多年冻土区风火山流域降水河水稳定同位素特征分析

由于多年冻土区流域土壤冻融过程对水循环影响的复杂性,水循环物理过程观测存在困难和不足,而利用稳定同位素方法可以有效地解决该问题。因此,基于2009年长江源风火山流域夏季定点降水和河水δD和δ¹⁸O,对研究区降水河水稳定同位素特征进行分析。结果表明,研究区夏季降水δD和δ¹⁸O受到降水量和温度的双重影响,即受海洋性和大陆局地气团的交替影响。河水氢氧同位素的季节变化和空间差异与壤中流、地下水补给河流的季节差异和植被覆盖的空间差异有关。随着地温升高和土壤冻融锋面的迁移,河水补给来源和同位素特征发生改变,表明土壤冻融变化对多年冻土流域径流过程起到重要作用。此外,蒸发分馏作用是研究区河水同位素的重要影响因素。     

下垫面蒸发和云中凝结分馏对降水稳定同位素影响的数值试验——时间变化的比较(以长沙降水同位素为例)

利用稳定同位素大气水平衡模式（iAWBM）的模拟数据,分析了在不同的下垫面蒸发和不同的凝结分馏条件下降水中δ¹⁸O的时间变化、降水量效应、负温度效应和大气水线。并通过与长沙站5年实测数据的比较以及模拟试验结果之间的相互比较,揭示下垫面蒸发水汽中稳定同位素的季节性变化和云中稳定同位素分馏对降水中稳定同位素变化的可能影响,增进对季风区水稳定同位素效应的理解和认识。iAWBM给出的4个模拟试验均很好地再现了监测站降水中δ¹⁸O的时间变化,模拟出季风区降水中稳定同位素在暖半年被贫化、在冷半年被富集的基本特点。与平衡分馏相比,动力分馏下降水中稳定同位素被贫化的程度加强、季节差和离散程度减小;由下垫面蒸发水汽中稳定同位素δ_e季节性变化所引起的降水中稳定同位素的变化在不同季节完全相反：在长沙,暖半年降水中δ¹⁸O更低,冷半年降水中δ¹⁸O更高,使得降水中稳定同位素季节差和离散程度增大。4个模拟试验均很好地再现了季风区的降水量效应和负温度效应。与平衡分馏相比,动力分馏下模拟的降水量效应和负温度效应的斜率相对较小;δ_e季节性变化导致模拟的降水量效应和负温度效应的斜率增大。利用iAWBM,模拟出季风区湿热气候条件下的MWL。动力分馏以及δ_e季节变化均使模拟得到的MWL的斜率和截距减小。     

黑河流域中上游地区降水δ18O变化特征

水资源短缺和合理利用是黑河流域面临的一个严峻问题,解决问题的关键就是要深入了解水循环过程.降水作为水循环中一个重要环节,分析其环境同位素变化特征是应用同位素示踪技术研究水循环过程所必须的前提.根据黑河流域中上游地区取得的降水水样和降水气象资料,分析了该区域降水中δ¹⁸O的变化特征.结果表明:降水δ¹⁸O受降水量、季节、高度和温度等众多因素综合影响,其中温度占主导地位;由于位于干旱内陆地区,降水中δ¹⁸O的季节变化幅度较大,可达20‰以上;降水δ¹⁸O与降水前后平均气温的相关性显著,分别高于δ¹⁸O与降水前气温或降水后气温的相关性.从空间上来看,山区或上游地区降水δ¹⁸O与气温之间的相关性显著,分别高于δ¹⁸O与山前或山前盆地的相关性.     

孟氏螺蛳壳体氧同位素组成记录的季节性温度变化

软体动物壳体的碳酸盐氧同位素组成与周围水体环境密切相关,是重建古气候的重要载体。孟氏螺蛳个体较大,是滇中地区特有的螺蛳属,在滇中地区第四纪湖岸阶地广泛分布,然而其壳体的氧同位素能否用于重建区域季节性气候信号仍不清晰。本研究通过收集杞麓湖的现生孟氏螺蛳壳体,沿着壳体螺旋生长方向连续取样(选取两个壳体,分别采集45个和46个样),测试其壳体的碳酸盐δ¹⁸O值,分析并讨论了壳体δ¹⁸O与湖水温度和湖水δ¹⁸O_w的耦合关系,研究结果表明,1)孟氏螺蛳壳体内部沿生长方向的氧同位素具有显著的季节性的波动特征;2)壳体碳酸盐氧同位素符合平衡沉降条件下的氧同位素分馏特征,其δ¹⁸O值与湖泊温度和湖水δ¹⁸O_w密切相关;3)杞麓湖现代孟氏螺蛳壳体δ¹⁸O值的波动主要受温度的季节性变化控制,在具有湖水δ¹⁸O_w值的情况下,壳体δ¹⁸O值可靠记录了区域季节性湖水温度变化...     

