基于稳定同位素技术的季风边缘区降水过程研究——以祁连山东段冰沟河流域为例
这是一篇关于冰沟河流域,降水稳定同位素,水汽来源,云下二次蒸发的论文, 主要内容为大气降水作为水循环过程中必不可少的一个环节,对其形成过程中稳定同位素的研究有助于我们进一步了解区域水循环过程。祁连山东段的冰沟河流域地处于季风边缘区,降水过程复杂多变。鉴于此,本研究在冰沟河流域建立了降水同位素监测点,根据2018年1月2018年12月降水同位素数据和NCEP提供的2018年的再分析数据,系统分析了流域内降水稳定同位素的基本变化特征,并结合后向轨迹模型以及雨滴蒸发模型对水汽输送过程以及云下二次蒸发等问题进行了研究。结果表明:(1)研究区日尺度下降水中δD和δ18O值的变化趋势一致。从季节变化上看,夏半年δD和δ18O值明显高于冬半年。在气温变化的影响下研究区变差系数春夏季小于秋冬季。研究区大气降水同位素主要受到温度效应的影响,虽然研究区的降水量效应在全年没有体现,但是在季风水汽的影响下使得暖季呈现出微弱的降水量效应。(2)事件尺度的冰沟河流域大气水线为δD=7.79δ18O+10.47,在干燥环境中云下二次蒸发效应以及不同水汽源地同位素值的共同影响下研究区大气水线方程的斜率低于而截距略高于全球大气水线方程的;冰沟河流域大气水线各个季节上的理论与实际斜率间的明显差距从一定程度上能够说明区域内降水过程经历了云下二次蒸发;多变的局地气候条件、不同形态的降水形式以及不同的水汽源地均是的影响研究区大气降水线季节变化的因素。(3)不同季节控制降水水汽来源的环流系统存在较大差异,其中,西风带是主导冰沟河流域常年降水的水汽来源,北部来的水汽占比仅次于西风水汽,其次为内陆再蒸发水汽以及季风水汽。研究区全年300hPa高度上的水汽通量流线基本上均是自西向东流动;夏季,西风环流带来的降水中同位素值最高,季风环流带来的降水中同位素值最低;北部来的水汽带来的同位素值高于内陆和南部来的季风水汽,这可能与水汽形成时的温度有关。干燥环境下湖泊、河流等水体的再蒸发水汽为研究区带来了较高的d-excess值的降水;冬季西风水汽输送为研究区带来的是同位素值较低的降水,而从北部来水汽为研究区带来了同位素值较高的降水。(4)研究区雨滴直径的变化在0.4 mm1.2 mm间,其中雨滴直径小等于1 mm的降水事件在总降水事件中的占比高达的91.4%。而雨滴末速度则分布在在0.7413.87 m/s范围内,其中在2 m/s6 m/s间的降水事件达到了32次,占所有降水次数的55.2%。蒸发速率的最大值出现在夏半年,蒸发剩余比整体偏小,最小值出现在冬半年,蒸发剩余比普遍较大。研究区内月尺度下的?d值在5-8月相对较大,其余月份变化量很小,降水中蒸发剩余比(f)和?d的出现显著地线性关系,即在蒸发剩余比大于92%时,每增加1%的蒸发量,降水中将减少1.07‰/%的?d值。
东南极典型沿海地区雪冰稳定同位素影响因素研究
