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。     

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。     

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.     

青藏高原那曲河流域降水及河流水体中氧稳定同位素研究

根据青藏高原中部那曲河流域1998年夏季测得的上下游中稳定同位素的日变化,并与同期观测的流域降水中稳定同位素比较,分析了河水中δ18O的变化特征,初步研究了该流域的稳定同位素水文循环过程.河水中δ18O的变化幅度远小于降水,它是降水中δ18O、降水量以及地表蒸发过程共同作用的结果.研究发现湖水对于稳定同位素变化起着显著的调节作用.河水中δ18O与流域降水中δ18O的差异可能反映了该流域强烈的地表和湖面蒸发作用.     

环境同位素特征对滨海岩溶地区海水入侵过程的指示意义

大连大魏家水源地位于中国北方典型滨海岩溶地区。近30年来,地下淡水的不合理开采造成的地下水位降落漏斗引发了严重的海水入侵。以大魏家水源地为研究对象,通过大量的水文地质调查和水化学及同位素采样测试分析,探讨海水入侵形成的水动力条件,通过分析滨海岩溶含水层中地下水主要水化学和多种同位素(δ2H-δ18O,δ34S,δ13C)组成特征,识别了海水入侵过程中发生的主要水文地球化学作用,并对其进行了定量模拟,从而阐明了岩溶含水层中的海水入侵机理。研究结果表明:大连大魏家海水入侵主要通道为大魏家地区存在的导水断裂、岩溶裂隙以及第四系松散地层。对δ2H-δ18O同位素的组成分析表明,研究区地下水主要来自大气降水补给,结合Cl-浓度分布,认为除海水入侵淡水含水层后增加了地下水中的盐分外,浅层地下水的蒸发也对地下水中盐分的累积起到了重要作用。根据不同水体中δ34SSO4,δ13CHCO3等同位素特征,结合水化学成分(如SO2-4,Cl-)分析认为,研究区微咸水和咸水并不是地下水淡水和海水简单混合而成。利用反向水文地球化学模拟揭示了控制滨海岩溶含水层中水化学演化的主要水文地球化学反应有方解石、蒙脱石和石膏的溶解作用,伊利石的沉淀作用以及Ca-Na离子交换作用,伴随着CO2的释放。     

羊卓雍湖流域湖水稳定同位素循环过程研究

基于卓雍错流域2004年降水、河水、湖水中δ¹⁸O的监测结果,结合内陆湖水循环稳定同位素蒸发分馏模型,探讨了青藏高原南部羊卓雍湖水中稳定同位素的变化过程.研究表明:羊卓雍现代湖水中-5.9‰的δ¹⁸O平均值,相对应于当地相对湿度介于54%~58%的气候条件下,这是湖水蒸发分馏作用的最后结果.此外,入湖河水中δ¹⁸O变化也对湖水中平衡δ¹⁸O有一定的影响,而湖水温度的直接影响可以乎略.湖水中δ¹⁸O对入湖水δ¹⁸O的波动的调节能力很强,对于入湖水中δ¹⁸O大的波动,只有不到50 a的时间,湖水中稳定同位素会重新达到平衡.     

南极科考断面水汽同位素观测与模拟及其反映的水循环信息

大气水汽同位素实时监测为水循环和区域大气环流分析提供了新的定量化方法. 依托雪龙号考察船, 利用水同位素激光光谱仪(PICARRO L1102-i)完成了38° N~69° S海表大气水汽氢氧稳定同位素的观测, 结合表层海水和GNIP降水同位素分析了多相水同位素纬向特征. 结果表明: 水汽、降水和表层海水同位素比率(δ¹⁸O, δD)随纬度呈明显的递变性规律, 赤道最低, 副热带升高, 而在南极大陆外围高纬区域则急剧降低;过量氘(d-excess)变化与此相反, 反映出副热带下沉气流对同位素富集影响以及高纬度极地气团经过洋面时过饱和分馏的剧烈变化. 实测水汽同位素与LMDZ4-iso和ECHAM5-wiso模型对比表明了模拟结果较好, 根据模拟进一步分析了南极内陆Dome A水汽同位素反映的水汽源区. 结果显示, 除了中纬度印度洋海区之外, 中低纬东太平洋海域也是冰盖内陆的重要水汽源区.     

