天山地区大气降水氧同位素的影响因素及其对西风环流变化的指示意义

利用全球降水同位素观测网（GNIP）提供的乌鲁木齐大气降水氧同位素（δ¹⁸O_p）观测数据（1986-2003年）,结合和田δ¹⁸O_p数据及天山冰芯δ¹⁸O记录,分析了天山地区δ¹⁸O_p在年内和年际尺度上的变化特征,及其与主要气候要素（温度和降水量）的关系。结果表明,年内尺度上,δ¹⁸O_p与月均温和月降水量均为显著正相关,表现出明显的“温度效应”;年际尺度上,加权平均年δ¹⁸O_p与年均温度却呈现负相关关系,与降水量仍为正相关。近40~50年的天山地区4支冰芯的δ¹⁸O具有整体偏负的变化趋势,与研究区逐步升高的温度呈反向变化,说明在年际至年代际尺度上,这一区域δ¹⁸O_p与温度之间的负相关关系是客观存在的。进一步对研究区水汽来源路径的对比分析发现：δ¹⁸O_p值偏负的高温年份（1997年）的暖季水汽相对更多来源于远源的高纬度区域,而δ¹⁸O_p值偏正的低温年份（1988年）则相对更多来自近源的中、低纬度区域;同时,研究区上风方向的欧亚大陆14个GNIP站点1997年和1988年的暖季加权平均δ¹⁸O_p值存在高纬度区域偏负而中、低纬度区域偏正的特征;这些结果说明年际至年代际尺度上,天山地区δ¹⁸O_p与温度之间的负相关,本质上指示了西风环流南北摆动所引起的水汽来源变化,可以作为西风环流变化的指示器。     

黄土高原东部夏半年降水稳定同位素特征及水汽来源分析

大气降水氢氧稳定同位素的组成可以指示降水过程的气候环境变化,分析大气降水稳定同位素的变化,对于研究气候条件下的水文循环过程具有重要意义。本文基于2019年夏半年（4—10月）黄土高原东部8个站点采集的152个降水样本的δ²H和δ¹⁸O的测定,系统分析δ²H和δ¹⁸O的时空分布特征及与气象参数、云下蒸发的关系,并利用HYSPLIT模型分析了水汽来源及运移路径。结果表明：① 研究区夏半年降水δ²H¹和δ¹⁸O存在显著的季节变化,其中5—7月逐渐富集、8—9月逐渐贫化;研究区降水δ²H和δ¹⁸O亦表现出显著的空间差异,整体上呈现由东南向西北逐渐增加的趋势。② 区域大气降水线的结果表明,该区整体上降水受云下蒸发作用较为显著,但位于盆地地区（赵城、阳泉、长治）降水过程受局地内循环影响较明显。③ 该区域降水中δ¹⁸O并未表现出显著温度效应和降水量效应,仅汾河谷地的介休站存在温度效应而介休、临汾站存在降雨量效应。④ 云下蒸发过程对太行山土石山区中部的阳泉站、北部的大同站以及汾河谷地的临汾站影响较为显著,其云底与地表降水的氢氧稳定同位素差异较显著。⑤ 水汽来源分析的结果显示,该区域夏季降水的主要来源为近地及东南方向下的渤海等地,远距离下的西方路径水汽含量占比较小。本文的结果对于增进区域水循环的认识及水资源的合理优化配置具有重要意义。     

泥炭记录的帕米尔高原晚全新世温度变化研究

近年来,“全新世温度谜题”已经受到全球古气候学者的广泛关注,为了解决这一谜题,需要在全球不同区域进行更多的全新世温度重建。帕米尔高原位于亚洲内陆核心区域,目前有关帕米尔高原全新世气候变化的研究相对较少,且已有的研究主要集中于相对湿度(或降水)变化的研究,而涉及温度变化的成果则相对较少。论文首先研究了表土碳同位素与气候因子之间的相关关系,结果显示帕米尔高原的δ¹³C_org与温度正相关;进一步在7个AMS ¹⁴C测年数据的支持之下,基于175个泥炭δ¹³C_α-cellulose分析,重建了帕米尔高原过去约5000 a的温度变化历史。结果发现：帕米尔高原晚全新世以来整体呈现波动升温趋势,约5000~3600 cal a BP阶段处于缓慢降温期;约3600~200 cal a BP处于波动升温期;驱动机制分析显示,约3600 cal a BP之前温度下降主要是夏季太阳辐射下降导致的,约3600 cal a BP之后温度上升是由温室气体辐射强迫增强导致的。     