这是一篇关于南极冰芯,稳定水同位素,中山站,过量氘,水汽来源的论文, 主要内容为南极冰芯是最重要的气候档案之一,在气候变化研究中占有重要地位。冰芯中保存的稳定水同位素记录可以作为重建过去温度变化的代用指标,对于解释古气候和环境条件是非常重要的。但是降水同位素组成与温度的斜率关系,不仅受当地冷凝温度的影响,还受到水汽源区蒸发条件、水汽来源变化、水汽传输路径及其分馏历史、云中形成降雪的微物理过程和降水间歇性的影响。此外,在南极沿海区域气旋活动频繁,降水同位素组成还受南极下降风和季节性海冰的双重影响,从而影响到降水同位素组成与温度的斜率关系。相对于利用单一同位素比率(δ18O或δD)进行局地温度重建,二级参数过量氘(d-excess)结合同位素分馏模型不仅能进行局地温度的重建,还能进行水汽源区环境条件的重建。所以,研究极地降水过量氘的影响因素有助于我们利用冰芯同位素记录进行水汽源区气象条件和冰芯钻取点局地温度的重建,同时对于冰芯过量氘记录的解释也有一定的意义。但是一些后沉积过程例如风吹雪、雪气交换和雪冰中的扩散过程会影响雪坑或冰芯同位素记录,而这些过程的量化仍然很差。因而,有必要将现代降水同位素记录与雪坑或浅冰芯进行比较。中山站位于东南极沿海,极易受南极下降风和季节性海冰的影响。本论文基于中山站2015-2017年收集的降雪样品和中山站附近的LGB雪坑,并对降雪和雪坑样品进行了稳定同位素测试(δ18O,δD和d-excess),重点研究不同尺度下降水同位素组成与局地空气温度的斜率,风向对降水同位素组成的影响以及降水过量氘的影响因素。最后将中山站降水同位素的季节变化、过量氘和局地水线斜率与LGB雪坑记录进行比较,得到如下初步结论:(1)中山站降水δ18O/T存在日尺度、月尺度和季节尺度上的不同。日尺度下的δ18O/T为0.48‰℃-1,大约为全南极表层雪δ18O/T的一半。月尺度下的δ18O/T为0.59‰℃-1,高于日尺度下的δ18O/T。在季节尺度上,降水δ18O/T的范围为0.41-0.5 8‰℃-1。其中,秋季降水δ18O/T为0.58‰℃-1,δ18O的温度梯度最大,但是与空气温度的相关性最小。秋季初期海冰面积较小,水汽来源更近使得秋季初期的降水δ18O偏高,大气环流同位素模型LMDZ-iso也表明实测秋季初期δ18O偏高。秋季δ18O的季节振幅变大,导致同位素比率δ18O与空气温度没有很好的相关性,所以秋季相关性较低,同时也使得秋季δ18O/T高于春季和冬季。水汽来源诊断结果也表明秋季的水汽来源相较于冬季和春季,更多的来自靠近站点的海洋和大陆。而冬季和春季降水日的水汽来源于更偏北的中纬度海洋区域。(2)中山站西北向风和西向风对应的同位素比率δ18O明显小于东北向风和北向风对应的δ18O。西北向风和西向风可能是来自南极内陆的下降风,因而同位素比率较为贫化。而东北向风和北向风来自海洋方向,同位素比率相对富集。此外,中山站受海洋气团影响的降水日明显大于下降风影响的降水日。(3)在日尺度上,中山站降水d-excess受局地空气温度的影响,与局地空气温度和δ18O的斜率分别为-0.33‰℃-1和-0.5‰/‰。在季节尺度上,相对于春季和冬季,d-excess与局地空气温度和δ18O在秋季相关性很小。除了局地空气温度影响,d-excess还受水汽来源及其气象条件的影响。降水d-excess与ERA5再分析数据海洋表面温度和相对湿度超前1天、3天和5天的空间相关性分析表明,d-excess与南印度洋中高纬度的海洋表面温度正相关,与南印度洋中高纬度的相对湿度负相关。同时,水汽来源诊断结果表明中山站降水日的水汽主要来源于南印度洋50-70°S。此外,由于海冰的季节性变化,水汽来源也会存在季节性变化从而影响到d-excess。冬季的水汽来源最远,相对应地d-excess值相对偏高。