大气水汽稳定同位素组成在生态系统水循环中的应用

水汽稳定同位素组成(δv)可以为水循环研究提供大量有价值的信息。近年来,稳定同位素红外光谱技术(isotope ratio infrared spectroscopy,IRIS)的发展为获得高时间分辨率的水汽稳定同位素原位测量数据提供了可能。在水汽稳定同位素组成研究取得了巨大进展的同时,适时对δv及其在生态系统水循环应用的研究进展进行综述,可以为后续研究提供借鉴和参考。从5个方面对水汽稳定同位素组成的研究进行了详述,分别是:1水汽稳定同位素分析仪的在线校正;2δv的变化规律;3氘过量的变化特征;4蒸散发组分的区分;5叶片水18O富集的估算。目前水汽稳定同位素的观测站点十分稀少,尽快建立全球的水汽稳定同位素观测网络并进行长时间的连续观测,将大大促进生态系统水循环和生态过程解析及其模拟方面的研究。同时,将稳定同位素在线观测数据和通量观测以及遥感模型结合起来,可以更好地揭示区域乃至全球水循环模式和机理机制。

天目山森林生态系统大气水汽稳定同位素组成的影响因素

稳定同位素技术是进一步揭示生态系统碳/水交换对环境条件变化响应的重要手段。学者将此技术用于农田生态系统的较多,关于对森林生态系统的研究几乎没有。利用大气水汽稳定同位素观测系统和常规气象观测系统对浙江省天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统进行观测。以2013年8月1日到2013年10月1日观测的数据为依据,对天目山森林生态系统大气水汽稳定同位素组成(δv)的影响因素及其相互关系进行了研究。结果显示:在森林生态系统中,大气降水、环境温度、土壤5 cm温度与大气水汽稳定同位素组成的相关性显著(P<0.05)。土壤5 cm湿度、环境湿度、平均风速、净辐射与大气水汽稳定同位素组成的相关性不显著。和农田生态系统相比,森林生态系统中对大气水汽稳定同位素组成产生影响的环境因素有一定差别。

光腔衰荡光谱技术测定大气水汽稳定同位素校正方法研究

几乎所有小的气相分子(如H2O,CO2等)均具有独特的近红外吸收光谱,在负压条件下,每种微小的气相分子都拥有一对一的特征光谱线,基于这一原理人们开始使用激光光谱(IRIS)技术来准确分析气体样品中的同位素组成。该方法克服了传统同位素比质谱(isotope ratio mass spectrometry,IRMS)方法的局限性,已经成为公认的高精度、高灵敏度和高准确度的痕量气体检测方法。以大气水汽稳定同位素研究为例,大气水汽稳定同位素组成对水汽源区及其通道上的输送过程等水循环研究有着重要的指示意义。激光光谱技术使得大气水汽氢氧稳定同位素(δ^18O和δD)野外原位连续高分辨率观测成为可能。但是,其观测精度和准确度受仪器运作特点、不同浓度大气水汽对特定光谱吸收性的敏感性差异等因素的影响,通常观测结果具有明显的非线性响应问题。因此,有必要对仪器观测过程中出现的各种偏差进行校正,但现阶段许多用户对新观测技术的国际校正方法尚不清楚。因此,基于波长扫描-光腔衰荡光谱(WS-CRDS)技术的大气水汽同位素观测系统(Picarro L2120-i),通过可调谐二极管激光器(Tunable Diode Laser,TDL)发射可被待测气体分子所吸收的不同波长的激光,测量不同波长下的衰荡时间(即有样品吸收的衰荡时间);TDL发射不能被待测气体吸收的不同波长的激光,测量每个波长下的衰荡时间(相当于无样品吸收的衰荡时间)。通过分析有无样品吸收的衰荡时间差,高精度计算待测气体的分子浓度,进而计算水汽稳定同位素组成。从记忆效应、漂移效应、浓度效应等方面,系统建立了一套准确可靠的大气水汽稳定同位素观测流程与校正方法,为正在使用或将要使用此类设备的研究人员提供参考,以获得高精度和高可靠性的大气水汽稳定同位素观测数据。

