中国东部地区大气水汽稳定同位素的影响因子追踪研究

大气水汽稳定同位素是现代水循环的重要示踪剂,可以有效地追踪水汽来源及其输送过程。在中低纬度季风区,局地“降水量效应”是大气水汽稳定同位素的主要特征,但是近期研究表明,水汽来源及其输送过程等非局地因素也有重要影响。因此,本文基于拉格朗日粒子扩散模式和卫星遥感观测的大气水汽稳定氘同位素数据（数值表示为千分差,δD）,针对前人研究较少的中国东部石笋氧同位素区域,进行水汽源地追踪,并在季节和年际尺度上分析水汽δD的主要影响因素。结果表明,在季节尺度上,水汽δD在夏末秋初较低,冬春季较高,这种特征与局地气象因子、水汽源地贡献的关系较弱,水汽输送路径上的累积降水是影响水汽δD季节变化的主要因素,两者为显著的负相关关系。在年际尺度上,厄尔尼诺（El Ni?o）年夏季中国东部水汽δD较高,拉尼娜（La Ni?a）年夏季水汽δD较低。水汽源地贡献在ENSO（厄尔尼诺—南方涛动）不同位相的变化较小,而水汽输送路径上的累积降水在La Ni?a年较之El Ni?o年偏多,表明La Ni?a年热带对流活动和水汽输送过程的贫化作用更强,导致目标区域的水汽δD更低。因此,代表热带对流活动的累积降水是水汽δD季节和年...     

长江流域大气降水中δ^18O变化与水汽来源

根据GNIP所提供的长江流域多年月平均降水中δD、δ^18O料以及NOAA-CIRES提供的NCEP/NCAR再分析资料,研究了长江流域降水稳定同位素与降水量、水汽压、温度和水汽来源之间的关系。结果表明：在平均季节尺度下,长江流域大气降水中δ^18O降水量、水汽压和温度均存在显著的负相关关系,说明该流域降水中δ^18O化存在显著的降水量效应、湿度效应和反温度效应。基于降水中过量氘示踪水汽来源原理,分析了中国长江流域季风区降水中过量氘与阿拉伯海、孟加拉湾和南印度洋3个海区相对湿度的关系,表明中国长江流域的水汽主要来源于上述3个海区,而昆明和成都可能受到其他水汽作用,使其与水汽源区的相对湿度呈正相变化。     

四川盆地与关中盆地春夏季大气降水氧同位素特征及意义

利用四川、关中盆地大气降水稳定同位素观测资料,通过计算、对比分析了两盆地内部降水稳定同位素春夏季节的变化特征.结果表明:两地降水稳定同位素在季节尺度上都具有显著的季节性变化;大气降水δ¹⁸O值与温度、降水量的相关性及变化趋势表明温度及降水量都不是两盆地内春、夏季上控制降水中稳定同位素变化的主要因素;两地春夏季大气降水线及其斜率、截距的异同,可以反映出两地局地气候特点及降水水汽来源的不同.降水水汽的来源是影响两盆地大气降水稳定同位素变化的主要因素,同时地理因素在季节上对地区降水水汽输送路径的影响改变了局地降水稳定同位素的组成.     

青海湖高寒湿地生态系统生长季大气水汽氢氧稳定同位素特征

基于对植物生长季大气水汽氢氧稳定同位素组成(δ~(18)O、δD)的原位连续观测数据,研究了青海湖高寒湿地生态系统大气水汽氢氧稳定同位素特征以及大气水汽δ~(18)O与主要环境因子的相关关系。结果显示:大气水汽中δ~(18)O和δD在0.5 m和1.5 m以及0.9 m和1.9 m之间差异性都很小,且季节变化趋势都表现为生长季中期低,前期和后期高。降水量、温度、相对湿度、蒸散和净辐射都是影响大气水汽δ~(18)O变化的重要环境因子,且各环境因子之间存在相互联系协同作用的关系。受研究区环境因子、大气水汽来源以及青海湖蒸发水汽的影响,表征当地大气水汽δ~(18)O和δD相关关系的大气水汽线方程MVL偏离全球大气降水线方程GMWL。     

长江流域大气降水中δ^18O变化与水汽来源

根据GNIP所提供的长江流域多年月平均降水中δD、δ^18O料以及NOAA-CIRES提供的NCEP/NCAR再分析资料,研究了长江流域降水稳定同位素与降水量、水汽压、温度和水汽来源之间的关系。结果表明：在平均季节尺度下,长江流域大气降水中δ^18O降水量、水汽压和温度均存在显著的负相关关系,说明该流域降水中δ^18O...     

