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。     

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...     

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。     

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。     

盐生荒漠土壤水稳定氢、氧同位素组成季节动态

对准噶尔盆地东南缘降水和土壤水稳定氢、氧同位素组成（δ¹⁸O和δD）进行了测定,分析了降水中δ¹⁸O和δD值的季节变化规律,表层土壤水中δ¹⁸O和δD值对降水脉冲的动态响应以及不同深度土壤水中δ¹⁸O和δD值的变化特征。结果表明：该区域大气降水线为δD=7.691δ¹⁸O+4.606;降水与表层土壤水中δ¹⁸O和δD值表现出明显的季节变化特征;表层土壤水中δ¹⁸O和δD值、质量含水量对降水脉冲响应显著,且不同量级的降水导致不同程度的响应。利用LSD法对0~300 cm土层内土壤水中δ¹⁸O和δD值进行多重比较分析,可将土壤在垂直方向上分为3层,表层（0~50 cm）土壤水分活跃,稳定同位素值随深度的增加而迅速减小;中间层（50~180 cm）土壤水分相对活跃,既受到降水入渗和蒸发作用的影响,也有地下水的补给;深层（180~300 cm）水分来源稳定,土壤水中δ¹⁸O和δD值基本不变。     

华北北纬38°带极端强降水氢氧稳定同位素特征与水汽来源的关系

华北北纬38°带是华北地区的重要农业区,降水是区域地下水的主要补给源。近年来,极端强降水频率增加改变了地下水补给方式,明确极端强降水氢氧稳定同位素特征及其水汽来源对于深入认识区域水循环特征具有重要意义。本研究基于2016年1月至2021年12月华北北纬38°带的1个山区站点(太行山站)和2个平原区站点(栾城站和南皮站)降水样品采集,采用相关分析和HYSPLIT模型,揭示了研究区极端强降水δ²H和δ¹⁸O的时空分布特征与水汽来源的关系。结果表明：降水氢氧稳定同位素呈现丰水年贫化的年际特征,雨季富集、旱季贫化的季节性变化特征,极端强降水同位素最为贫化(-105.7‰～-39.1‰,-14.6‰～-5.7‰)。大气降水同位素关系表明位于山前平原的栾城站斜率和截距最小,蒸发作用最强。HYSPLIT模型结果表明,太行山站极端强降水水汽主要来自于东南季风和西南季风水汽,而栾城站和南皮站极端强降水水汽主要来自于西风水汽和东南季风水汽,西南季风水汽比例增加(16.67%～58.33%)是导致山区极端强降水同位素比平原区贫化的主要原因。水汽来源的差异导致研究区...     

城镇化流域降水径流氢氧同位素特征及洪水径流分割

为研究人类活动影响下河流降水径流响应特征,以珠江三角洲典型城镇化流域石马河为研究对象,采集2017年1-12月日降水、河水样品和3场台风期间的时段降水、洪水样品,通过测定其氢氧稳定同位素组成（δD、δ ¹⁸O）,分析流域降水、径流氢氧同位素组成特征,并利用同位素二元混合模型,分割3场台风降水事件中事前水及事件水对流量过程的贡献。结果表明,研究区域大气降水δD、δ ¹⁸O的变化范围分别为-105.10‰~+9.98‰和-14.80‰~-0.55‰,年加权平均值为-57.88‰和-8.61‰,大气降水线为δD = 7.70δ ¹⁸O+8.61（R ²= 0.98）;河水δD、δ ¹⁸O的变化范围分别为-91.23‰~-15.96‰和-12.66‰~-4.01‰,δD-δ ¹⁸O基本落在局地大气降水线上,表明降水是石马河径流的主要来源。3场台风期间,事件水占洪水总径流量的比例分别为59.7%、55.0%和69.4%,均高于事前水占比。洪水涨水初期事前水和事件水同步增长,涨水后期事件水比例逐渐增大,洪峰期间比例大于80%,成为径流主导成分,表明流域城镇化过程中下垫面不透水面积的增加会显著改变水文循环过程。本研究成果可为珠江三角洲城镇化流域水文预报提供理论基础。     

