创新研究群体:刘晶淼 马建中 赵平 章新平 刘建栋 张佳华 祝从文 史历 刘洪利 孙健 柏晶瑜 研究方向:东亚气候变化对环境演变的影响及相互作用研究

群体构成 群体由11人构成(刘晶淼,马建中,赵平,章新平,张佳华,刘建栋,祝从文,史历,刘洪利,孙健,柏晶瑜).其中,9人具有博士学位,1人为在读博士研究生,1人具有硕士学位.11人中5人为研究员,2人为副研究员,平均年龄为35.9岁,是一支以中青年研究人员组成的研究团体.群体的成员来自于中国气象科学研究院地球环境和全球变化科学研究中心,农业气象与遥感应用研究中心和灾害天气研究中心.

湘东北地区大气降水和地下水的氢氧稳定同位素研究

深入认识湘东北地区的水文循环过程,对规范该区水资源的有效利用和减缓该区生态环境问题具有重要意义。2021年10月—2023年2月,每月对该区金井镇的大气降水和不同深度(约4.7 m和61 m)井水开展样品采集和测试。该区大气降水稳定同位素值(δ^(18)O、δD)呈现夏半年偏负、冬半年偏正,且氘盈余、水汽通量和HYSPLIT模型分析结果显示,影响该区夏季降水的气团主要来自暖湿的海洋洋面,冬季主要来自稳定的南支西风和局地水汽输送。浅井水和深井水的δ^(18)O和δD与该区大气降水δ^(18)O和δD的均值接近,变幅较小且呈现夏季偏正冬季偏负的特征,说明地下水受到大气降水的补给,但可能滞后于大气降水的变化。然而,不同深度地下水对大气降水的响应机制和滞后时间,还需进一步研究。

中国季风区降水构成对降水中稳定同位素的影响:以长沙为例

降水构成是指对流或平流降水量在总降水量中所占比例,不同的降水构成对降水稳定同位素的丰度会产生重要的影响。基于长沙地区实测的日降水稳定同位素数据和GNIP月降水同位素数据,对不同时间尺度、不同季节时段以及不同降水强度下降水构成对降水中稳定同位素影响的变化特征进行分析和比较,旨在揭示不同的降水构成对降水中稳定同位素影响的差异,深化对季风区降水形成过程中稳定同位素变化规律的认识。结果表明:云中对流强度的差异造成了不同季节对流降水量占总降水量的比例(convective precipitation fraction,CPF)与总降水量之间相关关系的差异。在日和月时间尺度下,在暖半年,CPF随总降水量的增大而减小,而在冷半年,CPF随总降水量的增大而增大。无论是在暖半年还是在冷半年,日时间尺度下长沙站降水中的δ18O随CPF增大不断偏正。在月时间尺度下,包括长沙站在内的中国季风区大部,降水中δ18O与CPF均呈正相关。由于不同季节对流活动的强度不同会造成降水构成的不同,也使得相对于暖半年,冷半年时段降水构成对降水中稳定同位素的影响要强于降水量效应的影响,因此在冷半年长沙地区δ18O—CPF线性回归方程的斜率随降水强度的增大而增大,而在暖半年,δ18O—CPF斜率随降水强度的增大而减小。

亚洲降水中δ^(18)O沿不同水汽输送路径的变化

利用IAEA/WMO全球监测网和青藏高原的监测站,建立了由赤道地区经我国西南水汽通道至长江中下游的南方水汽输送路径、沿西风带自我国西部经华北至日本的北方水汽输送路径以及自南亚穿喜马拉雅山到我国青藏高原的水汽输送路径的取样剖面,比较了三条水汽路径在不同季节降水中啄18O的变化及其与温度、降水量的关系。沿南方水汽路径,低纬度地区取样站降水中平均啄18O的季节差异较小。沿北方水汽路径,郑州以西取样站平均啄18O的季节差均大于郑州以东的取样站。随着经度的增加,降水中平均啄18O的季节差减小。沿高原水汽路径,印度次大陆南部降水中的啄18O相对较高,随着纬度的增加,降水中啄18O逐渐减小。在翻越喜马拉雅山后,由于强烈的洗涤作用,降水中啄18O急剧下降。