然而,春季的水汽来源相对于秋季更偏北,同时同位素组成比秋季低,但是春季平均d-excess值却低于秋季。秋季初期,在海冰边缘附近形成气团伴随着较高的d-excess和δ18O值,这可能是因为在低湿度下的蒸发导致的高动力学分馏作用和有限的分馏作用造成的。(4)中山站δ18O的平均季节振幅小于LGB雪坑的平均季节振幅。中山站夏季平均δ18O比LGB雪坑高12.54‰,而中山站冬季平均δ18O比LGB雪坑高14.31‰,两个地点在冬夏季的差值相当。中山站过量氘值略小于LGB雪坑,但是中山站降水过量氘的变化范围大于LGB雪坑,这表明中山站更靠近沿海受海洋气团和季节性海冰的影响更大,而LGB雪坑还存在后沉积过程的影响导致同位素记录均质化。此外,中山站局地水线斜率较小的原因可能是水汽输送过程中发生的非平衡动力分馏造成的。本文研究结果对于南极中山站温度和水汽源区气象条件的重建、水汽输送过程中的同位素分馏过程和雪冰稳定同位素记录的解释等研究具有重要意义。
祁连山中段降水同位素特征及水汽来源分析
这是一篇关于祁连山中段,降水同位素,水汽来源,潜在蒸发源地,典型降水事件的论文, 主要内容为大气降水作为水循环过程中一个必不可少的环节,因此,对其稳定同位素特征进行分析研究有助于深刻理解水循环的整个过程。祁连山中段由于其地理位置和生态环境的特殊性,是全球气候变化响应的热点地区。鉴于此,对该区域5个站点2015年8月到2016年8月的降水、典型降水的稳定同位素特征及水汽来源方向等问题进行了系统的分析。结果表明:(1)祁连山中段δ18O值范围是:-33.3‰-9.79‰,δD值范围是:-264.9‰-67.5‰。夏、秋季同位素波动比春、冬季显著。降水稳定同位素、气温和降水量均是夏高冬低的趋势,相对湿度在冬季稍低。整体而言,研究区大气水线斜率和截距均高于全球大气水线,截距随着降水量的增加而增大,d与降水量、温度及相对湿度呈正相关关系。δ8O与温度之间的正相关性较好,整体上存在微弱的降水量效应。祁连山中段降水δ18O的高度梯度为-0.45‰/100 m。(2)各站点降水受西风、西南、东南季风、局地和北部水汽的共同影响,西风水汽影响最为显著,夏季受东南方向水汽影响显著。其中,肃南、民乐和托勒在春、夏季还受北部水汽影响,肃南、野牛沟和祁连在夏季还受西南方向水汽影响。下垫面地势较高时后向轨迹高度也较高。(3)研究点以北的河西走廊、周围的祁连山区,柴达木盆地北部及酒泉地区西南部是主要潜在蒸发源地,此外,塔里木盆地北部、新疆东部及高原东南部蒸发水汽对研究区降水也有所贡献。风玫瑰图表明研究点周围及其西北、东北部是其潜在蒸发源地。西风水汽整体富集重同位素,d值较高;季风水汽在夏季重同位素贫化,冬季重同位素富集,d值低;局地和北部水汽的d值往往较高。(4)通过对肃南和野牛沟的两次持续性降水事件研究发现,大气水线斜率和截距及降水稳定同位素值与气象条件关系密切,降水过程符合瑞利分馏模型。8次强降水事件发生时的温度、相对湿度和d值较高,稳定同位素值较贫化,云下二次蒸发效应较弱。典型降水事件均受西风、西南季风、东南季风和局地水汽多种水汽影响,尤其是季风水汽,d值较低,其次是北方水汽及西风水汽,d值均较高,多种水汽辐合是强降水事件发生的必要条件。
青藏高原东北部大气降水氢氧稳定同位素特征及水汽来源研究
