流的西北海岸.在内陆区,降水量效应不存在.不同季节降水量效应分布的差异也仅表现在其范围和强度的变化上.在大陆内部和高纬度地区,对应显著的温度效应,δ¹⁸O的季节差异Δδ¹⁸O具有较大的正值;在低纬度海洋,对应显著的降水量效应,Δδ¹⁸O较小或为负值;在相同的纬度,陆地上的Δδ¹⁸O明显大于海洋.代表大陆性特征的渥太华站和代表海洋性特征的中途岛站降水中δ¹⁸O与Ni o-4的SST具有显著的正相关关系,其中,尤以5月的δ¹⁸O与Ni o-4的SST的连续相关关系最显著,表明ENSO事件的强信号对该时期陆地和海洋降水中稳定同位素的变化具有重要影响.     

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.     

山脉走向对降水中δ18O垂直递减率的影响——以黑河流域上游祁连山区为例

准确定量计算降水中稳定同位素的垂直递减率对水文、古气候及古海拔高度重建等研究有重要意义.使用方差分析方法,分析了黑河流域上游祁连山区3个站点2007年10月至2008年9月降水中δ¹⁸O与海拔的关系.结果表明：由于青藏高原北缘气候特征受西风环流控制,水汽的主要运移路径与祁连山脉走向基本平行,导致降水过程中缺乏水汽沿海拔爬升的过程,以及存在广泛的水汽混合等因素的影响,使得在显著性水平α=0.05下,祁连山区海拔1600～3300 m之间降水中δ¹⁸O在年尺度和季节尺度上均没有表现出明显的高程效应,其年均值为-7.1‰.结果说明除水汽来源外,山脉走向与主要水汽运移轨迹之间的空间关系也是影响降水中稳定同位素特征的重要因素.最后,讨论了青藏高原降水δ¹⁸O垂直递减率的区域变化特征.     

青藏高原中部各拉丹冬峰雪冰记录特征

2005年10~11月在青藏高原唐古拉山脉各拉丹冬峰冰川区不同海拔采集了3个雪坑样品,分析结果表明,雪坑中δ¹⁸O和主要离子浓度具有明显的季节变化特征.夏季风期间降水中δ¹⁸O低于其它季节,表明该地区夏季δ¹⁸O的"降水量效应"仍然存在.雪坑中主要离子在非季风期的浓度高于夏季风期.主要离子的相关分析表明,除NH₄⁺、NO₃^-外,雪坑中其它离子浓度之间均存在较好的正相关性.各拉丹冬峰冰川区仍受到南亚季风的影响,但因其位于夏季风影响的边缘区域,其影响程度相对于高原南部较弱;同时也受到大陆性气候的影响,在冬春季节具有较高的粉尘气溶胶沉降.     

青藏高原及其毗邻地区降水中稳定同位素成分的经向变化

分析了从南亚经青藏高原到毗邻的我国西北地区一个经向剖面上降水中稳定同位素成分的时空分布以及与温度、降水量、水汽来源的关系.在青藏高原南部和南亚,温度效应均不存在.在所统计的站点中,大约一半的取样站具有降水量效应,但降水中稳定同位素比率的季节变化并不与降水量强度的变化相一致.在季节变化中,δ¹⁸O的最大值往往出现在雨季到来之前的春季,最小值则出现在雨季后期或雨季结束的秋季.在青藏高原中、北部和毗邻的我国西北地区,各取样站均具有显著的温度效应,且降水中δ¹⁸O的季节变化与温度的季节变化几乎一致.说明在这些地区,温度是制约降水中稳定同位素变化的主要影响因子.由于来自源区水汽的直接凝结,南亚地区降水中平均稳定同位素成分相对较重.稳定同位素比率的季节差异较小;从青藏高原南坡的坚景到唐古拉山,由于翻越喜马拉雅山时水汽受强烈的洗涤作用,降水中稳定同位素比率急剧减小,达经向分布中δ¹⁸O的最低值段;从31°N到青藏高原北部,降水中稳定同位素比率随纬度而增大,并最终过渡到与我国西北地区降水中稳定同位素比率的变化型相类似.     

