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。     

全球降水中氢氧稳定同位素GCM模拟空间分布的比较

利用大气环流模式模拟降水中氢氧稳定同位素可以深入了解水循环过程中水稳定同位素的迁移变化规律并弥补实测数据在空间和时间方面的不连续性。利用10个引入水稳定同位素循环的GCM(General Circulation Models)模拟数据,分析了全球降水中稳定同位素效应的空间分布特征,对不同模式的模拟结果之间以及模拟结果与全球降水同位素监测网络(GNIP)的实际监测结果之间进行了比较,旨在对稳定同位素大气环流模式模拟结果的有效性进行评价,改善对水循环中水稳定同位素效应的理解和认识。结果显示,在δ~(18)O的全球空间分布模拟方面,iso GSM,ECHAM4,LMDZ4和Had AM3模拟效果较佳;在δ~(18)O的季节差的空间分布模拟方面各模式模拟效果总体较好,仅Had AM3模拟效果稍差;在δ~(18)O与气温相关关系的空间分布模拟方面,iso GSM,GISS E-F,ECHAM4,GISS E-N和LMDZ4模拟结果与实测较匹配;在δ~(18)O与降水量相关关系的空间分布模拟方面LMDZ4,iso GSM,GISS E-F,ECHAM4和MUGCM模拟能力较强;在全球大气降水线模拟方面GISS E-F,iso GSM和GISS E-N优势明显。     

康定-老榆林地热系统氢氧同位素迁移数值模拟分析

以康定老榆林地区地热系统为研究对象,利用TOUGH-Isotope程序进行水-热-同位素耦合数值模拟,并鉴于研究区大气降水氢氧同位素季节性明显、地震活动活跃,探讨了补给水同位素特征、热储层渗透性变化对地热系统氢氧同位素迁移过程的影响.研究结果表明氢氧同位素模拟值与研究区ZK3钻孔流出水测试值基本拟合,高温地热系统的对流-弥散作用对氢氧同位素迁移过程影响明显;研究区地热水循环条件较好,水-岩作用程度较低,导致氧同位素重化现象不明显;补给水同位素特征、热储层渗透性两个因素对地热水循环过程中的氢氧同位素分布具有明显的影响.开展地热系统流体氢氧同位素迁移过程研究,有助于提高对地热系统动态演化的定量化认识,为地热开发提供支持.      

我国大气降水中稳定同位素研究进展

大气降水中稳定同位素的比率与降水产生过程中的气象条件密切相关,可以利用其时空分布特征来反演大气过程,示踪水汽来源,反映天气气候的区域性特征.对影响我国大气降水中稳定同位素组成与分布进行了总结,探讨了影响降水中氢氧同位素的因素及空间变化特征,并分别介绍了我国青藏高原区、西北干旱区和东部季风区等地区近年来降水中稳定同位素的...     

利用不同插值方法对青藏高原降水稳定同位素空间分布分析

利用稳定同位素大气环流模型模拟结果, 借鉴数据同化的思想, 运用Cressman插值法和最优插值法两种空间插值方法对青藏高原多年平均降水δ¹⁸O模拟结果进行客观订正, 并运用交叉验证方法检验空间插值的效果. 结果表明: 最优插值法订正的结果稍优于Cressman插值法; 对比订正结果与运用经验回归模型BW模拟结果表明, 最优插值所建立的降水稳定同位素的空间分布结果要优于BW模型模拟结果, 而Cressman插值方法订正的降水稳定同位素的空间分布结果与BW模型模拟的结果相当. 两种空间插值所得结果经过高程订正后, 对青藏高原南部的预测结果得到了明显改善.     

