水体蒸发过程中稳定同位素的分形机制

The variations of stable isotopes in atm ospheric vapor and precipitation are caused by stableisotopic fractionation during phase changes in w ater cycle. The isotopic fractionation m ainlyhappens in the m ass transportation of stable isotopes from free w…     

长沙地区蒸发皿水体蒸发过程中稳定同位素的变化特征

蒸发过程中水体同位素分馏与蒸发时的气象要素密切相关。为此,于2013年6―9月份在长沙地区进行了4组室外蒸发皿蒸发实验,从而探讨蒸发剩余水体中稳定同位素与温度、相对湿度等气象要素之间的关系。实验结果表明：1）剩余水体中稳定同位素比率随着剩余水比例f的减少而富集,在高温无雨的伏旱天气下,蒸发剩余水体中稳定同位素分馏结果与瑞利分馏模式比较吻合;2）温度越高,分馏效应也将变大,蒸发过程中稳定同位素比率的改变量也将变大,随着水体质量的减小,稳定同位素比率的变化与相对湿度呈现负相关,尤其到蒸发后期,负相关关系更为明显,这可能是由于实验后期剩余水体绝对质量太小,易受空气中稳定同位素的影响;3）蒸发线δ2H＝3.89δ18O－24.55与δ2H＝3.38δ18O－24.96的斜率和截距明显小于同时期长沙降水线δ2H＝6.85δ18O－4.4的斜率和截距,与同时期湘江河水蒸发线δ2H＝3.9δ18O－13.2的斜率接近。以上结果说明本蒸发皿实验能一定程度上体现夏季自然水体蒸发分馏情况。     

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。     

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。     

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。     

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...     

基于稳定氢氧同位素的盐水与纯水蒸发差异分析

水面蒸发是水循环的重要部分,目前大量的研究集中在淡水或低盐度咸水体蒸发,仅以淡水的蒸发特性或计算方法应用于全部水体并不准确。研究盐水蒸发与淡水蒸发的差异对蒸发过程机理研究、推动蒸发模型的创新改进至关重要。研究中使用蒸发皿对比盐水与纯水的蒸发过程,利用稳定氢氧同位素比较盐水与纯水蒸发的动力学分馏过程,结果表明：盐水蒸发量较纯水少,但仍存在蒸发日内变化规律,蒸发速率与气温变化规律同步,并在正午前后达日最大值;随着蒸发的进行,重同位素在液相富集,盐度对于H/D分馏有更显著的抑制作用;盐水与纯水的蒸发线拟合均有良好的线性关系,盐分使水体蒸发受到更强的非平衡分馏影响;热红外拍摄液面观测到蒸发过程中盐水液面温度始终高于纯水0.1~2.2℃,平均温差达1℃,这是因为盐水蒸发量较纯水小,更少的热量通过潜热释放;Craig & Gordon模型计算蒸发水汽同位素特征值,表明随着蒸发的进行,蒸发水汽组分重同位素也在不断富集,但程度不如剩余水体,检验盐水与纯水蒸发水汽氢氧同位素拟合方程却无明显差异,与前述结论相悖,说明该方程在小尺度上的应用还有待研究。     

Precipitation isotopes in the Tianshan Mountains as a key to water cycle in arid central Asia

The Tianshan Mountains is a wet island in arid central Asia, and precipitation amount across the mountains is much larger than that in the surrounding low-lying areas. To investigate the regional water cycle in arid central Asia, stable isotope composition in precipitation has received increased attention during the past decades. This paper reviewed current knowledge of observed and simulated stable isotope ratios in precipitation across the Tianshan Mountains. The temperature effect of stable isotopes in precipitation has been widely accepted in arid central Asia and can be applied to paleoclimate reconstruction using ice cores. The seasonality of precipitation isotopically enriched in summer months and depleted in winter months is usually attributed to westerly-dominated moisture, but different trajectory paths to the northern and southern slopes of the Tianshan Mountains can still be modelled. The proportional contribution and its uncertainty of surface evaporation and transpiration to local precipitation can be estimated using the isotope approach, and transpiration plays a dominant role in recycled moisture for oasis sites. The impact of below-cloud evaporation on precipitation stable isotopes on the southern slope is usually larger than that on the northern slope.     

