黄河流域降水稳定同位素的云下二次蒸发效应

雨滴从云底降落到地面过程的云下二次蒸发现象会影响雨滴中的同位素比率，明确降水过程中稳定同位素的变化对研究流域水循环具有重要意义。基于全球降水同位素网络（GNIP）、相关文献同位素数据以及气象数据，首先建立局地大气水线（LMWL）定性分析了黄河流域云下二次蒸发与各气象要素间的关系，其次运用改进的Stewart模型定量计算了蒸发剩余比（f）和云底降水与地面降水的D-excess之差（Δd）。结果表明：（1） 黄河流域LMWL方程为：δ²H=7.01δ¹⁸O+1.25（n=293，R²=0.92），斜率和截距相比GMWL均较小，说明雨滴在下落过程中受到云下二次蒸发的影响。其中0～10 mm的降雨事件对云下二次蒸发影响显著；气温越高，或者水汽压、相对湿度越小，云下二次蒸发越强烈。（2） 季节变化上，从春季到冬季， f和Δd逐渐增大，云下二次蒸发逐渐减小。空间变化上，蒙甘区、蒙中区、晋陕甘区和渭河区的西安，年际间云下二次蒸发变化较大，而青南区、祁连-青海湖区、渭河区的平凉、长武、华山和鲁淮区年际差异较小。（3） 降水中Δd和f之间的线性关系在不同气象要素范围内有不同的数值，由于不同区域各气象条件存在差异，因此在应用经验公式时需考虑研究区的具体气象条件。     

新疆夏季云下二次蒸发对雨滴稳定同位素影响的定量研究

在干旱区,雨滴在云下降落易受到二次蒸发的影响,明确降水从云层底部降落到地面过程中稳定氢氧同位素的变化在同位素水文学研究中很有必要。基于新疆地面气象站逐小时的观测资料,采用改进后的Stewart模型,研究了新疆雨滴云下蒸发剩余比（从云下到近地面雨滴蒸发后剩余体积占原体积的百分率f）、雨滴中δD变化量（△δD）和过量氘变化量（△d）的时空特征,并分析了△d与气象要素的关系。结果表明：（1）新疆降水中△d和蒸发剩余比存在明显的空间差异。（2）当在气温低、相对湿度大、降水强度大、雨滴直径大的情况下,蒸发剩余比较大,△d接近于0,蒸发剩余比与△d间的线性关系明显,斜率较低。不同气象条件下,蒸发剩余比与△d的关系并不固定,利用这一线性关系反推蒸发剩余比应慎重。（3）敏感性分析可以得出,如果各气象站的气温升高2℃,△d降幅为0.26%~3.10%;如果相对湿度升高5%,△d升幅为1.23%~8.34%;如果雨强增大10%,△d升幅为0.06%~0.89%;如果雨滴直径增加0.2 mm,△d升幅为0.98%~8.16%,但雨滴直径增加量大于1.2 mm时,△d变化量趋于稳定。     

海河流域降水稳定同位素的云底二次蒸发效应

云底二次蒸发导致的同位素动力分馏可显著影响观测的降水同位素组成和大气水线。本文利用海河流域7个监测站点的降水δ²H和δ¹⁸O数据,分析了云底二次蒸发对流域降水同位素的影响。结果表明：流域降雨水样的大气水线为δ²H=7.19δ¹⁸O-0.74,显著不同于降雪水样的大气水线(δ²H=8.42δ¹⁸O+15.88);流域降雨,特别是小降雨(<5 mm)事件,易受到云底二次蒸发的影响,导致其大气水线的斜率和截距均随着降雨量的减小而减小。流域降雨同位素的云底二次蒸发主要受气温和相对湿度控制,随着气温的升高和相对湿度的减小,云底二次蒸发加剧,导致观测的地面降雨富集重的同位素,同时伴随的同位素动力分馏导致流域降水过量氘(d)值以及大气水线的斜率和截距均减小。与平原地区相比较,流域山间盆地地区受“雨影效应”影响,气候相对干燥,其降雨同位素受更强的云底二次蒸发影响。观测期间,流域小的降雨事件占总降水事件的42%,故云底二次蒸发对流域降水同位素具有重要的影响。     

