长沙桃子湖湖水稳定同位素的变化及其影响因素

基于对长沙桃子湖湖水和降水中稳定同位素的监测数据,分析了湖水中稳定同位素的变化特征及其与降水和蒸发的关系,旨在了解湿润气候条件下小型湖泊的湖水稳定同位素的变化规律,揭示降水和蒸发对湖水稳定同位素变化的具体影响.在时间变化上,湖水稳定同位素具有明显的季节变化,湖水中δ^(18)O的最大值出现在春季,最小值出现在冬季;湖水中过量氘的最大值出现在5-6月,最小值出现在9-10月.在空间变化上,桃子湖不同深度和不同空间点上的湖水中δ^(18)O差异很小,说明湖水基本处于均匀混合状态.当5日累计降水量≥20.3 mm时,湖水中δ^(18)O的变化与5日累计降水量之间的负相关关系非常显著,但与5日累计蒸发量之间呈弱正相关;湖水中过量氘的变化与5日累计降水量之间无显著相关关系,但与5日累计蒸发量之间呈弱的相关性;相比于平均湖水蒸发线,该降水段的蒸发线斜率和截距均有明显增加.当累计降水量<20.3 mm时,湖水中δ^(18)O的变化与5日累计降水量之间的相关程度明显降低,但与5日累计蒸发量之间的相关程度则明显提高;湖水中过量氘的变化与5日累计降水量以及与5日累计蒸发量之间的相关关系显著提高;相比于平均湖水蒸发线,该组蒸发线的斜率和截距均有明显减小.

蒸发皿蒸发过程中水稳定同位素分馏的实验与模拟

为了有效评估平衡分馏模式和动力分馏模式模拟水稳定同位素分馏的合理性,开展了不同大气条件下的蒸发皿蒸发实验和2种模式的模拟试验,实验与模拟结果表明:随着蒸发的进行,蒸发皿剩余水体中稳定同位素不断富集,同位素的分馏速率与蒸发速率成正比,并表现出夏季高、冬季低的特点;但在降水发生时段,蒸发水体稳定同位素容易受到相对湿度和大气水汽稳定同位素的影响,出现贫化现象。受到温度和相对湿度等蒸发条件的影响,实测蒸发线斜率呈现夏季低、冬季高的特点。4次实验剩余水体中的过量氘随着剩余水比率(f)的变化总体上呈下降趋势,降水时段的过量氘出现上升现象。在模拟试验中,与平衡模拟结果相比,动力模拟再现水体蒸发过程中稳定同位素变化的能力更强,能体现出实际蒸发过程中水稳定同位素比率随f变化的细节;动力模拟的蒸发线更能反映实际蒸发过程;过量氘的动力模拟值更接近实测值的大小及其变化趋势。

我国大气降水中δ^(18)O变化的多气象因子分析及分区研究

分析了我国29个GNIP站1961—2015年逐月降水中δ^(18)O与局地气象要素(近地面的气温、降水量和大气可降水量、外向长波辐射以及500 hPa高度的风速)和大尺度环流因子(Nino 4区海表温度距平及南方涛动指数)的关系,并基于层次聚类分析和逐步回归分析方法,讨论了我国降水中δ^(18)O的分区,计算了区内降水中δ^(18)O依各气象因子的回归方程.结果表明,秦岭-淮河一线南北两侧站点降水中δ^(18)O与气象因子之间的关系差异显著,是我国的一条重要的降水稳定同位素环境效应分界线.我国降水中δ^(18)O可以分为3个区域,即北部区(包括西北和东北地区)、中部过渡区(含华北及青藏地区)和南部区,其中北部区和中部过渡区的分界线大致与我国西北地区和北方地区的分界线吻合,中部过渡区与南部区大体与我国北方地区和南方地区的分界线相一致.不同地区控制降水中δ^(18)O的气象因子存在差异:北部区为温度,中部过渡区为温度、500 hPa高度风速以及外向长波辐射,南部区是500 hPa高度的风速.研究结果对于认识我国大气降水中稳定同位素空间分布的特征及其内在机制具有重要意义.

长沙降水中δ^18O变化对上游降水的响应分析

利用长沙站2010~2016年的日降水δ^18O实测数据,对不同时间尺度下降水中δ^18O的变化特征及其与局地温度和降水量、水汽输送、水汽输送上游地区的对流活动和降水量的关系进行了分析,旨在了解不同水汽来源以及水汽输送上游地区的降水过程对站点降水稳定同位素组成的影响,深化对长沙地区降水稳定同位素变化规律的认识。结果表明:在日时间尺度下,δ^18O变化在-18.07‰~4.50‰,δ^18O呈左偏分布,且较正态分布更集中;在月时间尺度下,δ^18O变化在-13.10‰^-1.32‰,且呈现出冬、春季值高于夏、秋季值的季节分布。无论是在日尺度还是在月尺度下,δ^18O与局地降水量之间都不存在显著且稳定的反相关关系。与"局地效应"相比,长沙降水中δ^18O的变化能敏感地响应上游关键区降水量的变化。日尺度下δ^18O与上游关键区前期区域平均降水量之间的最大相关系数暖半年(4~9月)变化在-0.79^-0.63之间,均通过0.001的信度检验;冷半年(10月~翌年3月)变化在-0.79^-0.44之间,除2012年外,其余也都通过0.001的信度检验。月尺度下δ^18O与同期上游关键区区域平均降水量之间的相关系数暖半年为-0.75,冷半年为-0.57,均超过0.001的信度。说明局地降水中δ^18O的变化存在"上游效应",且上游关键区的降水对下游地区降水稳定同位素组成的影响较"局地效应"显著。