这是一篇关于大气降水,氢氧稳定同位素,水汽来源,青藏高原东北部的论文, 主要内容为水体中的氢氧稳定同位素是揭示水循环过程的理想示踪剂,对阐明区域气候变化及可持续发展具有重要指示意义。青藏高原东北部受高原天气系统与西风带天气系统的相互作用,形成了典型的气候过渡带,其水汽来源复杂,对气候变化的响应极为敏感。系统开展全球变化背景下青藏高原东北部大气降水氢氧稳定同位素特征及水汽来源研究,对揭示区域降水时空分布格局、促进水资源可持续利用与管理具有重要意义。本研究基于刚察气象站点2012～2021年间采集的980个大气降水(δ2H和δ18O)样品,应用同位素示踪技术与HYSPLIT模型,揭示了青藏高原东北部大气降水氢氧稳定同位素变化特征及水汽来源,并探讨了研究区大气降水氘盈余(d)特征和同位素地理效应。在此基础上分析了典型持续降水事件中同位素变化规律及水汽输送过程,分类探讨了强降水事件和弱降水事件中的同位素特征、大气降水线及水汽来源。主要结论如下:(1)青藏高原东北部大气降水δ2H和δ18O的范围分别为-222.63‰～48.96‰和-30.54‰～9.70‰,平均值分别为-39.19‰和-6.17‰。在季节变化上,表现为夏秋季节富集且波动显著,冬春季节贫化,最小值出现在冬季。当地大气降水线及各季节大气降水线方程的斜率与截距均低于全球大气降水线,降水过程受到二次蒸发的显著影响。d平均值为10.15‰,表现为夏秋季节较高,冬春季节较低。研究区大气降水氢氧稳定同位素在全年尺度上存在显著的温度效应和降水量效应,在季节尺度上表现为春季温度效应显著、夏季降水量效应显著、秋季温度和降水量效应均显著,而冬季由于样本量较少,未通过显著性检验。(2)青藏高原东北部水汽来源常年以西风水汽为主导,合计占比66%(包括西北部水汽占37%、近源西风水汽占25%、远源西风水汽占4%),东部季风水汽和局地再循环水汽占18%,西南季风水汽占16%。在季节尺度上,春季水汽来源路径相对较单一,以西风水汽为主;夏季水汽来源路径相对复杂,以近源西风水汽、局地再循环水汽和东南季风水汽为主;秋季西风水汽合计占比下降,北部水汽和西南季风水汽对其影响增强。冬季降水发生次数较少,主要受控于西风携带的大陆性气团和极少数来源于印度洋的海洋性气团。基于水汽来源后向轨迹与同位素特征得出,季风降水δ2H和δ18O变化范围较小,平均值较低;西风降水δ2H和δ18O的变化范围较大,同位素平均值高于季风降水;北部降水和局地降水δ2H和δ18O的变化范围均较小,而平均值较大。(3)2019年8月22～27日的典型持续降水过程中,δ2H和δ18O先贫化后富集,温度先升高后降低,相对湿度持续下降,d值呈波动变化趋势。大气降水线的斜率和截距均较高,持续降水过程中二次蒸发效应不显著。根据水汽来源后向轨迹将此次持续降水过程分为三个阶段(初期、中期、末期),其中降水的初期和末期主要受大陆性气团的影响,而在降水量逐增的中期则主要受控于海洋性气团且符合瑞利分馏模型。(4)强降水事件(78次)大气降水线方程为δ2H=7.83δ18O+14.39,d平均值高达15.76‰,二次蒸发效应对强降水事件氢氧稳定同位素的影响作用较弱。强降水事件后向轨迹聚类分析结果显示,北部水汽占比最高(56%),近源西风水汽合计占比27%,西南季风水汽合计占比11%,而远源西风水汽合计占比最低(7%)。弱降水事件(773次)大气降水线方程为δ2H=7.44δ18O+5.69,d平均值低至8.89‰,弱降水事件发生时更容易受到云下二次蒸发的影响。弱降水事件后向轨迹聚类分析结果显示,北部水汽合计占比高达50%,近源西风水汽合计占比28%,西南季风水汽合计占比15%,远源西风水汽合计占比仅为7%。西风水汽和局地水汽带来的降水量所占比例合计超过75%。弱降水事件中δ2H和δ18O变化范围普遍大于强降水事件,d平均值低于10%,表明弱降水过程的水汽来源以西风和局地水汽为主,受季风影响较弱。除东南季风水汽来源于海洋性气团,其他四种水汽主要来源于大陆性气团且输送路径为陆地上空,携带水汽量均较小。
