广州大气降水中δ^18O与气象要素及季风活动之间的关系

根据2004年5月至2005年6月广州日大气降水中δ18O资料和GNIP提供的广州、香港多年月平均降水中δ D、δ18O资料, 研究了天气尺度下广州大气降水中δ18O与降水量、水汽压、气温和露点温度等气象要素之间的关系, 并就季风活动对本地降水中δ18O的影响作了初步分析. 结果表明: 在天气尺度下, 广州大气降水中δ18O与降水量、水汽压、气温和露点温度均存在显著的负相关关系, 同温度露点差存在显著的正相关关系, 表明广州大气降水中δ18O变化具有显著的降水量效应和湿度效应. 夏季风期间季风活动对天气尺度下降水中δ18O的变化具有显著影响, 使得天气尺度下大气降水中δ18O变化有时并不遵循降水量效应. 从多年气候平均状况来看, 广州、香港降水中δ18O的季节变化同亚洲夏季风的爆发和推进演变过程较为相似, 在夏季风活跃的时期, 大气降水中δ18O值也较低, 反映了季风降水再循环活动对降水中稳定同位素含量具有显著影响.     

南京大气降水氧同位素变化及水汽来源分析

研究结论有助于了解南京地区的水汽输送以及水汽循环过程。在全球大气降水同位素观测网(GNIP)南京站点的大气降水氢氧同位素资料基础上,并结合相关气象资料,分析了南京地区大气降水稳定同位素时间分布特征及其影响因素,并建立了局地大气降水线方程。结果表明:南京地区大气降水中δ¹⁸O春季最为富集、夏季最为贫化;年尺度下降水δ¹⁸O与温度之间不存在正相关,而与降水量之间存在负相关;季节尺度下,冬季的δ¹⁸O与温度、降水量的关系与年尺度结果相反,皆呈现出正相关关系。采用HYSPLIT模型对站点水汽来源进行追踪,并结合季风活动分析得出:全年中南京大气降水δ¹⁸O变化主要受亚洲夏、冬季风及其带来的水汽影响,在季风交替时节(春、秋季)虽降水源于局地蒸发水汽,但仍为季风带来降水的影响。     

青藏高原西部降水中δ18O变化特征

根据青藏高原西部阿里地区狮泉河气象站和改则气象站取得的降水水样和降水气象资料, 分析了该区域降水中δ18O的变化特征.结果表明: 在长时间尺度上, 狮泉河和改则两站点历次降水中δ18O和气温之间都有较好的正相关, 尤其是降水中月平均δ18O与月平均降水温度之间相关性更加显著, 降水中δ18O主要受"温度效应"的影响.而在其中的某一年, 这种相关性不是很明显, 而且在降水中δ18O和降水时温度之间的相关性很好的年份, 在7月底或8月份初短期内降水中δ18O几乎都有一个突然降低的事件, 这可能与印度季风水汽输送有关.与狮泉河站相比, 在改则降水中δ18O和气温二者之间这种相关性相对较弱, 这与改则当地内陆水循环特别是强烈蒸发引起的降水有关.     

利用稳定同位素大气水平衡模式模拟降水中δ18O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.     

水汽输送对雅鲁藏布江流域降水中稳定同位素的影响

利用NCEP/NCAR全球大气再分析格点资料和2005年西藏雅鲁藏布江流域4个站点（拉孜、奴各沙、羊村和奴下）降水中δ18O数据，分析了雅鲁藏布江流域降水中δ18O变化同水汽输送通量的关系。从空间上来看，雅鲁藏布江流域降水中δ18O同水汽输送通量呈明显的正相关，从下游至上游，随着水汽输送通量的减少，降水中的δ18O逐渐降低；从时间上来看，春季水汽通量较小，降水中的δ18O较高，而在夏季，水汽通量大，降水中的δ18O较低。在此基础上，又利用NCEP/NCAR气象数据建立水汽追踪模型，以羊村站为例对雅鲁藏布江流域降水的水汽输送过程进行了追踪模拟，并讨论了降水中δ18O变化同水汽源地以及输送过程的关系。结果发现，在季风降水之前的春季，降水中较高的δ18O主要受西风带水汽输送以及当地蒸发水汽的影响；在季风期间，降水中较低的δ18O主要受来自印度洋暖湿水汽输送的影响。      