乌鲁木齐河流域不同水体中的氧稳定同位素

采用乌鲁木齐河流域历年采集的降水、表层粒雪、冰川融水和河川径流等水样资料,分析了取样期间不同水样中氧稳定同位素的变化,揭示了降水中氧稳定同位素变化存在着明显的温度效应,而温度效应又与海拔高度有关;表层粒雪和冰川融水中氧稳定同位素则无明显的高度效应;冰川融水中的氧稳定同位素比率小于河川径流中的氧稳定同位素比率。评估了不同影响因子对水循环过程中稳定同位素变化的影响及相互作用,为稳定同位素技术在水循环研究中的应用提供了实例。

西南水汽通道上昆明站降水中的稳定同位素

位于西南水汽通道上的昆明站降水中的稳定同位素比率具有显著的季节变化.旱季(11～4月)降水中平均δ18O明显高于雨季(5～10月).显著的降水量效应说明昆明站降水的水汽主要来源于低纬度海洋.与全球大气水线相比,昆明站大气水线的斜率和常数项均较小.这与雨滴在未饱和大气中降落时重同位素的蒸发富集作用有关.统计分析显示,近地面温度露点差△Td与降水中稳定同位素比率存在显著的正相关关系.在旱季,受大陆性气团的影响,空气干燥,降水量小,大气中△Td大,因此蒸发强,重同位素的富集作用强,从而降水中稳定同位素比率高;在雨季,受来自海洋水汽的影响,空气湿润,降水量大,大气中△Td小,因此蒸发弱,重同位素的富集作用轻,从而降水中稳定同位素比率低.据此推测,降水量效应可能是不同水汽来源对降水中稳定同位素影响的产物.

云南降水中稳定同位素变化的模拟和比较

利用MUGCM的模拟,云南地区日、月、年时间尺度下降水中稳定同位素的变化、降水量效应以及δD/δ18O之间的关系被分析。无论是在日时间尺度下还是在月、年时间尺度下,降水同位素均存在显著的降水量效应。与实测结果相比,模拟的降水中δ18O与降水量之间具有更强的相关性。对于单站而言,蒙自站和腾冲站的大气水线被较好地模拟。但在思茅站和昆明站,模拟结果未能准确再现实际降水中δD与δ18O的关系,模拟的大气水线斜率比实测结果偏高。这意味着,在云南这个特殊的地区,模式可能高估了HDO的贫化。

我国西南地区降水中过量氘指示水汽来源

为了揭示我国西南地区降水的水汽来源特征,对蒙自和腾冲取样站降水中稳定同位素和过量氘d的变化特征以及它们与温度和湿度的关系进行了分析.结果表明:在季风系统下,降水中d具有明显的季节变化:两站雨季降水中的d相对较低,而旱季降水中的d相对较高.相关分析表明,降水中d与整层大气温度和湿度的关系具有一致性.综合考虑降水中d和δD与大气湿度的关系,可认为影响蒙自和腾冲站降水稳定同位素变化的主要原因与降水的气团性质有关,降落雨滴的蒸发富集作用相对较轻.在雨季,我国西南地区降水的水汽主要来源于低纬度海洋,空气湿度大,降水中d小,受沿途降水冲刷作用的影响,降水中稳定同位素比率较低;在旱季,受大陆性气团的影响,我国西南地区降水的水汽主要来源于西风带的输送和内陆再蒸发水汽的补给,空气湿度小,降水中稳定同位素比率和d较大.

不同时间尺度下的稳定同位素变化

根据北半球IAEA/WMO监测网 12个具有长序列站点的资料 ,分析了在不同时间尺度下降水中δ18O的时空变化特征 .被选出的 12个取样站都存在显著的降水量效应 ,δ18O/降水量变化率的大小与降水量存在一定程度的反比关系 .降水量效应不仅与产生降水的强对流现象相联系 ,而且与降水量的季节分布有关 .在年尺度下 ,12个站中的 11个站具有一定程度的温度效应 ,相对而言 ,位于中低纬度取样站的平均δ18O/平均温度变化率大于中高纬度 .与单站相比 ,合计的δ18O和温度之间的正相关关系要显著得多 ,说明δ18O的年际变化主要受大尺度气象条件的制约且反映大尺度空间的环境和气候变化 .分析表明 ,12个站合计的年加权平均δ18O和合计的年平均温度的逐年变化具有较好的一致性 .

