玉龙山白水1号冰川区大气降水—冰雪—水文系统内δ^18O研究的新结果

应用稳定同位素指示方法研究大气降水、冰雪和地表径流变化过程,是冰川学家、气候学家和水文学家共同感兴趣的课题之一［1～6］. 90年代开始,我国学者较详细地研究了青藏高原内陆大气降水中稳定同位素的分布和水文循环特征［7, 8］,认为水汽来源是影响青藏高原降水中δ18O值的重要因素. 在大陆气团的影响下,青藏高原降水中δ18O与温度变化同步,即所谓“温度效应”. 但在源于海洋的暖湿气流影响下,特别在季风气候区,降水中δ18O与降水量和温度存在着负相关关系,即所谓“降水量效应”. 在我国西部的广大冰川分布区,占总面积的22%为南亚季风控制的温冰川(即海洋型冰川),过去由于种种原因对季风温冰川区稳定同位素的研究报道较少. 为填补这方面的科学研究空白,我们曾于1999年6月赴欧亚大陆最南的温冰川分布区玉龙山,首次开展了本区的冰芯研究［9］. 在钻取冰芯的同时,还全面采集了冰川区不同水体, 即表面积雪、夏季降水、冰川融水和冰川补给径流的样品,进行了δ18O的测定［10］. 结果表明,雪线以上积雪中的δ18O值比雪线以下积雪内的δ18O值为高,低海拔冰川补给径流比高海拔冰川融水的δ18O浓度为低,夏季降雨中δ18O值最低. 这种分布特征说明本区局部大气环流状况随时间和高度而变化,存在着季风气候区所特有的“降水量效应”. 为进一步证实该结果,我们于2000年7月又在玉龙山进行了更为详细的工作：在白水1号冰川积累区海拔5 000 m, 4 900 m和4 700 m处开挖了3个深度分别为3.1 m, 2.6 m和2.0 m的雪坑,采样77个; 沿海拔5 000～4 500 m采集了18个表面积雪样品; 雪线以下采集了数十个冰川融水样品; 分不同高度和日期采集了数十个夏季雨水样品; 此外,还沿冰川融水补给为主的白水河分段采集了水样数十个. 所采样品在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰芯与寒区环境开放研究实验室用Delta Plus气体稳定同位素比质谱仪进行了δ18O的测定(表1),现将初步成果进行报道.     

中国西部不同类型冰川区积雪及其融水径流中稳定同位素比率的时空变化及其气候效应

为了调查和比较我国海洋型、大陆型和极大陆型冰川覆盖区大气降水、冰川、积雪和融水径流系统内稳定同位素比率的时空分布特征和冰雪相变时的现代同位素分馏过程,在2000—2003年间,按照季节和海拔高度分别对玉龙雪山、慕士塔格峰,念青唐古拉山的桑丹康桑峰以及天山乌鲁木齐河源的1号冰川积雪和冰雪融水径流进行了系统的采样研究.结果表明:在以玉龙雪山为代表的海洋型冰川区,新雪内的1δ8O呈现出显著的时间与空间变化,在冬季表现为“高度效应”,即δ18O值随海拔高度升高和气温降低而降低,反映出冬季风降水的特征;而经过融化的夏季积雪受到“降水量效应”、雪中含水量、蒸发等因素的影响,稳定同位素产生分馏变化“高度效应”空间变化比较复杂,反映出夏季风降水的特征,念青唐古拉山夏季积雪也有相似的特征.在极大陆型冰川分布的慕士塔格山地区和亚大陆型冰川分布的天山乌鲁木齐河源地区,夏季新雪中1δ8O则表现为“高度效应”或者“温度效应”.无论在海洋型冰川或者大陆型冰川分布区,经过融化或正在消融的残余积雪内都有明显的同位素分馏变化,1δ8O值比新雪高.受蒸发作用的影响,冰雪融水在流动过程中,1δ8O随海拔高度的降低、流程和流动时间的增加而增加.由于气候条件的差异,海洋型冰川区冰雪融水相变过程中的同位素分馏和化学作用都比大陆型冰川区强.     