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。     

水汽来源和环境因子对典型亚热带季风区降水稳定同位素的影响——以湖口地区为例

基于亚热带季风区湖口降水稳定同位素进行高频监测,利用HYSPLIT模型、潜在源贡献因子算法和质量浓度权重轨迹等方法对湖口区降水水汽来源进行分析,研究结果表明：① 湖口地区大气降水同位素组成呈夏季低、春冬季高变化趋势,湖口地区大气降水线斜率（8.19）和截距（12.5）与全球大气水线较为接近,说明整体上该研究区气候环境相对湿润。② 湖口降水同位素组成与降水量、湿度和温度均成显著负相关关系,这表明其具有显著的降水量效应、湿度效应和反温度效应。③ 湖口地区水汽来源主要受东南沿海内陆地区、南海和孟加拉湾源区水汽影响显著,其造成降水同位素值也明显偏小,尤其在夏季和秋季。④ 湖口地区降水同位素组成变化还受锋面天气系统（准静止锋和冷锋）和台风影响,台风降水的水汽来源主要来自中国南海和东海地区,此水汽往内陆输送过程中不断形成降水,此过程中降水重同位素（¹⁸O和²H）不断被冲刷造成其值逐渐变小;受准静止锋面系统影响降水δ¹⁸O值为极小值,这与锋面系统中冷、暖气团相遇造成强烈空气对流活动密切相关;而在冷锋面系统影响下,湖口地区降水δ¹⁸O值和d-excess较大,这与中国南方内陆局地再循环水汽补充有关,该研究结果将为鄱阳湖流域大气环流和水循环过程研究提供科学依据和数据支撑。     

Geochemistry of groundwater in front of a warm‐based glacier in Southeast Greenland

Groundwater in front of warm‐based glaciers is likely to become a more integrated part of the future proglacial hydrological system at high latitudes due to global warming. Here, we present the first monitoring results of shallow groundwater chemistry and geochemical fingerprinting of glacier meltwater in front of a warm‐based glacier in Southeast Greenland (Mittivakkat Gletscher, 65° 41′ N, 37° 48′ W). The groundwater temperature, electrical conductivity and pressure head were monitored from August 2009 to August 2011, and water samples were collected in 2009 and analyzed for major ions and water isotopes (δD, δ¹⁸O). The 2 yrs of monitoring revealed that major outbursts of glacier water during the ablation season flushed the proglacial aquifer and determined the groundwater quality for the next 2–8 weeks until stable chemical conditions were reached again. Water isotope composition shows that isotopic fractionation occurs in both groundwater and glacier meltwater, but fractionation due to evaporation from near‐surface soil moisture prior to infiltration has the most significant effect. This study shows that groundwater in Low Arctic Greenland is likely to possess a combined geochemical and isotopic composition, which is distinguishable from other water sources in the proglacial environment. However, the shallow groundwater composition at a given time is highly dependent on major outbursts of glacier water in the previous months.     

盐湖卤水中锂的高效分离及其同位素比值的精确测定进展

锂的两个稳定同位素相对质量差较大,导致了自然界中的锂同位素分馏强烈。卤水中锂同位素作为良好示踪剂,可用以指示盐湖锂矿床的物质来源和形成机理。现阶段一般用热电离质谱法(TIMS)或多接收器电感耦合等离子质谱法(MC-ICP-MS)测量锂同位素比值,这两种方法都需要将锂从样品中与其它元素完全分离。在现有的卤水提锂方法中,吸附法能够得到较高的锂回收率,减少了锂同位素在提取过程中的分馏效应。本文主要介绍国内外近年来在提取锂和准确测定锂同位素比值方面所取得的进展。     

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。     

台风水汽稳定同位素组成与天气过程的关系——以2015 年13 号台风“苏迪罗”为例

基于台风“苏迪罗”（1513）影响前后南京实时高频监测的水汽稳定同位素数据,并结合再分析资料、HYSPLIT后向轨迹模型分析了大气水汽δ¹⁸O与天气过程之间的关系以及大气水汽过量氘所指示的水汽来源。结果表明,1）整个台风影响过程水汽δ¹⁸O先保持基本不变后一直下降的趋势,而水汽过量氘则呈现完全相反的变化趋势。2）根据台风“苏迪罗”影响前后南京水汽δ¹⁸O变化特征,将其划分为3个阶段：Ⅰ阶段水汽δ¹⁸O较高与南京地区较为稳定的大气条件相对应,水汽过量氘值较低指示南京地区主要受海洋水汽影响;Ⅱ阶段台风环流及其残压和北方南下冷空气相互作用造成南京地区强降水,水汽凝结和降雨蒸发的共同作用导致水汽δ¹⁸O不断贫化,较高的水汽过量氘表明南京地区主要受海洋和局地混合水汽的影响;Ⅲ阶段可能是中尺度下沉气流导致南京地区极端偏负的δ¹⁸O和高水汽过量氘。     

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。     

氢氧稳定同位素技术在生态系统水分耗散中的应用研究进展

氢氧稳定同位素作为水的"DNA",对于研究水分的传输和转化具有重要的意义,而水分耗散是水循环的重要组成部分。简单介绍氢氧稳定同位素在水分耗散研究中应用的主要原理和比较新的一些技术方法,主要对其在森林、草原生态系统和农田生态系统中蒸散发分离,植物水分来源区分、叶片水同位素富集和水分利用效率等方面做较为详细的归纳总结和探讨,最后指出国内此类研究仍然存在的问题和可能的发展方向,以期对未来氢氧稳定同位素技术在水分循环和水分耗散方面的应用研究有借鉴作用。     

