中纬度地区混合云中稳定同位素分馏的数学模拟—以乌鲁木齐降水为例(英)

介绍的数学模型考虑了混合云中液、固态共存时以及冰面过饱和环境下稳定同位素的动力分馏效应。利用该数学模型,模拟了不同冷却条件下稳定同位素的温度效应。在相同的湿度条件下,湿绝热冷却过程中δ18O随温度的变化率小于等压冷却过程。冰面过饱和比Si的增大意味着动力分馏效应的增大。与平衡态相比,它的作用使得稳定同位素的综合分馏系数减小,从而使得降水中δ18O随温度的变化趋缓。模拟显示,湿绝热冷却过程中大气水线(MWL:=bδ18o+d)的斜率b和常数d均大于等压冷却过程。全球大气水线位于湿绝热冷却过程和等压冷却过程条件下分别模拟的两条大气水线之间。b和d的大小与Si呈正比。Si愈大,动力分馏效应愈强,b和d也愈大。反之亦然。然而,b和d的大小对云中含水量的变化具有低的敏感性。利用动力分馏模式模拟了乌鲁木齐降水中稳定同位素的变化。模拟的稳定同位素比率-温度以及δD-δ18O曲线分别与乌鲁木齐实测的稳定同位素比率-温度同归线以及大气水线有非常好的一致性。     

中纬度地区混合云中稳定同位素分馏的数学模拟——以乌鲁木齐降水为例

文中介绍的数学模型考虑了混合云中液、固相共存时以及冰面过饱和环境下稳定同位素的动力分馏效应.利用该数学模型,模拟不同冷却条件下稳定同位素的温度效应.在相同的湿度条件下,湿绝热冷却过程中δ18O随温度的变化率小于等压冷却过程.冰面过饱和比S;的增大意味着动力分馏效应的增大.与平衡态过程相比,它的作用使得稳定同位素的综合分馏系数减小,从而使得降水中δ18O随温度的变化趋缓.模拟结果显示,湿绝热冷却过程中大气水线(MWLδD=bδ18O+d)的梯度项b和常数项d均大于等压冷却过程.不同的冰面过饱和比对大气水线的影响是不同的.与冰面过饱和比相比,b和d的大小对云中含水量的变化敏感性较低.模拟结果还显示,乌鲁木齐的降水不是来自海洋水汽的初始凝结.在经历了长途输送之后,乌鲁木齐降水中的稳定同位素成分在很大程度上被衰减.模拟的稳定同位素比率/温度、δD/δ18O曲线分别与乌鲁木齐实测的稳定同位素比率/温度回归线以及大气水线有非常好的一致性.     

基于GCM的乌鲁木齐水汽稳定同位素变化特征及其与ENSO的关系

利用第二稳定水同位素比较小组(SWING2)提供的同位素大气环流模式(GCM)的模拟数据(Had AM3、LMDZ-free和LMDZ-nudge),以新疆乌鲁木齐为例,对比分析了该区域大气水汽中稳定同位素垂直剖面的季节变化,分析了同位素比率与气象要素之间的关系以及ENSO对大气水汽稳定同位素的影响。结果表明:各模拟结果中大气水汽中δ18O在季节变化上均表现为7月较高,1月较低;在垂直层面上,δ18O随气压的降低而逐渐减小。降水和水汽中δ18O的季节变化趋势一致,但由于瑞利分馏的影响,降水中δ18O比水汽中δ18O更富集。在垂直层面上,大气水汽中δ18O与温度呈正相关,与纬向风和经向风的相关性较小,降水中δ18O与纬向风和经向风的相关性也较小。在厄尔尼诺年,δ18O与SST呈负相关,在拉尼娜年则呈正相关,大气环流异常使研究区气温和降水发生变化,进一步也会影响水汽中的同位素值,ENSO一定程度上对研究区水汽同位素的变化产生影响。     