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。     

艾比湖流域典型荒漠植被水分利用来源研究

在以风沙和干旱为基本特征的干旱、半干旱生态环境中,荒漠植被在防风固沙及维持荒漠和绿洲生态系统的稳定性方面有重要作用。选取艾比湖流域不同生境（河岸、沙丘、荒漠、盐沼）典型荒漠植被胡杨（Populus euphratica）、梭梭（Haloxylon ammodendron）、白刺（Nitraria sibirica）和盐穗木（Halostachys caspica）为研究对象,运用稳定同位素方法分析降水、土壤水、植株水和地下水同位素组成变化特征,量化4种植被在整个生长期内吸水来源及比例。结果表明：① 艾比湖流域降水δ²H和δ¹⁸O值变化范围为-142.5‰~-0.6‰和-20.16‰~1.20‰,表现为夏季最大,冬季最小,春秋季居中的态势。② 4类生境条件下的土壤水δ²H和δ¹⁸O值沿剖面总体表现为随着深度增加逐渐减小;不同植株茎水δ²H和δ¹⁸O值时间变化趋势基本一致,春季最大,夏季最小,秋季又逐渐增加;不同植株间比较,盐穗木茎水稳定同位素值最大,其余依次为白刺、梭梭和胡杨。③ 荒漠植被在不同生长期吸水来源及利用比例不同,梭梭在整个生长期主要利用地下水;白刺利用水源比例在整个生长季内变化较大,春季主要利用表层土壤水,贡献率为80%~94%,夏季利用深层土壤水的比例为31%~36%,秋季利用中层土壤水的比例达到33%~36%;盐穗木春季和秋季主要利用表层土壤水,夏季中间层土壤水比例略有提升,为20%~36%;胡杨春季主要利用中间层土壤水,利用比例为53%~54%,夏季主要利用地下水,比例达到72%~88%,河水利用比例仅为2%~5%,秋季河水利用比例升高为11%~21%。研究结果显示,干旱区荒漠植被生长季内水分利用来源差异明显。本文为了解干旱区荒漠植被的水分利用机理、水分适应策略,以及植被恢复和管理提供理论依据。     

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。     

台风“海马”对洞庭湖流域降水同位素的影响研究

基于2011年第4号台风“海马”登陆前后洞庭湖流域内长沙降水同位素资料,分析了降水同位素的变化特征以及水汽输送对降水同位素的影响。结果表明：台风“海马”在洞庭湖流域内长沙所形成降水的大气水线的斜率和截距均小于长沙夏季大气水线,这与根据同位素分馏理论做出的推测相吻合。台风天气系统影响下的流域降水δ ¹⁸O值为研究时段内的最低值,即降水同位素被显著贫化,而降水过量氘（deuterium excess,记为d）波动明显要小于其他时段,后者反映了形成台风降水的水汽来源较为单一。研究时段内长沙降水d指示台风降水前、台风降水中两个阶段水汽来源于西太平洋,水汽输送轨迹也印证了降水d所指示的水汽来源情况,如流域台风降水的水汽主要来自前期台风输送至南海北部的西太平洋水汽。台风降水后这一阶段降水中d指示海洋水汽来源的效果降低,其原因在于海洋水汽输送减少、陆地蒸发旺盛以及下落雨滴蒸发强烈所致。     

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。     

中国西北部高山区多尺度降水稳定同位素的时空变化成因分析

大气降水氢氧稳定同位素可以指示降水过程的气候环境变化,分析其变化对于研究现在及过去气候条件下的水文循环过程具有重要意义。本研究选取中国西北部典型的天山、昆仑山为研究对象,基于研究区5个高山站点2013—2015年间的353个大气降水样品的δ²H、δ¹⁸O分析测试结果,系统分析了不同时间尺度下δ²H与δ¹⁸O的时空分布特征及其与环境要素的关系,并结合ERA5数据探讨了其水汽通量及风向特征。结果表明：(1)研究区大气降水稳定同位素呈现较为显著的时空变化特征,降水δ¹⁸O季节上呈现夏高冬低,而空间上呈现北高南低;拟合的区域大气降水线为δ²H=7.74δ¹⁸O+5.83 (R²=0.98),揭示其降水过程受云下蒸发影响强烈(斜率较低)。(2)研究区降水δ¹⁸O与温度呈现正相关关系,与高程呈现负相关关系,而与降水量间无显著相关关系。(3)水汽来源的分析结果表明,研究区水汽输送路径主要为西方路径(占比6...     

