台风“麦德姆”福州降水δ18O特征及水汽来源分析

大气降水的氢氧同位素不仅在长时间尺度和短时间尺度上对气候环境有一定的响应,而且在极端天气事件中也响应强烈。论文基于2014年7月23—24日10号台风麦德姆登陆前后福州降水的氢氧稳定同位素分析,发现台风麦德姆降水的δ¹⁸O变化范围为-7.2‰~-15.4‰,整个降雨过程分为3个阶段：阶段1（23日3：00至23日12：00）,雨水δ¹⁸O相对偏正（加权平均值为-7.8‰）,降水开始增加,主要受台风外围环流的影响;阶段2（23日12：00至24日8：00）,雨水δ¹⁸O显著偏负（加权平均值为-13.9‰）,采样点降水量达134.8 mm,约占观测时段降水量的78%,降雨量效应明显,主要受台风云雨区影响;阶段3（24日8：00至24日17：00）,雨水δ¹⁸O偏正（加权平均值为-9.2‰）,降水减少,台风远离福州。通过降水δ¹⁸O的阶段性特征以及过量氘,结合水汽输送通量与HYSPLIT-4模拟水汽轨迹分析,确定此次降水的水汽源主要来自西北太平洋水汽通道与孟加拉湾和南海水汽通道。     

台风“杜鹃”降水δ18O的云雨区效应初探

我国东南地区台风降水显著,但对这种强降水事件中的稳定同位素研究较少,限制了对短时间极端降水稳定同位素变化过程和影响因素的认识。论文根据2015年9月28日至29日第21号台风“杜鹃”两次登陆（台湾宜兰、福建莆田）前后台北、福州两地气象数据和降水稳定同位素数据,分析了此次台风的降水稳定同位素变化特征及影响因素。台风期间,两地降水δ¹⁸O波动范围为-3.4‰~-15.0‰,变化幅度达11.6‰。台风前端和尾端两地降水同位素值相对偏正,平均值为-4‰~-6‰而台风中端两地降水同位素值极其偏负,平均值分别为-12.4‰和 -13.2‰。台风前端与尾端降水同位素值偏正,水汽受蒸发效应影响明显;而台风中端降水δ¹⁸O值极端偏负主要受“云雨区效应”的影响,即云雨区气流急剧上升,水汽在过饱和环境中快速凝结降落,受动力分馏作用小,降水δ¹⁸O极端偏负。结合降水δ¹⁸O变化特征、过量氘及模拟水汽轨迹,得到台风“杜鹃”降水主要的水汽来源为西太平洋海域。     

庐山地区大气降水中稳定同位素变化特征

氢氧稳定同位素技术被广泛用来研究水循环过程中的水汽来源、水量平衡及不同水体间的补给关系。以2016年4月至2017年4月在庐山地区三个不同研究点（庐山西北面莲花镇,山顶牯岭镇和东南面海会镇）采集的102个次降水样品同位素资料为基础,应用线性回归分析和对比分析等方法,对庐山地区大气降水中氢氧稳定同位素和氘盈余的时空分布特征及大气水汽来源进行了研究。结果发现：庐山地区夏半年降水中的稳定同位素值δ¹⁸O平均值（-6.1‰）小于冬半年（-4.8‰）;氢氧同位素特征和氘盈余呈现明显的季节差异;平均氘盈余值（10.6‰）大于全球大部分地区的评估值（10.0‰）;当地大气降水线（LMWL）δD=7.45δ¹⁸O+8.36与全球大气降水线（GMWL）δD=8δ¹⁸O+10相比,其斜率和截距均偏小。结合HYSPLIT后向轨迹模型分析同位素特征发现,庐山地区大气水汽夏半年主要来源于低纬度南海和印度洋,冬半年来自于干燥的华北和西北内陆;局地水汽影响和地理位置差异导致了降雨同位素特征的空间差异性。本研究可为今后展开庐山地区水循环过程的研究提供科学依据。     