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。     

基于LMDZ模型的蒙古高原降水氢氧稳定同位素特征及水汽来源分析

基于LMDZ（Laboratoire de Météorologie Dynamique-Zoom）模型的模拟数据、NCEP/ NCAR格点气象数据和北极涛动指数（Arctic Oscillation Index,AOI),验证了LMDZ模型在蒙古高原的适用性,分析了局地大气水线（Local Meteoric Water Line,LMWL）、降水中δ¹⁸O与环境因子的关系,探索了降水中δ¹⁸O、氘盈余（d-excess）的时空变化,并结合HYSPLIT (Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)模型对蒙古高原气团运输轨迹进行了模拟。结果表明：在LMDZ模型的2种结果中,LMDZ-nudged模拟蒙古高原降水稳定同位素效果较好;计算得到的蒙古高原LMWL为δD=7.78δ¹⁸O+3.31(R²=0.995),其斜率和截距均小于全球大气水线( Global Meteoric Water Line,GMWL)斜率和截距,表明该区域雨滴下落中受云下二次蒸发影响较大;降水中δ¹⁸O夏高冬低,与温度、北极涛动指数呈正相关,而与相对湿度呈负相关。降水中d-excess呈现夏低冬高的特点;对蒙古高原后向轨迹追踪并对其进行聚类分析发现,研究区主要有3条水汽路径：西风带水汽（约88.39%）、东亚季风水汽（约5.73%）与极地水汽（约5.88%）,其中西风带水汽为主控水汽。     

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。     

中全新世7～6 ka东亚季风气候的高分辨率石笋记录

基于神农架青天洞石笋两个²³⁰Th年龄、582条纹层计数和183个氧同位素数据,重建了7～6ka B.P.期间平均3年分辨率的δ¹⁸O变化序列。持续约580年振幅达1.8‰的δ¹⁸O在平均值-9.66‰上下波动,指示了东亚季风降水强度的长期演化趋势和高频振荡信息,大致划分为4个百年尺度旋回。青天洞与阿曼石笋δ¹⁸O记录的对比表明,东亚季风和印度季风在百年或更短时间尺度上同相位变化,可能反映了两地季风气候受统一的印度洋/太平洋大尺度水汽循环控制。功率谱分析揭示出163、81、16和11年的周期,大致与树轮Δ¹⁴C百年至数十年尺度太阳活动变化周期相同。     

神农架地区树轮δ18O序列的气候指示意义

通过对湖北省神农架巴山冷杉(Abies forrestii)树轮纤维素氧同位素的分析,建立了1790-2011时段的年分辨率的δ¹⁸O年表。将树轮δ¹⁸O序列与邻近的巴东气象站记录的气候数据、大气环流数据以及南海海温进行对比分析,研究了树轮δ¹⁸O序列对气候要素的响应。结果表明,神农架地区树轮δ¹⁸O序列与该地区气候要素密切相关：与当年6-7月降水量呈负相关、与当年3-4月温度呈正相关,与当年6-7月相对湿度呈负相关。同时,树轮δ¹⁸O序列与当年2-3月北半球副高面积指数(5E-360)、9月南海副高面积指数(100E-120E)、1月太平洋极涡面积指数(Zone 2,150E-120W)及4-5月南海海温(SST)呈显著正相关;与当年1月南方涛动指数(SOI)呈负相关。表明树轮δ¹⁸O序列在一定程度上记录了大尺度的大气环流信息。该研究有助于进一步认知神农架地区树轮稳定氧同位素在过去气候变化研究中的潜在价值,为进一步气候重建研究提供科学依据。     

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。     

西南地区大气降水中氢氧稳定同位素特征与水汽来源

为阐明西南地区稳定同位素与大气降水的关系,对GNIP昆明、贵阳、桂林、成都站点δD和δ18O进行分析,初步建立当地大气降水线方程,并与中国及全国降水线方程进行对比,揭示该降水线方程的特征.研究表明：大气降水稳定同位素组成受到温度、蒸发、水汽源地等多种因素的相互影响,在不同时间有很大差异.西南地区降水中的δ18O值表现出“夏高冬低”的季节特点.d值呈现出降水中过量氘水汽来源不同的特点,贵阳和桂林地区d值表现为“冬高夏低”的季节特点,而昆明和成都地区却与此相反,d值则表现为“夏高冬低”独特的季节性特征.     

昆明大气降水稳定同位素分析

为阐明昆明地区稳定同位素与大气降水的关系,对GNIP昆明站点1986～2003年δD和δ18O进行分析,初步建立当地大气降水线方程,并与中国及全球降水线方程进行对比,揭示该降水线方程的特征.研究结果表明：大气降水稳定同位素组成受到温度、蒸发、水汽源地等多种因素的复杂影响,在不同时间有很大差异.研究区大气降水稳定同位素存在明显的季节变化,雨季偏负,旱季偏重,降雨效应明显,并在很大程度上影响和掩盖了温度效应.而d受其特殊地理位置影响,呈现出雨季高旱季低的独特变化特征.     