甘肃黄土高原春旱的气候特征及预测方法

利用甘肃黄土高原55个气象站在1968-2000年间的春季降水、气温资料, 计算了春季干湿指数, 划分了春旱标准, 用REOF方法进行了气候分区, 分析了其时空分布特征和变化规律, 计算了其与欧亚500hPa高度场、赤道北太平洋海温和高原加热场的相关关系, 建立了甘肃黄土高原春旱的均生函数预测模型。结果表明, 干旱有三个高发区, 频率为36%~57%, 约2~3年一遇, 且有增加的趋势。春旱与当年高原500hPa高度场、赤道北太平洋海温及上年盛夏高原加热场呈正相关, 与前期冬季高原加热场呈负相关, 所建立的预报模型有一定的预报能力。     

银川平原降水氢氧稳定同位素时间尺度效应及水汽来源

为揭示银川平原降水稳定同位素的时间尺度效应及水汽来源,采用后向轨迹模型聚类分析法、潜在源贡献分析法(PSCF)和浓度权重轨迹分析法(CWT)解析水汽来源及潜在蒸发源区.结果表明:(1)银川平原降水氢氧稳定同位素组成存在明显的季节性变化,冬半年降水氢氧稳定同位素组成(-38.6‰±51.6‰和-4.5‰±5.2‰)明显偏...     

印度河上游Bagrot山谷降水稳定同位素变化及与水汽来源的关系

利用2015年8月至2016年7月在印度河上游流域Bagrot山谷降水稳定同位素（δ18O和δD）观测结果以及当地气象资料，利用同位素示踪及统计分析方法，并结合HYSPLIT模型，对研究区降水稳定同位素变化特征、大气水线以及水汽来源进行了分析。结果表明，观测期间Bagrot山谷降水稳定同位素的季节变化明显，δ18O与δD秋冬季偏低，春夏季偏高，且与气温变化一致，存在显著的温度效应，而降水量效应不明显。而且发现，研究区局地大气水线截距和斜率均低于全球的，反映了降水过程中云下二次蒸发作用较为强烈，特别是，不同的降水形态导致该研究区局地大气水线的斜率和截距不同。当液态降水（降雨）发生时，由于在较为干旱的气候环境下，雨滴在降落的过程中受到二次蒸发相对较强，使得局地大气水线的斜率和截距偏低；而当固态降水（降雪）发生时，由于温度较低，受再循环水汽和二次蒸发的影响较小，导致局地大气水线的斜率和截距均偏高。Bagrot山谷及其周边地区，从南到北局地大气水线的斜率相差不大，而其截距总体上随着纬度升高而降低，可能与云下二次蒸发导致稳定同位素发生的不平衡分馏逐渐强烈有关。通过Bagrot山谷站点降水稳定同位素观测结果并结合HYSPLIT模型的后向追踪，研究还发现，研究区全年主要受西风环流以及局地环流的影响。但与研究区以北的临近站点（慕士塔格、和田等）相比有所不同，由于Bagrot山谷位置更靠南，其仍然偶尔受到来自南方的海洋性水汽影响。这一研究结果可能对该地区树轮稳定同位素记录的解译具有一定的指示意义。     

封面照片:西秦岭

<正>秦岭自西向东横亘于我国中部,可分为西、中、东三段。西段称西秦岭,其地质构造属秦岭褶皱的西延部分;地处我国地势的第一级阶梯向第二级阶梯的过渡带,西部向甘南高原过渡,北部向陇中黄土高原过渡,南部向四川盆地过渡,东部跨嘉陵江与秦岭中段和汉中盆地连接。西秦岭的海拔一般在2 000~4 000 m,主要山脉有太皇山(海拔3 113 m)、陇南山地(最高峰雄黄山,海拔4 187 m)、鸟鼠山(海拔2 609 m)、迭山(海拔4 920 m)等;山脉走向以东西向为主,陇南山地的走向大致呈西北到东南。西秦岭山岭波状起伏,有许多深     