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.     

拉萨夏季降水中氧稳定同位素变化特征

根据青藏高原拉萨气象站１９９３～１９９６年雨季降水中δ１８Ｏ的测量和ＩＡＥＡ／ＷＭＯ的观测结果，分析了拉萨雨季降水中δ１８Ｏ的变化规律，以及与气温和降水之间的关系。受青藏高原季风的影响，拉萨降水季节变化异常明显，降水集中在夏半年，尤其是７～９月份。拉萨降水中δ１８Ｏ也表现出季风降水的典型特征。降水中δ１８Ｏ“雨量效应”明显，而且这种降水量的影响远远掩盖了气温对降水中δ１８Ｏ的作用。高降水对应降水中δ１８Ｏ低值，反之亦然。拉萨降水中δ１８Ｏ的这种变化特征与青藏高原北部是不同的。     

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。     

亚洲树轮稳定氧同位素研究进展

树轮稳定氧同位素作为一种高精度的古气候代用指标,在亚洲地区的发展起步晚进步快。树轮稳定氧同位素比率（δ¹⁸O）对区域气候信息有较强的记录能力,且与水汽循环关系密切,对于理解复杂的亚洲气候起着重要作用。亚洲地区树轮δ¹⁸O对温度的响应主要出现在高纬度地区,中低纬度树轮δ¹⁸O主要记录与水分（降水、相对湿度、PDSI等）有关的信号。对亚洲地区已发表的树轮δ¹⁸O与气候要素（温度、降水、相对湿度）的相关分析显著性统计显示,生长季气候对树轮δ¹⁸O至关重要,树轮δ¹⁸O 与温度的显著相关关系呈正相关,与降水和相对湿度的呈负相关,温度和降水通过降水δ¹⁸O影响树轮δ¹⁸O,但各自的信号强度存在区域差异,而相对湿度信号则广泛记录在不同区域不同树种之中。亚洲树轮稳定氧同位素研究集中于中低纬度地区,因而对大气水文循环的响应主要侧重于对亚洲夏季风和ENSO的研究,对季风降水的记录反映了季风活动的变化特征以及与之有关的环流信息;季节分辨率的树轮稳定氧同位素研究限于低纬热带亚热带区域,但对于理解区域气候和季风活动的年内变化、挖掘年轮不清晰树种的树轮学研究潜力具有重要的意义。     

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。     

浙江省常山县上震旦统西峰寺组碳酸盐的δ13C和δ18O测定

作者对浙江省常山县三里亭北九家坞的上震旦统剖面的碳酸盐系统采集的54个样品,作了碳、氧稳定同位素的分析。其中δ¹³C除4个外几乎全为正值,平均值2.16%,这与前人提到过的文德期以δ¹³C负迁移为特征的结论不符。离散变为9.0。最大负峰值出现在剖面近中部的磷块岩层中,可能与海流状况的剧变有关。δ¹⁸O除最末两个为小的正值外,几乎全为负值。     

季风与西风对青藏高原全新世气候变化的影响:同位素证据

青藏高原气候变化在冰期-间冰期、千年、十年际和季节尺度上受亚洲季风和西风环流的交互影响,表现出显著的区域性特征。然而全新世以来青藏高原气候变化的机制还不甚清楚,主要原因之一是缺少指示意义明确的古气候代用指标。课题组近年来利用叶蜡氢同位素(δDwax)重建了高原东北部的青海湖、中北部的令戈错、中部的达则错、西部的班公错和阿翁错不同时间尺度的大气降水同位素记录,本文对上述工作进行总结,并结合青藏高原全新世以来已发表的其他地点的同位素和古水文记录,揭示全新世以来季风与西风对青藏高原不同区域气候变化的影响。结果表明:1)早全新世青海湖、令戈错、班公错和阿翁错4个湖泊均主要受夏季风影响,夏季风可以影响到青藏高原的大部分地区,此时夏季风在青藏高原的最北界限可能位于青海湖以北、克鲁克湖以南。2)中全新世青海湖、班公错和阿翁错受夏季风影响逐渐减弱;然而令戈错在7.0~4.5 ka水汽主要来源于西风环流。3)晚全新世青海湖和班公错受季风的影响进一步减弱;西风在3.5~1.7 ka和2.0~1.0 ka分别影响到高原中部的令戈错和达则错;晚全新世阿翁错受冰川融水补给影响降水同位素异常偏负。4)本研究表明在中晚全新世季风较弱的时期,西风能够深入到青藏高原内部地区,给高原内部地区带来冷湿的水汽。     