基于GCM的乌鲁木齐水汽稳定同位素变化特征及其与ENSO的关系

利用第二稳定水同位素比较小组(SWING2)提供的同位素大气环流模式(GCM)的模拟数据(Had AM3、LMDZ-free和LMDZ-nudge),以新疆乌鲁木齐为例,对比分析了该区域大气水汽中稳定同位素垂直剖面的季节变化,分析了同位素比率与气象要素之间的关系以及ENSO对大气水汽稳定同位素的影响。结果表明:各模拟结果中大气水汽中δ18O在季节变化上均表现为7月较高,1月较低;在垂直层面上,δ18O随气压的降低而逐渐减小。降水和水汽中δ18O的季节变化趋势一致,但由于瑞利分馏的影响,降水中δ18O比水汽中δ18O更富集。在垂直层面上,大气水汽中δ18O与温度呈正相关,与纬向风和经向风的相关性较小,降水中δ18O与纬向风和经向风的相关性也较小。在厄尔尼诺年,δ18O与SST呈负相关,在拉尼娜年则呈正相关,大气环流异常使研究区气温和降水发生变化,进一步也会影响水汽中的同位素值,ENSO一定程度上对研究区水汽同位素的变化产生影响。     

中国不同水体中δD与δ~(18)O研究进展

水体中氢氧稳定同位素对环境变化十分敏感,水汽蒸发、凝结至雨滴降落过程中,δD和δ18 O的变化与水汽来源及周围气象要素(温度、降水量、相对湿度等)之间存在密切的联系。研究不同水体中δD和δ18 O的时空分布特征可以探讨大气环流特征及全球和局地水循环机制,也可以为古气候、古环境的定量恢复与重建提供新依据,具有重要的应用意义。本文对中国不同水体中δD和δ18 O的研究进展进行综述,总结国内关于氢氧稳定同位素方面的研究进展和研究方法,探讨了其学科交叉与应用价值,并基于氢氧稳定同位素研究现状展望了未来研究的重点方向,以期为相关研究提供参考。     

中国大陆夏季水汽稳定同位素空间特征

大气降水的水汽来源主要是海洋,而借助降水稳定同位素空间分布格局可以反演水汽输送路径,进而示踪水汽来源。利用全球降水同位素监测网数据,基于GIS平台完成了中国大陆夏季大气降水δD、δ¹⁸O和过量氘空间格局表征。中国大陆夏季氢氧稳定同位素空间分布存在着地域分异,其成因与不同水汽源及诸多环境效应密切相关。非季风区内的西北内陆高值中心与欧亚大陆自蒸发及经由西风带输送的大西洋水汽相关,青藏高原高值则是由高程效应所造成。季风区内大气降水稳定同位素总体呈现出自东南向西北递减趋势,多由纬度效应、大陆效应共同作用而形成;我国西南地区氢氧稳定同位素明显低于同纬度东南地区的,西南地区地形复杂和气流暖湿造成的雨量效应应该是主因。过量氘空间格局则与中国大陆三大气候带分界线基本吻合,区分了西北内陆低值区、青藏高原高值区及东部的自西南向东北递减趋势显著区。依据季风区内大气降水过量氘空间分布特征,大体推断出中国大陆西南夏季风与东南夏季风的区域影响分界可能在"长沙—西安"一线附近。     

