青藏高原南北降水中δD和δ~(18)O关系及水汽循环

根据青藏高原南北不同地区降水及河水中δ D和δ18O, 建立了青藏高原从北到南降水中稳定同位素大气水线, 并解释了不同地区大气水线的差异性与水汽来源的关系. 分析了青藏高原南北降水中过量氘( d )的季节变化特征; 揭示了青藏高原降水和河水中d的空间变化, 研究发现青藏高原d在唐古拉山南北两侧显示出不同的变化特征.这种差异是与不同区域水汽来源或水汽循环有关.     

青藏高原东部玉树降水中稳定同位素季节变化与水汽输送

青藏高原东部玉树降水中稳定同位素的季节变化特征与青藏高原南部的西南季风区和北部的内陆地区有显著不同, 降水中δ¹⁸O波动幅度大季节变化特征不明显. 降水中稳定同位素变化的差异反映了水汽来源变化的差异. 通过降水中稳定同位素的空间对比以及结合NCAR/NCEP再分析数据研究了形成该地区降水的水汽来源变化与降水中稳定同位素之间的关系. 研究发现青藏高原东部降水的水汽来源受夏季西南季风直接带来的水汽以及北部内陆与局地蒸发水汽的共同影响; 水汽来源以西南季风为主, 但西南季风的输送强度较青藏高原南部地区偏弱, 而北方的大陆水汽输送与局地水汽增强. 其结果导致夏季玉树降水中δ¹⁸O波动幅度增加, 而季节变化特征减弱.     

喜马拉雅山朗塘流域降水中δ~(18)O的变化

喜马拉雅山朗塘流域坚景和亚拉降水中δ18O的变化以及δ18O与降水量的关系分析. 在天气尺度下, δ18O随降水量的变化具有较大的离散性. 两者之间的相关系数随时间而变化. 在季节尺度下, 坚景的δ18O/降水量变化率小于天气尺度下的变化率. 在雨季, 由于大气水汽和降水中稳定同位素成分基本保持平衡,降水的蒸发富集作用较轻. 从而降水中平均稳定同位素的大小并不依赖于取样间隔. 降水量效应的模拟结果显示, 朗塘流域的降水并非来自于低纬度海洋水汽的初始凝结. 受水汽在爬越喜马拉雅山时强烈的洗涤作用(rainout), 降水中稳定同位素成分被极大地衰减.     

中国西南地区降水中氧稳定同位素比率与相关气象要素之间关系的研究

分析了中国西南地区降水中稳定同位素比率与不同高度的温度、气压、湿度的关系以及影响该地区降水中稳定同位素比率的因子. 在天气尺度下, 蒙自、思茅、腾冲降水中δ ¹⁸O与取样时的降水量、水汽压、大气水汽总量均存在显著的负相关关系; 与各标准层(400, 500, 700, 850 hPa)的日平均温度存在显著的负相关关系, 这个结果与中高纬度内陆区存在的显著温度效应不同. 另外发现, 降水中δ ¹⁸O与各标准层大气的温度露点差ΔT_d存在显著的正相关关系. 在年尺度下, 昆明站的年加权平均δ ¹⁸O不仅与年降水量存在一定程度的负相关关系, 并且与500 hPa的年平均温度存在显著的负相关关系. 在夏季风异常强盛的年份, 更多来自低纬度海洋的暖湿空气通过中国的西南水汽通道向北输送, 并在沿途形成异常的强降水. 异常强的凝结过程将释放更多的凝结潜热加热大气, 使降水时的大气温度升高. 伴随降水量的增加, 降水中δ ¹⁸O的降低; 反之, 在夏季风异常弱的年份, 降水量小, 降水时的大气温度较低, 因此, 降水中的δ ¹⁸O较高.     

冰封的气候年鉴:从水稳定同位素到冰芯古气候——1995年Crafoord奖获得者Willi Dansgaard教授成就解读

Willi Dansgaard教授是丹麦古气候学家,1995年Crafoord奖获得者.他在水稳定同位素和冰芯古气候方面的杰出成就,是他留给地球科学界的珍贵科学遗产.他发现了降水稳定同位素比率变化的温度效应和降水量效应,提出了过量氘概念并指出了其环境指示意义;他提出了利用冰芯重建古气候变化的科学思想,发现了末次冰期内千年尺度的气候突变事件(D-O事件),使人们对过去气候变化有了革命性的认识.本文在着重介绍Willi Dansgaard教授这些科学成就的同时,试图从他的科学生涯中追踪他相关科学思想的形成过程和科学践行活动,以期使我们地学工作者能从中得到启发和感悟.     