哈达贺休盐湖卤水氢氧同位素特征及成因分析

内蒙古哈达贺休盐湖蕴藏着较为丰富的地下卤水资源,但对其成因和演化机制尚缺乏充分的认识。采用稳定同位素方法,研究了哈达贺休盐湖地下卤水及其周边水体的氢氧同位素组成特征,并对卤水的成因进行了分析。结果表明:哈达贺休盐湖地下卤水的δD和δ~(18)O值平均值分别为-0.53 ‰和4.01 ‰,黑河河水的δD和δ~(18)O值平均值分别为-36.73 ‰和-5.51 ‰,居延海湖水的δD和δ1~8O值平均值分别为1.26 ‰和2.73 ‰,当地大气降水的δD和δ1~8O值平均值分别为-5.30 ‰和-1.20 ‰。研究区水体的蒸发趋势线方程为δD=5.32δ1~8O-20.08,该蒸发线偏离全球大气降水线。黑河河水的氘盈余值(d)最大,湖水和地下卤水d的最小,而且湖水和卤水的d值与TDS呈负相关关系。偏正的δD和δ~(18)O值以及较小的d值表明研究区卤水经历了强烈的蒸发,同时还存在与含氧类矿物的同位素交换反应。卤水和居延海湖水氢氧同位素值分布比较集中,并且接近,二者都由黑河河水演化而来。     

中国西部局地蒸发水汽贡献率探讨

利用降水、湖水同位素数据并结合相关模型,对我国西部地区的二次蒸发效应以及不同类型水汽对区域降水的贡献率进行了定量的讨论,研究得到以下结论：①夏季风期间,天山-阿勒泰地区所受到的二次蒸发效应较为明显;而青藏高原地区,水体蒸发水汽的向上补给则是影响该区域在全年任何时段下氢氧同位素值发生变化的主要因素.②天山-阿勒泰地区在全年任何时段下均存在二次蒸发效应,且夏季风时的作用程度明显强烈,蒸发比值介于13%~20%,均值为16.7%,远远大于冬季风时的均值4.3%.③青藏高原地区不论是在夏季风还是冬季风期间,上风向水汽对区域降水的贡献率最大,所占比重基本大于50%,贡献率最小的是水体蒸发产生的水汽,其值普遍小于10%;而蒸腾作用产生水汽的贡献率介于两者之间.     

青藏高原西北部大气降水稳定同位素时空特征变化

作为水环境的重要指示剂,稳定同位素已经成为区域水文学、气候学研究的重要工具。降水作为水循环的输入项,其同位素组成是研究山地地表水过程、地下水形成转化、冰川变化等问题的必要信息。为了进一步增加对于青藏高原西北部降水过程及其控制因素的认识,本文基于青藏高原西北部五个长期观测站点降水中δD和δ18O数据,研究了青藏高原西北部与塔里木盆地交界地区大气降水稳定同位素时空分布特征。分析结果显示该地区降水稳定同位素季节变化较为明显,表现出夏高冬低的变化趋势,不同月份呈现出不同的空间分布特征。除狮泉河站降水δ18O值与温度关系不显著外,其余站点δ18O值随温度升高而增加。区域内降水量对降水δ18O值的影响不显著,降水稳定同位素高程效应明显,降水δ18O值随海拔上升而降低。降水过量氘(d值)的分布也呈现出显著的季节差异,总体表现出夏半年高、冬半年低的特点,受水汽再循环的影响,西合休站夏季降水的d值呈现较高的水平。研究表明,气温是控制该地区降水同位素分馏的重要因素,通过对于该区域降水蒸发比的计算发现,该地区临近沙漠的和田站的降水同位素受蒸发作用最为显著,而高海拔地区的狮泉河站降水受蒸发影响最小。     

敦煌盆地降水稳定同位素特征及水汽来源

基于敦煌盆地2012年11月至2013年11月降水氢、氧稳定同位素数据 (δD、δ¹⁸O和d-excess),结合GNIP降水同位素监测资料和HYSPLIT 4模型对降水后向气团传输路径模拟结果,对敦煌盆地降水稳定同位素特征及水汽来源进行研究。结果表明:敦煌盆地降水δD和δ¹⁸O存在明显的季节效应,即降水δD和δ¹⁸O具有夏高冬低的变化特征;同时降水δD和δ¹⁸O表现出显著的温度效应,温度每升高1 ℃,δD增加6.89‰,δ¹⁸O增加0.92‰。敦煌盆地局地大气水线(LMWL)为δD=7.45δ¹⁸O+2.72(R²=0.98),受降水二次蒸发的影响,其斜率和截距均低于全球大气水线(GMWL)。降水d-excess受当地气温和相对湿度的影响,冬半年(11月至次年4月)偏正,夏半年(5-10月)偏负。从全年来看,敦煌盆地降水水汽主要来源于西风输送,冬季和春季受极地气团的影响,夏季部分降水事件受西南季风和局地再循环水汽的影响。     