台风水汽稳定同位素组成与天气过程的关系——以2015年13号台风“苏迪罗”为例

基于台风“苏迪罗”(1513)影响前后南京实时高频监测的水汽稳定同位素数据,并结合再分析资料、HYSPLIT后向轨迹模型分析了大气水汽δ^(18)O与天气过程之间的关系以及大气水汽过量氘所指示的水汽来源。结果表明,1)整个台风影响过程水汽δ^(18)O先保持基本不变后一直下降的趋势,而水汽过量氘则呈现完全相反的变化趋势。2)根据台风“苏迪罗”影响前后南京水汽δ^(18)O变化特征,将其划分为3个阶段:Ⅰ阶段水汽δ^(18)O较高与南京地区较为稳定的大气条件相对应,水汽过量氘值较低指示南京地区主要受海洋水汽影响;Ⅱ阶段台风环流及其残压和北方南下冷空气相互作用造成南京地区强降水,水汽凝结和降雨蒸发的共同作用导致水汽δ^(18)O不断贫化,较高的水汽过量氘表明南京地区主要受海洋和局地混合水汽的影响;Ⅲ阶段可能是中尺度下沉气流导致南京地区极端偏负的δ^(18)O和高水汽过量氘。

青藏高原大气水汽稳定同位素三维观测体系

青藏高原是南北极之外冰雪储量最大的地区,也是亚洲10条大江大河的发源地,其水循环变化会影响全球近五分之一人口的生存和发展.水汽传输是青藏高原水循环的关键过程.大气水汽稳定同位素是研究水汽传输过程和机制的新指标.本文回顾了大气水汽稳定同位素垂直剖面观测研究的发展历程和青藏高原大气水汽稳定同位素研究现状,重点介绍了自第二次青藏高原综合科学考察研究启动以来,本研究团队建成的全球最大的同类地表水汽稳定同位素观测网,及结合浮空艇技术,开展的国际前沿大气水汽稳定同位素三维传输过程观测研究新进展.今后,我们将通过多学科交叉,继续拓展高精度三维(地-空)水汽稳定同位素多尺度连续观测,并结合地球系统模型,从而全面、准确地认知全球变暖背景下的青藏高原水汽传输过程和水循环变化机制,以服务于青藏高原和周边地区的水安全战略和水资源管理.

典型梅雨持续性降水事件的水汽同位素特征及其成因

梅雨期持续性强降水是江淮地区重要的灾害天气,往往给降水地区带来巨大的生命与经济损失。2016年7月1—7日,南京地区经历了一场历时7 d的典型梅雨降雨过程,本文针对此次降水事件的大气水汽稳定同位素变化特征及其成因进行相关研究。研究发现:水汽稳定同位素的变化特征与大尺度有组织对流活动和大气环流有良好的对应关系。水汽稳定同位素随时间分别呈现δ^(18)O 的“U型”演化和过量氘的波动变化,二者在不同降雨阶段的演化特征可以指示产生降雨的天气系统的移动与切换,其中水汽过量氘随时间变化的极大值和极小值转折点分别反映了低涡系统开始与结束影响研究区、冷切变线消散、槽线过境以及台风外围水汽抵达研究区的时间。结果表明:多个天气系统连续作用于研究区及其带来的不同水汽源的持续供给,是此次梅雨期降水持续维持的重要条件。

慕士塔格地区大气水汽氢氧稳定同位素季节内变化特征及影响因素分析

慕士塔格地区位于青藏高原西北部,常年受西风影响。为了更清楚地认识西风水汽来源和局地蒸发过程对区域水循环过程的影响,利用2017年7月26日—2017年11月6日和2018年7月30日—2018年12月10日在慕士塔格西风带环境综合观测研究站的监测数据,分析了地表大气水汽氢氧稳定同位素组成和相关局地气象要素的变化特征及其相关关系。研究发现:慕士塔格地区水汽中δ^(18)O、d-excess与局地温度和比湿呈现明显的小时变化、日变化和季节变化;水汽δ^(18)O值与温度的显著正相关关系在不同时间尺度稳定存在;在小时和日尺度上,水汽δ^(18)O值与比湿呈现对数关系;后向轨迹追踪表明,西风将西伯利亚和北大西洋及慕士塔格周围地区的水汽传输至观测站点;当水汽自地中海和北大西洋长距离传输至慕士塔格时,水汽δ^(18)O显著降低可达约7‰,d-excess会显著增大;该地区水汽稳定同位素组成的季节变化特征与降水稳定同位素组成的季节变化特征一致。研究内容初步揭示了青藏高原西风传输水汽稳定同位素变化的主要影响因素,可为区域水循环研究提供必要数据和关键认知,有助于理解西风控制区冰芯稳定同位素记录的气候意义。