湿度效应及其对降水中δ18O季节分布的影响

提出了湿度效应的概念,即降水中稳定同位素比率与大气的温度露点差ΔT_d存在显著的正相关关系.对两个气候特征完全不同的取样站乌鲁木齐和昆明降水中δ¹⁸O与温度露点差之间的关系进行了分析,尽管两站的δ¹⁸O与ΔT_d的季节变化存在差异,但它们的湿度效应是显著的.利用稳定同位素动力分馏模型并根据500hPa月平均温度的季节分布对昆明站云中凝结物中δ¹⁸O进行了模拟,模拟的月平均δ¹⁸O与月平均温度的变化具有非常好的一致性,说明昆明站云中凝结物中的氧稳定同位素具有温度效应.这个结果与地面降水中氧稳定同位素的降水量效应截然不同.昆明站降水中δ¹⁸O一定程度上指示大气的干湿状况,同时也间接地指示降水量的多寡或季风的强弱.湿度效应的存在,影响降落雨滴中稳定同位素蒸发富集的强度以及雨滴与大气之间稳定同位素物质迁移的方向.它不仅改变降水中稳定同位素比率的大小,也改变其季节分布的特点.     

华北平原典型区水体蒸发氢氧同位素分馏特征

为研究华北平原衡水地区水体蒸发氢氧同位素分馏特征,采集不同盐度的深层地下淡水(TDS 为0.61g/L)和浅层地下咸水(TDS为7.97g/L),现场开展室外器皿蒸发实验,获得了当地气象条件下氢氧同位素分馏参数.实验结果显示,淡水及咸水剩余表层水δ18O与剩余水比率f呈指数关系,与瑞利分馏模拟结果一致,δD和δ18O蒸发线斜率分别为4.78和4.69.整个蒸发过程中,淡水及咸水氢氧同位素值增量ΔδD分别为Δδ18O的4.82倍和4.76倍;剩余表层水相对于初始水δD和δ18O的变化量与累积蒸发量之比,淡水分别为2.68‰/cm和0.56‰/cm,咸水分别为2.78‰/cm和0.61‰/cm;而在不同的蒸发时段,剩余表层水δD和δ18O的变化量与蒸发量无明显相关性.受水分子扩散的影响,蒸发皿中氢氧同位素分馏在垂线上分层微弱.由于水体盐度较低,在当地气候条件下进行自由蒸发时,氢氧同位素分馏的盐效应可以忽略.     

青藏高原降水中稳定氧同位素研究进展

稳定氧同位素（δ18O）在冰芯研究中能够很好地反映气候变化,尤其是气温变化的一项重要指标。研究青藏高原降水中δ18O为科学的解释冰芯中δ18O记录具有重要的指示意义。分别介绍了青藏高原季风区、非季风区以及季风区和非季风区的过渡区降水中δ18O研究历史和现状,并对该领域未来的研究趋势进行了展望。     

黑河流域中上游地区降水δ18O变化特征

水资源短缺和合理利用是黑河流域面临的一个严峻问题,解决问题的关键就是要深入了解水循环过程.降水作为水循环中一个重要环节,分析其环境同位素变化特征是应用同位素示踪技术研究水循环过程所必须的前提.根据黑河流域中上游地区取得的降水水样和降水气象资料,分析了该区域降水中δ¹⁸O的变化特征.结果表明:降水δ¹⁸O受降水量、季节、高度和温度等众多因素综合影响,其中温度占主导地位;由于位于干旱内陆地区,降水中δ¹⁸O的季节变化幅度较大,可达20‰以上;降水δ¹⁸O与降水前后平均气温的相关性显著,分别高于δ¹⁸O与降水前气温或降水后气温的相关性.从空间上来看,山区或上游地区降水δ¹⁸O与气温之间的相关性显著,分别高于δ¹⁸O与山前或山前盆地的相关性.     