基于氢氧稳定同位素的兰州市南北两山土壤蒸发时空变化及影响因素研究

基于2018年4—10月在兰州市南北两山采集的降水、河水及土壤样品,对不同水体中的氢氧稳定同位素进行测定,并应用Craig-Gordon模型分析了南北两山土壤蒸发的时空变化及其成因。结果表明：① 兰州市局地大气水线LMWL斜率相比全球大气水线GMWL较小,主要是相对湿度小,雨滴在下落过程中受到云下二次蒸发的影响。由表层0~10 cm至深层60~120 cm,土壤水δ²H和δ¹⁸O逐渐贫化,土壤水线SWL的斜率均呈现规律性增大,说明表层土壤受到的蒸发分馏最为强烈,随着土壤深度的增加,蒸发分馏逐渐减弱。② 时间变化上,局地蒸发线斜率S_LEL在4月较大,土壤蒸发较小,4—6月减小,土壤蒸发增大,6—8月趋于稳定,其中7月土壤蒸发最为强烈,自8月S_LEL增大,土壤蒸发开始减小,一直减小至10月。③ 空间变化上,北山相比南山蒸发损失量f更为强烈,主要原因是北山气温、相对湿度和土壤含水量均高于南山。④ 2018年4—10月,各采样点蒸发损失量f达到峰值和谷值的时间相比降水δ ¹⁸O均存在明显的滞后,主要原因是降水在土壤基质入渗过程中存在滞留。     

西北地区大气降水δ18O的特征及水汽来源

根据2005年各月在中国大气降水同位素观测网(CHNIP)位于西北地区的阜康、策勒、临泽、海北、沙坡头、长武和安塞观测站点收集的降水样品,对其中的同位素的组分进行测定,分析了西北地区大气降水中δ18O的时空分布特征.所建立的局地大气降水线方程δD=7.05δ18O-2.17,反应了西北地区独特的局地气候特点.降水δ18O的温度效应显著,而降水量效应只在夏季(6-8月)间存在.δ18O的空间分布特征可以很好地反映西北地区的大气环流背景.应用瑞利分馏模型及动力分馏模型对阜康-安塞沿线降水δ18O的定量模拟结果,揭示了西北地区降水水汽的分馏主要以动力分馏为主,雨滴在降落过程中历经了一定的二次蒸发过程,其降水水汽中也混入一定量的由局地再蒸发的水汽.此外,利用西北地区在全球大气降水同位素观测网络(GNIP)中的乌鲁木齐、和田、张掖、兰州、银川和西安6个站点的长时间序列的δ18O与降水量、温度等气候因子建立的多元线性回归关系可以对降水δ18O进行定量估算;基于乌鲁木齐站点12年的δ18O资料对该地区的温度拟合,为历史气候的定量恢复提供了依据.     

东亚夏季风的变化特征及其对甘肃夏季暴雨日数的影响

采用NCEP/NCAR再分析资料,计算了1974—2013年乔云亭等定义的东亚季风指数,研究了东亚夏季风的变化特征,利用甘肃省80个站逐日降水资料,分析了东亚夏季风对夏季甘肃暴雨日数的影响。结果表明：（1）夏季,西南季风、东南季风和偏北季风存在明显的年际变化且有所差异。（2）夏季,西南季风、东南季风对甘肃省暴雨日数的影响存在很大差异：当西南季风盛行时,西太平洋副热带高压位置偏西,东亚大槽位于贝加尔湖至中国西北部,冷空气与西太平洋副热带高压输送的暖湿气流在陇东南一带交汇,贝加尔湖至张掖为西南暖湿和西北干冷气流,孟加拉湾水汽输送在陇东南地区辐合,造成河东陇南南部、天水东部、平凉、庆阳西部一带和河西张掖地区暴雨日数偏多;当东南季风盛行时,西太平洋副热带高压西伸北抬,冷暖空气主要交汇于甘肃中西部,孟加拉湾西南水汽输送在河东西南部辐合,造成甘南高原、甘肃中部、河西武威一带和酒泉地区暴雨日数偏多。     

