基于Stewart模型改进方案的新疆降水同位素的云下蒸发效应比较

干旱半干旱区降水稀少,蒸发能力大,雨滴在云下易发生蒸发现象并改变其同位素比率,明确雨滴降落过程中稳定氢氧同位素的变化在同位素水文学研究中具有重要意义。Stewart模型常被用于评估雨滴中同位素比率的变化,云下雨滴降落过程中的气温、相对湿度等是模型输入的关键参数。目前广泛采用的大气均质假设往往与自然条件有差异,这种均质假设对模拟结果产生的影响有待明确。基于2016年7月至2017年6月新疆66个地面气象站逐小时观测资料与8个探空站的高空定时观测资料,通过三种Stewart模型算法方案(方案①以地面气象资料代替大气气象参数,方案②假设地面气象资料与预测的云底气象参数均匀变化,以其平均值代入模型,方案③根据高空探测资料,分层计算大气参数)的对比,深入研究新疆降水同位素的云下二次蒸发效应。结果表明:(1)三种方案计算的新疆各分区云下二次蒸发存在明显的季节差异,蒸发剩余比(f)均呈现出秋冬较大、春夏较小的趋势,各分区的ΔδD、Δδ18O和Δd均为春夏较大、秋冬较小。(2)从空间来看,Δd均值在准噶尔盆地西部和塔里木盆地东侧北缘较小。对于蒸发剩余比(f)均值、ΔδD均值、Δδ18O均值和Δd均值来说,三种方案的差异性主要体现在塔里木盆地。(3)蒸发剩余比(f)与d-excess的变化量存在相关性,整体来看,三种方案的斜率均表现为塔里木盆地>阿尔泰山地>准噶尔盆地>天山山地。无论是新疆各分区(除天山山地方案②)还是新疆全境,三种方案的f与Δd的线性关系均>1.0‰/%,最为干旱的塔里木盆地方案③的斜率高达1.496‰/%,这可能与新疆地处干旱半干旱气候区有关。毋庸置疑方案③是后续云下二次蒸发效应研究的方向。

新疆夏季云下二次蒸发对雨滴稳定同位素影响的定量研究

在干旱区,雨滴在云下降落易受到二次蒸发的影响,明确降水从云层底部降落到地面过程中稳定氢氧同位素的变化在同位素水文学研究中很有必要。基于新疆地面气象站逐小时的观测资料,采用改进后的Stewart模型,研究了新疆雨滴云下蒸发剩余比(从云下到近地面雨滴蒸发后剩余体积占原体积的百分率f)、雨滴中δD变化量(ΔδD)和过量氘变化量(Δd)的时空特征,并分析了Δd与气象要素的关系。结果表明:(1)新疆降水中Δd和蒸发剩余比存在明显的空间差异。(2)当在气温低、相对湿度大、降水强度大、雨滴直径大的情况下,蒸发剩余比较大,Δd接近于0,蒸发剩余比与Δd间的线性关系明显,斜率较低。不同气象条件下,蒸发剩余比与Δd的关系并不固定,利用这一线性关系反推蒸发剩余比应慎重。(3)敏感性分析可以得出,如果各气象站的气温升高2℃,Δd降幅为0.26%～3.10%;如果相对湿度升高5%,Δd升幅为1.23%～8.34%;如果雨强增大10%,Δd升幅为0.06%～0.89%;如果雨滴直径增加0.2 mm,Δd升幅为0.98%～8.16%,但雨滴直径增加量大于1.2 mm时,Δd变化量趋于稳定。

长江流域降水稳定同位素的云下二次蒸发效应

对长江流域443个GNIP的降水样品同位素原始资料,分降雪和降雨进行δ^2H和δ^18O线性回归,得到降雪样品的相关方程为δ^H=7.965δ^18O＋17.114,有最大的斜率和截距;而降雨样品根据降水量大小从〈10 mm至〉300mm分为4组后,得到的相关方程随着降水量的减小,斜率和截距均减小,斜率从7.701减小为5.705,截距从7.812×10^-3减小为-5.479×10^-3。δ^2-H-δ^18O相关方程的斜率及截距与气温、水汽压之间的关系表明,在降水从云层底部降落到地面的过程中,仅较小降雨事件有明显的二次蒸发现象,并伴随着同位素的分馏。长江流域较小降雨事件占有比例很小,仅为所有降水事件的6.32%,所以二次蒸发效应仅引起地区大气降水方程斜率和截距的微弱减小。研究表明,单个降水原始资料的同位素分析,能产生长期加权平均降水同位素分析得不到的宝贵信息。