中国降水稳定同位素的分布特点及其影响因素

利用IAEA＼WMO＼GNIP的降水稳定同位素资料,分析了中国降水稳定同位素的时空分布特征及其影响因素。结果表明,整体来看我国降水稳定同位素有明显的大陆效应和高度效应。各地大气降水线存在地域差异,内陆地区同一站点冬、夏半年也有明显差异,显示出水汽团特性的不同。不同地区降水稳定同位素（6和过量氘）的季节变化特征明显不同,表明主要水汽来源存在季节性差异。通过对比长序列降水稳定同位素的年际变化与季风和ENSO指数的关系,发现ENS0与降水稳定同位素有显著的正相关,但不一定通过影响降水量来引起降水稳定同位素（stable isotope in precipitation,SIP）的变化。重点分析了我国降水量效应、温度效应的特点,指出沿海和西南等季风区主要受降水量的影响,北方非季风区温度效应起主要作用,交叉地带则两种效应都有影响。     

内蒙古地区多年大气可降水量及其转化效率研究

利用1961-2015年NCEP/NCAR再分析资料和内蒙古119个国家站月降水资料,对大气可降水量、水循环次数、水汽通量及其散度的时空分布特征进行分析。结果表明:(1)内蒙古地区四季平均大气可降水量均值为8~14 mm,自南向北、自东向西递减,65年的年际变化上总体呈减少趋势,受锋区活动及大气环流季节突变影响,4月、6月分别出现了2次突然增长,10-11月出现1次突然减少;(2)水循环次数夏季最高,春、秋季次之,冬季最低,呈自东北向西南递减,年际变化呈增加趋势,受纬度影响量值及变率均明显不同;(3)内蒙古地区水汽输送以偏西风为主,但夏季偏南风输送的加强直接导致大气可降水量及水循环次数的增加;(4)各季水汽输入量均小于水汽输出量,导致内蒙古地区长期处于水汽收支失衡状态;(5)水汽通量散度的空间分布即水汽的辐合辐散与水循环次数的空间分布较为一致,说明水循环次数能够客观反映大气可降水量的转化情况。     

气候变化对水文循环的影响

水文循环是地球上海洋、陆地和大气之间相互作用中最活跃且最重要的枢纽,受气候变化影响最为显著。本文回顾了气候变化对全球水文循环的影响,并对20世纪60年代以来中国降水、蒸散发、地表径流及大气水汽含量等陆地水文循环要素变化进行了评估。气候变暖使得全球水文循环加强,观测数据表明自1970年以来,全球对流层和地表水汽含量呈现增加趋势,但由于监测网络在空间覆盖和时间响应的限制,热带水汽增加与环流减弱之间相互影响,使得气候变化对区域水文循环的影响不确定性较大。在全球气候变化背景下,中国水文循环符合全球水循环变化的特征,又表现出更为复杂的区域特征,各个流域间空间差异增大。大气水汽含量在80年代后呈现上升的趋势;60年代以来,中国降水平均态虽然无明显变化但空间差异显著增加,实际蒸散发平均值微弱增加,空间差异增大,地表径流空间差异增大,某些流域呈现减少趋势。21世纪以来,由蒸散发再凝结形成的降水量增加,大气内循环活跃程度加大。     

内蒙古中东部地区大气可降水量的气候特征

基于2016—2018年GNSS/MET反演大气可降水量资料,分析了内蒙古中东部地区大气可降水量的变化特征,讨论了其与地面温度、气压和降水的关系,并对降水天气过程中水汽的变化特征进行了分析。结果表明:1)内蒙古中东部地区大气可降水量的分布主要受地形和环境因素影响,具有明显的季节变化特征。2)大气可降水量与地面温度在秋季存在显著的正相关关系,春季次之;与地面气压存在负相关关系,二者在春季相关最显著,秋季次之。3)大气可降水量与地面降水的相关关系在夏季最显著,春季和秋季次之。在降水发生前1—2 h,大气可降水量会有一次增长过程;降水期间大气可降水量通常维持高值,且均高于当月均值;降水结束后,大气可降水量迅速下降至低值。     