Water sources for typical desert vegetation in the Ebinur Lake basin

In arid and semi-arid environments, desert vegetation plays an important role in preventing soil erosion by wind and helps maintain the stability of desert and oasis ecosystems. Four types of typical desert vegetation, namely Populus euphratica, Haloxylon ammodendron, Nitraria sibirica, and Halostachs caspica, corresponding to different habitats (i.e., river bank, sand dune, desert, and salt marsh) were chosen as the model vegetation in this research. The δ²H and δ¹⁸O for rainwater, soil water, and plant water were applied to identify the water sources and quantify the proportions of different water sources used over the entire plant growth period (from March to October). The results showed that the precipitation δ²H and δ¹⁸O in the Ebinur Lake basin varied from -142.5‰ to -0.6‰ and from -20.16‰ to 1.20‰, respectively. The largest δ²H and δ¹⁸O values occurred in summer and the smallest in winter. The soil water δ²H and δ¹⁸O of the four habitats decreased gradually with increasing depth. The δ²H and δ¹⁸O values of water extracted from the stems of the four plants had similar variation trends, that is, the maximum was observed in spring and the minimum in summer. Among the four plants, H. caspica had the highest stable isotopic values in the stem water, followed by N. sibirica, H. ammodendron, and P. euphratica. The water sources and utilization ratios of desert vegetation varied across different growth stages. Throughout the growing period, H. ammodendron mainly used groundwater, whereas the water source proportions used by N. sibirica varied greatly throughout the growing season. In spring, plants mainly relied on surface soil water, with a contribution rate of 80%-94%. However, in summer, the proportion of deep soil water used was 31%-36%; and in autumn, the proportion of middle soil water used was 33%-36%. H. caspica mainly relied on topsoil water in spring and autumn, and the proportion of soil water in the middle layer slightly increased to 20%-36% in summer. P. euphratica mainly used intermediate soil water in spring with a utilization rate of 53%-54%. In summer, groundwater was the main source, with a utilization rate of 72%-88%, and only 2%-5% came from river water, whereas in autumn, the river water utilization rate rose to 11%-21%. The results indicated that there were significant differences in water use sources during the growing period for desert vegetation in arid areas. This research provides a theoretical basis for understanding water use mechanisms, water adaptation strategies, and vegetation restoration and management in arid areas.     

福建仙山泥炭距今1400 a以来的α-纤维素δ13C记录及其气候意义

基于对福建屏南仙山泥炭沉积物中物理化学性质十分稳定的α-纤维素的提取及其碳同位素分析,重建了研究区距今1 400 a以来的气候演化历史。研究结果显示：仙山泥炭钻孔中α-纤维素δ¹³C值的变化范围为-26.6‰~-11.3‰,其大幅度的波动特征主要与区域降水控制的盆地沉积环境变化有关,当降水偏多时盆地积水形成类似湖泊的水下沉积环境,沉积物中有机质主要来源于δ¹³C值偏重的沉水植物;反之则以δ¹³C值偏轻的沼泽植物为主。依据AMS¹⁴C测年的结果,距今1 400 a以来研究区经历了气候偏湿（AD 600~910年）-偏干（AD 910~1640年）-偏湿（AD 1640年至今）3个变化阶段。在数十年至百年时间尺度上,纤维素δ¹³C记录中出现的降水减少时期与太阳活动极小期（中世纪极小期、欧特极小期、沃夫极小期、史波勒极小期、蒙德极小期和道尔顿极小期）一一对应,两者呈现正相关关系,揭示太阳活动的减弱是控制研究区降水减少的主要因素,为预测区域降水变化趋势提供了依据。     

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。     

祁连山排露沟流域降水δ18O和δD特征及水汽来源

降水氢氧同位素受气温、降水量、海拔、水汽来源等多种因素控制,是研究区域水文循环过程的重要手段。基于祁连山中段排露沟流域3个站点降水稳定氢氧同位素数据（δ¹⁸O、δD、d-excess）和气象观测资料,结合临近GNIP站点监测资料和HYSPLIT 4.9模型对流域降水同位素特征及水汽来源进行分析。结果表明：流域降水δ¹⁸O值波动范围大（-32.32‰~+3.23‰）,季节性变化明显,冬季δ¹⁸O值较低,夏季δ¹⁸O值较高。降水δ¹⁸O和δD值与日均气温均存在密切正相关关系,即温度效应明显。受山区气候和地理条件影响,各站点局地大气降水线（LMWL）截距和斜率相似;与临近GNIP站点（张掖）进行对比,流域降水明显受局地水汽和二次蒸发影响较少。降水d-excess值表现出与δ¹⁸O值相反的季节性变化趋势。结合HYSPLIT 4.9气团轨迹模型,得出流域夏季水汽主要来源西风环流输送,冬季受西风环流和极地气团共同影响。     

祁连山东部大气降水分δ17O变化特征及水汽输送

祁连山作为我国西部重要生态安全屏障，是河西走廊内陆河流域核心水源区。通过测定2013年7月~2014年7月收集的降水样品中δ¹⁷O与δ¹⁷O值，分析了祁连山东部乌鞘岭大气降水中δ¹⁷O的特征，在此基础上对水汽来源进行了研究。结果表明：降水稳定同位素¹⁷O存在夏高冬低的变化特征；¹⁷O存在显著的温度效应而不存在降水量效应，¹⁷O与水汽压在干季呈现正相关关系。研究区大气降水的氧同位素降水线方程为：δ′¹⁷O = 0.509δ′¹⁷O -0.16，低于氧同位素全球降水线斜率；过量δ¹⁷O表现出夏低冬高的特点；综合分析氧同位素大气降水方程线和过量δ¹⁷O变化，发现该区域大气降水主要受局地水循环和大陆气团控制。祁连山东部地区主要受到西风和东南季风携带水汽影响，东南季风携带水汽对于祁连山东部的影响主要集中于夏季。研究可提高对祁连山区降水同位素演化的认知，为寒旱区同位素水文学的进一步研究奠定基础。