黄河流域降水稳定同位素的云下二次蒸发效应

雨滴从云底降落到地面过程的云下二次蒸发现象会影响雨滴中的同位素比率,明确降水过程中稳定同位素的变化对研究流域水循环具有重要意义。基于全球降水同位素网络(GNIP)、相关文献同位素数据以及气象数据,首先建立局地大气水线(LMWL)定性分析了黄河流域云下二次蒸发与各气象要素间的关系,其次运用改进的Stewart模型定量计算了蒸发剩余比(f)和云底降水与地面降水的D-excess之差(Δd)。结果表明:(1)黄河流域LMWL方程为:δ2H=7.01δ18O+1.25(n=293,R2=0.92),斜率和截距相比GMWL均较小,说明雨滴在下落过程中受到云下二次蒸发的影响。其中0~10 mm的降雨事件对云下二次蒸发影响显著;气温越高,或者水汽压、相对湿度越小,云下二次蒸发越强烈。(2)季节变化上,从春季到冬季,f和Δd逐渐增大,云下二次蒸发逐渐减小。空间变化上,蒙甘区、蒙中区、晋陕甘区和渭河区的西安,年际间云下二次蒸发变化较大,而青南区、祁连-青海湖区、渭河区的平凉、长武、华山和鲁淮区年际差异较小。(3)降水中Δd和f之间的线性关系在不同气象要素范围内有不同的数值,由于不同区域各气象条件存在差异,因此在应用经验公式时需考虑研究区的具体气象条件。

甘肃夏季降水同位素云下二次蒸发效应

降水中稳定同位素值会因雨滴降落过程中受到云下二次蒸发的影响而发生变化,研究雨滴云下二次蒸发对利用降水氢氧稳定同位素解释水循环过程具有重要意义。本文利用2017年6月—8月甘肃74个地面气象站逐小时观测资料与10个高空气象站定时观测资料,基于改进的Stewart模型(分层假设)深入研究了甘肃夏季降水同位素的云下二次蒸发。结果表明:(1)甘肃各分区的云下二次蒸发存在明显的时间变化,从月尺度看,Δd(d-excess变化量)均值在陇南山地和甘南高原均为7月最小,在陇中黄土高原和河西地区均为6月最小;从小时尺度看,Δd值在2:00~15:00这一时间段较小,且甘南高原的Δd均值变化幅度最大。(2)从空间来看,陇中黄土高原、甘南高原(除舟曲)、陇南山地(除文县)和河西地区(除马鬃山、酒泉和武威)Δd均值分别>-15‰,而陇中黄土高原的Δd均值最高。(3)不同分区蒸发剩余比(f)和Δd的线性关系的斜率均超过1‰/%,这可能与甘肃的气候有关。(4)当气温较高,降水量、相对湿度和雨滴直径较小时,云下二次蒸发效应明显。

青海湖沙柳河河源区降水同位素云下二次蒸发效应

河源地区的水源储蓄和涵养能力,深刻影响河流的水资源补给与供续,研究河源地区降水同位素的二次蒸发效应有助于深入理解河源区降水循环过程。选取2020年5~9月青海湖沙柳河河源地区的逐月降水同位素数据,利用基于稳定同位素的Stewart雨滴蒸发模型,计算了青海湖沙柳河河源地区雨滴蒸发剩余比(f),以及蒸发分馏的氢氧同位素组分(Δδ^(18)O、ΔδD和Δd),探讨了研究期内Δδ^(18)O、ΔδD、Δd和f的差异以及影响因素,结果表明:(1)青海湖沙柳河河源区5~9月地面降水同位素δD_(p)、δ^(18)O_(p)和d-excess_(p)平均值分别为-30.93‰、-6.67‰和22.42‰;云下降水同位素δD_(c)、δ^(18)O_(c)和d-excess_(c)平均值分别为-49.57‰、-11.16‰和39.70‰。云下二次蒸发效应使降水d-excess值发生贫化。(2)沙柳河河源区5~7月f和Δd均值分别呈上升趋势,7~9月呈下降趋势,云下二次蒸发效应5月最大,7月最小。(3)沙柳河河源区5~9月f与Δd线性斜率为0.63‰/%,当雨滴蒸发剩余比在90%以上时,线性斜率为0.97‰/%。(4)沙柳河河源区云下二次蒸发效应主要受气温、相对湿度、降雨量、VPD和雨滴直径影响,其中雨滴直径是最主要的影响因素。该研究结果可为沙柳河河源区水循环研究提供基础数据和理论参考。