过去50年中国西部气候和径流变化的区域差异

通过对过去50年中国西部降水和主要河流径流变化的对比分析, 研究降水和径流的区域变化差异, 结果表明, 黄河上游径流和降水与新疆北部和青藏高原南部雅鲁藏布江流域径流、降水呈显著的反相关关系. 中国西部降水变化大体上以青藏高原唐古拉山和天山为界, 表现出南北一致, 中部(西部的喀喇昆仑山除外)相反, 即从南到北呈现出干-湿-干或湿-干-湿的区域变化差异; 在河流径流上表现为北部伊犁河流域和南部雅鲁藏布江流域径流变化的一致性, 而与黄河上游径流变化呈反位相变化; 同时, 新疆和黄河径流的反位相变化表现在年代际上, 而黄河和雅鲁藏布江径流变化表现在年际变化上. 黄河上游径流的变化与西北太平洋季风指数的变化比较一致, 这表明黄河上游径流变化受到较强的东亚季风的影响; 新疆总径流分别与西北太平洋季风指数和西风指数存在显著的正负相关关系, 寻找不同地区径流变化异同对于认识和预测径流未来变化具有重要的指导意义.     

青藏高原南部季风降水中稳定同位素波动与水汽输送过程

利用NCEP气象数据建立模型来追踪青藏高原南部降水的水汽输送过程, 并与实测降水中氧稳定同位素数据进行对比分析, 讨论了青藏高原南部降水中δ¹⁸O波动与水汽输送过程的关系. 研究发现降水中极低的d18O都与低层洋面蒸发水汽输送有关; 远距离水汽输送时, 水汽输送过程中的降水使得稳定同位素的贫化作用加强, 结果实测降水中δ¹⁸O很低; 降水中低的δ¹⁸O值往往伴随着厚层水汽输送, 而且高层大气水汽的凝结作用强烈, 这一过程也加剧了稳定同位素的贫化, 使得实测降水中δ¹⁸O很低. 而降水中高的δ¹⁸O值无论是在季风降雨期的前后还是在季风活动阶段, 水汽输送都与高原面上蒸发的水汽有关, 而缺乏低海拔洋面蒸发的水汽输送, 并且水汽主要来源于北方或西方. 模型计算结果与稳定同位素的分馏机理相一致.     

呼伦湖流域氢氧稳定同位素特征及其对水体蒸发的指示作用

以呼伦湖流域为例研究该区域氢氧稳定同位素在不同水体中的分布特征,并探讨氢氧稳定同位素对在该区域水文过程的指示作用.流域湖水、入湖河水、周边地下水水样的氢氧稳定同位素分析结果表明,夏季8月份湖水中的重氢氧稳定同位素比7月份的更加富集.而河水中氢氧稳定同位素在同一时间内的河流沿程上存在明显的差异,下游水体中的氢氧稳定同位素要比上游更加富集.研究区的河水和湖水的δ~(18)O-δD关系特征显示,河水和湖水的δ~(18)O-δD的关系点全部位于当地降水线的右下方,说明流域河水和湖水水体受到明显的蒸发作用.而井水的δ~(18)O-δD的关系点大都靠近当地大气降水线,说明这一区域的地下水主要是大气降水渗入地下形成.利用氢氧稳定同位素分馏过程中的氢氧稳定同位素的比率与剩余水体的关系,并在考虑湿度因子的动力分馏模拟下,计算出河水的剩余水体比例在0.85~0.96之间,而湖水的剩余水体比例在0.71~0.77之间.最后,利用氢氧稳定同位素质量平衡法对呼伦湖多年平均蒸发量进行了估算,估算的湖泊蒸发量结果与实测值相近,相对误差为5.4%,说明方法可靠.氢氧稳定同位素对于研究区域水文过程有着重要的作用,在今后呼伦湖流域水文研究中有着更加广泛的应用空间.     