湘江流域岳麓山周边地区不同水体中氢氧稳定同位素特征及相互关系

不同水体中稳定同位素的差异性组成对认识区域水文过程,如水体的补给机制、不同水体间的相互作用具有重要意义。论文基于2010—2013年湘江流域岳麓山周边地区降水、地表水、浅层土壤水和地下水中δD和δ¹⁸O的逐日数据及相关气象资料,分析了不同水体中稳定同位素的组成,揭示了不同水稳定同位素间的相互作用关系。结果表明：地表水、浅层土壤水和地下水中δD和δ¹⁸O对日降水中δD和δ¹⁸O的响应存在时滞,地表水和浅层土壤水的滞后时间较短,地下水的滞后时间较长;在天气尺度下,降水中δD和δ¹⁸O存在很好的线性关系,二者的相关系数达0.98;地表水、浅层土壤水和地下水中δD和δ¹⁸O的线性相关系数分别为0.95、0.90和0.90,均超过0.001的信度;在δD-δ¹⁸O关系中,地表水水线（SWL）、浅层土壤水水线（SSWL）和地下水水线（GWL）的斜率及截距都小于长沙大气水线（LMWL）,表明降水是区域地表水、浅层土壤水和地下水的主要补给水源,且在补给过程中,存在一定程度的蒸发,同时与其他水体存在混合交换作用;在季节尺度下,同一水体的水线斜率与截距具有正比关系,即斜率越大,截距越大;但LMWL斜率和截距的关系存在季节和年际的差异;对比同一类水线旱雨季的斜率,仅有LMWL的斜率旱季小于雨季,反映出旱季干燥的大气条件下,降落雨滴云下二次蒸发强烈的特点。     

青海湖沙柳河流域不同时期地表水与地下水的相互作用

氢氧稳定同位素技术是研究地表水和地下水相互作用的有效手段。依据青海湖沙柳河流域2018年消融期、多雨期和冰冻期所收集的降水、河水和地下水样品中对氢氧同位素组成（δD、δ¹⁸O）的测定结果,识别和量化不同时期高山草原带和高山草甸带地表水和地下水间的补给关系和比例,其目的旨在明确高寒内陆河流域地表水和地下水δD和δ¹⁸O受降水影响的时空差异。结果表明：青海湖沙柳河流域地表水和地下水δD和δ¹⁸O值受降水响应存在时空差异性,δD和δ¹⁸O值在消融期受降水影响最强,冰冻期最弱;在高山草甸带δD和δ¹⁸O值受降水的影响强于高山草原带。消融期的高山草甸带、高山草原带和冰冻期的高山草原带地表水补给地下水的比例分别为80.65%、93.36%和89.44%;多雨期的高山草甸带、高山草原带和冰冻期的高山草甸带地下水补给地表水的比例分别为44.50%、74.85%和88.58%。研究结果可为该流域水资源优化配置和管理提供科学依据。     

ENSO事件对珠江中下游地区降水氢氧同位素的影响

水汽源区变化与ENSO事件显著影响季风区水循环过程。基于珠江中下游地区4个GNIP站点（中国香港、广州、桂林、柳州）的降水同位素及OLR（向外长波辐射）数据,研究了ENSO背景下δ¹⁸O的时空分布特征及ENSO事件对降水中氢氧同位素特征的影响机制。结果表明：ENSO事件是影响稳定同位素年际差异的主要因素,通过影响雨季降水的年内分配而实现;正常年大气降水线方程的斜率与截距均大于厄尔尼诺年而小于拉尼娜年;拉尼娜年加强 δ¹⁸O的反温度效应,厄尔尼诺年减弱反温度效应;厄尔尼诺与拉尼娜年热带辐合带的变化规律呈现出相反的趋势,其OLR场的变化与研究区稳定同位素特征有着较强的对应关系;ENSO事件年不同的水汽源区相对湿度特征是造成d值年际差异的主要因素。     

