巴丹吉林沙漠降水稳定同位素特征与水汽再循环

了解沙漠降水稳定同位素特征,有助于研究干旱区水循环过程.根据2015-2016年取自巴丹吉林沙漠4个站点的降水样品,分析了δ2H、δ18O的时空分布特征及影响因素;借助后向气团轨迹模型分析了降水水汽来源;采用氘盈余模型计算了水汽再循环比.结果显示,降水δ2H、δ18O均表现出季节效应,夏高冬低;沙漠腹地较外围山区δ2H、δ18O偏正,d-excess偏负,反映出腹地降水的蒸发程度更高.年内降水主要来自西风水汽,夏季部分受东南季风影响.沙漠湖泊区再循环比为10.3%~10.9%,略大于山区的8.5%;再循环水汽在总蒸发量中占比11.1%,反映出沙漠强烈的蒸发对本地降水的贡献较为有限.      

黑河上游降水同位素特征及其水汽来源分析

为了加深对黑河上游水循环过程的理解, 以研究区5个站点2015年8月至2016年8月的降水同位素实测数据和气象数据为基础, 除对降水同位素特征进行分析外, 主要利用TrajStat软件中的后向轨迹计算模块与潜在源贡献因子分析（PSCF）方法, 对研究区降水的水汽来源进行了分析, 并结合水汽通量等方法进行了补充分析。结果表明： 降水同位素呈夏高冬低趋势, 大气水线斜率（8.02）和截距（11.02）均高于全球大气水线的斜率（8.00）和截距（10.00）, 存在温度效应（δ¹⁸O=0.43x-10.82, r=0.54, P<0.0001）, 不存在降水量效应（δ¹⁸O=-0.05x-7.81, r=0.03, P<0.0001）; 研究区降水受多种水汽影响, 西风水汽影响最大。夏季除受西风水汽影响外, 还受东南季风水汽影响显著且水汽来源复杂; 研究区夏季的潜在蒸发源地集中在一些相对湿度和蒸发量较大的地区, 如祁连山区、 河西地区、 柴达木盆地北部、 青藏高原东南部及酒泉地区西南部等; 当降水量小、 温度高时, 持续性降水的大气水线方程的斜率和截距较小, 暴雨稳定同位素值较贫化, 受东南季风水汽影响最大, 其次是北方和西风水汽, 多种水汽辐合是暴雨事件发生的必要条件。     

季风区长沙站大气水汽和降水中δ18O的模拟

利用稳定同位素大气水平衡模式(i AWBM)模拟了季风区长沙站大气水汽和降水中δ18O的时间变化,并与实际监测结果进行比较,其目的在于检验i AWBM在模拟季风区大气中水稳定同位素循环方面的能力,揭示影响水稳定同位素变化的主要原因,改善对季风区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长沙降水中δ18O的季节变化,季风区降水中稳定同位素雨季被贫化旱季被富集的基本特点以及存在的显著降水量效应均被模拟出.在2010年1月-2012年12月,模拟的冬季风盛行期间的加权平均δ18O为-6.58‰,与该时段的实际监测值相当;模拟的夏季风盛行期间的加权平均δ18O为-9.58‰,低于该时段的实际监测值.i AWBM主要利用大气的可降水量、水汽通量、蒸发量和降水量4个驱动变量来模拟水稳定同位素的循环.其中,可降水量对水稳定同位素变化的贡献被包含在其他3个驱动变量中.水汽通量对水汽同位素变化的贡献具有富集和贫化的双重作用,蒸发量和降水量对水汽同位素变化的贡献分别具有富集和贫化的作用.在对水汽同位素起富集作用的两个因子中,水汽通量的平均同位素贡献为1.66‰,贡献率为63.97%;蒸发量的平均同位素贡献为0.91‰,贡献率为36.03%,水汽通量的同位素贡献起主要作用.在对水汽同位素起贫化作用的两个因子中,水汽通量的平均同位素贡献为-1.40‰,贡献率为53.47%;降水量的平均同位素贡献为-1.09‰,贡献率为46.53%,水汽通量和降水量的同位素贡献大致相当.     

