洞穴滴水、石笋中元素及元素比值对气候环境变化响应的研究进展

滴水/石笋元素是除δ18O和δ13C,研究气候环境变化的又一重要代用指标。外界气候环境变化通过改变表层岩溶带和岩溶含水层中的水文环境,甚至洞穴环境,进而影响元素的溶解、运移和沉淀过程,从而使得滴水/石笋中元素表现一定的变化规律。本文通过分析影响洞穴滴水元素及元素比值变化的因素：元素来源、水—岩相互作用和滞留时间、差异性淋滤、先期碳酸盐沉淀及分配系数的基础上,从元素对岩溶区“二元结构”和极端天气/气候事件响应的角度,探讨了滴水/石笋中元素的气候环境指示意义。取得了以下认识：① 强降水带来的冲刷作用和溶解作用,促进土壤和基岩中元素、胶体和天然有机质（NOM：Natural Organic Matter）等物质在短时间内快速溶解和运移,使滴水中元素含量增加;但随着降水增多带来的稀释作用,使得滴水/石笋中Mg,Sr和Ba等元素含量降低,因此,单一元素的解译较为复杂;② 基岩/溶液中元素溶解和沉积的差异,导致元素相对含量的变化,使得元素X/Ca值对外界环境的响应具有一致性,尤其是Mg/Ca和Sr/Ca值：在干旱条件下,降水减少导致方解石先期沉积（PCP：Prior Calcite precipitation）作用增强,使Mg/Ca和Sr/Ca值增大。但目前存在着一些问题：① Mg/Ca和Sr/Ca值变化对强降水事件的响应并不明显,可能与新、老水混合及元素溶解过程中的溶解比例差别不大有关;② 多源、多期混合水源会导致洞穴滴水元素对极端事件响应减弱;③ Mg/Ca和Sr/Ca的变化为解释δ18O的“雨量效应”及“源效应”提供了见解,但元素变化能否反映季风强度的变化,仍有待进一步的研究。基于以上认识,笔者提出开展更加系统的大气—土壤—包气带—洞穴的监测;开展更高分辨率、更长时间尺度的洞穴监测;开展多区域、多洞穴系统对比研究来更加深入地开展洞穴石笋元素研究。     

增江颗粒有机碳同位素的AMS研究初报

全球河流每年向海洋输送约1Gt(10¹⁵g)的碳,其中40%为有机碳。然而,在海洋沉积物中却难以寻找到足量的陆地碳的生物地球化学标记[1]。显然,陆地碳在河流搬运过程中经历了复杂的生物地球化学变化,乃至“踪迹全无”。河流有机碳可大体上划分为颗粒态(POC)和溶解态(DOC)两种基本类型。就全球范围讲,河流输送的POC和DOC在数量上相当或DOC略高些。但在一些高浑浊的河流,尤其是亚洲季风区的河流中,POC在有机碳中却占绝对优势。如珠江干流水体中POCDOC比值高达5.0左右^[2]。因此,亚洲季风区河流中所搬运的POC对其注入水域的生物地球化学过程影响深远。河流有机质的来源复     

疏勒河上游径流组分及其变化特征定量模拟

气候变化背景下,西北干旱区内陆河流域的水文过程发生显著变化,制约着地区经济社会和生态建设的稳定发展。定量分析和评估高寒山区径流的变化,有助于加强西北地区水资源的规划管理,实现水资源的可持续利用,保障区域水安全。选取位于青藏高原东北边缘、祁连山西段的疏勒河上游作为研究区,利用包含冰雪消融模块的寒区水文模型分布式SPHY模型（Spatial Processes inHydrology model）对流域的径流过程进行定量模拟,根据模拟结果分析了疏勒河上游近45 a径流组成及径流与各组分的变化特征。结果表明：（1）率定期日径流和月径流模拟的Nash效率系数分别为0.62和0.86,验证期达到0.79和0.95,模拟的月径流与实测月径流过程基本一致;（2）径流由四部分组成,冰川径流占总径流的年平均比例为30.5%,融雪径流的占比为12.9%,降雨径流的占比为13.5%,基流的占比为43.1%;（3）由于气温升高、降水增多,冰川径流与降雨径流均呈增加的趋势,平均增加幅度分别为4.66×10⁶ m³·a^-1和2.46×10⁶ m³·a^-1,融雪径流呈减少的趋势,平均减少幅度为1.01×10⁶ m³·a^-1;（4）近45 a年径流增加了69.6%,冰川融水对流域径流增加的贡献率达到48%,非冰川区降水增加的贡献率达到52%。     