气候变化对乌鲁木齐河流域水资源的影响

分析了乌鲁木齐河流域近40 a来的气候变化及其气候要素与冰川融水、降水径流的关系.结果表明:高山冰川区融水径流的变化主要受气温变化影响,冰川区夏季6~8月累积气温每增加0.5℃,流域37.95 km2冰川产生的融水量将增加3.3514×106m3;近期气温再升高0.5℃,冰川融水年平均径流量将达到35×106m3.降水对中高山径流的影响较大,每增加20 mm降水量,降雨径流量增加8.9×106m3,40 a来其变化呈略增加趋势,年平均增加量为0.4095×106m3,与冰川融水增加量相当;降水与冰川融水径流量增加百分率相比,增加幅度较小.最后提出了减少污染,增加植被覆盖面积等应对气候变化对水资源影响的措施.     

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.     

慕士塔格冰芯降水记录及其对冰川水资源的气候意义

2003年在东帕米尔慕士塔格冰川海拔7010 m处钻取了的一支长41.6 m的冰芯,从中恢复了1955年以来的积累量.结果表明:自20世纪70年代以来,冰川积累量持续减少,特别近年来积累量呈加速减小趋势;平均而言,20世纪90年代后期至2003年平均积累量只有20世纪60年代冰川积累量的一半.重建的慕士塔格地区冰川物质平衡近20 a来亏损严重,主要是由近年来慕士塔格高山区降水的减小和温度的升高共同作用引起的.对主要以冰川融水为补给的塔里木河流域上游山区而言,短期冰川融水的增加会调节河流径流,而当冰川得不到足够的降水补充时,冰川的退化必然影响到下游的河流径流.     

青藏高原水汽输送与冰芯中稳定同位素记录*

降水中稳定同位素作为水中的组成成分,与水汽来源的变化存在直接的关系。根据在青藏高原降水中稳定同位素的研究,青藏高原南北降水中δ¹⁸ O和过量氘(d)都存在着显著的空间变化,这种空间变化与西南季风夏季向北推进的位置有关。在时间变化上,青藏高原不同地区降水中δ¹⁸ O和d的季节变化特征也与水汽来源的季节变化有关,而且这种季节变化主要受控于西南季风水汽与西风带输送水汽之间的相互作用,在中国最北端的阿尔泰山区还受到极地气团的影响。由于不同的大气环流造成的水汽来源的差异,青藏高原冰芯中稳定同位素变化也存在空间差异。北部地区冰芯中稳定同位素的年际变化与当地气象站记录显示良好的对应关系,而南部冰芯中稳定同位素的变化与当地气象站降水量在年际变化上显示反相关关系。     

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.     

天山东部冰川的氧同位素特征(英文)

为研究冰川的补给及亚洲大陆腹部的水文特点,进行了在1981年7月中旬到8月中旬采集的降雨及冰川水样品的氧同位素成分测定。在考察期间,天山气象站(北纬43°06′,东经86°50′.海拔3539米)及博格达峰地区大本营(3640米)每半日降雨同位素(δ~(18)O)的平均值为-10‰～-11‰,变化幅度-1‰到-16‰。日降雨的δ~(18)O平均值随日平均气温的降低而减小。冰川水与雪的δ~(18)O值低于夏季降水的δ~(18)O值。降水与冰川水δ~(18)O值的差异是由于氧同位素的成分与气温有关。     

乌鲁木齐河流域不同水体中的氧稳定同位素

采用乌鲁木齐河流域历年采集的降水、表层粒雪、冰川融水和河川径流等水样资料,分析了取样期间不同水样中氧稳定同位素的变化,揭示了降水中氧稳定同位素变化存在着明显的温度效应,而温度效应又与海拔高度有关;表层粒雪和冰川融水中氧稳定同位素则无明显的高度效应;冰川融水中的氧稳定同位素比率小于河川径流中的氧稳定同位素比率。评估了不同影响因子对水循环过程中稳定同位素变化的影响及相互作用,为稳定同位素技术在水循环研究中的应用提供了实例。     

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.     