下垫面蒸发和云中凝结分馏对降水稳定同位素影响的数值试验——空间分布的比较

利用稳定同位素大气水平衡模式（iAWBM）,在一个水平衡和水稳定同位素平衡的框架下以及在相同的气象驱动下,模拟在不同的下垫面蒸发和不同的云中凝结分馏条件下降水中稳定同位素效应的空间分布特征,并通过与GNIP实测数据的比较以及模拟试验结果之间的相互比较,揭示云中的稳定同位素分馏和从下垫面蒸发的水汽同位素δ_e对降水中稳定同位素变化的可能影响,增进对全球水循环中稳定同位素效应的理解和认识。结果显示：iAWBM的4个模拟试验均很好地再现了全球降水中平均δ¹⁸O和平均δ¹⁸O季节差的空间分布特征;很好地模拟了降水同位素的温度效应、降水量效应的分布特点以及全球的大气水线MWL;比较而言,平衡分馏假设下模拟的全球降水中平均δ¹⁸O的空间分布与根据GNIP数据得到的实际空间分布以及模拟的全球MWL与实际MWL最接近,且模拟效果亦最好;动力分馏假设下模拟的降水中δ¹⁸O平均季节差的空间分布与根据GNIP数据得到的实际分布之间的相关程度较好,且拟合水平明显提高;在动力分馏和δ_e季节性的假设下,iAWBM再现全球δ¹⁸O-T和δ¹⁸O-P相关关系空间分布的能力较强。     

羊卓雍错流域降水中稳定氧同位素变化特征

根据青藏高原南部羊卓雍错流域白地、翁果和堆乡3个水文站2004年1~10月降水中δ¹⁸O的测定结果,分析了该流域降水中δ¹⁸O的变化特征及其与温度和降水量之间的关系.结果表明:3个站点降水中δ¹⁸O的值在雨季前变化不大,且都保持相对高值;进入雨季后都开始下降,雨季结束后又均开始增大.该流域夏季降水中δ¹⁸O表现出低值的特征与夏季西南季风的强烈活动密切相关.受西南季风影响,3个站点夏季降水均表现出季风降水的特征,降水中δ¹⁸O与降水时温度关系不明显,而与降水量之间存在着一定的反向变化趋势,从而表现出一定的“降水量效应”.羊卓雍错流域降水中δ¹⁸O的这种变化特征与拉萨的基本一致.     

湿度效应及其对降水中δ18O季节分布的影响

提出了湿度效应的概念,即降水中稳定同位素比率与大气的温度露点差ΔT_d存在显著的正相关关系.对两个气候特征完全不同的取样站乌鲁木齐和昆明降水中δ¹⁸O与温度露点差之间的关系进行了分析,尽管两站的δ¹⁸O与ΔT_d的季节变化存在差异,但它们的湿度效应是显著的.利用稳定同位素动力分馏模型并根据500hPa月平均温度的季节分布对昆明站云中凝结物中δ¹⁸O进行了模拟,模拟的月平均δ¹⁸O与月平均温度的变化具有非常好的一致性,说明昆明站云中凝结物中的氧稳定同位素具有温度效应.这个结果与地面降水中氧稳定同位素的降水量效应截然不同.昆明站降水中δ¹⁸O一定程度上指示大气的干湿状况,同时也间接地指示降水量的多寡或季风的强弱.湿度效应的存在,影响降落雨滴中稳定同位素蒸发富集的强度以及雨滴与大气之间稳定同位素物质迁移的方向.它不仅改变降水中稳定同位素比率的大小,也改变其季节分布的特点.     

