黄河流域大气降水氢、氧稳定同位素时空特征及其环境意义

大气降水δ18O值的变化是一个蒸发和凝结的物理过程,与纬度、海拔、距海岸的距离、季节和降水量等因素有关,具有规律变化的特征。根据黄河流域上中下游地区取得的降水同位素数据和降水气象资料,分析了该区域降水中δ18O的时空变化特征。研究了流域上中下游降水中稳定同位素与温度和降水量的关系,揭示了流域降水中稳定同位素的变化规律。结果表明,流域上游和中下游降水中稳定同位素具有不同的季节变化特征,上游地区表现为夏季富集、冬季贫化,中游和下游则与之相反;在空间变化上,流域降水稳定同位素自上而下整体趋于逐渐贫化,波动明显,存在显著的极值区;黄河流域上、中下游具有不同的同位素过程,上游地区受海拔效应和内陆循环影响显著,而中下游则主要受季风系统和局地因素的影响。局地大气水线以及d与大气水汽压关系的分析表明,流域降水在从云层底部降落到地面的过程中,具有明显的二次蒸发现象,并伴随着同位素的分馏。     

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。     

中国大陆大气降水线斜率分区及其水汽来源研究

大气降水是自然界水循环过程中的一个重要环节。由于元素的各个同位素的质量不同,造成了降水中H2O与D2O之间、H2O与H218O之间的分馏效应。水循环过程中,由于同位素成分的热力分馏作用,全球降水中氢和氧稳定同位素存在一种线性关系,1961年Craig把这种关系定义为大气降水线。(Meteoric Water Line,简称为MWL):δD=8δ18O+10,又称为全球大气降水线(Global Meteoric Water Line,简称为GMWL)。本文通过对近年来全国各地大气降水中氢氧稳定同位素(2H、18O)之间的关系的资料进行整合作图,发现大气降水线斜率的大小存在地域差异并具有分区的特征,分析认为这种特征应该与当地降水的水汽来源有着密切联系,结合大气降水水汽来源,将中国大陆降水线斜率大体分为:东南沿海区、西南区、青藏高原区、西北内陆区、东北及华北内陆区几大区域,最终可以通过各地大气降水线的斜率分区来区分不同的水汽来源。     

陕西关中盆地大气降水同位素研究

大气降水作为地下水的主要补给源之一,它是自然界水循环过程中的一个重要环节.查明大气降水中同位素分布特征及其影响因素,不仅有助于定性或定量地研究地下水的起源和形成等问题,更有助于揭示"三水"转化关系.根据全球大气降水同位素观测网 1985～1993 年大气降水氢氧同位素资料并结合所采集样品的分析结果对陕西关中盆地大气降水环境同位素特征、变化规律及其影响因素进行了探讨,建立了西安地区雨水线,为地下水的起源及运移研究奠定了基础.     

基于GNIP的黄土高原区大气降水同位素特征研究

以GNIP为数据源,选取研究了黄土高原区7个站点(兰州、银川、靖边、西安、平凉、包头、太原)降水中稳定同位素的时空变化特征,分析了除靖边站之外的其他站点降水同位素与温度和降水量的关系,揭示了该地区降水中稳定同位素的变化规律。结果表明:(1)黄土高原大气降水稳定同位素在不同的区域有着相似的时间变化特征和不同的空间变化特征;(2)建立了黄土高原区域大气降水线方程δD=7.0δ18O+0.36‰;(3)黄土高原各站点降水同位素的温度效应和雨量效应表现出较为显著的空间特性;(4)黄土高原区在冬季风期间较夏季风期间风速大、湿度低且蒸发强烈。     

华北地区大气降水稳定同位素特征与水汽来源

选取华北地区的包头,石家庄,天津,太原IAEA/WMO/GNIP大气降水的氢氧同位素组成的资料,分析了华北地区降水稳定同位素的时空分布特征及其影响因素.研究表明:华北地区降水中的δ18O值都表现出明显的“夏高冬低”的季风气候特征,夏季表现雨量效应,冬季温度效应明显;华北各地区降水线方程与全国及全球降水线相比,斜率和截距都偏小,揭示了华北地区降水是在非瑞利条件下进行的,并且除天津外,其他地区稳定同位素特征还受到降水过程中局地水汽循环的影响;d值总体表现出冬高夏低的季节变化特征,说明了冬季风和夏季风期间降水的水源区蒸发条件不同.     