基于格网的甘肃省生态经济分区研究

在讨论以往生态经济分区研究方法与理论的基础上,提出了新的研究思路--基于网格的生态经济分区。利用GIS格网技术和相关统计软件,从甘肃省生态与经济两大系统耦合发展的历程分析入手,选取2010年甘肃省的26个生态经济指标,以6 km×6 km的规则格网,将整个甘肃省分为12 243个研究单元。经过分析比较,甘肃省被分为4个生态经济区即西北干旱区(Ⅰ)、陇中冷温带半湿润区(Ⅱ)、甘南高寒带湿润区(Ⅲ)、陇南暖温带湿润区(Ⅳ)和21个生态经济亚区。结合DEM,进一步对研究区进行分区,以期为促进形成甘肃省可持续发展格局提供科学依据。研究表明,格网技术提高了分区的精度和速度,是进行生态经济分区的有效方式之一。     

新疆三工河流域土壤水δD和δ~(18)O特征及其补给来源

采用环境同位素示踪技术研究旱区不同土地利用类型下的土壤水来源与运移机理,通过以新疆三工河流域为研究区,对三工河流域四个土壤剖面分层采集了不同土地利用类型的土壤水,测定了其稳定同位素(δD、δ~(18)O)的含量,分析了非饱和带土壤水稳定同位素沿土壤剖面的垂向变化规律。结果表明:区内非饱和带中的土壤水在入渗的同时经历了明显的混合作用,荒地土壤水比耕地受蒸发作用影响更强烈,荒地蒸发影响深度为1.2~1.6 m,耕地蒸发影响深度为0.8~1.2m;荒地与耕地土壤水中氢氧同位素在垂向上呈现旋回变化,每个旋回经历了一次新水入渗补给的过程,即新水入渗与土壤老水混合-土壤水氢氧同位素逐渐变小直到贫化极值-地表入渗补给结束,土壤水向下运移并逐渐与土壤老水混合同时受蒸发作用-同位素逐渐富集直到土壤老水本底值;耕地土壤剖面补给水δD值为-112.93‰~-102.58‰,荒地土壤剖面补给水δD值为-111.07‰~-94.44‰,比地下水、地表水同位素值更贫化,可见土壤水中的补给水主要来源于大气降水;灌溉水入渗地表后,在强烈的蒸发作用下,很难向非饱和带深部运移对地下水补给,节水灌溉方式改变了绿洲内土壤水入渗补给机制。研究结论为进一步厘定绿洲内垂向补给量,准确评价三工河流域水资源量提供重要依据。     

长沙降水中稳定同位素的昼夜差别

基于长沙地区降水稳定同位素的实测数据,对不同季节（暖半年、冷半年）、不同降水类型（对流降水、平流降水）、不同降水强度下昼、夜降水中稳定同位素的变化特征进行分析和比较,旨在揭示昼夜降水中稳定同位素的差异及其影响因素,深化对季风区降水稳定同位素变化规律的认识。结果表明：降水中δ¹⁸O在暖半年时段夜间比白天偏正,而在冷半年时段白天比夜间偏正,且均与降水量呈反比;无论在暖半年还是冷半年,相较于白天,夜间温度低相对湿度大,降落雨滴中重同位素蒸发富集作用较弱,从而降水中过量氘d在夜间偏正;由于下垫面水汽再循环对大气水线（LMWL）的影响大于雨滴云下二次蒸发的影响,LMWL的斜率在白天较夜间偏正。在对流降水主导条件下,强烈的辐合气流携带低层具有相对富集同位素的水汽上升,形成降水中的δ¹⁸O明显偏正;相较于对流降水主导,平流云中微弱的空气垂直运动使得高层具有相对贫化同位素的水汽辐合,形成降水中的δ¹⁸O较为偏负;LMWL的斜率则在平流降水主导时更大。随降水强度的增加,降水中稳定同位素逐渐偏负,LMWL斜率和截距均明显增大;在降水强度≥0.1 mm/12 h时,LMWL的斜率在白天更大,截距在暖半年晚上和冷半年白天更大;降水强度≥5.0 mm/12 h时,LMWL的斜率和截距在暖半年白天和冷半年晚上更大。     