利用GRACE时变重力场反演青藏高原的隆升速率

青藏高原隆升对中国、亚洲乃至世界的气候都有着重要影响,研究青藏高原地壳隆升速率具有重大意义.本文利用2004—2015年期间高覆盖度的卫星重力数据,通过去除陆地储水的重力效应获得地壳隆升引起的重力变化速率,基于直立长方体垂直运动与重力变化的关系模型反演了该区域的地壳隆升速率分布.研究结果表明在300 km的空间尺度下青藏高原隆升速率分布具有不均匀的特点,表现为以冈底斯山—唐古拉山—鲜水河断裂带为界线,其两侧的速率差异较大.位于界线以南,沿喜马拉雅推覆构造带的区域平均隆升速率为2.01±0.87 mm·a^-1,其中西侧的印度板块与东侧的缅甸板块隆升速率分别为~2.43 mm·a^-1、~2.89 mm·a^-1,位于两板块之间的区域隆升速率为~0.69 mm·a^-1;位于界线以北,除了天山区域和华北板块的隆升速率为~1 mm·a^-1,其他区域隆升现象不明显,其速率为~0 mm·a^-1.我们发现存在两条均穿过正断裂带区域的隆升速率梯度带,其中一条为从加德满都到塔里木盆地,其恰好穿过青藏高原内部的正断裂带,另一条为从那加山到四川盆地,其恰好穿过大理正断裂带.本文反演的青藏高原隆升速率与以往观测到的GPS结果有很好的一致性,为青藏高原隆升、地壳增厚等科学问题提供理论支持.     

内蒙古高原达里诺尔湖夏季水体稳定同位素变化特征

基于内蒙古高原寒-旱区达里诺尔湖（简称"达里湖"）相对集中的夏季大气降水、强烈的蒸发作用等典型区域气候环境特征,结合湖泊水体温度、盐度等理化指标变化,对夏季达里湖湖水、入湖河水、区域大气降水等样品中稳定氢、氧同位素（δD、δ¹⁸O）值变化进行了对比分析.结果显示：虽然整体上达里湖夏季水体并没有形成明显的物理性质"跃层"（如温跃层、盐跃层等）,水体理化指标的空间分布相对稳定,但是夏季湖水中δD、δ¹⁸O值却随着水深增加逐渐偏负：δD值由表层水体（0~1 m）到底层水体（7~9 m）偏负约1.40‰,δ¹⁸O值由表层水体到底层水体偏负约0.27‰.达里湖夏季"大气水线"为δD=8.22δ¹⁸O+6.82,显示大气降水中δD、δ¹⁸O值受季风降水效应影响的同时受到区域蒸发作用影响.特别是7、8月大气降水同位素变化受降水效应的影响比6、9月更明显,而6、9月大气降水同位素变化受蒸发作用的影响比7、8月更明显.这也导致达里湖夏季上层水体受大气降水的稀释作用影响显著;伴随水深的增加,降水效应及蒸发作用的混合影响逐渐减弱,底层水体受区域地下水补给过程等因素的影响则可能更加明显,即达里湖夏季上层水体和底层水体中稳定同位素组成变化的影响因素存在差异.     

九江地震台观测井水氢氧同位素特征及意义

在地震地下流体观测研究中,基于氢氧同位素示踪技术研究地下水补给源及循环过程是常用的技术方法之一。本文给出了九江地震台2号观测井水、大气降水、周边水库水及高山泉水等样品的氢氧同位素测定结果,表明地下水δ~(18)O测值介于-7.59‰～-6.09‰,平均值-6.99‰,δD测值介于-45.22‰～-39.69‰,平均值-42.32‰,变异异数分别为0.09、0.16;大气降水δ~(18)O测值介于-13.00‰～-1.27‰,平均值-4.74‰,δD测值介于-96.13‰～-4.74‰,平均值-46.87‰,变异异数分别为0.40、0.56,与降水相比,地下水氢氧同位素变化更为稳定。大气降水氢氧同位素2017年5～10月表现为明显的降水效应,2018年11～4月表现为明显的温度效应,而地下水氢氧同位素并未表现出明显的降水效应和温度效应。氢氧同位素及过量氘揭示地下水在下渗补给前经历了明显的蒸发分馏作用,并与围岩进行~(18)O交换,δ~(18)O与δD计算得出的补给高程分别约为647、440m。九江台观测井的观测层地下水为大气降水成因的构造裂隙水,属于大气成因型且循环过程为较稳定的裂隙水补给并形成承压自流井。     

慕士塔格冰川地区降水中δ18O的时空变化特征

根据2002年6~8月和2003年5~8月期间在慕士塔格冰川西坡收集的降水样品, 探讨了该区降水中δ¹⁸O的时空变化特征. 分析结果表明, 观测期间降水中δ¹⁸O具有较大的变幅, 可达20‰左右, 其值随时间的变化趋势和气温的变化趋势基本一致. 该区降水中δ¹⁸O与温度存在正相关关系, 但与降水量无关. 在海拔5500~7450 m的范围内, 稳定同位素比率的高程效应显著. 降水中δ¹⁸O随海拔而垂直变化的梯度值接近-0.40‰/100 m. 综合目前山地高海拔区的降水中δ¹⁸O资料, 初步建立了全球山地高海拔区(>5000 m)降水中δ¹⁸O和海拔的关系.     