沿三条水汽输送路径的降水中δ^(18)O变化特征

分析和比较了沿三条水汽输送路径降水中稳定同位素的变化。沿南方水汽路径,低纬度地区取样站降水中平均δ18O的季节差异较小。自曼谷起,降水中δ18O的季节差异明显增加。沿北方水汽路径,郑州以西取样站暖半年与冷半年平均δ18O的季节差异均大于零。随着经度的增加,降水中平均δ18O的季节差减小。沿高原水汽路径,印度次大陆南部降水中的δ18O相对较高,随着纬度的增加,降水中δ18O逐渐减小。在翻越喜马拉雅山后,由于强烈的洗涤作用,降水中δ18O急剧下降。

湿度效应及其对降水中δ^(18)O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ΔTd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ΔTd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.

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 2 0℃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 .

东亚水循环中水稳定同位素的GCM模拟和相互比较

利用引入稳定同位素循环的ECHAM4、GISS E和HadCM3模式的模拟,对东亚降水中年平均δD和过量氘d的空间分布以及大气水线(MWL)进行了分析.根据模拟的空间分布,降水同位素在很大程度上反映不同气团的地理背景以及它们之间的相互作用,模拟结果很好地再现了由GNIP实测资料得到的降水稳定同位素的纬度效应、大陆效应和高度效应特征.在对降水d的模拟试验中,3个GCM的模拟均显示降水d具有较显著的纬度分布规律.在东亚地区,根据GCM模拟的MWL斜率与根据71个GNIP站点计算的MWL斜率之间的差值位在合理的估计范围之内.在对具有相对较长取样记录的12个GNIP站点局地大气水线(LMWL)的模拟试验中,LMWL的斜率和截距大致分布在一个合理的范围,但大多被高估.造成斜率和截距被高估可能原因与数据的覆盖范围和长度、模式中水循环过程的细节、模式的精度、降水量的模拟以及对云中冰面过饱和度的假设有关.

利用稳定同位素大气水平衡模式模拟降水中δ^18O的分布

利用稳定同位素大气水平衡模式,模拟了2012年全球大气水汽和降水中δ18O的空间分布和时间变化以及降水中δ18O与降水量、温度之间的关系.其目的在于检验稳定同位素大气水平衡模式模拟水稳定同位素循环的能力,揭示稳定同位素效应产生的主要原因,改善对水循环中稳定同位素效应的理解和认识.模拟结果很好地再现了全球降水中δ18O的纬度效应、大陆效应和季节差异.在水循环过程中,引起降水中稳定同位素空间变化和时间变化的原因与蒸发对水汽同位素的富集作用、降水对水汽同位素的贫化作用、凝结温度对水汽同位素贫化程度的影响有关.模拟的降水量效应主要出现在中低纬度海洋和季风区,这种分布形势与δ18O季节差和降水量季节差的分布相对应;模拟的温度效应主要出现在中高纬度陆地,这种分布形势与降水中δ18O季节差的分布形势相对应.在一些低纬度地区,伴随强降水量效应的出现,温度效应也同时出现.

我国降水中δ^(18)O的分布特点

根据实测资料计算，我国东南部地区以及西北地区的大气降水中δ１８Ｏ较高，东北和青藏高原南部的δ１８Ｏ则较低。在我国，温度效应主要出现在中高纬度大陆内部，降水量效应则主要分布在东南沿海、云贵高原和青藏高原。这些地区明显受季风气候的影响。不同地区的大气水线存在一定的差异，它们与水汽在源地的蒸发以及水汽凝结致雨两个过程的稳定同位素分馏密切相关。

中纬度地区混合云中稳定同位素分馏的数学模拟——以乌鲁木齐降水为例

文中介绍的数学模型考虑了混合云中液、固相共存时以及冰面过饱和环境下稳定同位素的动力分馏效应。利用该数学模型,模拟不同冷却条件下稳定同位素的温度效应。在相同的湿度条件下,湿绝热冷却过程中δ18O随温度的变化率小于等压冷却过程。冰面过饱和比Si的增大意味着动力分馏效应的增大。与平衡态过程相比,它的作用使得稳定同位素的综合分馏系数减小,从而使得降水中δ18O随温度的变化趋缓。模拟结果显示,湿绝热冷却过程中大气水线(MWL:δD=bδ18O+d)的梯度项b和常数项d均大于等压冷却过程。不同的冰面过饱和比对大气水线的影响是不同的。与冰面过饱和比相比,b和d的大小对云中含水量的变化敏感性较低。模拟结果还显示,乌鲁木齐的降水不是来自海洋水汽的初始凝结。在经历了长途输送之后,乌鲁木齐降水中的稳定同位素成分在很大程度上被衰减。模拟的稳定同位素比率/温度、δD/δ18O曲线分别与乌鲁木齐实测的稳定同位素比率/温度回归线以及大气水线有非常好的一致性。