西太平洋暖池和北京地区大气水特征的地基遥感测量

近十多年来,用地基双波长(0.85、1.35 cm)微波辐射计(和雨强计)分别在西太平洋暖池和北京地区对大气水做了多次高时间分辨率长时间连续监测,本文是这些资料的分析总结.文中定量给出了大气水汽(和云液水)的日、季节内、季、年、年际的变化和变化的地理差异;定量给出了大气三水(水汽、云液水和雨水)的季节统计分布特征和地理差异;得到了大气三水之间的定量比例,并得到了降水概率、降水效率和云中水循环次数等与降水过程有关的参量与多种大气水参量之间的统计关系,在一定程度上揭示了大气水循环特征.     

四川上空大气可降水量时空分布特征

本文利用94个气象台站30 a地面湿度参量资料,采用通过地面水汽压计算大气可降水量的经验公式,分析了四川上空大气可降水量时空分布特征,初步评估了四川地区的空中水资源。结果表明:(1)四川地区空中水资源十分丰富,开发潜力巨大:东部盆地区全年大气可降水量为1178.11 cm、降水效率8.98%;西部高山高原区全年大气可降水量为321.06 cm、降水效率21.16%。(2)大气可降水量和降水效率空间分布明显不均匀,东部盆地区大气可降水量远远高于西部高山高原区,降水效率则是西部高山高原区高于东部盆地区。(3)大气可降水量季节变化明显,一年之中夏季最多,秋季次之,冬季最少。西部高山高原区大气可降水量季节差异尤其显著。(4)30 a来,大气可降水量波动略呈线性增多,大气可降水量年际变化小。      

近30年西藏地区大气可降水量的时空变化特征

利用1980-2009年NCEP/NCAR再分析资料以及同期西藏地区34个气象站的月降水量资料,分析了该地区大气可降水量和降水转化率的时空变化特征.结果表明:(1)该地区大气可降水量具有从东南向西北逐渐递减的空间分布特征;近30年大气可降水量呈逐渐减少趋势且年际变率相对较小,还表现出显著的季节差异,即夏季大气可降水量最大、冬季最小;多、少雨年大气可降水量的空间差异不显著,说明西藏地区的空中水汽含量相对稳定,有利于空中水资源的合理开发和利用.(2)降水转化率在那曲中东部和西藏东南部最高、西藏西北部最低;近30年西藏地区降水转化率呈逐渐增加趋势且年际变率较大,其季节变化与大气可降水量的变化规律一致;降水转化率的高低在一定程度上决定了某年为多(少)雨年.(3)西藏地区大气可降水量和实际降水量的空间分布规律接近,但其时间变化趋势与同期降水量增加的趋势正好相反;大气可降水量转化率与实际降水量的变化趋势基本一致,降水转化率的升高(降低)对应着降水量的增多(减少).     

中纬度地区混合云中稳定同位素分馏的数学模拟——以乌鲁木齐降水为例

文中介绍的数学模型考虑了混合云中液、固相共存时以及冰面过饱和环境下稳定同位素的动力分馏效应.利用该数学模型,模拟不同冷却条件下稳定同位素的温度效应.在相同的湿度条件下,湿绝热冷却过程中δ18O随温度的变化率小于等压冷却过程.冰面过饱和比S;的增大意味着动力分馏效应的增大.与平衡态过程相比,它的作用使得稳定同位素的综合分馏系数减小,从而使得降水中δ18O随温度的变化趋缓.模拟结果显示,湿绝热冷却过程中大气水线(MWLδD=bδ18O+d)的梯度项b和常数项d均大于等压冷却过程.不同的冰面过饱和比对大气水线的影响是不同的.与冰面过饱和比相比,b和d的大小对云中含水量的变化敏感性较低.模拟结果还显示,乌鲁木齐的降水不是来自海洋水汽的初始凝结.在经历了长途输送之后,乌鲁木齐降水中的稳定同位素成分在很大程度上被衰减.模拟的稳定同位素比率/温度、δD/δ18O曲线分别与乌鲁木齐实测的稳定同位素比率/温度回归线以及大气水线有非常好的一致性.     

