德令哈降水中δ18O年际变化与水汽输送

根据德令哈地区1992—2001年的降水中δ18O数据及降水时刻所记录的相关气象参数,并对比中国气象局气象资料和NCEP/NCAR格点气象数据,利用相关、回归等分析方法分别对该地区降水中δ18O与温度、降水量以及水汽通量之间的关系进行分析,并讨论了降水量与大气环流的变化关系,揭示了影响该地区降水中δ18O变化的气象因素,特别是与水汽来源之间的关系。研究结果表明,德令哈降水中δ18O年际变化表现出一定程度的“温度效应”,但与温度的相关性要低于季节尺度。不同类型汽团的水汽输送是影响降水中δ18O年际变化的另一个重要原因。     

INTERCOMPARISON OF δ18O IN PRECIPITATION SIMULATED BY ISOTOPIC GCMS WITH GNIP OBSERVATIONS OVER EAST ASIA

本文利用引入稳定同位素循环的ECHAM4,GISS E,HadCM3和MUGCM模式的模拟对东亚降水中平均δ18O的空间分布、季节差异以及δ18O与温度、降水量的关系进行了分析.模拟结果很好地再现了由GNIP实测资料得到的δ18O的变化特征.在东亚,降水中δ18O的分布具有明显的纬度效应和高度效应.降水中δ18O季节差的最大值出现在受冷高压控制的东西伯利亚,最小值出现在受副热带高压控制的西太平洋.在海洋性气团与大陆性气团频繁交绥的中纬度地区,δ18O季节差相对较弱,但经向变化梯度较大.然而,4个GCM的模拟均显示在中高纬度内陆降水中δ18O明显偏低.温度效应主要出现在中高纬度和内陆区,纬度越高、越接近内陆,温度效应越强.降水量效应主要出现在中低纬度和季风区,最强的降水量效应出现在低纬度沿海或海岛.然而,4个GCM均给出实际上并不存在的发生在中亚干旱区的降水量效应.这个结果与雨滴在降落过程中重同位素的富集作用有关,但模式对该机制起到了放大作用.GCM和GNIP降水中δ18O统计量空间分布差异的一个显著特点是,GCM统计量的标准差大于GNIP统计量的标准差.然而,当对单站降水δ18O的时间序列作对比时,GCM模拟值的标准差反而小于GNIP实测值的标准差.     

利用稳定同位素大气水平衡模式模拟降水中δ18O的分布

利用稳定同位素大气水平衡模式,模拟了2012年全球大气水汽和降水中δ18O的空间分布和时间变化以及降水中δ18O与降水量、温度之间的关系.其目的在于检验稳定同位素大气水平衡模式模拟水稳定同位素循环的能力,揭示稳定同位素效应产生的主要原因,改善对水循环中稳定同位素效应的理解和认识.模拟结果很好地再现了全球降水中δ18O的纬度效应、大陆效应和季节差异.在水循环过程中,引起降水中稳定同位素空间变化和时间变化的原因与蒸发对水汽同位素的富集作用、降水对水汽同位素的贫化作用、凝结温度对水汽同位素贫化程度的影响有关.模拟的降水量效应主要出现在中低纬度海洋和季风区,这种分布形势与δ18O季节差和降水量季节差的分布相对应;模拟的温度效应主要出现在中高纬度陆地,这种分布形势与降水中δ18O季节差的分布形势相对应.在一些低纬度地区,伴随强降水量效应的出现,温度效应也同时出现.     