长沙大气降水中稳定同位素变化及过量氘指示水汽来源

基于2010 年1 月1 日至2012 年5 月31 日长沙日降水同位素资料,对长沙降水中稳定同位素、过量氘(记为d) 的变化特征以及它们与降水、温度和湿度的关系进行了分析。研究发现:①在季风系统下, 降水中稳定同位素、d 均具有明显的季节变化,表现出夏半年的低值与冬半年的高值交替变化的特点;②降水中稳定同位素在不同时段均存在降水量效应和湿度效应,另外,夏半年中表现为反温度效应,冬半年则表现出温度效应;③综合考虑降水中d 和δ¹⁸O 与大气湿度的关系, 可认为影响长沙降水中稳定同位素变化的主要原因与降水的气团性质有关。夏半年中,夏季风盛行,降水的水汽主要来源于西南季风、东南季风所携带的海洋水汽,空气湿度大,d 小,重同位素在水汽输送过程中因不断冷凝而大大贫化,从而降水中δ¹⁸O(δD) 较小;冬半年中,长沙受大陆性气团控制,降水的水汽则主要来源于西风带及当地蒸发,空气湿度小,降水中δ¹⁸O(δD) 以及d 均较高。     

不同水汽来源对湖南长沙地区降水中 δD、δ18O的影响

根据2010年在长沙地区进行降水收集和气象要素观测的资料,分析了该地区降水中δ¹⁸O与温度、降水量之间的关系,揭示了降水中δD、δ¹⁸O的变化特征,讨论了水汽输送对降水中δ¹⁸O变化的影响。结果表明,在天气尺度下,长沙地区大气降水中δ¹⁸O与降水量、温度之间存在显著的负相关关系,即该地区降水中δ¹⁸O的变化具有显著的降水量效应及反温度效应。对长沙地区的降雪样和降雨样进行线性回归,得出大降水事件和降雪的大气降水线具有较大斜率和截距。随着降水量的减小,大气降水线方程的斜率和截距也逐渐减小,这主要由于小降水事件的雨滴在降落过程中受到二次蒸发强烈,同位素分馏强烈。利用HYSPLIT模式追踪该地区气流的轨迹发现,在季风降水期间(5—9月),δ¹⁸O值偏低的水汽主要来自孟加拉湾、南海洋面与西太平洋海区;在非季风降水期间(10—4月),δ¹⁸O值偏高的水汽主要来自西风带携带的水汽和局地水汽环流。     

西北内陆区降水稳定同位素时空分布特征及其水汽来源

综合分析西北内陆区97个研究站点的降水稳定同位素数据,并结合相关气象资料,揭示了西北内陆区降水稳定同位素δ¹⁸O、δD和d-excess时空分布特征,明确了海拔、经纬度、温度和降雨量对降水δ¹⁸O的影响;利用水汽通量和HYSPLIT模型追踪了大气降水的水汽来源.同时,根据关键自然地理要素的空间差异将西北内陆区划分为4个子区域,对上述内容分区域进行系统分析和对比.结果表明：(1)西北内陆区降水δ¹⁸O和δD的变化范围分别为-21.20‰～1.70‰和-144.20‰～5.21‰,d-excess波动范围为-20.37‰～46.48‰,δ¹⁸O、δD和d-excess均存在显著的空间变化和季节变化特征,河西内陆区和塔里木地区δ¹⁸O和δD值相对偏正,柴达木-青海湖区和准噶尔-吐哈地区δ¹⁸O和δD偏负.(2)西北内陆区大气降水线方程的斜率和截距均小于中国和全球大气降水线,4个子区域亦低于全球水线,其中塔里木地区斜率最低.(3)西北内陆区海拔效应为-0.04‰·...     