五种降水产品在疏勒河上游山区和中下游月尺度降水的适用性对比研究

降水产品为理解降水时空分布提供了新的视角,然而其在不同地区适用性差异很大,目前对不同降水产品在西北内陆河流域上游山区和中下游平原适用性的对比研究还十分有限。利用疏勒河流域及周边9个国家气象站2001-2013年和4个山区自建气象站2008-2013年降水观测数据,基于皮尔逊相关系数（R）、均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）和相对偏差（BIAS）指标,对CMFD、ERA-Interim、GPCC、GPCP V2.3和JRA-55共五种常用降水产品的月尺度降水数据在疏勒河上游山区和中下游平原区的适用性进行了评估对比,结果表明：五种降水产品都可以较好地模拟疏勒河流域多年平均降水的空间分布,总体来说,降水产品在上游的评估的相对误差优于中下游,但绝对误差比中下游大,这与上游降水远大于中下游有关。各产品在上游和中下游的精度排序结果一致,均为CMFD > GPCC > ERA-Interim > GPCP V2.3 > JRA-55。CMFD效果最佳可能与融合了中国更多的地面降水资料有关,其在自建站的效果也表现最佳。不同产品在疏勒河上游山区和中下游月尺度的降水评估中表现较好,但尚不能满足流域水文过程分析和模拟的需要。     

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。     

东亚水循环中水稳定同位素的GCM模拟和相互比较

利用引入稳定同位素循环的ECHAM4、GISS E和HadCM3模式的模拟,对东亚降水中年平均δD和过量氘d的空间分布以及大气水线（MWL）进行了分析.根据模拟的空间分布,降水同位素在很大程度上反映不同气团的地理背景以及它们之间的相互作用,模拟结果很好地再现了由GNIP实测资料得到的降水稳定同位素的纬度效应、大陆效应和...     

热分层效应控制的水库水体氢氧同位素特征

为掌握水库热分层与氢氧同位素空间分布的关系,研究了广西兴安县五里峡水库夏季氢氧同位素空间分布特征及影响因素。研究表明:①五里峡水库夏季出现明显的热分层,库表层至-5 m为表水层,-5 m至-20 m为温跃层,-20 m以下为底温层;②五里峡水库δ18O、δD值沿大气降水线分布,但均落在桂林市大气降水线右下方,其线性方程为δD=4.66δ18O-10.85（R2=0.76）,其斜率与全球大气降雨线（GMWL）和桂林市降雨线（CLMWL）的斜率和截距差异明显,表明五里峡水库主要由降水补给,但在补给五里峡水库前已经过了强烈的蒸发作用和水岩作用;③ δ18O、δD随水深的增加逐渐偏负,具有表水层 > 入库水体 > 温跃层 > 底温层 > 出库水体（>表示偏正）的垂向分布特征。分析认为入库水体氢氧同位素的季节变化和蒸发作用随深度增加而降低是五里峡水库夏季分层期间水体氢氧同位素垂向变化的主要影响因素。     

氢氧同位素在地下水流系统的重分布：从高程效应到深度效应

大气降水的氢氧同位素含量具有高程效应,降水入渗后参与地下水循环,其高程效应如何受地下水流系统的影响转化为地下水氢氧同位素的深度效应？现有研究对于这个问题缺少定量认识。文章构建单向倾斜盆地和双峰波状盆地的稳态地下水循环理论模型,采用MODFLOW模拟剖面二维地下水流场、采用MT3DMS模拟重同位素分子的对流-弥散过程,得到地下水D和¹⁸O含量的空间分布,探讨了氢氧同位素高程效应在地下水流系统转化为深度效应的机理。结果表明：在单斜盆地,补给区大气降水D和¹⁸O含量的高程效应转化为排泄区地下水δD和δ¹⁸O值随埋深增大而指数型衰减的深度效应;在双峰波状盆地,当含水层渗透性相对入渗强度较大时(K₀/w=1 000),仅发育一个区域地下水流系统,在区域地下水的排泄区δD和δ¹⁸O随埋深增大呈现S形曲线分布;当含水层渗透性相对入渗强度较小时(K0/w=250),双峰波状盆地发育多个局部地下水流系统,区域地下水的排泄区δD和δ¹⁸O随埋深增大呈现S形曲线,而局部地下水排...     