低温冷阱大气水汽收集技术及其在水稳定同位素研究中的应用

系统地介绍了低温冷阱大气水汽收集的基本原理、实验方法、实验过程中的误差估计以及该方法在水稳定同位素研究中的应用。基于低温条件下显著增加水汽凝结面和凝结时间的方法,使水汽完全凝结;利用水分在真空条件下升华/蒸发及其在低温条件下再凝结的原理,实现对水汽样品的转移收集。收集的水汽样品中稳定同位素值的误差主要来自两方面:(1)低温条件下玻璃冷阱中部分未冷凝的饱和水汽;(2)样品室温融化后,外界大气进入瓶内与融化后的水汽样品发生同位素平衡分馏;并分别对上述两种误差进行了理论估计。利用低温冷阱水汽收集和稳定同位素离线测试方法在以下三方面具有较重要的应用:(1)过量^(17)O是当前水稳定同位素研究的前沿,实现对大气水汽中过量^(17)O高精度测试是该方法的重要应用;(2)获取低水汽浓度地区高精度大气水汽稳定同位素测试数据;(3)验证激光光谱稳定同位素分析仪在线水汽稳定同位素测试数据。

灌溉农田水汽氢氧同位素组成特征研究初探

灌溉农田生态系统水汽变化能够直接反映其耗水状况。本研究应用基于高频实时气态稳定同位素分析仪的箱式法测定水汽氢氧同位素特征,结合涡度相关技术所测定的农田水汽通量结果,探讨不同高度大气水汽在不同时段的稳定同位素组成特征。研究结果表明:对于不同的时间尺度,生态系统边界层水汽稳定同位素组成在连续几天内的变化有波动,日变化比较稳定,小时尺度波动很小;水汽稳定同位素的大气背景组成特征表现为日尺度上的组成变化呈稳步富集趋势,小时尺度上几乎无变化。蒸散水汽重同位素特征随时间推移富集明显,午夜蒸发和蒸腾水汽同位素组成特征相似,清晨蒸腾水汽比蒸发水汽轻,午间蒸腾水汽比蒸发水汽重。对于不同高度的水汽来说,玻璃箱内蒸散水汽稳定同位素组成要比生态系统边界层2 m处水汽高。建立了土壤蒸发和植物蒸腾稳定同位素变化特征与蒸散过程的线性关系,相关系数达到0.87。

辽河三角洲芦苇沼泽植物冠层内外大气中水汽的稳定同位素组成

于2019年5-11月,在中国气象局东北地区生态与农业气象野外科学试验基地辽河三角洲芦苇湿地站,观测芦苇(Phragmites australis)冠层内外大气中水汽的浓度及其稳定同位素组成。采用激光光谱同位素分析技术,在辽河三角洲芦苇湿地站距地表1 m、3 m、10 m和15 m处,对芦苇冠层内外大气中水汽的稳定同位素δ18O值、δ2H值和水汽浓度进行连续测量;采用功率谱分析方法,分析大气中水汽的δ18O值和δ2H值变化的周期特征。研究结果表明,2019年5-11月芦苇冠层内外大气中水汽浓度为1076-28414 mg/m3,平均值为13095 mg/m3,水汽浓度最大值出现在7月31日,最小值出现在11月27日;大气中水汽的稳定同位素δ18O值为-29.40‰--10.01‰,δ2H值为-174.56‰--67.01‰;从海洋输送的水汽带来的降水量占总降水量的54.4%,从内陆输送的水汽的δ18O值和δ2H值分别为-31.11‰--7.81‰和-187.26‰--52.38‰,从内陆输送的水汽同位素值明显更低;在垂直方向上,随着高度的升高,大气中水汽浓度、δ18O值和δ2H值都逐渐减小;大气中水汽的δ18O值和δ2H值在8-24 h内具有周期性变化。