西秦岭地区大气降水氢氧稳定同位素特征

为了明确西秦岭地区大气降水氢氧稳定同位素特征,于2020年1～12月在甘肃陇南收集了109个降水样品,对其氢氧稳定同位素比率的年内变化及其影响因素进行了分析,并结合HYSPLIT模型后向轨迹分析了降水同位素与水汽来源的联系。结果表明：研究区大气降水中δ¹⁸O和δ²H加权平均值分别为-11.0‰和-74.1‰,表现出雨季低(δ¹⁸O=-11.5‰,δ²H=-79.0‰)而非雨季高(δ¹⁸O=-9.0‰,δ²H=-55.1‰)的年内变化特征。局地大气降水线为δ²H=8.1δ¹⁸O+14.6,斜率和截距均高于全球大气降水线。降水δ¹⁸O呈现一定的降水量效应,温度效应不显著。雨季受季风作用显著,对应着δ¹⁸O偏低的降水,西风全年影响该地区但带来的降水有限。本研究有助于提高对西秦岭山区大气降水氢氧稳定同位素演化的认识,明晰降水同位素的影响因素,为现代水文气象和古气候研究提供参考。     

水汽源区变化对黄河中游降水稳定同位素的影响

利用黄河中游地区9个站点的降水同位素数据,分析其时空分布特征及环境效应,并模拟代表站点的气团运移轨迹,利用OLR技术研究水汽源区变化及输送过程对夏半年降水稳定同位素的影响。结果表明：δ¹⁸O有着较为明显的季节性变化规律,春夏较低,秋冬较高;空间分布则呈由东南向西北升高的趋势。大气降水线方程表现出明显的过渡性区位特征,降水量效应较为显著。水汽主要通过西北与东南两个水汽通道输送,东向水汽与青藏高原的热力、动力性质对流域的水源差异产生了较大影响。水汽源区变化与对流层中上部水汽含量场都与稳定同位素特征有着较强的对应关系,8、9月形成于西太平洋的热带辐合带（ITCZ）使东南季风成为夏季黄河中游地区主要的水汽输送通道。     

内蒙古夏季大气降水同位素特征及影响因素

为探明内蒙古地区夏季大气降水中δD和δ¹⁸O组成特征及其对气象因子变化的响应关系,于2017~2019年夏季采集了内蒙古阿拉善左旗、呼和浩特市市区、正蓝旗、克什克腾旗（达里湖）、通辽科尔沁左翼中旗和呼伦贝尔新巴尔虎右旗（呼伦湖）等6个区域共计82次大气降水样品,结合来自全球降水同位素观测网（GNIP）的包头、张掖等6个区域大气降水样品中δD和δ¹⁸O数据,分析了内蒙古地区大气降水中δD和δ¹⁸O变化的区域差异及其主要影响因素,结果表明：内蒙古局地大气降水中δD和δ¹⁸O值存在自西向东不断偏负的趋势,其中呼伦贝尔新巴尔虎右旗大气降水中δD和δ¹⁸O值最偏负;相对地,西部阿拉善左旗大气降水中δD和δ¹⁸O值最偏正;内蒙古地区局地大气降水线斜率和截距同样表现出自西向东逐渐偏正的变化趋势,显示二次蒸发作用的影响逐渐下降,且局地蒸发水汽团对西部地区大气降水影响明显,如位于西风环流影响区的阿拉善左旗等区域局地蒸发气团占到8月部分单次大气降水来源水汽团的100%,而7月份,东亚夏季风环流对内蒙古局地大气降水的影响最为明显;整体上,虽然区域大气湿度变化引起的二次蒸发是影响内蒙古局地大气降水过程的一个关键因素,不过大气降水量对夏季大气降水稳定同位素组成的影响最明显.即西风环流影响区大气湿度变化对氘盈余指数d值的影响程度明显强于东亚夏季风区大气湿度变化的影响,而东亚夏季风环流影响区大气降水量对d值的影响程度则相对明显.     