新疆三工河流域土壤水δD和δ^(18)O特征及其补给来源北大核心CSCD

采用环境同位素示踪技术研究旱区不同土地利用类型下的土壤水来源与运移机理,通过以新疆三工河流域为研究区,对三工河流域四个土壤剖面分层采集了不同土地利用类型的土壤水,测定了其稳定同位素(δD、δ^(18)O)的含量,分析了非饱和带土壤水稳定同位素沿土壤剖面的垂向变化规律。结果表明:区内非饱和带中的土壤水在入渗的同时经历了明显的混合作用,荒地土壤水比耕地受蒸发作用影响更强烈,荒地蒸发影响深度为1.2~1.6 m,耕地蒸发影响深度为0.8~1.2m;荒地与耕地土壤水中氢氧同位素在垂向上呈现旋回变化,每个旋回经历了一次新水入渗补给的过程,即新水入渗与土壤老水混合-土壤水氢氧同位素逐渐变小直到贫化极值-地表入渗补给结束,土壤水向下运移并逐渐与土壤老水混合同时受蒸发作用-同位素逐渐富集直到土壤老水本底值;耕地土壤剖面补给水δD值为-112.93‰^-102.58‰,荒地土壤剖面补给水δD值为-111.07‰^-94.44‰,比地下水、地表水同位素值更贫化,可见土壤水中的补给水主要来源于大气降水;灌溉水入渗地表后,在强烈的蒸发作用下,很难向非饱和带深部运移对地下水补给,节水灌溉方式改变了绿洲内土壤水入渗补给机制。研究结论为进一步厘定绿洲内垂向补给量,准确评价三工河流域水资源量提供重要依据。     

青藏高原腹地植物碳同位素组成对环境条件的响应

现代植物碳同位素组成是特定环境影响的结果,通过对植物碳同位素组成的研究可以揭示植物生长期环境信息。针对青藏高原腹地高寒草甸~高寒草原过渡区植被碳同位素组成进行研究;该区高山嵩草样δ13C值在-25.63‰~-27.95‰间,平均值-26.63‰;高寒草原区混合样δ13C值于-26.29‰~-27.73‰间,平均值-27.04‰。高山嵩草样δ13C值总体呈现由南东往北西方向正偏趋势,研究区北部高寒草原区混合植物样也呈现出由南向北富重碳同位素趋势。这些变化规律被认为是主要受降水环境影响的结果,而区域内降水条件的展布规律则是受高原夏季风运移方式的控制。对植物δ13C值与地理位置的回归分析表明,该区植被碳同位素组成与地理位置相关,高山嵩草样(r=0.44603,n=29,p<0.05)和混合样(r=0.8112,n=5,p<0.1)均表现出对区域降水环境条件的良好响应。据此,以该区植物δ13C值为背景,进行合理推算,拟定了研究区内干旱区和湿润区界限的位置。     

西北地区东部可利用降水的时空变化特征

 利用西北地区东部91站1961-2009年间的实测气温降水资料,分别计算了该区水分资源各分量降水、蒸发及可利用降水,使用REOF等统计方法,整体分析了该区可利用降水的时空变化特征。结果表明：西北地区东部水分资源匮乏且年际变化大,水分资源各分量时空分布极不均匀;总体上各分量从该区东南部向西北部递减,呈南多北少特征,其中该区东南侧的陕南、陇南、六盘山区及青藏高原东部部分地区年降水量、蒸发量和可利用降水量分别在500、200和200 mm以上,年降水可利用率在30%~50%,可利用降水标准差达80~110 mm,而该区西部的河西走廊和青海西部的年降水量不足50 mm、年可利用降水量不到10 mm,年降水可利用率不足10%,可利用降水标准差在20 mm以下;各分量夏季最大,冬季最小,5~9月是该区主要降水和可利用降水的集中期;降水在水资源各分量中起决定性作用,因此降水的小幅变化导致可利用降水的大幅变化是降水稀少的西北地区东部可利用降水资源匮乏的主要原因,但气温变化造成的影响也不可忽视;西北地区东部5~9月可利用降水异常分布的局域特征明显,常出现陇南、河东、高原、河西走廊等4种异常分布特征。近50 a来,区内可利用降水总体呈东部减少(六盘山区及陇南区尤甚),西部增加的变化格局。