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。      

广州大气降水中δ^18O与气象要素及季风活动之间的关系

根据2004年5月至2005年6月广州日大气降水中δ18O资料和GNIP提供的广州、香港多年月平均降水中δ D、δ18O资料, 研究了天气尺度下广州大气降水中δ18O与降水量、水汽压、气温和露点温度等气象要素之间的关系, 并就季风活动对本地降水中δ18O的影响作了初步分析. 结果表明: 在天气尺度下, 广州大气降水中δ18O与降水量、水汽压、气温和露点温度均存在显著的负相关关系, 同温度露点差存在显著的正相关关系, 表明广州大气降水中δ18O变化具有显著的降水量效应和湿度效应. 夏季风期间季风活动对天气尺度下降水中δ18O的变化具有显著影响, 使得天气尺度下大气降水中δ18O变化有时并不遵循降水量效应. 从多年气候平均状况来看, 广州、香港降水中δ18O的季节变化同亚洲夏季风的爆发和推进演变过程较为相似, 在夏季风活跃的时期, 大气降水中δ18O值也较低, 反映了季风降水再循环活动对降水中稳定同位素含量具有显著影响.     

重庆金佛山羊口洞滴水δD和δ18O变化特征及其环境意义

为探究重庆金佛山羊口洞滴水δD、δ18O化特征及其环境意义,于2011年10月—2013年8月,在重庆市南川区金佛山逐月采集大气降水样品及羊口洞6个滴水监测点的滴水样品进行氢氧稳定同位素测定。通过比较降水和滴水δD、δ18O的分布特征、季节变化及其与降水量和温度的相关性发现：（1）6个滴水点δD、δ18O较均匀地分布在当地降水线附近,表明从降水到形成滴水的过程受蒸发作用影响不大,滴水δD、δ18O现了当地大气降水δD、δ18O均水平。（2）受洞穴上覆岩土层的调蓄作用影响,羊口洞各滴水点δD和δ18O变化范围（—46.77~—62.09‰,—7.05~—9.96‰）远小于洞外大气降水（5.17~—115.63‰和—1.44~—16.10‰）,且较降水存在明显滞后性。但滴水δD、δ18O体上也表现出与降水相同的夏季偏轻、冬季偏重的趋势,主要受降水水汽源地季节性差异影响。而各个监测点滴水δD和δ18O节变化差异较大,可能受滴水点上覆岩层裂隙管道发育、覆盖层厚度、岩溶水滞留时间、形成滴水前的运移路径、滴水点的高度和滴率、滴水点距离洞穴出入口的距离等多种原因影响。（3）降水δ18O现出＂降水量效应＂和＂负温度效应＂,羊口洞滴水δ18O降水量总体上也呈负相关关系,而与温度（水温、洞温）的关系则呈现多样化：1#、2#、5#、6#监测点滴水δ18O温度不相关,3#点为正相关,4#点为负相关,这与各监测点滴水δ18O节变化差异较大有关。（4）总体而言,羊口洞滴水δD和δ18O季节变化不够明显,利用羊口洞石笋进行季节分辨率的古气候重建可能性较低,但滴水δD和δ18O承了当地大气降水信息,其石笋δ18O用于重建年际~十年际及更长时间尺度的古气候变化。     

羊卓雍错流域降水中稳定氧同位素变化特征

根据青藏高原南部羊卓雍错流域白地、翁果和堆乡3个水文站2004年1~10月降水中δ¹⁸O的测定结果,分析了该流域降水中δ¹⁸O的变化特征及其与温度和降水量之间的关系.结果表明:3个站点降水中δ¹⁸O的值在雨季前变化不大,且都保持相对高值;进入雨季后都开始下降,雨季结束后又均开始增大.该流域夏季降水中δ¹⁸O表现出低值的特征与夏季西南季风的强烈活动密切相关.受西南季风影响,3个站点夏季降水均表现出季风降水的特征,降水中δ¹⁸O与降水时温度关系不明显,而与降水量之间存在着一定的反向变化趋势,从而表现出一定的“降水量效应”.羊卓雍错流域降水中δ¹⁸O的这种变化特征与拉萨的基本一致.     