一次华北暴雨过程的数值模拟及水汽螺旋度和水汽涡度收支应用分析

运用WRF模式对2009年8月发生在华北地区的一次暴雨过程进行了数值模拟,按照性质的不同对模拟降水进行了研究,还进行了湿度场试验,最后利用模式输出结果对水汽螺旋度和水汽涡度收支进行了诊断分析。结果表明,数值模式比较合理地再现了本次暴雨天气过程。显式降水在模拟的总降水量中占了很大的比重,但是在暴雨爆发初期,积云降水起了重要作用。对流层中层的水汽饱和程度对模拟降水性质及降水量大小有重要影响,显式降水一般发生在空气饱和程度较高的区域,而位势不稳定则是诱发积云降水的主要原因。对流层中低层水汽螺旋度的强度变化在一定程度上代表了降水系统的强弱变化,其高值区与强降水落区在出现的时间和空间上都存在较好的一致性。水汽涡度收支对于水汽涡度及水汽螺旋度的变化具有很好的指示意义,可以作为预报降水的一个动力指标。     

基于地基GPS大气可降水量的福建水汽资源时空分布特征分析

利用福建省2010—2019年地基GPS站大气可降水量资料、地面气象观测资料和探空数据及ERA-Interim再分析资料,分析福建水汽资源的季节、月、日变化特征,并采用EOF、Mann-Kendall和滑动t检验等方法对近10 a水汽资源的时空分布和变化特征进行分析。结果表明:相较于ERA-Interim再分析资料,福建地基GPS大气可降水量具有较高精度。水汽季节分布以夏季最大,春季次之,秋冬季最低;其月际变化呈倒“U”型分布;晴日和雨日水汽变化差异显著。东部沿海地区水汽含量普遍高于西部山区,但降水转化率低于内陆山区。EOF分析结果显示福建省大气可降水量主要存在2种空间模态,其中第一模态方差贡献率占80.06%,主要表现为空间分布一致型,振荡强度由西北、西南向东部逐渐增强,相应的时间系数表征了大气可降水量显著的季节性变化特征。Mann-Kendall突变检验和滑动t检验的结果表明近10 a福建上空水汽资源未发生突变。     

青藏高原东南侧干湿季气候特征与成因

利用台站降水、蒸发资料和NCEP再分析资料,通过季节水汽输送、大气可降水量分布、水汽辐合辐散诊断对西南水汽通道上青藏高原东南侧干、湿季气候特征及成因进行了分析。结果显示,四季青藏高原东南侧均存在西南水汽输送,即使冬、春季也有较强盛的水汽输送,但其上空四季均维持有水汽辐散场,不利于降水发生和维持,尤其冬、春季强度更强、范围更广。同时,受低纬高原地形影响,这一地区大气气柱短,导致青藏高原东南侧大气可降水量比周边地区明显偏少,且存在明显的季节变化,冬、春季大气可降水量仅为夏季的1/3~1/2。可见,青藏高原东南侧季节性干旱受冬、春季大气可降水量的减少和其上空更强更广的水汽辐散场共同影响所致。     

利用GPS和云图资料监测北京地区中小尺度降水的研究

地基GPS遥感大气总水汽量提供了高时间分辨率的水汽资料,为分析预报中小尺度系统的变化创造了条件。本文利用北京GPS／VAPOR试验反演了北京2000年6～8月的大气总水汽量(又称大气可降水量或积分水汽),分析了北京夏季大气总水汽量的分布特征;结合气象和云图资料,对7月3～5日的一次暴雨过程进行了分析,结果表明：GPS大气总水汽量和云的发展及维持是强降水产生的条件,降水量的大小与大气可降水量的增加幅度、维持时间和水平有关,面上的大气可降水量的变化和红外云图资料显示的中小尺度系统的变化是一致的。面上大气可降水量的移动与测站降水关系密切,当测站大气可降水量迅速增加,并且面上分布的大气可降水量也同样向测站扩展时,台站的降水也迅速增加。GPS大气可降水量可作为台站短期降水预报的一个指标。