水体稳定同位素在青藏高原大气环流研究中的应用

水体稳定同位素作为贯穿水循环的介质,是研究大气环流过程和传输路径的有效手段。介绍了水体稳定同位素技术在青藏高原大气环流研究中的应用,聚焦典型站点降水、河水和冰芯等水体稳定同位素的季节和空间变化特征,揭示了大气环流对地表水稳定同位素高程效应的显著影响,以及大气降水对地表水的主导;引入降水稳定同位素标准判断亚洲夏季风爆发时间;通过冰芯稳定同位素揭示了厄尔尼诺—南方涛动对整个青藏高原水循环的影响及其响应机制的区域差异。在未来的研究中,将加强跟地球系统模型的结合,关注水体稳定同位素在不同时间尺度的控制因子、突变过程以及激发机制,进而量化古气候替代指标中的稳定同位素变化、从较长的时间尺度上重建影响青藏高原的水汽来源的演变历史。同时关注过量氘等具有水汽来源诊断能力的参数,研究其与大尺度环流参数的相关性,从海表温度、蒸发等陆—气相互作用分析并将高原环流过程与全球环流过程紧密结合综合分析。     

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.     

降水过程中氢氧稳定同位素理论关系研究

大气降水过程中氢氧稳定同位素比值呈现一定的规律,分析了瑞利分馏中分馏系数的影响因子,基于瑞利分馏原理和质量守恒定律,分别推导了开放系统和封闭系统降水过程中的稳定同位素微分方程模型,研究了大气降水过程中氢、氧稳定同位素变化规律,导出了云团水汽和降水氢、氧之间的相互关系,结果表明这一关系并非简单的线性关系。     

香溪河流域大气降水稳定氢氧同位素时空分布特征

香溪河流域地处不同地理、气候、岩溶地貌分区的重要过渡位置,研究其大气降水氢氧同位素时空分布特征,是利用氢氧同位素示踪技术研究流域水循环特征的基础。本文通过不同高程布设的观测点,获取到研究区大气降水稳定氢氧同位素(D、~(18)O及17O)观测数据,由此首次建立了香溪河流域大气降水线(δD=8.17δ~(18)O+13.38),氧同位素间的关系式(δ'17O=0.512δ'~(18)O+0.024),并深入分析氢氧同位素时空分布特征。     

中国极端降水事件的频数和强度特征

使用1951-2004年中国738个测站逐日降水资料,采用百分位的方法定义极端降水事件的阈值,分析了不同持续时间的极端降水事件的时空分布及变化趋势特征。结果表明,极端降水事件多发于35°N以南,特别是在长江中下游和江南地区以及高原东南部,且在这些地区极端降水事件持续时间也较长。季节分布上,主要出现在夏季,以低持续性事件为主。在中国东部地区,持续时间越长的极端降水其强度往往越强。趋势分析表明,全国持续1d极端事件的相对频数具有上升趋势而平均强度具有下降趋势,其空间上均表现为全国大部分上升、华北和西南等地下降的趋势。持续2d以上极端事件在长江中下游流域、江南地区和高原东部等地区有显著增多和增强的趋势,而在华北和西南地区有减少和减弱趋势,但全国平均的趋势不显著。     

MSWEP降水产品在中国大陆区域的精度评估

基于1979-2015年中国大陆824个气象站点逐日降水观测资料,采用相对误差、相关系数以及探测率等指标,评估新发布的格网化降水产品Multi-Source Weighted-Ensemble Precipitation（MSWEP）在中国大陆区域的精度;采用改正的Mann-Kendall趋势法,对比分析MSWEP在降水量趋势分析中的可靠性。研究表明:① MSWEP对中国大陆区域降水整体上存在高估现象,而在华北区域存在低估现象;② MSWEP对微量降水和强降水事件分别存在高估和低估现象;③ MSWEP和降水资料在年和月尺度上具有较好的相关系数,在日尺度上相关系数较低;④ MSWEP和站点观测的年降水量变化趋势存在较大空间分布差异,但在春季、秋季和冬季,空间分布特征较为一致。     