我国西部高寒山区同位素生态水文研究进展

我国西部高寒山区是亚洲水塔,是重要的生态屏障区.随着环境同位素测试技术的发展和相关理论的成熟,稳定同位素技术已成为集示踪、整合和指示等多项功能于一体的技术.本文基于前人的研究结果,对我国西部高寒山区同位素生态水文研究进行了梳理和总结,表明西部高寒山区大气降水线为δD=7.44δ¹⁸O+5.23(R²=0.86).降水稳定同位素的温度效应从南向北呈现增加趋势,而降水量效应呈现相反的变化趋势.研究区水汽来源复杂,当温度效应小于0时,水汽来源由西南季风主导;温度效应为0～0.3时,水汽来源由西南季风和西风共同主导;温度效应大于0.3时,水汽来源由西风主导.不同水体受水源补给、环境作用等的影响存在差异性,使得各水体稳定同位素局地蒸发线的斜率大小依次为：河水>冰雪融水>地下水.西部高寒山区降水中δ¹⁸O海拔效应为-1.3‰/100m,河水δ¹⁸O海拔效应为-0.17‰/100m.研究区植被水分来源主要是土壤水,对水分的利用率与植被类型及区域环境密切相关.水汽再循环已成为区域降水水汽来源的重要组成部...     

北京连续降水水汽输送差异的同位素示踪

为了探讨连续降水过程中水汽输送的变化,应用NCEP/NCAR资料、HYSPLIT后向轨迹模拟及降水稳定同位素资料对北京22场连续降水的水汽输送差异进行了研究。结果表明:连续降水的水汽输送可分为西向水汽输送、远洋水汽输送、近海水汽输送、远源大陆水汽输送和局地大陆水汽输送5种类型,并以近海水汽输送和西向水汽输送为主（降水量占比60.8%）。不同水汽输送类型下降水δ18O的差异主要受水汽源区同位素富集程度及水汽输送途中降水过程的影响,降水氘盈余的变化反映出二次蒸发的影响及水汽源区大气相对湿度的差异。14场连续降水的水汽输送类型发生了变化,且降水δ18O值的变化能够较好地指示水汽输送类型的变化。该结果说明降水同位素特征能够为识别水汽输送类型提供有效信息。     

祁连山云和空中水汽资源的季节分布与演变

祁连山云和空中水汽资源具有明显的季节变化特征：总云量春季最多，夏季次之，低云量夏季最多，春季次之。近45年中的春季和夏季，总云量在减少，低云量在增加，对应降水也在增加；秋季三者都为减少趋势；冬季总云量和降水在增加，但低云却呈减少趋势。相关分析表明，总云和降水在夏季、秋季呈显著正相关，低云和降水在春季、夏季及秋季呈正相关；值得注意的是冬季低云和降水在祁连山的中东段呈负相关，但通不过信度检验。空中水汽主要沿两条路径输送到祁连山，平均状况下祁连山存在较强的水汽辐合，且东段辐合（-0.1～-0.05 kg/(m2·s）)强于中西段（-0.05～0 kg/(m2·s））。地中海、黑海、里海、咸海、阿拉伯海和孟加拉湾是祁连山的水汽输送源地，但各个季节又有所不同。祁连山区域的水汽收支表明，春季净水汽通量在1979年以后一直为正且呈增加趋势，夏季整个区域基本上是个“水汽汇”，秋季和冬季则一直为负。分析认为祁连山春、夏两季空中云水资源具有较好的开发潜力。     