重庆市2013年10-12月大气降水中氢氧同位素特征及水汽来源分析

文章对重庆市北碚区西南大学2013年10-12月间降水进行收集并测试样品中δD、δ18O值,得到重庆大气降水线方程δD= 8.19δ18O +17.39,r=0.97（p<0.01）;发现该地区降水中δ18O与气温、降水量之间存在反温度效应、降雨量效应,但两种效应表现较弱。该地区10-12月大气水汽中的同位素组成复杂,场降水中δD、δ18O的变化受天气因素影响大。为了探明水汽输送过程中δD和δ18O变化,采用HYSPLIT模式追踪并验证该地区场降水的水汽输送轨迹,发现该时段西南季风较弱,主要受西风影响,10、11月水汽主要来源于中国横断山区三江流域,测试表明11月存在台风海燕的水汽输送记录,不同水汽来源对δD、δ18O的影响较大、响应值较好,12月主要来自局地的水汽蒸发。      

青藏高原中部降水稳定同位素变化与季风活动

根据1998年夏季中日GAME／Tibet项目在青藏高原中部进行的降水中稳定同位素研究结果以及相关的气象观测资料，分析了青藏高原中部夏季降水中δ^18O的变化规律。研究结果发现，青藏高原中部夏季降水中δ^18O的波动与大规模天气活动有关，而不是地方性的气象条件。该地区降水中δ^18O对水汽来源的变化以及水汽的输送过程十分敏感。夏季伴随西南季风进入高原南部的水汽形成的降水中δ^18O较低，而且季风活动越强，降水中δ^18O也越来低。从青藏高原北部而来的水汽或地方蒸发水汽形成的降水，其δ^18O值较高。     

重要海-气-天文事件与新德里季风降水中δ18O的关系

通过分析西南季风区印度新德里站夏季降水资料发现, 降水中δ18O变化趋势大致与太阳黑子变化趋势一致, 是温度效应的具体体现. 温度和降水的耦合导致温度和降水量的比值(T/P)与δ18O具有显著的正相关关系; ENSO与δ18O的遥相关关系是热带印度洋和太平洋海气耦合作用的结果, 是降水量效应的反映. 在500 hPa高度, 云滴的蒸发以及与下层向上层传输的季风水汽之间发生稳定同位素交换, 可能是导致500 hPa高度风的速率与δ18O正相关的主要原因, 温度效应及降水量效应对这一关系的形成起促进作用.     

天山乌鲁木齐河流域山区降水δ18O和δD 特征及水汽来源分析

依据乌鲁木齐河流域山区3个站点实测次降水δ18O和δD数据以及气象观测资料,结合临近GNIP(Global Network of Isotopes in Precipitation)站点数据,对其降水δ18O和δD特征及水汽来源进行了分析。结果表明,大气降水中δ18O值波动范围大,但呈现明显的季节性变化:冬季降水δ18O较低,夏季降水δ18O较高。受流域山区气候和地理条件影响,从上游到下游各站点大气降水线截距和斜率均呈现逐渐减小趋势。大气降水中δ18O和δD与日均气温存在密切正相关关系,且温度与δ18O之间的相关性优于δD。降水中d-excess值也表现出季节性变化,冬季降水d-excess值高于夏季降水。利用HYSPLIT 4.0气团轨迹模型,得出夏季水汽主要来源西风环流输送,冬季受西风环流和极地气团共同影响。     

羊卓雍错流域降水中稳定氧同位素变化特征

根据青藏高原南部羊卓雍错流域白地、翁果和堆乡3个水文站2004年1~10月降水中δ¹⁸O的测定结果,分析了该流域降水中δ¹⁸O的变化特征及其与温度和降水量之间的关系.结果表明:3个站点降水中δ¹⁸O的值在雨季前变化不大,且都保持相对高值;进入雨季后都开始下降,雨季结束后又均开始增大.该流域夏季降水中δ¹⁸O表现出低值的特征与夏季西南季风的强烈活动密切相关.受西南季风影响,3个站点夏季降水均表现出季风降水的特征,降水中δ¹⁸O与降水时温度关系不明显,而与降水量之间存在着一定的反向变化趋势,从而表现出一定的“降水量效应”.羊卓雍错流域降水中δ¹⁸O的这种变化特征与拉萨的基本一致.     