中国降水同位素信息熵时空分布及其水汽输送示踪

研究水汽输送过程有助于更好地理解极端降水发生过程。但是, 降水系统的复杂性和降水同位素的随机性使得利用降水同位素示踪水汽输送过程具有较大的不确定性。利用信息熵研究了中国降水同位素组成概率分布特征, 发现降水氢氧同位素信息熵之间呈现很强的线性关系, 且斜率近似为1;对比分析了降水同位素信息熵和其平均值的时空分布特征, 发现降水同位素信息熵空间分布可以很好地揭示水汽由海洋向大陆的运移过程, 而这一特征并没有反映在降水同位素平均值空间分布上;利用降水同位素信息熵对影响中国的由季风形成的3条水汽通道进行了示踪分析, 发现降水同位素信息熵空间分布很好地指示出3条水汽通道的水汽来源和水汽运移路径及其季节变化。     

西北与华北地区现代降水变化趋势的对比

利用研究区内国家级气象站观测资料,分析1951~2013年降水变化趋势。其结果表明:西北与华北地区年均降水呈"东多西少"的空间格局;西北地区降水呈明显增加趋势,以青海及新疆西部较为显著,华北地区降水呈减少趋势,两地区降水趋势增加与减少的变化在104°E附近地区过渡;西北地区降水增加趋势起始于1980年代中期,华北地区降水减少趋势起始于1980年代初期;两地区降水变化"反(错)位相"特征在降水量累计距平百分比指标上表现明显。采用REOF方法,结合地理位置和地形等因素,西北与华北地区可分为6个降水子区域,各子区域及其之间的降水变化更详细体现出"反(错)位相"特征的情况,这种特征可能受到近几十年亚洲季风变化的影响。     

1961-2011年西北地区春季降水变化特征及其空间分异性

利用西北地区121个气象站1961-2011年降水量资料, 分析了西北地区春季降水的基本气候特征;通过EOF、REOF、功率谱等方法, 对西北地区春季降水的时空特性进行了研究, 用Mann-Kendall检验法检验西北地区春季降水序列是否存在突变现象.结果表明: 西北地区春季降水空间分布极不均匀, 其空间分布特征是东南部和西北部为多雨区、中间为少雨区.西北地区春季降水在第一空间尺度上为全区一致, 在第二空间尺度上可分为2个自然气候区, 在第三空间尺度上可分为6个自然气候区.从年代际变化来看, 1980年代是近半个世纪来降水最多的10 a, 1970年代是降水最少的10 a;西北地区春季降水的年际变率十分显著, 降水最多的年份是最少年份的3倍多. 1961-2011年间西北地区春季降水发生了明显的突变: 1973年出现了一次趋于减少的突变, 1985年出现了一次趋于增多的突变. 18~19 a的长周期是其主要周期, 其次是5 a和7 a的短周期. 未来20 a西北地区春季降水量呈缓慢下降的趋势.     

Impact of Different Intensity Tropical Cyclones on Precipitation Changes in China

Based on the daily precipitation data of more than 2 000 meteorological stations from 1960 to 2017 and the tropical cyclone (TC) best-track data of the China Meteorological Administration, the TC precipitation was identified by the Objective Synoptic Analysis Technique (OSAT). The research shows that the TC precipitation in China has a significant downward trend, which is slower than that of the research results 12 years ago. The TC precipitation in the peaking season (July to Sepember) accounted for 78.5% of the total TC precipitation. Both TC precipitation in peaking season and other months showed a significant downward trend. The TC precipitation climate trend is mainly characterized by reduction in spatial distribution, and shows obvious regional differences. From south to north, there is a distribution of “decreasing-increasing-decreasing”, and the decreasing trend centers are located in Guangdong and Hainan. According to the maximum intensity in the TC influence period, we classified TCs into three levels (weak TCs, medium intensity TCs and strong TCs) and studied the variations of TC precipitation in different intensities. The results show that the strong TC precipitation shows a significant decrease trend, which mainly determines the influence range and trend of TC total precipitation. Further analysis found that the frequency of affecting TC showed a significant reduction trend during the time period of 1960-2017 and an abrupt shift occurred in 1995. A comparative study of the two periods before and after 1995 showed that compared with the previous period (1960-1994), the frequency of TCs in the latter period (1995-2017) showed a significant decreasing trend in the south of 20°N. The maximum decreasing center was located in the northern part of the South China Sea, and this feature was mainly affected by the strong TC. It was decided that this trend of strong TC led to a decrease trend in the number of precipitation days in South China, especially in Guangdong and Hainan, which led to a decrease trend in TC precipitation.     