不同时间尺度下的稳定同位素变化

根据北半球IAEA／WM0监测网12个具有长序列站点的资料，分析了在不同时间尺度下降水中δ^18O的时空变化特征，被选出的12个取样站都存在显的降水量效应，δ^18O／降水量变化率的大小与降水量存在一定程度的反比关系，降水量效应不仅与产生降水的强对流现象相联系，而且与降水量的季节分布有关，在年尺度下，12个站中的11个站具有一定程度的温度效应，相对而言，位于中低纬度取样站的平均δ^18O／平均温度变化率大于中高纬度，与单站相比，合计的δ^18O和温度之间的正相关关系要显得多，说明δ^18O的年际变化主要受大尺度气象条件的制约且反映大尺度空间的环境和气候变化。分析表明，12个站合计的年加权平均δ^18O和合计的年平均温度的逐年变化具有较好的一致性。     

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.     

桂林地区大气降水的D和18Ｏ同位素的研究

研究了桂林地区近16年( 1983- 1998年)大气降水的氢、氧同位素组成,提出了大气降水线方程为δD= 8. 42,δ18O+ 16. 28,并与全国及全球降水线进行比较,揭示了该降水线方程的特征。研究表明,桂林地区全年降水来源较为单一,主要为海洋性气团,夏季大气降水同位素组成主要受夏季风或夏季台风的影响,降水δ值与平均降水、气温均呈负相关关系; 降水中δD与δ18O 的降水量效应明显,且该影响远远掩盖了温度效应。      

重庆市2013年10-12月大气降水中氢氧同位素特征及水汽来源分析

文章对重庆市北碚区西南大学2013年10-12月间降水进行收集并测试样品中δD、δ18O值,得到重庆大气降水线方程δD= 8.19δ18O +17.39,r=0.97（p<0.01）;发现该地区降水中δ18O与气温、降水量之间存在反温度效应、降雨量效应,但两种效应表现较弱。该地区10-12月大气水汽中的同位素组成复杂,场降水中δD、δ18O的变化受天气因素影响大。为了探明水汽输送过程中δD和δ18O变化,采用HYSPLIT模式追踪并验证该地区场降水的水汽输送轨迹,发现该时段西南季风较弱,主要受西风影响,10、11月水汽主要来源于中国横断山区三江流域,测试表明11月存在台风海燕的水汽输送记录,不同水汽来源对δD、δ18O的影响较大、响应值较好,12月主要来自局地的水汽蒸发。      

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.     

乌鲁木齐河源1号冰川夏季积雪中δ18O的时空变化

利用实测资料分析了乌鲁木齐河源1号冰川东支表层和浅层粒雪中δ18O的变化, δ18O与温度的关系以及消融和蒸发对粒雪中δ18O的影响. 分析表明: 乌鲁木齐河源1号冰川无高度效应, 受消融的影响, 且有时出现反高度效应; 消融和蒸发的结果使得来自同一降水的表面粒雪易发生稳定同位素的富集, 下伏层中δ18O的变化受上覆雪层中消融水的影响. 采样期间发现, 不同时段采样系列中的δ18O与降雪初始平均温度存在一定程度的正相关关系. δ18O/温度梯度随采样时间的滞后逐渐变小.     

陆面过程中稳定水同位素逐日变化的数学模拟——引入稳定同位素效应的CLM实例分析

将稳定同位素效应引入CLM(Community Land Model),并对巴西马瑙斯站在平衡年的稳定水同位素的逐日变化进行模拟和分析.结果表明: 降水、水汽和地表径流中δ18O存在明显的季节变化,并与相应的水量存在显著的负相关关系,但凝结物中δ18O与地面凝结量存在显著的正相关关系,蒸发水汽中δ18O与蒸发量之间无显著的相关关系.受土壤贮水削峰功能的影响,表层土壤和根区水中δ18O的季节变化全无.植被层蒸发水汽中稳定同位素的丰度与大气的干湿程度存在密切联系: 当降水量少时,大气干燥,植被层的蒸发较少,植被蒸发中δ18O较高;当降水量较大时,空气湿润,植被层的蒸发量较大,蒸发中δ18O则较低.植被蒸腾中δ18O的变化与源区水体中δ18O的变化保持一致,尤其是与根区水中的δ18O.由于地下径流直接源自根区水的补充,因此,地下径流中δ18O等于根区水中的δ18O.模拟结果还显示,降水MWL (大气水线)的梯度项和常数项均比全球平均MWL略偏小.尽管主要来自降水的贡献,但地表径流和植被层水体的MWLs与降水MWL存在较大的差异,这一方面与两类水体在蒸发过程中的稳定同位素的富集作用有关,另一方面与CLM模拟的水量有关.大气水汽线与降水的MWL的梯度值相近,说明大气水汽与降水近似处于稳定同位素平衡状态.另外,模拟的地面的凝结线与植被层的凝结线均与全球大气水线相近,且具有非常高相关程度,说明CLM的模拟是合理的.     