雅鲁藏布江河水氢氧同位素时空变化特征

为揭示流域内水汽循环过程变化规律、揭示河水稳定同位素与气象要素及海拔之间的关系,2018年先后采集雅鲁藏布江干流丰、平、枯,水期水样90个,对河水的氢氧同位素组成进行了分析.结果表明：利用δ¹⁸O与纬度和海拔定量关系模型研究了雅江流域降水氢氧同位素空间变化特征,发现降水中δ¹⁸O值变化呈现东西部（雅江上、下游）高中部（雅江中游）低的趋势;建立了雅江丰、平、枯水期河水氢氧同位素方程,研究发现δD与δ¹⁸O的线性方程斜率低于中国大气降水线,河水δD与δ¹⁸O有一定的季节性特征,其受大气降水的影响较大,且丰水期较平水期以及枯水期相比更为明显;雅江河水中δ¹⁸O空间特征表现为,从上游至下游整体表现出先降低再升高的变化趋势.南北空间上表现为河水δD-δ¹⁸O从南至北逐步增高的趋势.δD-δ¹⁸O值与海拔高度具有较弱的负相关关系;受地表蒸发分馏、降水云团迁移以及流域岩石风化的影响,雅江河水d值季节性、空间性变化明显.     

漓江流域δD和δ18O对蒸发的指示作用

以漓江流域为例查明不同水体之间氢氧稳定同位素组成特征,并探讨氢氧稳定同位素对漓江流域的蒸发过程指示作用.结果表明：流域内不同水体之间,氢氧稳定同位素表现出不同的组成特征,地表水和地下水,在丰水期δD值和δ¹⁸O值要比枯水期更容易富集,地下水的δD值和δ¹⁸O值分布范围较地表水小;随着水温的升高,δ¹⁸O的变化趋势比d-excess明显.从漓江上游到下游高程逐渐下降,河水线的斜率和截距也在逐渐减小,其中漓江下游河水线的斜率和截距要低于当地大气降水线,表明下游受到蒸发作用较强烈;地下河水线、地表河水线在一定程度上偏离当地大气降水线,但偏离程度较小,表明三者之间有很好的水力联系.受温度和湿度的共同影响,漓江干流丰水期河水的蒸发量占最初水体总量的0.7%~9.1%,枯水期河水的蒸发量占最初水体总量的2.6%~9.7%,丰水期的蒸发比例低于枯水期,从上游到下游蒸发比例在逐渐上升.研究区蒸发量估算值为959.40mm,与多年实测值少43.11mm,相对误差4.70%.氢氧稳定同位素对研究区降水、地表水、地下水之间的转换规律具有重要的实际意义,在今后的漓江流域水文研究中有着更加广阔的空间.     

黑岱沟露天矿区排土场2种典型植物的水分来源及利用策略

论文利用稳定性同位素示踪技术,分析排土场2种典型植物水分来源的差异及水分利用策略.结果表明,黑岱沟矿区大气降水的氢,氧同位素含量均落在中国大气降水的变化范围之内,不同月份大气降水的δD(δ¹⁸Ο)值表现出明显的降水量和季节效应.旱季小叶杨主要利用10 cm土层以下的水分,对100~150 cm土层水分利用率最高,达25.6%;沙棘对各层次土壤水分的利用比例接近,差异不明显,对表层土壤水分的利用最高,达26.5%;为了避免种间竞争,小叶杨很少利用表层(0~10 cm)土壤水分.雨季小叶杨主要利用表层和浅层土壤水分,利用比例高达70.9%,沙棘主要利用30~60 cm土层的水分,达73.5%,其次是10~30 cm土层,达17.4%.两种不同生活型植物通过不同策略合理利用旱季有限的水分,而在雨季水分供给充分时,均优先利用浅层水源,使其组成的生态系统更好地适应矿区排土场脆弱的生态环境.