不同强度热带气旋对中国降水变化的影响

基于1960—2017年2 000多个气象台站逐日降水数据和中国气象局热带气旋(TC)最佳路径资料集,采用客观天气图分析法(OSAT)识别得到TC降水。研究表明,中国TC降水总体呈显著下降趋势,较12年前的研究结果下降趋势变缓;TC盛期(7~9月)降水占到TC总降水的78.5%,TC盛期降水和TC非盛期降水均呈显著下降趋势。TC降水气候趋势在空间分布上以减少为主要特征,并表现出明显的地域差异,自南向北呈"减少—增多—减少"的分布型,减少趋势中心位于广东和海南。按TC影响期最大强度分级(弱TC、中等强度TC和强TC)研究不同强度TC降水的变化,结果显示,强TC降水表现出显著减少趋势,主要决定着TC总降水的影响范围和趋势等主要特征。进一步分析发现,影响TC频数在1960—2017年呈显著减少趋势,并在1995年发生突变;对1995年前后2个时期的对比研究显示,与前一时期(1960—1994年)相比,后一时期(1995—2017年)影响TC活动频次在20°N以南的海域呈现出显著的减少趋势,减少大值中心位于南海北部,而且这一特征也主要由影响TC中的强TC所决定;强TC的这一变化趋势导致了华南地区尤其是广东和海南TC降水日数的减少,进而使得TC降水减少。     

运用数学形态学方法探讨我国干旱-半干旱区降水的可能分布

我国北方干旱－半干旱区长期受水资源缺乏的影响，国民经济建设受到很大的制约。因此，研究干旱－半干旱区的水资源成为人们关注的重点。本文借助数学形态学方法，探讨了我国干旱－半干旱区降水在几种气候变化条件下的可能分布，揭示出了西北地区环境最脆弱的地区是塔里木盆地南缘及其东侧的罗布泊、哈密、敦煌地区，同时也探讨了这些地区在降水增加或减少情况下的可能环境分布。     

基于氢氧同位素的华北平原降水入渗过程

华北平原地下水浅埋区水循环主要以垂直方向上的入渗、蒸发和蒸腾的方式存在,同位素可以作为一种有效"示踪剂"揭示降水入渗补给地下水的过程。选择华北平原中、东部地下水浅埋区的衡水和沧州为典型实验点,研究不同降水特征、土壤质地和植被条件下入渗过程的差异性。结果表明,土壤非均质条件下(沧州),降水入渗补给过程中伴随着蒸发、植被蒸腾作用以及与土壤前期水分的强烈混合作用,活塞流入渗的同时土壤100 cm深度可能还存在大孔隙优先流;土壤均质条件下(衡水),降水向下均匀入渗,入渗速度较快,土壤水运动以新水基本代替老水的活塞流为主要形式,并经过强烈的蒸发浓缩作用补给地下水。     

Multi-scale Characteristics and Comprehensive Evaluation of Precipitation Heterogeneity in Guangxi

Aiming at the uneven spatial and temporal distribution of precipitation and frequent occurrence of drought and waterlogging disasters in Guangxi, the multi-scale characteristics and comprehensive evaluation of precipitation heterogeneity can provide scientific support for regional response to drought and waterlogging disasters and intelligent management of water resources. Based on the daily precipitation data of 87 grid points from 1961 to 2017 in Guangxi, the Precipitation Concentration Degree (PCD) and Precipitation Concentration Period (PCP) index were used to build day, pentad, ten days, month, season precipitation heterogeneity of multiple time scale level evaluation system. By using R/S analysis and geographical spatial analysis methods, the space-time evolution characteristics and climate division in Guangxi were discussed. The study showed that the spatial and temporal variation characteristics of PCD and PCP at the diurnal, synoptic and monthly scales were relatively consistent, and the heterogeneity of precipitation in Guangxi could be better expressed than that at the monthly and seasonal scales. The diachronic change of PCD in precipitation in Guangxi shows an increasing trend in northeast China and a decreasing trend in southwest China, and the trend of its future period is the same as the diachronic evolution. The spatial distribution of PCD in Guangxi has significant spatial autocorrelation and stratification heterogeneity, which are mainly reflected in the mean value, coefficient of variation and frequency of PCD. The comprehensive heterogeneity of precipitation in Guangxi is highly dispersed in the northeast, highly concentrated in the south, and slightly concentrated or dispersed in the northwest and central regions. The time-scale within a month is the best scale to express the non-uniformity of precipitation in Guangxi. If the advantages of more stable climatic and ten-day scales and more fine daily scales are taken into account, the use of climatic scale for daily sliding calculation and analysis will be the best way.