由TES反演的大气水汽中δD的时空分布特征

水汽在大气中的输送具有空间上和时间上的连续性.利用水汽同位素可以更全面地分析水汽的来源、路径、水循环中各分量的再分配和补给形式,更深入地了解水循环中各种空间和时间尺度下水汽的连续变化特征和历史.本研究利用对流层发射光谱仪(TES)反演的825-100 hPa层间7个等压面上HDO和H2O数据分析了对流层不同层次大气水汽中δD的时空分布规律以及水汽中δD与大气湿度、大气温度的关系,探讨了水汽同位素与降水同位素的关系以及大尺度水循环过程对水汽同位素的可能影响.结果显示,在空间分布上,对流层大气中水汽δD具有非常明显的带状分布,水汽中δD的分布与可降水量的分布存在很好的对应关系;水汽中δD随垂直气压呈对数型递减,平均递减率由赤道向高纬度减小、陆地向海洋减小.在时间变化上,大气水汽中δD的季节变化存在地域性差别.在中低纬度陆地,水汽中δD的季节变化明显,且与可降水量的季节变化相对应;在中高纬度的许多地区,夏季水汽中δD小于冬季.对流层水汽中δD的空间分布和季节变化具有一致性特点,上对流层和下平流层间水汽中δD的空间分布和季节性变化特点与对流层相反.对流层大气水汽中的δD与层间平均温度和可降水量的相关关系具有相似的分布形势.与降水中的稳定同位素相比,水汽中的稳定同位素在空间分布、季节变化、与温度和湿度的关系上存在某些差异,反映二者在受稳定同位素分馏的影响和水循环中大气环流类型的影响方面存在明显差别.     

祁连山中段大冬树山降水稳定同位素的环境意义

为探讨祁连山中段大冬树山降水稳定同位素的环境意义,依据2014年大冬树山垭口站(4146. 8 m)的145个降水样品以及同期气象数据,对研究区降水稳定同位素特征及降水稳定同位素与各局地气象因子的相关关系进行分析。结果表明:(1)研究时段内大冬树山垭口站降水稳定同位素年际波动大,季节变化明显,表现为夏、秋季高,冬、春季低的特征;(2)所有次降水事件中δ18O温度效应显著,温度每升高1℃,δ18O增加0. 62‰,而降水量效应不明显,仅在夏季降水事件中δ18O存在微弱的降水量效应,表明研究区温度是降水稳定同位素演化的主要因素;(3)研究区δ18O和d-excess与平均气压都呈显著正相关,表明云下二次蒸发对降水稳定同位素的影响显著。研究结果有助于进一步了解祁连山内陆河流域同位素水文过程。     

青海湖高寒湿地生态系统生长季大气水汽氢氧稳定同位素特征

基于对植物生长季大气水汽氢氧稳定同位素组成(δ~(18)O、δD)的原位连续观测数据,研究了青海湖高寒湿地生态系统大气水汽氢氧稳定同位素特征以及大气水汽δ~(18)O与主要环境因子的相关关系。结果显示:大气水汽中δ~(18)O和δD在0.5 m和1.5 m以及0.9 m和1.9 m之间差异性都很小,且季节变化趋势都表现为生长季中期低,前期和后期高。降水量、温度、相对湿度、蒸散和净辐射都是影响大气水汽δ~(18)O变化的重要环境因子,且各环境因子之间存在相互联系协同作用的关系。受研究区环境因子、大气水汽来源以及青海湖蒸发水汽的影响,表征当地大气水汽δ~(18)O和δD相关关系的大气水汽线方程MVL偏离全球大气降水线方程GMWL。     

黑云杉林大气CO2稳定同位素组成δ13 C,δ18 O的分析

研究CO2稳定同位素特征可以揭示光合、呼吸作用等众多信息，从而有助于了解生态系统与环境之间的碳循环过程。利用大气CO2浓度及其稳定同位素的测定资料，分析稳定同位素比δ^13Cδ^18O，发现两者具有相似的时空分布特征。主要表现在δ^13C和δ^18O在冠层内具有明显的垂直变化趋势，冠层上部重同位素含量较高，而底部含量较低。从时间变化看，δ^13Cδ^18O在午后到日落具有较高的水平，而凌晨，δ^13Cδ^18O较低。运用Keeling图法分析δ^13Cδ^18O和CO2浓度的关系，发现δ^13C，值主要受光合和呼吸作用影响，与CO2浓度的高低密切相关；而δ^18O的变化比较复杂，因为δ^18O除受光合、呼吸强度影响外，还取决于环境空气湿度。     