青藏高原中部降水稳定同位素变化与季风活动

根据1998年夏季中日GAME／Tibet项目在青藏高原中部进行的降水中稳定同位素研究结果以及相关的气象观测资料，分析了青藏高原中部夏季降水中δ^18O的变化规律。研究结果发现，青藏高原中部夏季降水中δ^18O的波动与大规模天气活动有关，而不是地方性的气象条件。该地区降水中δ^18O对水汽来源的变化以及水汽的输送过程十分敏感。夏季伴随西南季风进入高原南部的水汽形成的降水中δ^18O较低，而且季风活动越强，降水中δ^18O也越来低。从青藏高原北部而来的水汽或地方蒸发水汽形成的降水，其δ^18O值较高。     

新疆塔什库尔干河冰雪水文特征与水能开发潜力

塔什库尔干河流域是叶尔羌河中上游的主要支流之一,流域主要为高中山区,平均海拔4 630 m,高山区终年积雪,冰川发育.降水量的年内分配不均匀,暖季汛期降水量大而集中.塔什库尔干河流域发育有现代冰川862.45 km2,流域冰川覆盖率为8.64%.河流径流过程一般为双峰型,由春季的融雪径流和夏季的冰川融水径流形成,冰川融水占年径流的45%～55%,为典型的冰雪融水河流.塔什库尔干河的水能资源非常丰富,河道末段81 km的河道干流上有天然落差达1 020 m,在此河段上共规划了7个梯级水电站,总装机55.8×104 kW,目前尚有40.8×104 kW水电装机待开发.开展塔什库尔干河水能资源的开发利用,对增加能源供应安全、改善能源结构、保障能源安全具有非常重要的意义.     

慕士塔格卡尔塔马克冰川水文观测与特征分析

基于2003年卡尔塔马克冰川强烈消融期连续的气象与水文观测, 对卡尔塔马克冰川消融的影响因素和融水径流特征进行了分析. 结果表明: 消融期的冰川融水流量与气温之间存在着良好的相关关系, 降水过程会导致气温降低抑制冰川消融. 卡尔塔马克冰川纯冰川融水径流模数为62.4 L·s^-1·km^-2, 冰川区融水径流深为 463.5 mm. 根据现场降水损失试验, 总损失达 26%, 校正后大本营处2003年降水量为134 mm.     

青藏高原南部冰芯记录与大气环流的关系*

通过念青唐古拉峰拉弄冰川垭口处(30°24'30″N, 90°34'12″E;海拔5850m)长度为29.5m的冰芯记录,恢复了1952~1998年间大气降水δD和净积累量的时间变化序列。上述两组序列与NCEP/NCAR气候资料的相关分析表明:δD和净积累量与中亚冬季的气压、南亚和青藏高原冬季、夏季的位势高度关系密切。中亚地区冬季气压的升高以及冬、夏季南亚和青藏高原位势高度的异常增强了印度夏季风,导致了念青唐古拉峰地区20世纪80年代以来降水量的增多和降水中δD值的降低。根据念青唐古拉冰芯δD和净积累量记录及其与亚洲地区大气环流的关系,可以通过青藏高原南部较长的冰芯记录来恢复过去该地区大气环流变化的历史。     

四川鲜水河-安宁河断裂带温泉氢氧稳定同位素特征

温泉地下水同位素特征对确定断裂带地下水来源、循环过程和断裂带活动性至关重要。为了确定青藏高原东缘温泉的地下水同位素特征和流体来源本研究采集了鲜水河-安宁河断裂带上温泉水、冷泉水、河流和积雪融水等样品,进行了氢氧稳定同位素和水化学组分测定,并进行了同位素特征的对比研究。分析结果表明,温泉水体δ¹⁸O变化范围为-19.04%~-12.71‰,平均值为-16.42‰;δ²H变化范围为-144.07‰~-88.63‰,平均值为-122.37‰。河水的δ¹⁸O变化范围为-15.90‰~-10.85‰,平均值为-13.86‰;δ²H变化范围为-118.21‰~-71.12‰,平均值为-98.99‰。康定冷泉δ¹⁸O和δ²H分别为-13.66‰和-106.74‰。道孚积雪融水的δ¹⁸O和δ²H分别为-10.27‰和-65.41‰。不同类型水体样品氢氧稳定同位素组成主要分布在全球和区域大气降水线上表明了大气降水成因,缺少明显的氧同位素漂移特征。不同类型水体同位素值差异较大显示出温泉与河水、积雪融水之间补给来源的不一致性。温泉同位素值具有明显的同位素高程效应,鲜水河-安宁河断裂带上氧同位素高程效应为-0.23‰/100m,氢同位素高程效应为-1.95‰/100m。温泉氧同位素漂移与相关离子比值、Na-K-Mg三角图、Li和Sr元素等指标表明研究区域大部分温泉的水岩作用强度弱。氢氧稳定同位素特征、水岩作用特征和循环深度揭示出温泉的成因为远距离大气降水运移补给地下水,地下水在地下热储层加热后通过断裂上升到地表形成温泉,这为认识青藏高原东缘地热水循环、断裂带活动性与演化特征提供了依据。     