最短时间尺度环流效应:单场降水δ18O对复合水汽来源的示踪

大气降水δ18O的温度效应和雨量效应是与时间相关的重要环境同位素效应.谭明[1]于2009年提出另一个与时间相关的同位素效应假说——"环流效应",以解释大区域表现一致的中国季风区石笋氧同位素比值10～100年尺度的变化,并推测其记录了印度洋/太平洋海区大气环流彼此消长的过程.其后,在中国季风区降水δ18O年际变化的观测数据中,也发现环流效应的事实[2],即远源印度洋水汽输送较强时(如2005年),中国东部季风区降水δ18O整体较轻,而近源太平洋水汽输送较强时(如2006年),降水δ18O整体较重.     

黑河流域不同水体中δ18O的变化

水资源短缺和合理利用是干旱半干旱区黑河流域面临的一个严峻问题,解决问题的关键是要深入了解水循环机理,而分析不同水体中环境同位素变化特征是应用同位素示踪技术研究水循环机理所必须的前提。根据测得的黑河流域降水、河水和地下水中δ18O,分析了取样期间不同水样δ18O的变化,揭示了降水中δ18O存在显著的温度效应、季节效应、高程效应以及与降水量的正相关关系;河水中δ18O的时空变化特征,即出山口地区河水中δ18O统计值低于山区和盆地,山区河水中δ18O的时间分布与大气降水一致,出山口河水中δ18O时间分布与大气降水相反,河水中δ18O沿黑河流程存在显著递增趋势;地下水中δ18O在张掖变化幅度较大,在临泽较均一且9月份普遍高于6月份,而在高台则分为显著的2组,较高的一组9月份普遍低于6月份。研究了不同因素对水循环过程中δ18O变化的影响及相互作用,为同位素技术在黑河流域水循环研究中的应用提供科学依据。     

古里雅浅孔冰芯所记录的夏季风盛行时δ~(18)O与海温以及与500hPa高度场的关系

青藏高原古里雅冰帽浅孔冰芯中 (δ18O) max代表该区夏季风盛行时的温度状况 ,它与全球海温(SST)、北半球 5 0 0hPa高度之间的相关关系被分析 .对冰芯中 (δ18O) max产生重要影响的海洋相关区均位于海洋的洋流区或洋流汇合区 .它们分别在赤道东太平洋、太平洋西风漂流、东印度洋热池、莫桑比克海流、北大西洋海流、加那利海流和大西洋赤道海流 .其中位于低纬度海洋相关区的SST与冰芯中δ18Omax呈负相关关系 ,即当这些海区的SST升高 (或降低 )时 ,古里雅冰帽浅孔冰芯中 (δ18O) max减小 (或增大 ) .位于中纬度海洋相关区的SST与冰芯中 (δ18O) max呈正相关关系 ,即当这些海区的SST升高 (或降低 )时 ,古里雅冰帽浅孔冰芯中 (δ18O) max增大 (或减小 ) ;对 (δ18O) max产生重要影响的 5 0 0hPa高度上的相关区分别位于中低纬度大洋上的副热带高压区和巴尔喀什湖长波槽区 .这些相关区的高度均与冰芯中 (δ18O) max存在显著的负相关关系 ,即当这些相关区的高度值增加 (或降低 )时 ,冰芯中(δ18O) max减小 (或增大 ) .其影响机制表现为不同水汽来源向古里雅地区输送的差异 .欧洲脊和贝加尔湖脊的强度与 (δ18O) max存在显著的正相关关系 ,即当高压脊加强 (或减弱 )时 ,冰芯中 (δ18O) max增大(或减小 ) .它们对     