中国不同水体中δD与δ~(18)O研究进展

水体中氢氧稳定同位素对环境变化十分敏感,水汽蒸发、凝结至雨滴降落过程中,δD和δ18 O的变化与水汽来源及周围气象要素(温度、降水量、相对湿度等)之间存在密切的联系。研究不同水体中δD和δ18 O的时空分布特征可以探讨大气环流特征及全球和局地水循环机制,也可以为古气候、古环境的定量恢复与重建提供新依据,具有重要的应用意义。本文对中国不同水体中δD和δ18 O的研究进展进行综述,总结国内关于氢氧稳定同位素方面的研究进展和研究方法,探讨了其学科交叉与应用价值,并基于氢氧稳定同位素研究现状展望了未来研究的重点方向,以期为相关研究提供参考。     

长江流域大气降水中δ^18O变化与水汽来源

根据GNIP所提供的长江流域多年月平均降水中δD、δ^18O料以及NOAA-CIRES提供的NCEP/NCAR再分析资料,研究了长江流域降水稳定同位素与降水量、水汽压、温度和水汽来源之间的关系。结果表明：在平均季节尺度下,长江流域大气降水中δ^18O降水量、水汽压和温度均存在显著的负相关关系,说明该流域降水中δ^18O...     

四川盆地与关中盆地春夏季大气降水氧同位素特征及意义

利用四川、关中盆地大气降水稳定同位素观测资料,通过计算、对比分析了两盆地内部降水稳定同位素春夏季节的变化特征.结果表明:两地降水稳定同位素在季节尺度上都具有显著的季节性变化;大气降水δ¹⁸O值与温度、降水量的相关性及变化趋势表明温度及降水量都不是两盆地内春、夏季上控制降水中稳定同位素变化的主要因素;两地春夏季大气降水线及其斜率、截距的异同,可以反映出两地局地气候特点及降水水汽来源的不同.降水水汽的来源是影响两盆地大气降水稳定同位素变化的主要因素,同时地理因素在季节上对地区降水水汽输送路径的影响改变了局地降水稳定同位素的组成.     

Simulations of Stable Isotopic Fractionation in Mixed Cloud in Middle Latitudes―Taking the Precipitation at ürǖmqi as an Example

The introduced mathematical model takes into account the role of the kinetic fractionation effect in a supersaturation environment at the ice surface as liquid and solid phases coexist in mixed cloud. Using the model, the temperature effect of stable isotopes in precipitation is simulated under different cooling conditions. The rate of change of δ18O against temperature in the process of wet adiabatic cooling is smaller than in the process of isobaric cooling under the same humidity. The increasing supersaturation ratio at the ice surface, Si, leads to the strengthening of the kinetic fractionation effect. The kinetic fractionation function makes the synthesis fractionation factor decreased and the change of δ18O with temperature flatted, compared with that in the equilibrium state. The simulated results show that the slope parameter b and the intercept d of the meteoric water line (MWL), δD = bδ18O+d, in wet adiabatic cooling are both greater than those in isobaric cooling. The global MWL lies between the two MWLs simulated under wet adiabatic and isobaric cooling processes, respectively. The magnitudes of b and d are directly proportional to Si. The greater the Si, the stronger the kinetic fractionation effect, and thus the greater the b and d, and vice versa. However, b and d have low sensitivity to the liquid-water contents in the cloud. Using the kinetic fractionation model, the variation of stable isotopes in precipitation at Urumqi is simulated. The simulated stable isotopic ratio vs temperature and the δD vs δ18O curves are very consistent with the actual regressions and MWL at Uruimqi, respectively.     

长江流域大气降水中δ^18O变化与水汽来源

根据GNIP所提供的长江流域多年月平均降水中δD、δ^18O料以及NOAA-CIRES提供的NCEP/NCAR再分析资料,研究了长江流域降水稳定同位素与降水量、水汽压、温度和水汽来源之间的关系。结果表明：在平均季节尺度下,长江流域大气降水中δ^18O降水量、水汽压和温度均存在显著的负相关关系,说明该流域降水中δ^18O化存在显著的降水量效应、湿度效应和反温度效应。基于降水中过量氘示踪水汽来源原理,分析了中国长江流域季风区降水中过量氘与阿拉伯海、孟加拉湾和南印度洋3个海区相对湿度的关系,表明中国长江流域的水汽主要来源于上述3个海区,而昆明和成都可能受到其他水汽作用,使其与水汽源区的相对湿度呈正相变化。     