中国北方喀斯特水的某些特征

<正> 我国北方喀斯特主要分布在华北、东北南部、华东和中南北部以及西北东部,位于秦岭——淮河一线以北的广阔区域内。区内除松辽平原、华北平原和淮河平原外,多为丘陵、山地和高原地形。有辽河、海河、黄河、淮河等水系。主要属亚干旱——亚湿润温带大陆性气候,年降水量为400～800毫米,局部地区小于400毫米;蒸发量为1500～1800毫米(大部地区);年平均相对湿度为55～70％。溶蚀量为10(晋北)及30(鲁中)毫米/千年。      

天山南坡高冰川覆盖率的木扎提河流域水文过程对气候变化的响应

木扎提河是天山南坡冰川面积覆盖率最大（48.2%）的河流, 流域径流过程对气候变化极为敏感, 为了合理管理和规划水资源, 确保水资源的可持续利用, 亟需定量评估气候变化对该流域水文过程的影响。以VIC-CAS分布式水文模型为计算平台, 利用实测的径流和两次冰川编目间的冰川面积变化数据开展了模型的多目标参数化校正和验证, 有效提高了模拟结果的“真实性”, 然后通过数值模拟结果结合观测数据定量解析了流域径流的组成、 变化特征及对气候变化的响应机理。结果表明： 木扎提河总径流集中在暖季（5 - 9月）, 占全年总径流量的77.9%, 冰川径流、 融雪径流和降雨径流分别占总径流量的66.6%、 26.4%和7.0%。1971 - 2010年木扎提河流域气温和降水呈显著增加趋势, 由于降水的增加, 降雨和融雪径流均呈增加趋势, 但冰川径流呈现明显减少趋势, 导致总径流呈现下降趋势。在RCP4.5情景下, 未来该流域气温呈现明显升高趋势, 降水表现为微弱下降趋势; 气候变暖后, 更多降水以降雨形式发生, 未来降雨径流将明显增加, 降雪和融雪径流已于20世纪90年代达到峰值, 随后明显减少; 冰川面积将持续萎缩, 冰川径流于21世纪10年代达到拐点, 随后明显减少, 导致河道总径流量也将明显减少。     

黄河流域气候与农业种植面积变化对径流的影响

根据黄河流域1960—2005年5个水文站逐日流量、77个气象站1959—2013年逐日降水数据,结合流域内主要农作物种植面积及大型水库资料,全面探讨气候与农业面积变化及人类活动对黄河流域径流变化的影响.研究表明:黄河流域所有流量分位数总体呈下降趋势,并于1980s中后期到1990s中期发生突变.降水变化是黄河流域径流变化的主要影响因素.在考虑不同流量分位数情况下,农作物种植面积变化对不同分位数径流变化的影响也有差异性.花园口站农作物种植面积变化对径流量量级和可变性均有显著影响;其余4站各项气候变化与农作物种植指标参数较大,虽均未达到10%的显著性水平,但仍会对径流的量级变化产生影响.对唐乃亥站,农作物耕作面积的下降减少了灌溉用水,在0.5流量分位数时有高达60%增加径流量的间接作用.对于头道拐站,农作物耕作面积的增加使得流域总蒸发量增加,灌溉用水增加,在0.3流量分位数时有高达40%减少径流量的间接作用.该研究为气候变化与人类活动影响下黄河流域水资源优化配置提供重要理论依据.     

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.     