山脉走向对降水中δ18O垂直递减率的影响——以黑河流域上游祁连山区为例

准确定量计算降水中稳定同位素的垂直递减率对水文、古气候及古海拔高度重建等研究有重要意义.使用方差分析方法,分析了黑河流域上游祁连山区3个站点2007年10月至2008年9月降水中δ¹⁸O与海拔的关系.结果表明：由于青藏高原北缘气候特征受西风环流控制,水汽的主要运移路径与祁连山脉走向基本平行,导致降水过程中缺乏水汽沿海拔爬升的过程,以及存在广泛的水汽混合等因素的影响,使得在显著性水平α=0.05下,祁连山区海拔1600～3300 m之间降水中δ¹⁸O在年尺度和季节尺度上均没有表现出明显的高程效应,其年均值为-7.1‰.结果说明除水汽来源外,山脉走向与主要水汽运移轨迹之间的空间关系也是影响降水中稳定同位素特征的重要因素.最后,讨论了青藏高原降水δ¹⁸O垂直递减率的区域变化特征.     

雅鲁藏布江流域河水中氧稳定同位素的时空变化

根据雅鲁藏布江流域2005年干流的拉孜、奴各沙、羊村和奴下4个站点河水中δ18O实测数据以及相关的气象和水文资料,分析了河水中δ18O的变化特征.通过与同期该流域降水中δ18O的比较,初步研究了流域内河水中δ18O的时空分布特征.结果表明: 河水中δ18O的变化大致以7月中旬为界划分为两个明显的阶段,前一阶段河水中δ18O呈上升趋势,以相对高值为特征;而后一阶段则呈下降趋势,以相对低值为特征;河水中δ18O的这种季节变化可以很好地被正弦波变化所揭示.从空间上来看,由于受到支流、地下水和蒸发等的影响,河水中δ18O变化比较复杂,在青藏高原夏季季风降水期间,由下游的奴下站至中游的奴各沙站,河水中的δ18O逐渐递减,其由高程效应和水平距离所造成的递减率分别为0.21‰·(100m)-1和0.45‰·(100km)-1.河水中δ18O变化受到降水中δ18O强烈影响,但其波动远小于降水,在青藏高原夏季季风降水期间,河水中δ18O的平均波动幅度为4.8‰,比流域降水中δ18O的平均波动幅度低了19.7‰.整个流域均到受蒸发的影响,在青藏高原夏季季风降水期间,降水中δ18O的加权平均值为-17.4‰,河水中δ18O的平均值为-16.6‰,造成这种差异的主要原因在于降水和河水中的稳定同位素又通过蒸发发生分馏.     

羊卓雍错流域湖水氧稳定同位素空间分布特征

2006年8月17日至9月1日对羊卓雍错和普莫雍错表层湖水以及深层湖水进行采样,共采集到55个表层水样和39个深水样,通过测量水样氧稳定同位素比率,初步揭示了该流域湖水水体中δ18O的空间变化.结果表明:羊卓雍错和普莫雍错湖水的δ18O值随深度增加逐渐增大,其主要受冰川融水补给的影响.羊卓雍错表层湖水的δ18O值变化较大,主要是和羊卓雍错湖水动力混合不充分有关,一般河水汇入区δ18O值都表现为较低值.普莫雍错表层湖水的δ18O值变化较小,由冰川融水主要补给的西岸、南岸至湖心,δ18O值逐渐增大,说明冰川融水汇入湖泊后的混合靠扩散过程和蒸发过程的作用.湖水中δ18O值高于当地冰川融水,表明湖水蒸发强烈.同时,通过均值分析,还发现羊卓雍错和普莫雍错表层湖水δ18O值存在显著差异.     

青藏高原那曲河流域降水及河流水体中氧稳定同位素研究

根据青藏高原中部那曲河流域1998年夏季测得的上下游中稳定同位素的日变化,并与同期观测的流域降水中稳定同位素比较,分析了河水中δ18O的变化特征,初步研究了该流域的稳定同位素水文循环过程.河水中δ18O的变化幅度远小于降水,它是降水中δ18O、降水量以及地表蒸发过程共同作用的结果.研究发现湖水对于稳定同位素变化起着显著的调节作用.河水中δ18O与流域降水中δ18O的差异可能反映了该流域强烈的地表和湖面蒸发作用.     