青藏高原暖季中西部的断面降雨观测:系统设计与初步结果

青藏高原中西部环境恶劣,地表圈层相互作用强烈,近40年来气候和水循环变化显著.降水实测数据匮乏是该地区地表过程研究的一个瓶颈.近6年来,我们为该地区设计并建立了降雨的南北观测断面和东西观测断面,获得了暖季(5～9月)的小时分辨率降雨数据.南北断面从喜马拉雅山南坡的亚东河谷延伸到高原腹地的双湖县,共31个站;东西断面从高原西边的狮泉河延伸到中部的那曲,共22个站.该观测数据已应用于阐明高原中西部降水的时空变化特征,评价典型格点降水产品的质量,支持区域气候模式的开发,揭示夏季的湖气相互作用过程.该观测数据已在国家青藏高原科学数据中心公布.     

中国东部夏季持续性降水日变化在淮河南北的差异分析

本文利用1961-2006年我国285站观测的逐时降水数据,分析了中国东部不同地区夏季平均降水日变化随降水持续时间的变化特征. 虽然整个东部地区都表现为短时降水峰值较一致地出现在下午17时左右,持续较长时间降水在清晨前后发生峰值降水,但持续性降水日变化的平均峰值时间以淮河为界存在显著南北差异. 北部地区的持续性降水峰值主要出现在02-06时前后;南部地区的持续性降水峰值时间出现在06-10时. 无论是降水强度或频次的日变化峰值的南北差异均较明显,但降水强度差异更为突出,且主要表现在持续性强降水中. 进一步分析发现：一方面北部地区持续性强降水开始时间较南部地区更早;另一方面,北部地区降水从开始到峰值经历的时间更短. 最后,对持续性强降水峰值时间南北差异的可能原因进行了初步讨论.     

现代青藏高原气候变化的几个特征

收集了1951~1998年青藏高原及其邻近地区217个地面测站的逐月气温, 最高、最低气温以及降水等要素的观测值, 探讨现代青藏高原的气候变化特征. 结果表明: (1) 青藏高原自20世纪50年代变冷至60年代, 之后又开始变暖直至90年代. 始于1935年的拉萨资料表明此站以40年代气温为最暖, 之后变冷到60年代, 60年代以后又开始增暖直到90年代, 拉萨90年代仍未达到40年代暖期气温. (2) 20世纪60年代以来青藏高原东侧和东南侧在3000 m以下存在一个变冷带, 85°~95°E间自南到北存在一个强变暖带. 变冷带和变暖带之间十分不连续, 存在着正、负交替的变化, 因而增暖不是随高度呈线性增加的. (3) 20世纪60年代以来, 高原自西南向东北以及3000 m以下东南地区存在一个降水减少带, 高原中心地区及3000 m以上西部为变暖而降水减少, 北部及南部为变暖而降水增加, 3000 m以下东南地区为变冷而降水减少.     

念青唐古拉山西段冰碛垄漂砾~(10)Be暴露测年及末次冰期序列

气温和亚洲季风降水变化影响青藏高原冰川的进退,念青唐古拉山西段末次冰期年代的研究能够为认识季风影响过渡带的冰期气候特征提供重要依据.然而,该地区末次冰期时代及其南北坡是否存在差异仍不确定.本文采用10Be暴露测年方法,对青藏高原南部的念青唐古拉山西段北坡的爬玉王山谷谷口两道冰碛垄的年代进行测定,确认内侧冰碛垄为末次冰盛期产物,年代为(18.0±1.7)~(30.6±2.8)ka(n=10).外侧冰碛垄时代为(18.0±1.6)~(39.9±3.7)ka(n=5),可能对应MIS3阶段或更早的冰进.与念青唐古拉山西段南坡10Be暴露年代对比表明,念青唐古拉山西段末次冰期最大规模冰进可能发生在MIS3阶段,与全球降温不同步,具有异时性,但在区域内则具有同时性,可能响应北半球千年尺度气候变化.     

