甘肃夏季降水同位素云下二次蒸发效应

降水中稳定同位素值会因雨滴降落过程中受到云下二次蒸发的影响而发生变化,研究雨滴云下二次蒸发对利用降水氢氧稳定同位素解释水循环过程具有重要意义。本文利用2017年6月—8月甘肃74个地面气象站逐小时观测资料与10个高空气象站定时观测资料,基于改进的Stewart模型(分层假设)深入研究了甘肃夏季降水同位素的云下二次蒸发。结果表明:(1)甘肃各分区的云下二次蒸发存在明显的时间变化,从月尺度看,Δd(d-excess变化量)均值在陇南山地和甘南高原均为7月最小,在陇中黄土高原和河西地区均为6月最小;从小时尺度看,Δd值在2:00～15:00这一时间段较小,且甘南高原的Δd均值变化幅度最大。(2)从空间来看,陇中黄土高原、甘南高原(除舟曲)、陇南山地(除文县)和河西地区(除马鬃山、酒泉和武威)Δd均值分别-15‰,而陇中黄土高原的Δd均值最高。(3)不同分区蒸发剩余比(f)和Δd的线性关系的斜率均超过1‰/%,这可能与甘肃的气候有关。(4)当气温较高,降水量、相对湿度和雨滴直径较小时,云下二次蒸发效应明显。     

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。     

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。     

洞庭湖流域下落雨滴蒸发研究

通过在亚热带季风区内的洞庭湖流域对降水事件取样以及气象资料的收集,采用降水同位素对流域下落雨滴蒸发以及影响因素进行了研究。研究发现：流域不同季节大气水线的理论斜率均高于观测斜率,由此可判断形成流域降水的雨滴在下落过程中经历了不同程度的蒸发。进一步计算表明流域下落雨滴的蒸发比率介于0.21%~19.29%之间,蒸发比每增大1.0%,过量氘（d）将减小1.38‰。从主要影响下落雨滴蒸发的气温、湿度和雨滴直径来看,流域下落雨滴蒸发与气温呈显著正相关,与相对湿度、雨滴直径呈显著负相关。另外,流域下落雨滴蒸发随降水量增大呈指数函数递减,其并非指示降水量直接影响雨滴的蒸发,而是湿度、雨滴直径等综合作用的结果。     

蒸发皿蒸发过程中水稳定同位素分馏的实验与模拟

为了有效评估平衡分馏模式和动力分馏模式模拟水稳定同位素分馏的合理性,开展了不同大气条件下的蒸发皿蒸发实验和2种模式的模拟试验,实验与模拟结果表明:随着蒸发的进行,蒸发皿剩余水体中稳定同位素不断富集,同位素的分馏速率与蒸发速率成正比,并表现出夏季高、冬季低的特点;但在降水发生时段,蒸发水体稳定同位素容易受到相对湿度和大气水汽稳定同位素的影响,出现贫化现象。受到温度和相对湿度等蒸发条件的影响,实测蒸发线斜率呈现夏季低、冬季高的特点。4次实验剩余水体中的过量氘随着剩余水比率(f)的变化总体上呈下降趋势,降水时段的过量氘出现上升现象。在模拟试验中,与平衡模拟结果相比,动力模拟再现水体蒸发过程中稳定同位素变化的能力更强,能体现出实际蒸发过程中水稳定同位素比率随f变化的细节;动力模拟的蒸发线更能反映实际蒸发过程;过量氘的动力模拟值更接近实测值的大小及其变化趋势。     

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。     

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。     

台风“灿鸿”期间中国东部沿海城市降水中稳定同位素的变化及影响因素

为探讨极端天气降水中稳定同位素的变化,应用2015年9号台风“灿鸿”影响期间中国东部沿海城市台北、温岭、海宁、南通降水中稳定同位素资料,分析降水中稳定同位素的时空变化。结果表明：台风“灿鸿”影响期间,台北降水的δ18O平均值为-4.40‰,为最高值;温岭降水δ18O的平均值最低,为-9.80‰;海宁与南通降水的δ18O平均值居于两者之间,分别为-8.83‰和-7.88‰。4地降水δ18O均呈现出2个阶段的“厂”型变化特征。“灿鸿”降水δ18O值在时空分布上冲刷效应明显,采样站点距离台风中心越近降水δ18O值越低d值越高。台风灿鸿影响期间整个降水过程以湿润的热带海洋气团为主,台北阶段1降水受台风外围云系影响,降水的冲刷程度较轻,δ18O值偏高;台北阶段2降水与温岭降水受单一水汽团冲刷效应影响,降水δ18O不断降低;海宁和南通与灿鸿中心的距离基本相似,且水汽源相同,降水δ18O值波动比较接近。     