2592~1225aB.P.湖北神农架石笋氧同位素记录及区域气候意义

选择处于典型季风区中国内部湖北神农架地区青天洞一支具有连续清晰年纹层发育的石笋样品(QT6),通过精确的年纹层计数,结合高精度²³⁰Th年龄,建立2 592~1 225 a B.P.期间长达1 367 a的石笋δ¹⁸O时间序列。石笋δ¹⁸O记录的17个持续时间在80 a左右的峰谷旋回,与格陵兰冰芯δ¹⁸O记录具有非常好的一一对应关系,说明在年代际尺度上石笋δ¹⁸O同样能反映区域性气候变化,可能的机制是北高纬温度的变化通过大气传输影响热带辐合带(ITCZ)的迁移,从而影响东亚季风的强弱变化。     

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。     

洞庭湖流域降水同位素与ENSO关系研究

基于洞庭湖流域内长沙市2010年1月至2012年12月降水事件、GNIP(Global Network for Isotopes in Precipitation)长沙站1988~1992年月降水同位素资料及ENSO（厄尔尼诺/拉尼娜和南方涛动）的2个常用指标（南方涛动指数SOI和Nino3区海面温度SST）,分析了流域降水同位素与ENSO关系。结果表明：洞庭湖流域降水中δ¹⁸O与降水量、气温在日、月尺度上均呈负相关且只有月度上与降水量的负相关不显著。洞庭湖流域降水中δ¹⁸O与ENSO的SST指标则呈显著正相关。ENSO对洞庭湖流域降水同位素的影响机制可能如下：春季,La Nina年源自西太平洋的东南风强盛,其转向为西南风的区域达到印度洋,而El Nino年,东南风转向为西南风的发生区域位于印度洋以东,前者有利于挟带印度洋远源水汽向中国东部区域输送,进而造成降水同位素的贫化;夏季,La Nina年印度洋水汽输送在中国南海转为经向继而向北延伸,而El Nino年,源自印度洋的水汽沿纬向穿过南海,在东海转向往北延伸,后者有利于挟带西太平洋的近源水汽输送到中国东部季风区,进而引起降水同位素的富集。     

呼图壁河流域水体氢氧稳定同位素特征及转化关系

在气候变化和人类活动影响下,水资源短缺是干旱区面临的一个严峻问题.解决问题的关键是要深入了解干旱区独特的水循环机理,而分析不同水体中氢氧同位素特征及转化关系,是应用同位素示踪技术研究水循环机理的基础。以呼图壁河流域为研究区,分析了大气降水、河水、地下水和积雪融水氢氧同位素变化特征及不同水体的δD~δ¹⁸O关系,探讨了地表水对地下水的补给关系。结果表明：呼图壁河流域大气降水、河水、地下水和积雪融水中δD、δ¹⁸O的组成和季节变化差异较大,δD值分别为-86.25‰、-66.66‰、-69.82‰和-150.79‰,而δ¹⁸O值依次为-12.42‰、-9.94‰、-10.23‰和-19.42‰;河水受大气降水和冰雪融水的混合补给导致同位素的贫化,积雪融水主要受蒸发的影响导致同位素的富集,而河水和积雪融水对地下水有密切的水力联系,导致地下水同位素的贫化;呼图壁河上游地区河水对地下水的补给仅占到18.45%,而中下游区域的地下水补给占到90%以上。     

长沙大气水汽、降水中稳定同位素季节变化及与水汽输送关系

基于2010年1月至2012年12月长沙降水事件同位素资料和搭载在Aura卫星上的TES观测仪所反演的2010年3月至2011年12月全球日大气中HDO、H2O资料,对长沙大气水汽、降水中稳定同位素的变化特征以及它们的关系,不同水汽来源及输送强度变化对降水中同位素的影响进行了研究。结果表明:水汽中同位素值随高度增加而贫化,水汽中同位素较降水中同位素大为贫化,降水中同位素为冬春富集、夏秋贫化,水汽中同位素则表现出春夏富集、秋冬贫化,水汽、降水中同位素存在着较大波动。通过对长沙冬、夏季所有降水事件的水汽输送轨迹的分析发现:夏季降水的水汽主要来源于西南季风和东南季风输送的海洋性气团,降水中同位素贫化;冬季降水的水汽主要来源于西风带输送的大陆性气团,降水中同位素富集。另外,长沙2010~2012年夏季的水汽输送通量与降水同位素的关系再次证明环流效应是可信的。