由TES反演的大气水汽中δD的时空分布特征

水汽在大气中的输送具有空间上和时间上的连续性。利用水汽同位素可以更全面地分析水汽的来源、路径、水循环中各分量的再分配和补给形式,更深入地了解水循环中各种空间和时间尺度下水汽的连续变化特征和历史。本研究利用对流层发射光谱仪(TES)反演的825—100hPa层间7个等压面上HDO和H2O数据分析了对流层不同层次大气水汽中δD的时空分布规律以及水汽中δD与大气湿度、大气温度的关系,探讨了水汽同位素与降水同位素的关系以及大尺度水循环过程对水汽同位素的可能影响。结果显示,在空间分布上,对流层大气中水汽δD具有非常明显的带状分布,水汽中δD的分布与可降水量的分布存在很好的对应关系;水汽中δD随垂直气压呈对数型递减,平均递减率由赤道向高纬度减小、陆地向海洋减小。在时间变化上,大气水汽中δD的季节变化存在地域性差别。在中低纬度陆地,水汽中δD的季节变化明显,且与可降水量的季节变化相对应;在中高纬度的许多地区,夏季水汽中δD小于冬季。对流层水汽中δD的空间分布和季节变化具有一致性特点,上对流层和下平流层间水汽中δD的空间分布和季节性变化特点与对流层相反。对流层大气水汽中的δD与层间平均温度和可降水量的相关关系具有相似的分布形势。与降水中的稳定同位素相比,水汽中的稳定同位素在空间分布、季节变化、与温度和湿度的关系上存在某些差异,反映二者在受稳定同位素分馏的影响和水循环中大气环流类型的影响方面存在明显差别。

乌鲁木齐河源1号冰川夏季积雪中δ^(18)O的时空变化

利用实测资料分析了乌鲁木齐河源 1号冰川东支表层和浅层粒雪中δ18O的变化 ,δ18O与温度的关系以及消融和蒸发对粒雪中δ18O的影响 .分析表明 :乌鲁木齐河源 1号冰川无高度效应 ,受消融的影响 ,且有时出现反高度效应 ;消融和蒸发的结果使得来自同一降水的表面粒雪易发生稳定同位素的富集 ,下伏层中δ18O的变化受上覆雪层中消融水的影响 .采样期间发现 ,不同时段采样系列中的δ18O与降雪初始平均温度存在一定程度的正相关关系 .

ENSO事件对青藏高原古里雅冰芯中现代δ^(18)O的影响

对 １９５１～１９９２年青藏高原古里雅冰芯中δ (１８)Ｏ与Ｉ（南方涛动指数），δ(1８)Ｏ与赤道东太平洋ＳＳＴ（海表面温度）的关系进行了分析．在 Ｅ１ Ｎｉｎｏ年，无论是隆冬还是盛夏，古里雅冰芯中δ(１８)Ｏ均减小．表现为明显的降温，平均降温幅度分别为１２℃和 ０．４５℃．在特强 Ｅ１ Ｎｉｎｏ年，平均降温幅度分别为 ２．０３℃和１．４６℃在 Ｌａ Ｎｉｎａ年，盛夏古里雅冰芯中δ(１８)Ｏ增大，表现为明显的增温，平均升温幅度为１．０２℃．在特强Ｌａ Ｎｉｎａ年，平均升温幅度为１．６℃，但隆冬古里雅冰芯中δ(１８)Ｏ变化不明显在非Ｌａ Ｎｉｎａ年，隆冬古里雅冰芯中δ(１８)

我国部分地区降水中氧同位素成分与温度和降水量之间的关系

根据对ＩＡＥＡ（１９９０）资料的分析，香港、广州、昆明、石家在以及西安降水中的δ￣（１８）Ｏ存在明显的季节变化。位于低纬度的前３个站的δ￣（１８）Ｏ与降水量存在一定程度的反相关关系，即存在数量效应；位于中纬度大陆的后两个站的δ￣（１８）Ｏ与地面气温存在明显的正相关关系，即存在温度效应。简单瑞刮模型对于解释年平均δ￣（１８）Ｏ和相应温度的统计关系是有用的。若假设大气水汽为涡旋输送时，δ￣（１８）Ｏ－Ｔ梯度观测值与理论值有较好的一致性。