降落雨滴中稳定同位素比率变化的数学模拟

根据扩散定律和热量平衡理论,运用云物理学模式,对降落雨滴中稳定同位素比率的变化进行了数值模拟,发现降落雨滴中稳定同位素比率的变化除受湿度条件的影响外,还受大气水汽中稳定同位素比率的影响。在非饱和大气中,受蒸发过程的影响,降落雨滴中稳定同位素比率随降落距离而不断增大,空气湿度越小,增大幅度越明显。平均而言,大气湿度与ｄδＤ／ｄδ１８Ｏ和Ｅｘｄ呈正比。ｄδＤ／ｄδ１８Ｏ以８为渐近线,Ｅｘｄ则在高湿和较大半径条件下逐渐趋近于一个常数;在饱和大气中,半径较小的雨滴或在湿度较高的环境中,雨滴中稳定同位素达到平衡的时间较短。反之,达到平衡的时间较长。     

黑云杉林大气CO2稳定同位素组成δ13C,δ18O的分析

研究CO₂稳定同位素特征可以揭示光合、呼吸作用等众多信息,从而有助于了解生态系统与环境之间的碳循环过程。利用大气CO₂浓度及其稳定同位素的测定资料,分析稳定同位素比δ¹³C、δ¹⁸O,发现两者具有相似的时空分布特征。主要表现在δ¹³C和δ¹⁸O在冠层内具有明显的垂直变化趋势,冠层上部重同位素含量较高,而底部含量较低。从时间变化看,δ¹³C和δ¹⁸O在午后到日落具有较高的水平,而凌晨,δ¹³C和δ¹⁸O较低。运用Keeling图法分析δ¹³C、δ¹⁸O和CO2浓度的关系,发现δ¹³C值主要受光合和呼吸作用影响,与CO₂浓度的高低密切相关;而δ¹⁸O的变化比较复杂,因为δ¹⁸O除受光合、呼吸强度影响外,还取决于环境空气湿度。     

中国降水稳定同位素的分布特点及其影响因素

利用IAEA＼WMO＼GNIP的降水稳定同位素资料,分析了中国降水稳定同位素的时空分布特征及其影响因素。结果表明,整体来看我国降水稳定同位素有明显的大陆效应和高度效应。各地大气降水线存在地域差异,内陆地区同一站点冬、夏半年也有明显差异,显示出水汽团特性的不同。不同地区降水稳定同位素（6和过量氘）的季节变化特征明显不同,表明主要水汽来源存在季节性差异。通过对比长序列降水稳定同位素的年际变化与季风和ENSO指数的关系,发现ENS0与降水稳定同位素有显著的正相关,但不一定通过影响降水量来引起降水稳定同位素（stable isotope in precipitation,SIP）的变化。重点分析了我国降水量效应、温度效应的特点,指出沿海和西南等季风区主要受降水量的影响,北方非季风区温度效应起主要作用,交叉地带则两种效应都有影响。     

中国大陆夏季水汽稳定同位素空间特征

大气降水的水汽来源主要是海洋,而借助降水稳定同位素空间分布格局可以反演水汽输送路径,进而示踪水汽来源。利用全球降水同位素监测网数据,基于GIS平台完成了中国大陆夏季大气降水δD、δ¹⁸O和过量氘空间格局表征。中国大陆夏季氢氧稳定同位素空间分布存在着地域分异,其成因与不同水汽源及诸多环境效应密切相关。非季风区内的西北内陆高值中心与欧亚大陆自蒸发及经由西风带输送的大西洋水汽相关,青藏高原高值则是由高程效应所造成。季风区内大气降水稳定同位素总体呈现出自东南向西北递减趋势,多由纬度效应、大陆效应共同作用而形成;我国西南地区氢氧稳定同位素明显低于同纬度东南地区的,西南地区地形复杂和气流暖湿造成的雨量效应应该是主因。过量氘空间格局则与中国大陆三大气候带分界线基本吻合,区分了西北内陆低值区、青藏高原高值区及东部的自西南向东北递减趋势显著区。依据季风区内大气降水过量氘空间分布特征,大体推断出中国大陆西南夏季风与东南夏季风的区域影响分界可能在"长沙—西安"一线附近。     