黄河流域大气降水氢、氧稳定同位素时空特征及其环境意义

大气降水δ18O值的变化是一个蒸发和凝结的物理过程,与纬度、海拔、距海岸的距离、季节和降水量等因素有关,具有规律变化的特征。根据黄河流域上中下游地区取得的降水同位素数据和降水气象资料,分析了该区域降水中δ18O的时空变化特征。研究了流域上中下游降水中稳定同位素与温度和降水量的关系,揭示了流域降水中稳定同位素的变化规律。结果表明,流域上游和中下游降水中稳定同位素具有不同的季节变化特征,上游地区表现为夏季富集、冬季贫化,中游和下游则与之相反;在空间变化上,流域降水稳定同位素自上而下整体趋于逐渐贫化,波动明显,存在显著的极值区;黄河流域上、中下游具有不同的同位素过程,上游地区受海拔效应和内陆循环影响显著,而中下游则主要受季风系统和局地因素的影响。局地大气水线以及d与大气水汽压关系的分析表明,流域降水在从云层底部降落到地面的过程中,具有明显的二次蒸发现象,并伴随着同位素的分馏。     

陆面过程中稳定水同位素逐日变化的数学模拟——引入稳定同位素效应的CLM实例分析

将稳定同位素效应引入CLM(Community Land Model),并对巴西马瑙斯站在平衡年的稳定水同位素的逐日变化进行模拟和分析.结果表明: 降水、水汽和地表径流中δ18O存在明显的季节变化,并与相应的水量存在显著的负相关关系,但凝结物中δ18O与地面凝结量存在显著的正相关关系,蒸发水汽中δ18O与蒸发量之间无显著的相关关系.受土壤贮水削峰功能的影响,表层土壤和根区水中δ18O的季节变化全无.植被层蒸发水汽中稳定同位素的丰度与大气的干湿程度存在密切联系: 当降水量少时,大气干燥,植被层的蒸发较少,植被蒸发中δ18O较高;当降水量较大时,空气湿润,植被层的蒸发量较大,蒸发中δ18O则较低.植被蒸腾中δ18O的变化与源区水体中δ18O的变化保持一致,尤其是与根区水中的δ18O.由于地下径流直接源自根区水的补充,因此,地下径流中δ18O等于根区水中的δ18O.模拟结果还显示,降水MWL (大气水线)的梯度项和常数项均比全球平均MWL略偏小.尽管主要来自降水的贡献,但地表径流和植被层水体的MWLs与降水MWL存在较大的差异,这一方面与两类水体在蒸发过程中的稳定同位素的富集作用有关,另一方面与CLM模拟的水量有关.大气水汽线与降水的MWL的梯度值相近,说明大气水汽与降水近似处于稳定同位素平衡状态.另外,模拟的地面的凝结线与植被层的凝结线均与全球大气水线相近,且具有非常高相关程度,说明CLM的模拟是合理的.     