天山乌鲁木齐河流域山区降水δ18O和δD 特征及水汽来源分析

依据乌鲁木齐河流域山区3个站点实测次降水δ18O和δD数据以及气象观测资料,结合临近GNIP(Global Network of Isotopes in Precipitation)站点数据,对其降水δ18O和δD特征及水汽来源进行了分析。结果表明,大气降水中δ18O值波动范围大,但呈现明显的季节性变化:冬季降水δ18O较低,夏季降水δ18O较高。受流域山区气候和地理条件影响,从上游到下游各站点大气降水线截距和斜率均呈现逐渐减小趋势。大气降水中δ18O和δD与日均气温存在密切正相关关系,且温度与δ18O之间的相关性优于δD。降水中d-excess值也表现出季节性变化,冬季降水d-excess值高于夏季降水。利用HYSPLIT 4.0气团轨迹模型,得出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。     

北冰洋西部晚第四纪浮游有孔虫氧碳同位素记录的海冰形成速率

北冰洋西部晚第四纪浮游有孔虫Neogloboquadrina pachyderma(sin.)(Nps)壳体的δ18O和δ13C与浮游有孔虫丰度和筏冰碎屑含量的综合研究表明,MIS 7晚期以来,Nps的δ18O和δ13C值出现7次明显的偏轻,可能与海冰形成速率的提高造成轻同位素卤水的生产和下沉相关.偏轻的Nps δ18O和δ13C值对应于极低的浮游有孔虫丰度和筏冰碎屑含量,因此这些轻值与温暖的大西洋水和淡水的输入无关,应当指示进入北冰洋的大西洋水减弱和楚科奇海陆架水的大量减少.相反,Nps δ18O的重值则反映输入北冰洋的淡水和太平洋水的减少;Nps δ13C的重值指示来自陆架流通性更好的表层和盐跃层水向北冰洋的输送.     

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。     

淮河下游地区地表水与地下水同位素特征分析

为探明淮河下游地区地表水与地下水稳定同位素的组成特征,于2020年11月对该区域进行代表性采样,共采集地表水样13个,地下水样82个.结合全球大气降水同位素监测网(GNIP)公布的南京降水同位素数据,根据最小二乘法得出当地大气降水线(LMWL)方程为:δD=8.49δ18O+17.71,其斜率和截距高于全球大气降水线(...     

北京连续降水水汽输送差异的同位素示踪

为了探讨连续降水过程中水汽输送的变化,应用NCEP/NCAR资料、HYSPLIT后向轨迹模拟及降水稳定同位素资料对北京22场连续降水的水汽输送差异进行了研究。结果表明:连续降水的水汽输送可分为西向水汽输送、远洋水汽输送、近海水汽输送、远源大陆水汽输送和局地大陆水汽输送5种类型,并以近海水汽输送和西向水汽输送为主（降水量占比60.8%）。不同水汽输送类型下降水δ18O的差异主要受水汽源区同位素富集程度及水汽输送途中降水过程的影响,降水氘盈余的变化反映出二次蒸发的影响及水汽源区大气相对湿度的差异。14场连续降水的水汽输送类型发生了变化,且降水δ18O值的变化能够较好地指示水汽输送类型的变化。该结果说明降水同位素特征能够为识别水汽输送类型提供有效信息。     