伊犁河谷大气降水同位素特征及环境意义

为研究伊犁谷地降水同位素特征及陆地内循环对其的影响,为流域水循环研究提供科学依据,于2016年在伊宁、尼勒克和新源气象站采集降水同位素样品。采用回归对照法,讨论降水氘氧稳定同位素的影响因素。研究表明,研究区大气降水线方程为δD=7.96δ^18O+10.37,与全球大气降水线较接近,水汽主要由西风带输送;氘氧同位素夏季富集冬季贫化而氘盈余无规律变化,由于降水过程不仅受温度效应,还受到水汽陆地再循环影响。冬夏季样品在D-^18O关系图中分布特征,证明冬夏影响降水同位素本地水循环因素不同,夏季以云下蒸发为主。根据对氘过量计算的夏季降水雨滴蒸发分数为4.1%~16.2%,再次证明夏季云下蒸发效应明显,而在冬季云下蒸发效应几乎不会发生。     

兰州市降水同位素变化特征及影响因素

利用2018年4月至2021年4月在兰州市4个站点收集到的349个降水事件样品,对兰州市降水同位素的变化特征和影响因素进行了研究。结果表明：兰州市降水同位素表现出夏季高冬季低的季节变化特征,并且夏半年降水同位素的空间变异性比冬半年显著。兰州市的大气降水线为δ²H=7.34δ¹⁸O+7.28（R²=0.96,P<0.01）,反映了兰州较为干旱的气候特点。在影响因素方面,兰州市降水同位素表现出温度效应。后向轨迹表明,兰州市夏半年降水受到季风水汽和西风带水汽的影响,冬半年降水主要来自于西风带水汽的输送;利用潜在源贡献因子（PSCF）分析法和浓度权重轨迹（CWT）分析法发现,潜在蒸发源区在夏半年主要分布在兰州东部区域,而冬半年几乎不存在潜在蒸发源区。此外,在夏半年,降水事件前几天的对流活动会对降水同位素产生综合影响,累积时间与对流活动的强度及频率有关,在季风初期和末期累积时间较长,季风强盛期较短;在冬半年,降水事件前几天的温度会对降水同位素产生综合影响,累积时间受到冷空气南下频率的影响。以上认识将为季风边缘区水循环过程的研究提供新的视角。     

桂林地区大气降水（大雨、暴雨）的δ18O特征与水汽来源的关系

现代大气降水中的稳定同位素组成是全球或地区性水循环研究的重要载体,同时也是冰芯、湖泊沉积物、石笋等研究领域中,运用稳定同位素来重建古气候的重要依据。本文研究了桂林地区2012年大气降水氢氧同位素组成的逐日变化,根据得到的132组氢氧稳定同位素组成建立了桂林局地大气降水线方程为δD = 8.8δ18O +17.96,大气降水的δ18O波动范围在-13.56‰～+1.07‰,平均为-5.78‰;δD在-101.52‰～+16.02‰,δD平均为-41.03‰。利用降水稳定同位素资料,结合后向轨迹法( Backwards Trajectory) 对桂林水汽来源进行追踪,发现夏季(5-10月)大气降水的水汽来源主要受来自孟加拉湾、南海海洋气团的水汽源的控制,降水的δ18O值偏负,平均为-8.02‰(共64组);冬季(11月至次年4月)大气降水的水汽来源主要受来自西太平洋暖湿气团、冬季风冷气团或西风环流所携带的大陆性气团的影响,不同程度地叠加了局地环流气团、蒸发水汽的补给的影响,降水的δ18O值偏正,平均为-2.86‰(共68组)。研究结果表明,桂林大气降水的稳定同位素组成与降水的水汽来源、季风类型、降水云团来源和性质有关,来自远距离输送夏季风海洋性水汽团形成的降水δ18O值较低(或偏负), 而大陆性气团或局地蒸发水汽循环形成的降水δ18O值较高（或偏正）。不同的水汽来源是决定降水中δ18O值变化的主要因素,因此,通过降水中的δ18O值,特别是其季节变化的特征分析,可以反过来揭示当地降水的水汽来源。      