昆明市黑龙潭岩溶泉氢氧稳定同位素分析

黑龙潭位于昆明市北缘的五老山山麓,沿黑龙潭东支断裂带出露地表,该区分布三个岩溶泉,分别是:清水潭、浑水潭、小水潭,文章运用氢氧稳定同位素方法对它们进行连续的观测研究。通过对大气降水和泉水氢氧稳定同位素特征进行分析,揭示研究区岩溶泉水的来源及泉域含水层特征。得出以下结论:（1）通过大气降水δ18O -δD 关系建立当地大气降水线,大气降水线和泉水的稳定同位素分析表明泉水来源于大气降水,而且主要来源于夏季降水。（2）高斯混合模型分析结果表明,清水潭的补给不仅来源于野猫山地区,还包括径流过程中的入渗补给,而且入渗补给量并不小。浑水潭旱雨两季补给类型有所区别。小水潭除受北部二叠系灰岩含水层补给之外,很有可能也受东北部玄武岩山地的孔洞裂隙水补给。      

基于氢氧稳定同位素的武汉北部新城地表水-地下水转换关系研究

【研究目的】揭示武汉北部新城地表水、地下水的氢氧稳定同位素特征及其相互作用。【研究方法】2019年，采集、测定了降水样7件、河水样6件、水库样14件、民井样98件、泉水样3件和钻孔样11件，并收集到武汉站1986—1998年的监测数据50件，以空间分析和流域分析为基础，氢氧稳定同位素分析为手段。【研究结果】（1）武汉降水氢氧同位素随季节变化，并表现出“降雨效应”明显、“温度效应”不明显的特点；（2）地表水在枯水期受到强烈的蒸散发，表现出一定的“地貌效应”与“干支流效应”的特征；（3）民井、泉和钻孔等地下水均源于大气降水，表现出“含水层埋深效应”与“山区平原效应”的特点；（4）枯水期，界河流域中界河获得了上游水库和地下水的补给，夏家寺水库流域中夏家寺水库得到了地下水补给。【结论】氢氧同位素能显著提高武汉北部新城地表水-地下水相互转换规律的认识。创新点：利用各类水体氢氧同位素组成及空间分布特征，揭示了武汉北部新城降水、地表水和地下水相互转换的规律     

银川盆地水体氢氧稳定同位素特征分析

中国西北部银川盆地干旱少雨,大量的黄河水用于灌溉,灌溉入渗水对地下水循环的参与程度、参与深度研究是进一步解决灌区水环境问题和确定地下水污染来源的关键,需要深入研究。笔者通过氢氧稳定同位素特征分析和氚同位素年龄分析,构建了银川盆地不同水体同位素特征分布关系。结果表明:银川盆地降水和流经的黄河水的氢氧稳定同位素丰度均值都分布在全球雨水线上,降水和黄河水符合全球大气降水来源;深层地下水、浅层地下水及由地下水排泄汇集的排水沟水的氢氧稳定同位素都分布在地下水拟合线上(δD=8.24δ18O+1.08)。这条地下水拟合线与全球雨水线近似平行分布。两线之间的差异指向2种不同水循环的主导过程,即蒸发-混合主导过程和水岩交互-混合主导过程。两种解释对应的灌溉循环量分别占地下水排泄量的44.07%和89.76%,初步认为水岩交互-混合是地下水拟合线分布于全球雨水线下方的主导过程。     