湛江地区汛期降水稳定同位素的变化与水汽来源的关系

以湛江降水为研究对象,利用收集的2019年汛期68个降水样品及同期气象资料,采用同位素示踪技术,结合HYSPLIT(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory)模式溯源,分析了湛江地区汛期降水稳定同位素的变化与水汽源地的关系,并对5个代表性的降水个例进行了诊断分析。结果表明:1)湛江地区汛期局部降水线为δD=8.02318O-0.703 7,R2=0.954,n=68;前汛期季风带来西太平洋的水汽,18O含量丰富;后汛期降雨主要取决于局部大气环流,一定程度受云下二次分馏影响,δD和18O偏低。2)前汛期西南季风爆发前,湛江降水的水汽主要源于副热带高压外围东南气流输送的西太平洋水汽,西南季风爆发后,南海、孟加拉湾为其水汽源地;后汛期热带系统带来的降水,南海、孟加拉湾为主要水汽源地;非热带系统带来的降水,孟加拉湾为主要水汽源地。     

非均匀下垫面边界层的观测和数值模拟研究(I):冷岛效应和逆湿现象的完整物理图像

利用HEIFE、DHEX和GAME/Tibet 3个观测试验和部分常规气象站观测资料,分析了下垫面非均匀条件下产生的冷岛效应和逆湿现象的完整物理图像以及它们对地表能量和五水转化的影响.分析结果表明,下垫面非均匀特征对五水转化有着明显的影响;冷岛效应和逆湿现象是下垫面非均匀性的必然结果,它们在自然界普遍存在;现有陆面过程模式很难刻画冷岛效应和逆湿现象,通常现有陆面过程模式很难将冷岛效应中的热量平流转化成蒸发潜热,同时陆面过程模式也混淆了逆湿现象和发生在下垫面上的大气水的冷却凝结.这些评述将有助于今后非均匀陆面过程的进一步研究.     

不均匀植被分布对地表面和大气边界层影响的数值试验

研究陆地与大气间相互作用的方法之一是建立联系地表面层与大气间各种过程的数值模式进行模拟。本文是建立一个陆面过程与二维大气边界层相耦合的模式,耦合模式中包含了发生在大气边界层、植被冠层和土壤表层各种动力、热力和水文过程。运用这一模式模拟了荒漠环境中一片绿洲的不均匀地表面形成的局地气候。由于绿洲植被与周围荒漠有着显著不同的水份与能量平衡关系,使绿洲表面与边界层较四周荒漠冷而湿,并形成了相应的局地环流,即所谓“绿洲效应”。试验结果表明,模拟的气候状况与观测现象是一致的。模式可以用于陆气相互作用的研究。     

中国东部地区大气水汽稳定同位素的影响因子追踪研究

大气水汽稳定同位素是现代水循环的重要示踪剂,可以有效地追踪水汽来源及其输送过程。在中低纬度季风区,局地“降水量效应”是大气水汽稳定同位素的主要特征,但是近期研究表明,水汽来源及其输送过程等非局地因素也有重要影响。因此,本文基于拉格朗日粒子扩散模式和卫星遥感观测的大气水汽稳定氘同位素数据（数值表示为千分差,δD）,针对前人研究较少的中国东部石笋氧同位素区域,进行水汽源地追踪,并在季节和年际尺度上分析水汽δD的主要影响因素。结果表明,在季节尺度上,水汽δD在夏末秋初较低,冬春季较高,这种特征与局地气象因子、水汽源地贡献的关系较弱,水汽输送路径上的累积降水是影响水汽δD季节变化的主要因素,两者为显著的负相关关系。在年际尺度上,厄尔尼诺（El Ni?o）年夏季中国东部水汽δD较高,拉尼娜（La Ni?a）年夏季水汽δD较低。水汽源地贡献在ENSO（厄尔尼诺—南方涛动）不同位相的变化较小,而水汽输送路径上的累积降水在La Ni?a年较之El Ni?o年偏多,表明La Ni?a年热带对流活动和水汽输送过程的贫化作用更强,导致目标区域的水汽δD更低。因此,代表热带对流活动的累积降水是水汽δD季节和年...