Holocene ITCZ and Indian monsoon dynamics recorded in stalagmites from Oman and Yemen (Socotra)

High-resolution oxygen isotope (δ¹⁸O) profiles of Holocene stalagmites from four caves in Northern and Southern Oman and Yemen (Socotra) provide detailed information on fluctuations in precipitation along a latitudinal transect from 12°N to 23°N. δ¹⁸O values reflect the amount of precipitation which is primarily controlled by the mean latitudinal position of the ITCZ and dynamics of the Indian summer monsoon (ISM). During the early Holocene rapidly decreasing δ¹⁸O values indicate a rapid northward displacement in the mean latitudinal position of the summer ITCZ and the associated ISM rainfall belt, with decadal- to centennial-scale changes in monsoon precipitation correlating well with high-latitude temperature variations recorded in Greenland ice cores. During the middle to late Holocene the summer ITCZ continuously migrated southward and monsoon precipitation decreased gradually in response to decreasing solar insolation, a trend, which is also recorded in other monsoon records from the Indian and East Asian monsoon domains. Importantly, there is no evidence for an abrupt middle Holocene weakening in monsoon precipitation. Although abrupt monsoon events are apparent in all monsoon records, they are short-lived and clearly superimposed on the long-term trend of decreasing monsoon precipitation. For the late Holocene there is an anti-correlation between ISM precipitation in Oman and inter-monsoon (spring/autumn) precipitation on Socotra, revealing a possible long-term change in the duration of the summer monsoon season since at least 4.5 ka BP. Together with the progressive shortening of the ISM season, gradual southward retreat of the mean summer ITCZ and weakening of the ISM, the total amount of precipitation decreased in those areas located at the northern fringe of the Indian and Asian monsoon domains, but increased in areas closer to the equator.     

中国西南季风区不同水体稳定同位素特征分析——以重庆市北碚区为例

通过对重庆市北碚区大气降水和马鞍溪上游龙滩子水库水的氢氧同位素进行的一个水文年（2014年）的样品采集监测,研究了降水与水库的水的氢氧同位素之间的变化特征和规律。结果表明:(1)北碚区大气降水线方程为δD=8.82δ18O+18.97,r=0.99,n=101,P<0.01,δD、δ18O相关性极为显著,该区大气降水线斜率和截距大于全球大气降水线和中国大气降水线,表明研究区主要受西南季风和东南季风双重影响所致;(2)大气降水中δD、δ18O具有明显的季节变化,夏半年偏负,冬半年偏正;(3)大气降水中的δD、δ18O与降水量及温度呈现负相关关系,降水量效应显著,并且该效应远远掩盖了温度效应;(4)水库中水的δD、δ18O具有极好的相关性,其δD、δ18O样点落于全球大气降水线和区域大气降水线附近,并且水库中水d的变化趋势与降水d基本一致,表明前者主要补给来源是降水,而水库中水的δD、δ18O和d的变化幅度远远小于降水,表明前者不仅受降水补给,还受土壤水和地下水的补给。      

新德里季风降水中过量氘与季风水汽来源

收集和分析了新德里降水中同位素资料(δ¹⁸O和δD),利用季风水线方程对个别年份缺测的δD资料进行估计,建立了新德里36 a夏季过量氘序列.基于降水中过量氘和水汽源区相对湿度关系考虑,利用NCEP/NCAR再分析资料,研究了新德里夏季过量氘序列和水汽源区相对湿度的关系.研究发现,西阿拉伯海相对湿度变化和新德里季风降水中过量氘变化较为一致.结合西阿拉伯海风速和印度西北地区季风降水量资料分析结果,认为西阿拉伯海是新德里季风水汽的主要来源.