台风“烟花”(2106)期间江苏南通地区降水稳定同位素组成变化特征及影响因素

2021年第6号(2106)台风“烟花”是我国有监测记录以来对大陆影响时间最长的台风,为华东地区带来了暴雨级的降水。基于台风“烟花”(2106)影响江苏南通地区期间小时尺度高分辨率的降水稳定同位素数据,分析了降水稳定同位素组成变化特征及影响因素。结果表明:降水δ^(18)O值为-11.7‰~-2.3‰,加权平均值为-7.4‰。台风影响前期,采样点水汽主要来源于附近海域,受云下蒸发效应的影响,降水δ^(18)O值相对偏正;台风影响中期,受相对湿度与上游累积对流强度的共同控制,降水δ^(18)O值逐渐偏负。但相较于已发表的我国台风降水δ^(18)O极端偏负值(-20.1‰~-12.6‰),台风“烟花”(2106)降水δ^(18)O极值并未显著偏负,主要是由于上游累积对流降水历时较短以及台风登陆后水汽缺乏大规模有组织性的对流活动。

西北地区降水稳定同位素的云下二次蒸发效应

利用GNIP提供的我国西北地区的8个站点和本研究的2个站点的降水同位素数据以及相应的气象数据,结合HYSPLIT模型和水滴蒸发模型,分析了我国西北地区降水δ^(18)O和d的时空分布,对该区二次蒸发效应进行了存在性判定与定量讨论,并探讨了二次蒸发效应的敏感因子.结果表明:夏季风期间,新疆地区δ^(18)O和d值由南向北均走低,陕甘宁地区由南向北,由东向西δ^(18)O值整体上升,d值呈现下降趋势;冬季风期间,西北地区由南到北,由东向西δ^(18)O值整体上逐渐减小,新疆地区d值由南向北升高,陕甘宁地区由南向北d值呈现下降趋势,由东向西有微弱的增大.我国西北地区夏季风时期的大气降水线的斜率、截距(6.80,-0.07)显著低于研究区全年的大气降水线方程的斜率、截距(7.27,3.37)和冬季风时期的大气降水线的斜率、截距(7.46,6.07),表明夏季风期间二次蒸发作用较强.研究区夏季风时期的蒸发比率均值为4.49%,高于冬季风时的3.65%,而黄土高原周边站点冬季风时期的蒸发比率高于夏季风时期,这与黄土高原近年来干旱加剧密不可分.另外,二次蒸发作用的强度随相对湿度、降水量和水汽压的增大而减弱,随温度(大于0℃)的升高而增强,但各因子在不同范围时对二次蒸发作用的影响有差异.

长江下游地区梅雨和台风雨降水同位素特征及影响因素

基于长江下游和睦桥小流域2015~2019年6场梅雨和10场台风雨降水同位素数据,以及当地和大尺度气象数据,探究影响这两种降水类型的降水同位素变化的原因。长江下游地区梅雨大气水线的斜率和截距均小于全球大气水线,梅雨降水加权氘盈余值与当地气象参数无明显的相关关系,说明当地的云下蒸发作用对梅雨的氘盈余的影响不显著。梅雨的氘盈余明显高于其水汽源区水汽的氘盈余值,说明产生梅雨的水汽在运移过程中存在明显的陆地蒸散发补给作用,同时对外长波辐射数据显示水汽运移过程中强烈的雨洗作用导致降水同位素贫化,这两个过程导致其斜率和截距均小于全球大气水线。台风降水大气水线斜率和截距与全球大气水线接近,降水过程中受到的云下蒸发作用不显著。