黑河下游典型生态系统水分补给源及优势植物水分来源研究

通过对黑河源区降水、 黑河下游河岸林生态系统、 人工梭梭林生态系统梭梭及戈壁红砂生态系统土壤水和浅层地下水稳定氢氧同位素组成(δD、 δ¹⁸O)的测定, 对黑河下游典型生态系统土壤水和浅层地下水的补给源进行了研究. 同时通过对比分析河岸林生态系统胡杨和柽柳、 人工梭梭林生态系统梭梭及戈壁红砂生态系统红砂等优势植物根系水及其对应的土壤水及浅层地下水的δ¹⁸O, 对黑河下游典型荒漠植物水分来源进行了研究, 并对不同潜在水源对植物水分来源的贡献率进行了计算. 结果表明: 河岸林生态系统和人工梭梭林生态系统的土壤水和浅层地下水来自黑河源区的降水, 源区降水通过黑河河道输水补给河岸林进而形成土壤水和浅层地下水, 但人工梭梭林的土壤水蒸发作用强烈. 戈壁红砂生态系统由于远离黑河, 土壤水不受黑河源区中上游输水的补给. 就植物水分来源而言, 在河岸林生态系统中, 乔木胡杨主要利用40~60 cm的土壤水和地下水, 灌木柽柳主要利用40~80 cm的土壤水; 人工梭梭主要利用200 cm至饱和层土壤水和地下水; 戈壁红砂主要利用175~200 cm的土壤水. 因此, 在黑河下游极端干旱区, 土壤水和地下水是维持荒漠植物生存、 生长及发育的主要来源.     

青藏高原北部植物叶片碳同位素组成特征的环境意义

测定了青藏高原北部13个地点101份草本植物叶片碳同位素组成（δ 13 C值）。研究结果表明，与其它地区相比，青藏高原北部植物叶片δ 13 C值相对较高，并且在海拔 4161 m的西大滩仍有植物δ 13 C值落在C4植物区，说明青藏高原的地理特殊性以及植物适应环境的策略。随海拔的升高，植物叶片δ 13 C值也随之升高，但变化程度具有物种的依赖性。唐古拉山南边植物叶片δ 13 C值明显高于北边植物叶片δ 13 C值，分析表明植物叶片δ 13 C值南北分布的这种格局主要是由降水的差异决定的。     

Hydrachemical Characteristics at the Seismic Stations in Songyuan District,Jilin Province

The hydrochemical types and origins of underground water in Songyuan and vicinity, Liaoning Province were discussed based on the hydrochemical composition, δD and δ¹⁸O. The water samples from eight wells were collected 4 times during 2014 to 2015. The main ion concentrations of water were analyzed with an Ion Chromatography. Isotopic compositions of hydrogen and oxygen were analyzed with the Liquid Water Isotope Analyzer. The mineralization (TDS) of the water ranged from 125.4 mg/L to 19 350.9 mg/L. Values of δD and δ¹⁸O ranged from -71.7‰ to -98.1‰ and from -9.0‰ to -12.5‰, respectively. The isotopic data indicated that the water originated from meteorological precipitation. The chemical compositions of Taolaizhao phreatic water were influenced by the human activity while the other water samples collected from artesian well were less affected by the human activity. Water in Changling, Dongdashi, Taohaotai, Qianan and Ningjiang were characterized by HCO₃-Na with low TDS values. Such chemical types of water with fluctuations of Na⁺, SO42- and δ¹⁸O drift were resulted from dissolving silicate minerals and adding surfactant during oil exploitation. Fresh water in Fuyu well was Cl-Na type, which was influenced by acid injection during oil exploitation. Water in Qianguo well was characterized by Cl-Na type with TDS up to 19 350.9 mg/L, the obvious fluctuations of hydrogen and oxygen isotopes and increasing ion concentrations in the Qianguo well may be caused by the earthquakes that occurred in the sampling duration. The results will provide the background of hydrochemistry, and will be of benefit to monitoring earthquake and certificating seismic-chemical anomalies in the future.     

四川鲜水河-安宁河断裂带温泉氢氧稳定同位素特征

温泉地下水同位素特征对确定断裂带地下水来源、循环过程和断裂带活动性至关重要.为了确定青藏高原东缘温泉的地下水同位素特征和流体来源,本研究采集了鲜水河-安宁河断裂带上温泉水、冷泉水、河流和积雪融水等样品,进行了氢氧稳定同位素和水化学组分测定,并进行了同位素特征的对比研究.分析结果表明,温泉水体δ18O变化范围为-19.0...