中国南方降水δ18O年际变化响应ENSO机理的再分析

中国南方石笋δ18O记录已成为重建过去季风变化历史的重要载体,然而对石笋δ18O记录的气候解译目前仍存在争议。本文基于模拟数据和气象观测数据建立了1979-2016年中国南方16个主要城市的降水δ18O年际变化序列,并利用主成分分析方法提取了这些δ18O序列的第一主成分。该主成分序列与海洋尼诺指数总体上呈现出显著正相关,表明厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）对中国南方降水δ18O年际变化具有显著影响。进一步分析表明,ENSO主要通过控制孟加拉湾和南海等水汽上游地区对流强度和西太平洋副热带高压强度来对中国南方降水δ18O施加影响,但水汽上游地区对流强度的作用可能更强。此外,降水δ18O与ENSO在不同时段的相关性并非稳定,这可能影响石笋δ18O对ENSO历史重建的准确性。      

黑河上游河水中δ18O季节变化特征及其影响因素研究

根据2006年5月至2007年5月间在黑河上游莺落峡、祁连和扎麻什3个水文站等地点所采集的河水与降水样品,重点分析了其中的δ18O变化,揭示出黑河干流上游山区河水中δ18O具有夏季高冬季低的季节变化特征,这种变化特征主要受控于降水中δ18O的变化.祁连水文站河水中δ18O月平均值与月平均流量乘积和该站降水中δ18O加权月平均值与月降水量乘积之间存在着高度相关性,从同位素示踪的角度说明降水是黑河干流上游山区径流的主要补给来源.进一步的研究表明,黑河上游祁连山区降水中δ18O变化存在明显的"海拔效应",并且3个水文站点河水中δ18O值均低于其降水中δ18O值,这表明上游径流主要形成于高海拔山区.根据黑河出山口莺落峡水文站河水中δ18O值以及上游山区降水中δ18O的"海拔效应",估计黑河干流出山径流主要形成于海拔3 350～4 600 m之间的高山地区,该高度区域对应的植被带主要为亚高山灌丛草甸和高山寒漠草甸.     

大高加索山南部大气降水氧同位素的气候意义

大高加索山脉位于黑海和里海之间,是欧洲与亚洲的分界线,该区域气候受到北大西洋涛动 (North Atlantic Oscillation, NAO)的强烈影响。为了对该区域的大气降水δ18O (δ18OP) 与NAO的关系有更加深入的认识,本文利用大高加索山以南6个全球降水同位素监测网(Global Network of Isotope in Precipitation, GNIP)站点的δ18OP数据,分析该区域δ18OP 的季节变化规律,以及δ18OP与温度和降水量等气象要素及大气环流之间的关系。得到以下主要认识:① 在月时间尺度上,δ18OP与月平均温度之间有着显著的正相关关系(p<0.01),表明该区域δ18OP主要受当地温度控制,表现出“温度效应”。② 北大西洋涛动通过改变西风的强度和位置从而影响δ18OP 的变化:当NAO呈现负相位时,此时西风输送较弱,使得来自地中海的富含18O的水汽能够达到大高加索山以南,该地区δ18OP偏正。而当NAO正相位时,西风急流输送较强,从北大西洋穿越黑海带来更多的δ18OP 偏轻的降水。因此,NAO所导致的水汽输送路径的变化可能是影响大高加索山以南地区δ18OP的重要因素,这一研究结果为利用该地区地质记录中的δ18O记录来重建过去的NAO变化提供了前提。      

中国西南季风区不同水体稳定同位素特征分析——以重庆市北碚区为例

通过对重庆市北碚区大气降水和马鞍溪上游龙滩子水库水的氢氧同位素进行的一个水文年（2014年）的样品采集监测,研究了降水与水库的水的氢氧同位素之间的变化特征和规律。结果表明:(1)北碚区大气降水线方程为δD=8.82δ18O+18.97,r=0.99,n=101,P<0.01,δD、δ18O相关性极为显著,该区大气降水线斜率和截距大于全球大气降水线和中国大气降水线,表明研究区主要受西南季风和东南季风双重影响所致;(2)大气降水中δD、δ18O具有明显的季节变化,夏半年偏负,冬半年偏正;(3)大气降水中的δD、δ18O与降水量及温度呈现负相关关系,降水量效应显著,并且该效应远远掩盖了温度效应;(4)水库中水的δD、δ18O具有极好的相关性,其δD、δ18O样点落于全球大气降水线和区域大气降水线附近,并且水库中水d的变化趋势与降水d基本一致,表明前者主要补给来源是降水,而水库中水的δD、δ18O和d的变化幅度远远小于降水,表明前者不仅受降水补给,还受土壤水和地下水的补给。      