乌鲁木齐河源气温和降水的变化趋势及其对冰川影响

乌鲁木齐河径流主要来源于降水和冰雪融水，近３０年来由于夏季气温的回升及降水量减少，导致了冰川减薄。采用相关法对上游大西沟气温、降水及１号冰川物质平衡值进行趋势计算得出，乌鲁木齐河上游冰川区域夏季平均气温回升了０．１４℃；而６－８月降水总量减少２４ｍｍ，７－８月降水总量减少１９ｍｍ，年降水量减少１７ｍｍ；近３０年来１号冰川平均每减薄１４０ｍｍ水层，９０年代初冰川减薄厚度平均每年达１８１ｍｍ水层。根据     

2000-2013年木孜塔格冰鳞川冰川粒雪线高度变化研究

以祁连山七一冰川为例, 基于Landsat TM/ETM+数据建立了通过单波段(近红外波段)阈值法提取雪线的方法, 并结合观测数据进行了验证. 将此方法应用到2000-2013年木孜塔格冰鳞川冰川粒雪线高度变化的估算中, 结合茫崖气象站暖季气温(9、7、8月份的平均气温)和6-8月降水量数据, 探索粒雪线高度与气温、降水量之间的关系. 结果表明: 单波段阈值法可较为准确地估计冰川的雪线位置, 2000-2013年冰鳞川冰川粒雪线高度呈波动变化, 在2006年达到最大值(海拔5 678 m). 气温升高是冰鳞川冰川粒雪线高度变化的主导因素, 气温上升1 ℃可导致粒雪线高度升高约83 m.     

基于水化学特征的长江源区生态水文学研究进展

气候变暖背景下,冰雪、冻土剧烈消融引起的寒区径流成分改变对流域径流演变规律及水循环机制产生了深刻影响。对长江源区各水体水化学特征及其生态水文学研究进行归纳总结,主要进展包括：长江源区的大气降水的水汽来源主要受西风环流和季风环流的控制。冰雪融水的水化学特征受到消融强度、消融持续时间和新雪融水的影响,同时在冰雪融水、积雪以及冰川融水之间可能存在化学离子的交换。冻土层上水受到降水、冰雪融水、地下冰融水等的混合补给,造成水化学特征变化的随机波动。海拔在4 500 m的地区是冻土层上水水化学特征对研究区离子控制源较为敏感的区域。随着海拔高度的增加,降雨直接补给对河水中化学离子的稀释作用逐渐减弱,同时,海拔从4 500 m到5 000 m的降水对河水中离子浓度的稀释效果最大,而在海拔5 000 m以上河水主要受冰雪融水的补给,降水和消融期的变化对河水水化学的影响很小。研究结果为更系统地认知寒区下垫面变化所引起的水文效应提供科学依据,为流域水资源的合理开发利用提供决策依据。     

慕士塔格卡尔塔马克冰川作用区的水文与水化学特征

利用2003年6月1日~8月25日实测的水文数据,分析了慕士塔格峰卡尔塔马克冰川融水径流的变化特征.卡尔塔马克冰川融水径流主要集中在6~8月,其存在着明显的日变化过程,融水径流受控于温度及降水要素.同时,对8月10~23日采集的冰川径流样品及部分降水样品的pH、EC(电导率)和主要离子(Na⁺,K⁺,Ca²⁺,Mg²⁺,Cl^-,NO₃^-,SO₄^2-,未检测降水样品的离子含量)的测定结果进行了分析讨论.径流样品略偏碱性,pH和EC呈正相关关系.SO₄^2-和Ca²⁺是所测离子中主导的阴阳离子.除NO₃^-外,样品中各离子含量具有一致的变化特征;各离子浓度与流量或水位具有相反的变化趋势.初步讨论了离子的来源,结果表明冰川融水中化学物质组分主要来源于地表.     

青藏高原降水中稳定氧同位素研究进展

稳定氧同位素（δ18O）在冰芯研究中能够很好地反映气候变化,尤其是气温变化的一项重要指标。研究青藏高原降水中δ18O为科学的解释冰芯中δ18O记录具有重要的指示意义。分别介绍了青藏高原季风区、非季风区以及季风区和非季风区的过渡区降水中δ18O研究历史和现状,并对该领域未来的研究趋势进行了展望。