基于氢氧稳定同位素的黄土高原云下二次蒸发效应

根据GNIP提供的1985年1月至2004年12月黄土高原8个站点的409个降水同位素数据及同期的气象资料，结合HYSPLIT4．9模型，分析了该区δ18O的和d的时空分布特征，计算了二次蒸发的比率，并对不同气象因子影响二次蒸发的程度作了探讨，得到以下结论：①冬季风和夏季风期间，在黄土高原内由南向北δ18O的呈上升趋势，d呈下降趋势；自东向西δ18O仅在夏季风期间有上升趋势，而在冬季风期间呈现下降趋势，d总呈现下降的趋势，δ18O和d的变化幅度可以指示季风的路径．②该区全年存在二次蒸发效应，夏季风期间最为明显，蒸发比率介于1．51％～5．88％之间，平均值为3．87％．冬季风期间蒸发比率总体较低，介于1．06％～5．46％之间，平均值也降为3．03％．黄土高原边缘站点蒸发比率受季风变化影响较大，而中部站点受季风变化影响较小．③温度对二次蒸发的影响较大，降水量和水汽压其次，相对湿度较小．此外，风速和海拔对二次蒸发的影响较弱．

陕甘宁地区降水同位素云下二次蒸发效应

大气降水过程中,雨滴由云层底部降落至地面经过不饱和空气时发生的蒸发现象,即为云下二次蒸发,这会使得降水同位素组成发生改变。利用氢氧稳定同位素方法研究云下二次蒸发效应的时空变化及其成因,对探讨区域水循环过程具有重要意义。本研究基于陕甘宁地区2018年3月—2019年2月187个气象站逐小时气象数据,采用改进后的Stewart模型,分析了该区域蒸发剩余比(f)与降水过量氘变化量(Δd)的时空变化,并探讨了f以及气象要素与Δd的关系。结果表明:从小时尺度来看,该区域各省f与Δd最小值均出现在白天,最大值出现在夜晚,即白天云下二次蒸发效应更明显。从月尺度来看,各省f、Δd月变化趋势较为一致,最小值多出现在夏半年,最大值多出现在冬半年,即夏半年云下二次蒸发效应更显著。研究区f、Δd值在季节尺度上的空间变化一致:春季,东、西部地区较大,中部较小;夏季,西北部地区偏小,其他地区偏大;秋季,由南向北减小;冬季,中部、南部较小,西部及东北部较大,研究区不同季节云下二次蒸发效应的空间差异显著。陕甘宁三省(区)f与Δd的线性关系的斜率均小于1‰·%-1,这可能与该地区干旱半干旱气候具有较大关系。当气温较高,相对湿度、水汽压、降水量和雨滴直径较小时,Δd值较小,云下二次蒸发效应较明显。

1960—2016年陕西省降水同位素的云下二次蒸发效应

基于陕西省1960—2016年逐日气象观测资料,利用改进后的Stewart模型,对陕西省36个气象站点的云底与地面雨滴中过量氘变化量(Δd)进行模拟,并分析了相对湿度、雨滴蒸发剩余比、蒸发速率与Δd的关系。结果表明:①从季节变化上看,陕北、关中和陕南3大区域Δd的最低值出现月份各不相同,但最高值均出现在9月。3大区域年平均Δd与陕西省多年平均Δd相比,陕北地区Δd低于全省,关中与陕南地区Δd均高于全省;近57 a来,陕北和关中地区年平均Δd呈线性递减趋势,陕南地区呈现略微上升趋势;通过Mann-Kendall检验,陕北、关中和陕南地区年平均Δd突变年份各不相同,分别是2011年、1972年和1977年。②无论在月尺度还是年尺度上,陕西省降水Δd都存在明显的空间差异。降水Δd、相对湿度和蒸发剩余比总体呈现由北向南递增的趋势,蒸发速率呈现由北向南递减的趋势。③在月尺度与年际尺度上,相对湿度、蒸发剩余比、蒸发速率与Δd均存在明显的相关性。