热带海表面温度及中纬度大气环流对青藏高原9月降水异常的共同影响

由于青藏高原独特的地理位置,其降水受到热带和中纬度异常环流系统的共同影响.利用观测、再分析和CMIP6模式数据,本文揭示了印度洋偶极子(IOD)和丝绸之路遥相关(SRP)对青藏高原9月降水年际变率的单独和联合影响.当IOD处于正位相,热带印度洋异常纬向海温梯度激发一个Gill响应,在印度次大陆和孟加拉湾低层产生异常反气旋.其北侧的异常西风在青藏高原南坡形成浅槽,相关的异常西南风向青藏高原东南部输送水汽,导致东南部降水增加.同时,北大西洋的西风急流扰动能够激发一个SRP遥相关波列,在印度北部产生一个倾斜的斜压结构,即中西亚对流层高层为异常反气旋,而印度北部对流层低层为异常气旋.异常气旋东侧的西南风向东南部青藏高原输送大量水汽,并造成降水增加. IOD和SRP的联合影响可以解释将近52%的青藏高原降水异常,远超过IOD(19%)和SRP(27%)的单独贡献.本文强调了考虑热带和中纬度驱动因子共同作用的必要性,这为更准确地模拟和预测青藏高原降水提供了线索.     

近50a三峡库区汛期极端降水事件的时空变化

利用三峡库区35个台站1961-2010年汛期(5-9月)的逐日降水量资料,首先定义不同台站的极端降水量阈值,统计各站近50 a逐年汛期极端降水事件的发生频次,进而分析其时空变化特征.结果表明:三峡库区汛期极端降水事件发生频次的最主要空间模态是主体一致性,同时存在东西和南北相反变化的差异.三峡库区汛期极端降水事件发生频次具有较大的空间差异,可分为具有不同变化特点的5个主要异常区.滑动t检验表明,三峡库区西南部区代表站巴南的极端降水事件在1974年后发生了一次由偏多转为偏少的突变,北部区代表站北碚在1981年后和1993年后分别发生了由偏少转为偏多和由偏多到偏少的突变,中部区代表站武隆在1984年后发生了一次由偏多转为偏少的突变.结合最大熵谱和功率谱分析表明,近50 a来各分区汛期极端降水事件发生频次的周期振荡不太一致,三峡库区东北部区代表站宜昌、北部区代表站北碚和中部区代表站武隆分别存在5、2.4和8.3 a的显著周期.     

德令哈大气水汽中δ~(18)O的时间变化特征——以2005年7月～2006年2月为例

大气水汽中氧稳定同位素是研究气候现代过程的重要手段.根据测得的青藏高原东北部德令哈2005年7月~2006年2月大气水汽中δ18O以及观测的气象要素,分析了德令哈大气水汽中δ18O的变化特征以及与温度、比湿的关系.研究结果表明,德令哈大气水汽中δ18O季节变化显著,夏季值高于冬季值;在取样期间存在较大的波动,波动幅度超过37‰;受温度季节变化影响,德令哈大气水汽中δ18O的日变化与日平均温度之间存在着明显的正相关关系;德令哈大气水汽中δ18O与大气中水汽含量的关系较复杂,研究发现在季节尺度上,冬季大气水汽中δ18O与空气比湿成正相关关系,但在夏季,大气水汽中δ18O显著受到降水的影响而与空气比湿显现相反的关系;德令哈大气水汽中δ18O值低于当地降水中δ18O值,它们之间平均差值?δ18O为10.7‰;德令哈大气水汽中δ18O值受到降水事件的影响,在7,8月间相对偏低,模拟结果显示,降水事件使德令哈大气水汽中δ18O值在7,8月间平均偏低7‰.     

基于TRMM/TMI的亚洲夏季降水研究

利用热带测雨卫星(TRMM)微波成像仪(TMI)的长期观测资料, 对亚洲夏季降水的水平分布特征进行了统计分析, 指出了孟加拉湾北部沿岸, 中国南海南部, 赤道西太平洋暖池三个稳定的强降水中心. 并借助全球降水气候计划(GPCP)地表降水资料, 对亚洲范围内洋面, 陆面及6个典型区域的TMI降水准确性进行了评估, 结果表明利用TMI和GPCP资料对亚洲夏季降水的强弱降水中心及雨带位置的指示基本一致, TMI对陆面降水仍存在普遍的低估, 最大相对偏差在25%左右. 差异水平分布显示出极强的地域性特征, 出现最大差异(>3 mm/d)的区域位于陆地上青藏高原周边(正偏差), 及孟加拉湾北部地区(负偏差). 对产生偏差原因的分析表明, TMI陆面算法强烈依赖于降水云系统上层冰粒子含量的特性是构成其系统性偏低和局部地区对降水高估的主要因素, 而进一步的分析也显示GPCP雨量计极不均匀的分布对差异的产生也有所贡献, 尤其是在雨量计稀少的高原周边地区.