古里雅浅孔冰芯所记录的夏季风盛行时δ18O与海温以及与500 hPa高度场的关系

青藏高原古里雅冰帽浅孔冰芯中(δ18O)max代表该区夏季风盛行时的温度状况,它与全球海温(SST)、北半球500 hPa高度之间的相关关系被分析. 对冰芯中(δ18O)max产生重要影响的海洋相关区均位于海洋的洋流区或洋流汇合区. 它们分别在赤道东太平洋、太平洋西风漂流、东印度洋热池、莫桑比克海流、北大西洋海流、加那利海流和大西洋赤道海流. 其中位于低纬度海洋相关区的SST与冰芯中δ18Omax呈负相关关系,即当这些海区的SST升高(或降低)时,古里雅冰帽浅孔冰芯中(δ18O)max减小(或增大). 位于中纬度海洋相关区的SST与冰芯中(δ18O)max呈正相关关系,即当这些海区的SST升高(或降低)时,古里雅冰帽浅孔冰芯中(δ18O)max增大(或减小);对(δ18O)max产生重要影响的500 hPa高度上的相关区分别位于中低纬度大洋上的副热带高压区和巴尔喀什湖长波槽区. 这些相关区的高度均与冰芯中(δ18O)max存在显著的负相关关系,即当这些相关区的高度值增加(或降低)时,冰芯中(δ18O)max减小(或增大). 其影响机制表现为不同水汽来源向古里雅地区输送的差异. 欧洲脊和贝加尔湖脊的强度与(δ18O)max存在显著的正相关关系,即当高压脊加强(或减弱)时,冰芯中(δ18O)max增大(或减小).它们对(δ18O)max的影响表现为长波槽脊的调整,从而间接地影响水汽向古里雅地区的输送.     

黑河上游河水中δ18O季节变化特征及其影响因素研究

根据2006年5月至2007年5月间在黑河上游莺落峡、祁连和扎麻什3个水文站等地点所采集的河水与降水样品,重点分析了其中的δ18O变化,揭示出黑河干流上游山区河水中δ18O具有夏季高冬季低的季节变化特征,这种变化特征主要受控于降水中δ18O的变化.祁连水文站河水中δ18O月平均值与月平均流量乘积和该站降水中δ18O加权月平均值与月降水量乘积之间存在着高度相关性,从同位素示踪的角度说明降水是黑河干流上游山区径流的主要补给来源.进一步的研究表明,黑河上游祁连山区降水中δ18O变化存在明显的"海拔效应",并且3个水文站点河水中δ18O值均低于其降水中δ18O值,这表明上游径流主要形成于高海拔山区.根据黑河出山口莺落峡水文站河水中δ18O值以及上游山区降水中δ18O的"海拔效应",估计黑河干流出山径流主要形成于海拔3 350～4 600 m之间的高山地区,该高度区域对应的植被带主要为亚高山灌丛草甸和高山寒漠草甸.     

内陆河流域系统降水中的稳定同位素——乌鲁木齐河流域降水中δ18O与温度关系研究

研究了乌鲁木齐河流域从下游乌鲁木齐站、中游跃进桥站和源头大西沟站降水中稳定同位素 与温度的关系,揭示了内陆河流域系统降水中稳定同位素的变化规律．在乌鲁木齐河流域,降水中 的δ18O随海拔增高而减小,δ18O与温度有密切的正相关关系,说明δ18O是温度的可靠指标．在乌鲁 木齐河流域,局地性降水的增加影响单个降水事件中δ18O与温度的关系．在跃进桥站和大西沟站, 因局地性降水增加,所以单个降水事件中δ18O与温度的关系较乌鲁木齐站差．但在月平均以上时间 尺度上．跃进桥站和大西沟站δ18O与温度的关系反比乌鲁木齐站好．说明越往冰川区．δ18O对温度 反映越敏感．