1960~2013年中国沿海极端气温事件变化特征

基于1960~2013年中国沿海110个地面气象站资料,分析了中国沿海极端气温事件的变化特征。结果表明：中国近54 a来月最高气温极小值（TXn）、极端最高温（TXx）、极端最低温（TNn）和月最低气温极大值（TNx）都呈上升趋势,其中极端最低气温上升幅度最大,升幅为0.40 ℃/10a。日较差（DTR）、冷昼日数（TX10p）和冷夜日数（TN10p）呈下降趋势,降幅分别为-0.12℃/10a、-0.7 d/10a和-2.19 d/10a,暖昼日数（TX90p）和暖夜日数（TN90p）呈显著上升趋势,升幅分别为1.31 d/10a和2.24 d/10a。SU25和TR20近30 a上升幅度分别为6.35 d/10a和5.28 d/10a。从空间变化来看TXn、TXx、TNn和TNx分别有97%、71%、97%和97%气象站呈上升趋势,大部分都通过了0.01水平的显著性检验。TX10p、TN10p和DTR分别有90%、99%和81%的气象站呈下降趋势。大部分极端气温指数变化趋势与纬度、经度和海拔有显著的相关性。极端气温指数在气候变暖突变前后也存在明显差异,TX10p、TN10p和DTR在气候变暖后明显减少,而其他指数则明显上升。     

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。     

Isotopic composition of precipitation over Arid Northwestern China and its implications for the water vapor origin

In order to reveal the characteristics and climatic controls on the stable isotopic composition of precipitation over Arid Northwestern China, eight stations have been selected from Chinese Network of Isotopes in Precipitation (CHNIP). During the year 2005 and 2006, monthly precipitation samples have been collected and analyzed for the composition of δD and δ18O. The established local meteoric water line δD=7.42δ18O+1.38, based on the 95 obtained monthly composite samples, could be treated as isotopic input function across the region. The deviations of slope and intercept from the Global Meteoric Water Line indicated the specific regional meteorological conditions. The monthly δ18O values were characterized by a positive correlation with surface air temperature (δ18O (‰) =0.33 T (℃)–13.12). The amount effect visualized during summer period (δ18O (‰) = –0.04P (mm)–3.44) though not appeared at a whole yearly-scale. Spatial distributions of δ18O have properly portrayed the atmospheric circulation background in each month over Arid Northwestern China. The quantitative simulation of δ18O, which involved a Rayleigh fractionation and a kinetic fractionation, demonstrated that the latter one was the dominating function of condensation of raindrops. Furthermore, the raindrop suffered a re-evaporation during falling processes, and the precipitation vapor might have been mixed with a quantity of local recycled water vapor. Multiple linear regression equations and a δ18O–T relation have been gained by using meteorological parameters and δ18O data to evaluate physical controls on the long-term data. The established δ18O–T relation, which has been based on the present-day precipitation, could be considered as a first step of quantitatively reconstructing the historical environmental climate.     

哈萨克斯坦东部水体氢、氧同位素和水化学特征

哈萨克斯坦是中亚干旱-半干旱地区最大的内陆国家,东部以阿尔泰山、天山与我国相隔,区内河流众多,是该国水资源的主要来源地,额尔齐斯河、伊犁河是中哈两国重要的跨境河流。通过对哈萨克斯坦东部不同区域河水和湖水的主要离子、氢、氧同位素分析,初步研究了该区域的水化学和同位素空间分布特征及其对地表水循环的指示意义。结果表明：哈萨克斯坦东部河水离子组成以HCO3-Ca为主,局部有HCO3-Na水型分布。湖水以SO4-Na为主,有少量HCO3-Ca和SO4-Ca型水。研究区内水体Ca2+、Na+、SO42-均表现出南北低中间高的空间特征。河水氢、氧同位素变化范围分别为-123.46‰～-71.22‰和-16.09‰～-10.21‰,湖水氢、氧同位素变化范围分别为-97.82‰～-9.20‰和-12.74‰～2.44‰。额尔齐斯河河水与周围补给水体的氢、氧同位素差异显著,表明其主要来源于上游补给。河水和湖水氢、氧同位素关系式分别为δD=7.546×δ18O+3.507和δD=5.737×δ18O-24.14,且河水氢、氧同位素与经、纬度显著相关,反映了明显的内陆效应,而湖水氢、氧同位素的变化则主要反映了水体的蒸发程度,水体氢、氧同位素变化敏感地示踪了该区域水体的来源与循环特征。     