我国暖半年降水中δ18O与水汽输送

利用GNIP提供的我国32个站1961~2015年暖半年（4~9月）逐月降水中δ18O、NOAA提供的NCEP/NCAR月平均再分析资料以及实测的月降水量（P）数据，分析了各站点的P、降水中δ18O分别与我国暖半年4条水汽通道的水汽输送强度（Q）之间的相关关系，并对6个代表站δ18O与其所在格点不同风向的水汽输送比例之间的关系进行了讨论和比较。结果表明，与台站降水量相比，降水中δ18O可以更加明确地指示影响该站点的水汽通道和水汽输送的变化。δ18O与西南通道Q-具有显著相关性的站点数最多，达18个，占总站点数的56.3%，这些站点主要位于华北、长江沿线及其以南地区；受东南通道影响的站点集中分布于长江以南地区；有5个站点的δ18O与西北通道Q的相关关系通过了0.05的信度检验；与南海通道Q密切相关的站点数最少，仅有4个。不同来向的水汽输送对站点降水中δ18O的影响差异显著，平均而言，西风水汽输送比例每增加1%，拉萨站δ18O值将增加0.22 ‰，增幅高于昆明站的0.10 ‰和武汉站的0.09 ‰。南风水汽输送比例每增加1%，武汉、拉萨站的δ18O值分别降低0.15 ‰和0.16 ‰，降幅均高于昆明站的0.09 ‰。天津和福州站降水中δ18O分别仅与南风、东风水汽输送比例的关系最为密切，相关系数分别为-0.57和-0.58。兰州站δ18O与经（纬）向的水汽输送比例之间均不存在显著相关性。

降水稳定同位素比率时间变化的iAWBM模拟

进行降水中稳定同位素比率时间变化的i AWBM模拟和比较,有助于评估模式在不同区域的适用性,改善对水循环过程中水稳定同位素变化规律的认识.本文利用i AWBM的模拟数据,分析了GNIP代表站降水中δ18O的时间变化特征、降水中δ18O与温度和降水量之间的关系、区域大气水线,并将模拟结果与实测结果进行了比较.结果表明,9个GNIP代表站的降水同位素在不同季节的变化特点均能被模拟出;各代表站模拟与实测的降水同位素长时间序列之间的相关系数达到显著的信度(p<0.001),均方根误差在一个合理的估计范围;i AWBM很好地再现了出现在维也纳、雅库茨克和渥太华站的显著温度效应,出现在香港、波哥大、昆明、哈拉雷和拉罗汤加岛站的降水量效应,以及出现在曼谷站的温度效应和降水量效应共存的特点;模拟的不同气候条件下的区域大气水线与实际大气水线相近.说明i AWBM具有模拟不同气候区降水中稳定同位素时间变化的能力.

iGCM模拟全球典型站点降水中δ18O的效果评价以及香港站δ18O年际震荡的原因探讨

为了评价不同的稳定同位素大气环流模式（iGCM）在不同气候区的适用性，利用8个水稳定同位素大气环流模式（CAM2、ECHAM4、GISSE-F、HADAM3、ISOGSM、LMDZ4、GISSE-N和MUGCM）的数据和全球降水同位素监测网（GNIP）的实测数据，分析了全球13个气候大区（高山高原、热带季风、热带雨林、热带海洋、热带草原、地中海、亚热带湿润、亚热带季风、温带海洋、温带大陆性干旱、温带大陆性、亚寒带针叶林和寒带冰原气候）的典型站点降水中δ18O的季节变化，评价了模式的月数据相对于GNIP实测数据的模拟效果。结果表明，LMDZ4、GISSE-N和ECHAM3这3个模式的整体模拟效果较好，且不同站点降水中δ18O的季节变化原因可以从不同季节水汽来源的差异和水汽在输送过程中降水量的季节差异来分析。为了深入分析单站降水中δ18O的年际变化，利用香港站的长时间序列数据分析了降水中δ18O的年际变化与大气环流异常的关系，并对实测和模拟结果进行了分析。结果表明，ECHAM4和LMDZ4这两个模式能够模拟出香港站降水中δ18O与南方涛动指数（SOI）的负相关关系。通过分析1998年和1999年大气环流异常对香港站降水中δ18O的影响，得出水汽来源的年际变化以及水汽输送带上游地区降水的多寡可能是造成香港地区降水中δ18O年际变化的主要原因。