河西走廊水文过程变化对荒漠绿洲过渡带NDVI的影响

在中国干旱区内陆河流域,人为活动几乎控制了所有的地表水文过程,而且人为对水文过程的调控力度随塔里木河、黑河和石羊河流域水资源综合管理等工程的实施而逐渐明显.对人为调控水文过程所引起的绿洲水文与生态变化及其环境效应虽然引起了广泛的关注,但相关研究仍很薄弱.本文研究了地处黑河中游荒漠绿洲边缘的平川灌区绿洲荒漠过渡带水文与生态过程的变化,结果表明,近20年来,特别是自2000年实施国务院确定的黑河分水方案以来,平川灌区河水灌溉量年平均减少1.498×107 m3,井水灌溉量年平均增加1.457×107 m3,分水前地下水埋深变化在2.44~3.19 m,平均(2.73±0.24)m,而分水后地下水埋深变化在3.08~4.01 m,平均(3.79±0.62)m.在空间上表现为埋深3 m的分布区域面积减少,由原来的3612 hm2减少到394 hm2,而埋深3 m的分布区域面积增加,由原来的853 hm2增加到3843 hm2.尽管绿洲的水文过程发生了变化,但尚未对荒漠-绿洲过渡带的植被生产力产生明显影响.     

大气和植被生态及土壤系统水文过程相互作用的一些研究

利用我国测站的降水资料、卫星测得的OLR和高云量资料、SST和137°E次表层海温资料以及NCEP/NCAR再分析资料,分析了东亚夏季风的爆发和北进的年际变化特征及其与热带西太平洋热状态的关系.分析结果表明:当春季热带西太平洋处于暖状态,菲律宾周围对流活动强,在这种情况下,南海上空对流层下层有气旋性距平环流,西太平洋副热带高压偏东,从而使得南海夏季风爆发早;并且,当夏季热带西太平洋也处于暖状态,菲律宾周围对流活动也很强,在这种情况下,西太平洋副热带高压北进时,在6月中旬和7月初存在明显的突跳,从而使得东亚季风雨带在6月中旬明显由华南北跳到江淮流域,并于7月初由江淮流域北跳到黄河流域、华北和东北地区.这将引起江淮流域和长江中、下游夏季风降水偏少,并往往发生干旱,而黄河流域、华北和东北地区的夏季降水正常或偏多.相反,当春季热带西太平洋处于冷状态,菲律宾周围对流活动弱,在这种情况下,南海上空对流层下层有反气旋性距平环流,西太平洋副热带高压偏西,从而使得南海夏季风爆发晚;并且,当夏季热带西太平洋也处于冷状态,菲律宾周围对流活动也很弱,在这种情况下,西太平洋副热带高压北进时,在6月中旬或7月初向北突跳并不明显,而是以渐进式向北移动,从而使得东亚季风雨带一直维持在长江流域和淮河流域.这将引起此两流域夏季风降水偏多,并往往发生洪涝,而黄河流域、华北和东北地区的夏季降水偏少,发生干旱.作者还从非线性多平衡态动力理论说明了菲律宾周围对流活动强弱对西太平洋副热带高压北进时以突跳或渐进式向北移动起到重要作用.     

基于TRMM卫星雷达降雨的流域陆面水文过程

利用热带降雨观测计划(TRMM)卫星雷达降雨数据驱动分布式陆面水文模型,研究流域尺度陆面水文过程,评估该数据在水文模拟与预报等研究领域的性能。通过与实测雨量资料比较,验证TRMM卫星雷达降雨数据的质量。分别将TRMM卫星雷达降雨与观测降雨作为耦合模型的气象输入,模拟和研究淮河流域1998~2003年的陆面水文过程时空变化。结果表明,TRMM卫星雷达降雨数据能够很好地描述降雨的时空分布,利用TRMM降雨模拟的结果与利用观测降雨模拟的结果精度相当;模拟流量与实测资料基本吻合。卫星雷达降雨数据在陆面水文过程研究中具有广泛的应用前景。