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。     

九江地震台地下水氢氧稳定同位素变化特征及意义

在地震地下流体研究中,地下水补给及循环过程是重要的研究内容之一,氢氧同位素示踪技术是目前研究该过程的常用手段。通过对九江地震台2井地下水、大气降水及周边天花井水库水、马尾水高山泉水的样品进行氢氧同位素测定分析,结果表明,与降水相比地下水氢氧同位素变化更为稳定。夏半年,大气降水氢氧同位素与降水量呈显著的负相关关系,具有明显的降水量效应;冬半年,与温度成显著的正相关关系,具有明显的温度效应,地下水氢氧同位素并未表现出明显的降水效应和温度效应。氢氧同位素及过量氘揭示地下水在下渗补给前经历了明显的蒸发分馏作用,并与围岩进行~(18)O交换,δ~(18)O与δD计算的补给高程分别约为647m、440m。九江台地下水总体属于大气成因型,循环过程为较稳定的裂隙水补给形成承压自流井。     

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。      

哈尼梯田麻栗寨河流域雨季大气降水氢氧同位素特征及影响因素

以红河哈尼梯田文化景观遗产核心区麻栗寨河流域的雨季大气降水为研究对象,对2014年雨季典型月7月的氢氧同位素组成进行了分析,拟合出大气瞬时降水线方程,并与邻近地区及全国、全球降水线方程进行对比,分析温度、湿度、降水量等气象参数和海拔对氢氧稳定同位素的影响,并初步判断该区的水汽来源。结果表明：（1）研究区雨季大气降水δ¹⁸O值变化范围大,与邻近的昆明、贵阳、成都地区相比,贫化明显;（2）大气降水线方程为δD=7.59δ¹⁸O+3.31,其斜率和截距较小,说明研究区雨季降水量大且蒸发强烈、降水的水汽来源非单一化,除受印度洋、孟加拉湾的变热性热带海洋气团的影响,还受研究区地表水体的二次蒸发影响;（3）研究区降水稳定同位素特征显示不但存在明显的降水量效应,也存在温度效应和海拔效应,但各因素是综合作用的,主导因素不明显。     

四套降水资料在喀喇昆仑山叶尔羌河上游流域的适用性分析

分析了2003-2009年基于卫星观测的降水数据CMORPH、 TMPA 3B42 v6、 中国科学院青藏高原研究所的融合数据ITPCAS和基于地面台站的APHRODITE (2003-2007)四套降水数据集在叶尔羌河上游流域的时空分布特征, 并以这四套降水数据为驱动, 利用VIC分布式水文模型对叶尔羌河上游流域的降水径流进行模拟.结果表明: 在空间分布上, 四套降水资料在叶尔羌河上游流域的差异较大, ITPCAS的空间分布与流域冰川的分布较一致, 基于冰川区即为大降水区的基本认知, 初步认为ITPCAS的空间分布比较合理; 其次是TMPA 3B42 v6和APHRODITE; 在流域的年降水量和季节分配量上, 由于缺乏高海拔地区的实测降水资料, 无法准确回答各套降水资料在量级上是否合理; 在时间序列上, 四套降水资料与流域站点降水(库鲁克栏杆站和塔什库尔干站的平均降水)存在着不同程度的差异.但从整体上看, CMORPH数据在一定程度上能够反映流域的月降水变化过程, 而APHRODITE和ITPCAS只能在个别年份对流域的降水描述较好; 在径流模拟上, 卫星降水数据CMORPH显示了作为水文模型输入数据的较大潜力; 而其他降水资料在叶尔羌河径流模拟中, 与实测径流在量和季节分配上可能存在较大偏差.     

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。     

古气候变化与地下热水中氢氧稳定同位的关系

关中盆地地下热水中氢氧稳定同位素的研究表明：研究区地下热水中氢氧稳定同位素组成变化与当地古气候变化具有良好的对应关系,古气候变化直接影响了地下热水接受补给时的氢氧稳定同位素组成。研究区地下热水的补给为更新世前古代大气降水。大约在8.2～10.2 kaB.P.和18.1～19.2 kaB.P.这两个时间段,可能是由于当时温度较低导致关中盆地地下热水补给偏少;关中盆地地下热水的补给过程受古气候的变化影响呈现非等速补给特征,可能存在一定的古地下水形成期。