黄河源区降水稳定氢氧同位素的时空变化特征及影响因素研究
这是一篇关于黄河源区,稳定同位素,降水,云下二次蒸发,水汽来源的论文, 主要内容为降水中稳定同位素演化机制的研究可以为进一步了解区域水循环过程提供重要依据。黄河源区是黄河的发源地,这里雪山连绵,河流、湖泊众多,是黄河水资源的主要来源之一,被称为黄河的“水塔”。大气降水是区域水资源的主要来源之一,是水循环过程中最重要的环节。本文基于黄河源区2021年3～11月的491个基于事件的降水稳定同位素数据分析了黄河源区降水稳定同位素的时空变化特征、局地气象因子、海拔高度对降水稳定同位素的影响。利用Stewart模型计算和分析了黄河源区的云下二次蒸发效应,利用HYSPLIT模型分析了黄河源区各个站点不同降水事件的水汽输送轨迹,并分析了水汽输送高度和水汽输送时间对研究区降水稳定同位素的影响。结果表明:(1)黄河源区降水δ18O值整体呈西南低,东北高的趋势,夏季(6～8月)同位素值高于春秋季。气象因子(气温、降水量、相对湿度)对局地降水稳定同位素的影响较小,降水稳定同位素的海拔效应较强(海拔越高,同位素值越贫化),海拔梯度为-0.21‰(100m)-1,海拔梯度夏季>秋季>春季。(2)黄河源区局地大气水线方程为:δ2H=7.72δ18O+10.53(R2=0.96,P<0.01,n=491),低于全球大气水线的斜率。研究区内海拔越低,LMWL的斜率越小,另外,LMWL还受到局地小气候和下垫面性质(比如水库)的影响。(3)根据黄河源区9个采样点f(雨滴蒸发剩余比)和Δd的时空变化特征,分析得出,黄河源区夏季云下二次蒸发强于春秋季,局地气象因子对云下二次蒸发影响较大,其中温度和相对湿度与云下二次蒸发呈弱线性关系,降水量和雨滴直径的增大会使得云下二次蒸发减弱,但二者之间不存在明确的线性关系。(4)黄河源区f(雨滴蒸发剩余比)和Δd之间的关系也受到局地气象因子的影响,当气温低,相对湿度高,降水量大,雨滴直径大时,f值较高,Δd接近0,云下二次蒸发较弱,f和Δd的对数相关性较强,拟合的对数关系的斜率较低。当f>90%时,f和Δd存在一个约为1.26‰/%的线性关系。(5)黄河源区降水稳定同位素受到不同水汽来源的影响,研究区水汽主要来源于高原内部的局地水汽和西风输送水汽,夏季风期间,黄河源区降水受局地水汽和东亚季风、印度季风的交替控制,降水稳定同位素值日变化较大,但不存在明显的季节变化规律。同时,黄河源区各个站点的水汽输送高度和水汽输送时间对局地降水稳定同位素影响较大,研究区中部以及东部的站点水汽输送高度与降水稳定同位素之间呈现正相关关系,西部的玛多、兴海、龙羊峡几个站点水汽输送高度与降水稳定同位素之间关系不明显。水汽输送时间与降水稳定同位素之间呈现负相关关系,夏季相关性强于春季和秋季。
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