Evaporative enrichment of oxygen-18 and deuterium in lake waters on the Tibetan Plateau

Stable isotopes (δ¹⁸O and δD) are useful tracers for investigating hydrologic and climatic variability on a variety of temporal and spatial scales. Since the early isotopic studies on mountainous glaciers in the late 1960s, a great deal of information has been generated on the isotopic composition of rainfall, snow, ice, surface waters, and lake carbonate sediments across the Tibetan Plateau. However, measurements of δ¹⁸O and δD values of lake water are scarce. Here we present a new dataset of δ¹⁸O and δD values of lake waters collected from 27 lakes across the plateau during a reconnaissance survey in summer 2009. δ¹⁸O and δD values of lake water range from −19.9 to 6.6‰ and from −153 to −16‰, respectively. The average values of δ¹⁸O and δD are −6.4 and −72‰, considerably greater than those of precipitation observed in this region. The derived Tibetan lake water line, δD = 5.2δ¹⁸O − 38.9, is significantly different from the global meteoric water line. Most of the lakes, including some freshwater lakes, contain water with negative values of d-excess (d). There is a negative correlation between d and total dissolved solids (TDS). Each of these findings indicates that evaporation-induced isotopic enrichment prevails in Tibetan lakes. Moreover, we develop an isotope modeling scheme to calculate E/P ratios for Tibetan lakes, using a combination of existing isotopic fractionation equations and the Rayleigh distillation model. We use the intersection of the local evaporation line and GMWL as a first approximation of δ¹⁸O and δD values of lake water inputs to infer an E/P ratio for each lake. Our modeling calculations reveal that although variable from lake to lake, the water budget across the plateau is positive, with an average E/P of 0.52. This is in good agreement with other observational and model data that show varying degrees of increases in lake size from satellite imagery and significant decreases in lake salinity in many lakes on the plateau over the last several decades. Together with the new isotopic dataset, the proposed modeling framework can be used to examine and quantify past changes in a lake’s hydrologic balance from the isotopic record of downcore carbonate sediments in the region.     

低温冷阱大气水汽收集技术及其在水稳定同位素研究中的应用

系统地介绍了低温冷阱大气水汽收集的基本原理、实验方法、实验过程中的误差估计以及该方法在水稳定同位素研究中的应用。基于低温条件下显著增加水汽凝结面和凝结时间的方法,使水汽完全凝结;利用水分在真空条件下升华/蒸发及其在低温条件下再凝结的原理,实现对水汽样品的转移收集。收集的水汽样品中稳定同位素值的误差主要来自两方面:(1)低温条件下玻璃冷阱中部分未冷凝的饱和水汽;(2)样品室温融化后,外界大气进入瓶内与融化后的水汽样品发生同位素平衡分馏;并分别对上述两种误差进行了理论估计。利用低温冷阱水汽收集和稳定同位素离线测试方法在以下三方面具有较重要的应用:(1)过量~(17)O是当前水稳定同位素研究的前沿,实现对大气水汽中过量~(17)O高精度测试是该方法的重要应用;(2)获取低水汽浓度地区高精度大气水汽稳定同位素测试数据;(3)验证激光光谱稳定同位素分析仪在线水汽稳定同位素测试数据。     

Analysis of Water Evaporation and Drift Losses During Irrigation in Semi-arid Areas of Sharjah (UAE) and Riyadh (KSA)

Water evaporation and wind drift losses mainly depend on air relative humidity, air and water temperature, drop size, and wind speed. Evaporation and drift loss during water application by means of sprinkle irrigation was studied in the Emirate of Sharjah, United Arab Emirates (UAE) and Riyadh, Saudi Arabia. Results for both cities did not vary substantially due to high relative humidity even under high air temperature. Results indicated that evaporation losses are usually <5% under any climatological conditions in the two Gulf cities. For nighttime watering to be considered, extra-costs (e.g., electricity, manpower) should not exceed potential savings.     

雅鲁藏布江径流水文规律及水体同位素组成

由雅鲁藏布江各站径流量数据和水体的同位素数据,分析了径流的时空分布特点以及大气降水的同位素效应。该区干流流域年平均径流量分布呈从下游到上游逐渐减少的趋势, 且地表径流的年内分配主要集中在夏、秋两季(6-10 月)。流域内大部分雨水和河水样品的同位素组成均落在全球大气降水线δD = 8δ¹⁸O +10 的右上方,显示出强烈蒸发的特征。水体同 位素组成区域大陆性效应和高度效应明显,这种分布特征与来自孟加拉湾、怒江方向降水云汽的运移以及青藏高原的地形、气候条件有关。