水体蒸发过程中稳定同位素分馏的模拟

通过对非平衡条件下水体蒸发中稳定同位素分馏机制的分析, 模拟了蒸发水体中稳定同位素比率的变化及与温度、大气湿度的关系. 在瑞利模式中, 剩余水中的稳定同位素随剩余水比例f的减小不断富集, 富集的速率与温度呈反比. 在动力蒸发条件下, 稳定同位素的分馏不仅与相变温度有关, 而且受大气湿度和液-气相之间物质交换的影响. 在动力蒸发过程中, 相对湿度越小, 剩余水中稳定同位素比率随 f的变化越快. 当相对湿度较大时, 在经历了一段时间蒸发后的剩余水中的δ将不随 f变化. 蒸发水体达到稳定状态的速率主要取决于大气的相对湿度. 当温度约20℃时, 在瑞利平衡条件下模拟的蒸发线与全球大气水线较接近. 在非平衡蒸发条件下, 蒸发线的梯度项和常数项与温度和相对湿度呈正比.     

西藏羊卓雍错湖面遥感监测模型及近期变化

羊卓雍错作为西藏高原三大圣湖之一和藏南重要的高原特色风景旅游景区, 其水域变化受到当地老百姓和各级政府部门的关注. 应用高分辨率陆地资源卫星等遥感数据可以方便、 准确地获取湖泊面积、 周长等信息, 但是由于Landsat 等高分辨率陆地资源卫星影像受到卫星重复周期和卫星过顶时多云天气的影响, 无法实现湖泊面积变化的常规业务化连续监测. 为此, 以Landsat 等高分辨率陆地资源卫星为主要遥感信息源, 结合羊卓雍错水位观测资料, 建立了羊卓雍错湖泊面积变化与水位波动之间的相关模型. 在此基础上, 利用该湖泊面积遥感监测模型, 结合近期水位观测资料分析了羊卓雍错湖面面积变化特征与趋势.     

环境同位素在识别伊犁河谷地下水补给来源中的指示作用

重点分析了研究区潜水、浅层承压水、泉水及地表水δD、δ¹⁸O的分布特征,并对5组水文钻探井地下水样品进行分析.潜水δD变化范围为-97.32‰~-67.51‰,平均值为-80.34‰;δ¹⁸O为-15.85‰~-10.66‰,平均值为-12.08‰.浅层承压水δD为-111.93‰~-68.38‰,平均值为-84.79‰;δ¹⁸O为-16.01‰~-10.52‰,平均值为-12.30‰.泉水δD为-102.06‰~-71.63‰,平均值为-84.10‰;δ¹⁸O为-14.21‰~-9.70‰,平均值为-12.24‰.地表水δD为-90.53‰~-60.99‰,平均值为-72.58‰;δ¹⁸O在-13.20‰~-9.54‰,平均值为-11.21‰.地下水δ¹³C为-9.4‰~-5.6‰,平均值为-8.3‰,极差为3.8‰.结果表明:地下水与地表水均起源于当地大气降水.潜水与浅层承压水水力联系较强,潜水与浅层承压水属于同一含水系统.与浅层承压水相比,深层承压水年龄较大,在20 ka左右,属于沉积埋藏水.深层承压水与浅层承压水的水力联系较弱.潜水与浅层承压水的δ¹³C值较为接近,且接近大气CO₂的δ¹³C值-7‰.研究区地下水中碳的主要来源为大气CO₂.     

A stable isotope record from freshwater lake shells of the eastern Tibetan Plateau, China, during the past two centuries

Lake Xingcuo is a small, closed, hardwater lake situated in the eastern Tibetan Plateau. Stable isotope data (δ¹⁸O and δ¹³C) from the freshwater snail Gyraulus sibirica (Dunker) in a 34-cm-long, radioactive isotope-dated sediment core represent the past 200 years of Lake Xingcuo environmental history. Carbon and oxygen isotope ratios in the shells of the snail yield information on the isotopic composition of the water in which the shell was formed, which in turn relates to climatic conditions prevailing during the snail's life-span. Living and fossil shells from Lake Xingcuo were collected. δ¹⁸O values in the living shells from Lake Xingcuo are in equilibrium with ambient waters, while δ¹³C values may trace snail dietary carbon. On comparing δ¹⁸O and δ¹³C in the shell of Gyraulus sibirica with monitored data for the period 1954-1995, we found that the δ¹⁸O composition in the shell is an efficient proxy revealing air temperature during the warmer months from April to September. There is a positive correlation between the δ¹⁸O in the shells of Gyraulus sibirica and the running average temperature of the warmer months. Climatic variability in the eastern Tibetan Plateau for the past two centuries has been inferred from the δ¹⁸O record from the freshwater snails in the sediments of Lake Xingcuo. As such, the last 200 years' palaeoclimatic record for this region can be separated into three periods representing oscillations between warm and cool conditions consistent with the Guliya ice record in the Tibetan Plateau.