基于水化学和稳定同位素定量评价巴音河流域地表水与地下水转化关系

以分析青海巴音河流域地表水与地下水转化关系为目标,2016年8月,沿巴音河采集了23组地表水样、13组地下水样和9组泉水样,室内分析得到了其对应的主要水化学离子和氘氧稳定同位素数据,运用统计分析、Piper三线图、Gibbs图分析了流域水化学特征;以溶解性总固体（TDS）、氯离子（Cl^-）和氧同位素（δ¹⁸O）作为示踪剂,定性分析了巴音河沿程地表水与地下水的转化关系;基于质量平衡法,运用δ¹⁸O定量计算了巴音河沿程地表水和地下水之间的转化量。研究结果表明：TDS、Cl^-、δ¹⁸O可用于定性分析巴音河流域不同河段地表水与地下水之间的转化关系,定量评估其转换强度;巴音河流域地表水和地下水的水化学类型主要为HCO₃·Cl-Ca·Mg,地下水水化学类型更为多样,地表水受控于岩石风化作用,地下水与泉水受到岩石风化与蒸发作用的影响;地表水与地下水水力联系密切,沿巴音河流向,二者相互转化频繁,上游河段,地下水主要接受地表水渗漏和沿途侧向径流补给,补给比例分别为65.33%、34.67%,至黑石山水库上游,地表水接受上游地下水和溢出泉水的补给,补给比例分别为49.54%、50.46%;中游河段,地下水接受地表水和北部山区侧向径流补给,补给比例分别为65%、35%;下游河段,地表水接受地下水和泉水补给,补给比例分别为53.12%、46.88%。研究结果有助于建立流域水循环模式、揭示水资源形成机制,可以为巴音河流域水资源可持续开发利用和生态环境保护提供理论和技术支持。     

Stable isotopic composition of riverine dissolved inorganic carbon of the Xijiang River Inner Estuary

For researching the spatio-temporal variation of the stable isotopic composition of the riverine dissolved inorganic carbon (DIC), we had carried out a survey throughout the hydrologic year during which the δ13CDIC of the surface water and its physicochemical pa-rameter were examined along the Xijiang River Inner Estuarine waterway from September 2006 to June 2007. There was a striking seasonal variation on the average δ13CDIC, as the average δ13CDIC in summer (?13.91‰) or autumn (?13.09‰) was much less than those in spring (?11.71‰) or winter (?12.26‰). The riverine δ13CDIC was controlled by decomposed condition of the riverine organic matter linking the seasonal variation of the physicochemical parameter in the surface water according to the correlation analysis which indicated notable relations between δ13CDIC and water temperature (p = 0.000; r = ?0.569) or between δ13CDIC and oxide-reduction potential (p = 0.000; r = 0.646). The striking positive correlation between δ13CDIC and the sampling distance happened in the summer rainy season, while striking negative correlation happened in the spring dry season, indicating that river-sea interaction influenced water physicochemical parameters and controlled the riverine DIC property in the survey waterway. In view of the riverine δ13CDIC decreasing for the decomposition of the ter-restrial organic matter in the rainy season in summer and increasing for the briny invaded zone extending in the spring dry season along the waterway from the Makou gauging station to the Modaomen outlet, the δ13CDIC spatio-temporal variation was closely related to the geographical environment of the Xijiang drainage basin.     

党河流域敦煌盆地地下水补给与演化研究

综合应用水文地球化学指标和稳定同位素技术研究了党河流域敦煌盆地地下水补给和演化规律。岩盐、石膏及芒硝等矿物的溶解对Na⁺、Ca²⁺、Cl^-及SO₄^2-离子浓度影响较大。阳离子交换作用明显,地下水中Mg²⁺和Ca²⁺浓度增加,并与碳酸盐发生沉淀,导致HCO₃^-减少。地下水的δ¹⁸O值介于-12.1‰~-7.5‰,δ²H值变化范围为-84.3‰~-61.5‰,指示了盆地不同地带地下水补给来源不同。潜水δ¹⁸O和δ²H数值随着地下水径流路径方自西南到东北越来越富集,反映了蒸发浓缩效应,南湖、盆地南部潜水同位素与河水相近,体现了现代补给。相比之下,承压水稳定同位素相对贫乏,指示过去寒冷时期的补给。该研究可以为敦煌区域地下水资源规划和管理提供一定的借鉴意义。