INTERCOMPARISON OF δ18O IN PRECIPITATION SIMULATED BY ISOTOPIC GCMS WITH GNIP OBSERVATIONS OVER EAST ASIA

本文利用引入稳定同位素循环的ECHAM4,GISS E,HadCM3和MUGCM模式的模拟对东亚降水中平均δ18O的空间分布、季节差异以及δ18O与温度、降水量的关系进行了分析.模拟结果很好地再现了由GNIP实测资料得到的δ18O的变化特征.在东亚,降水中δ18O的分布具有明显的纬度效应和高度效应.降水中δ18O季节差的最大值出现在受冷高压控制的东西伯利亚,最小值出现在受副热带高压控制的西太平洋.在海洋性气团与大陆性气团频繁交绥的中纬度地区,δ18O季节差相对较弱,但经向变化梯度较大.然而,4个GCM的模拟均显示在中高纬度内陆降水中δ18O明显偏低.温度效应主要出现在中高纬度和内陆区,纬度越高、越接近内陆,温度效应越强.降水量效应主要出现在中低纬度和季风区,最强的降水量效应出现在低纬度沿海或海岛.然而,4个GCM均给出实际上并不存在的发生在中亚干旱区的降水量效应.这个结果与雨滴在降落过程中重同位素的富集作用有关,但模式对该机制起到了放大作用.GCM和GNIP降水中δ18O统计量空间分布差异的一个显著特点是,GCM统计量的标准差大于GNIP统计量的标准差.然而,当对单站降水δ18O的时间序列作对比时,GCM模拟值的标准差反而小于GNIP实测值的标准差.     

青藏高原水汽输送与冰芯中稳定同位素记录*

降水中稳定同位素作为水中的组成成分,与水汽来源的变化存在直接的关系。根据在青藏高原降水中稳定同位素的研究,青藏高原南北降水中δ¹⁸ O和过量氘(d)都存在着显著的空间变化,这种空间变化与西南季风夏季向北推进的位置有关。在时间变化上,青藏高原不同地区降水中δ¹⁸ O和d的季节变化特征也与水汽来源的季节变化有关,而且这种季节变化主要受控于西南季风水汽与西风带输送水汽之间的相互作用,在中国最北端的阿尔泰山区还受到极地气团的影响。由于不同的大气环流造成的水汽来源的差异,青藏高原冰芯中稳定同位素变化也存在空间差异。北部地区冰芯中稳定同位素的年际变化与当地气象站记录显示良好的对应关系,而南部冰芯中稳定同位素的变化与当地气象站降水量在年际变化上显示反相关关系。     

不同时间尺度下的稳定同位素变化

根据北半球IAEA／WM0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δ^18O的时空变化特征，被选出的12个取样站都存在显的降水量效应，δ^18O／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δ^18O／平均温度变化率大于中高纬度，与单站相比，合计的δ^18O和温度之间的正相关关系要显得多，说明δ^18O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δ^18O和合计的年平均温度的逐年变化具有较好的一致性。     

拉萨夏季降水中氧稳定同位素变化特征

根据青藏高原拉萨气象站１９９３～１９９６年雨季降水中δ１８Ｏ的测量和ＩＡＥＡ／ＷＭＯ的观测结果，分析了拉萨雨季降水中δ１８Ｏ的变化规律，以及与气温和降水之间的关系。受青藏高原季风的影响，拉萨降水季节变化异常明显，降水集中在夏半年，尤其是７～９月份。拉萨降水中δ１８Ｏ也表现出季风降水的典型特征。降水中δ１８Ｏ“雨量效应”明显，而且这种降水量的影响远远掩盖了气温对降水中δ１８Ｏ的作用。高降水对应降水中δ１８Ｏ低值，反之亦然。拉萨降水中δ１８Ｏ的这种变化特征与青藏高原北部是不同的。