阿尔泰山蒙赫海尔汗冰川不同水体稳定同位素空间分布特征及水汽来源

通过对2010年6月下旬于阿尔泰山蒙赫海尔汗冰川北支采集的新降雪、再冻结冰、冰雪融水、河水及雪坑样品中δ¹⁸O和δD的测定以及过量氘的计算, 利用HYSPLIT气团轨迹模型, 对研究区降水中稳定同位素的空间分布特征及水汽来源进行了初步研究. 结果表明: 新雪、再冻结冰以及河水样品中δ¹⁸O的空间分布均呈现出显著的“反高度效应”特征, 这是降雪过程中不同海拔高度水汽来源的差异造成的; 不同水体样品中均有较高的过量氘, 说明内陆再循环水汽长期对研究区的降水产生显著影响. 进一步分析表明, 影响研究区降水的内陆再循环水汽主要来自于西西伯利亚平原湿地和沼泽的蒸散发.     

祁连山古浪河流域径流组分特征

为了探究气候变暖、冰冻圈急剧萎缩背景下祁连山内陆河的水文状况,依据古浪河流域所采集的各类水体样品和相关观测数据,分析了各水体稳定同位素特征及其所指示的环境意义,并进行了径流分割。结果表明：（1）与降水相比,河水稳定同位素年际变化较小,从季节变化角度来看,河水δ¹⁸O值夏季 > 秋季 > 春季 > 冬季,反映了不同季节蒸发强度的差异。（2）泉水稳定同位素特征与河水相似,年际变化较为稳定,表明山区河水与泉水之间可能存在转换过程。（3）由于土壤水分交换、地表土壤蒸发、植被蒸腾以及土壤水和地下水之间的同位素差异,引起土壤水同位素组成的梯度差异比较明显,土壤水δ¹⁸O由地表向下经历了富集―贫化―富集的过程,d-excess变化则与之相反。（4）径流分割结果显示大气降水对古浪河流域出山径流的补给率高达76%±2.4%,冻土层上水补给为24%±2.4%。     

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.     

青藏高原那曲河流域降水及河流水体中氧稳定同位素研究

根据青藏高原中部那曲河流域1998年夏季测得的上下游中稳定同位素的日变化,并与同期观测的流域降水中稳定同位素比较,分析了河水中δ18O的变化特征,初步研究了该流域的稳定同位素水文循环过程.河水中δ18O的变化幅度远小于降水,它是降水中δ18O、降水量以及地表蒸发过程共同作用的结果.研究发现湖水对于稳定同位素变化起着显著的调节作用.河水中δ18O与流域降水中δ18O的差异可能反映了该流域强烈的地表和湖面蒸发作用.     

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。     

南极科考断面水汽同位素观测与模拟及其反映的水循环信息

大气水汽同位素实时监测为水循环和区域大气环流分析提供了新的定量化方法. 依托雪龙号考察船, 利用水同位素激光光谱仪(PICARRO L1102-i)完成了38° N~69° S海表大气水汽氢氧稳定同位素的观测, 结合表层海水和GNIP降水同位素分析了多相水同位素纬向特征. 结果表明: 水汽、降水和表层海水同位素比率(δ¹⁸O, δD)随纬度呈明显的递变性规律, 赤道最低, 副热带升高, 而在南极大陆外围高纬区域则急剧降低;过量氘(d-excess)变化与此相反, 反映出副热带下沉气流对同位素富集影响以及高纬度极地气团经过洋面时过饱和分馏的剧烈变化. 实测水汽同位素与LMDZ4-iso和ECHAM5-wiso模型对比表明了模拟结果较好, 根据模拟进一步分析了南极内陆Dome A水汽同位素反映的水汽源区. 结果显示, 除了中纬度印度洋海区之外, 中低纬东太平洋海域也是冰盖内陆的重要水汽源区.     

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.     

淮河下游地区地表水与地下水同位素特征分析

为探明淮河下游地区地表水与地下水稳定同位素的组成特征,于2020年11月对该区域进行代表性采样,共采集地表水样13个,地下水样82个.结合全球大气降水同位素监测网(GNIP)公布的南京降水同位素数据,根据最小二乘法得出当地大气降水线(LMWL)方程为:δD=8.49δ18O+17.71,其斜率和截距高于全球大气降水线(...     

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。