渭南大气降水中氢氧同位素特征与水汽来源关系

利用渭南大气降水δD和δ~(18)O实测值及相关的气象观测资料,分析了降水δD和δ~(18)O的特征及其变化与水汽来源的关系。结果表明:大气降水的同位素值变化幅度大,且呈现春季高、其他季节较低的季节变化;大气降水线的斜率低于全球大气降水线,截距接近且略高于全球大气降水线;大气降水的δ~(18)O与温度效应相关关系非常弱,温度效应不存在,存在降水量效应,但春冬季不显著,夏秋季较显著;大气气团来源的后向轨迹显示,冬半年降水水汽主要受控于西风环流,同时存在少有的局地蒸发作用,夏半年水汽来源于东南和西南海洋蒸发水汽,明确了氢氧稳定同位素存在季节变化的原因。     

基于LMDZ模型的西北干旱区水汽再循环率分析

局地水汽再循环是陆地水循环过程的重要环节。在我国西北干旱区水汽再循环的绝对量虽然有限,但对区域降水的贡献(即水汽再循环率)却不容忽视。本文基于嵌套同位素模块的LMDZ模式模拟数据,运用同位素混合模型,对西北干旱区1979-2007年水汽再循环率的时空特征及其作用机制进行了分析。结果表明:研究时段内,外来水汽对降水的月尺度和年尺度贡献率都明显高于再循环水汽,季节上呈夏高冬低,年际上呈逐渐上升的态势;而再循环水汽的贡献率较低,呈夏季低冬季高且逐年下降(冬半年植物蒸腾水汽的贡献率在年际上呈上升趋势)的特点。外来水汽对降水的贡献率存在空间差异,山区附近的值往往较高,荒漠平原区的值则较低。就地表蒸发与植物蒸腾而言,地表蒸发对降水的贡献率整体低于植物蒸腾,但在小范围地区也有相反的规律。外来水汽和地表蒸发水汽的贡献量与其贡献率的空间分布特征基本一致,而植物蒸腾水汽在山区的贡献量高于荒漠平原区。     

喀什河流域降水同位素特征及水汽来源分析

利用喀什河流域山区2017-07—2018-06大气降水同位素数据,以及流域山区温度、降水气象资料,分析了降水中δ18O、δD和氘盈余(d-excess)变化特征,讨论了δ18O与气温、降水量的关系,通过利用HYSPLI模型追踪分析流域山区大气降水的水汽来源。结果表明:(1)流域内降水中δ18O季节变化明显,夏季δ18O同位素富集,冬季δ18O同位素贫化。(2)不同降水类型中δ18O、δD的关系差异明显,夏季δD蒸发分馏大于δ18O、降雨大气降水线斜率及截距较小;冬季δD蒸发分馏明显减弱,降雪大气降水线斜率及截距较大。(3)流域内大气降水同位素存在明显的温度效应,但是降水量效应不显著。(4)流域内大气降水水汽主要来源于大西洋,受水汽远距离输送,途中加入较多二次蒸发水汽的影响,氘盈余值(d-excess)整体上偏大,但是2月氘盈余偏低,与受北极气团源地温度低、空气湿度大、水汽输送路径短影响有关。(5)该流域夏季降水主要来源于西风环流和局地再循环水汽,冬季则受西风环流和北极气团共同影响,大西洋水汽形成的降水占研究区总降水量的68.6%,局地再循环水汽占17.1%,北冰洋水汽形成的降水占研究区总降水量的14.3%。     

石羊河下游青土湖大气降水氢氧同位素特征及水汽来源

青土湖属于季风边缘区内陆河尾闾封闭湖泊,以其生态脆弱性和气候敏感性是古气候、古环境等全球变化环境研究的理想区域。降水是干旱区生态系统水循环的重要输入因子,研究降水氢氧同位素特征及水汽来源对全球气候变化背景下青土湖水资源管理具有重要的理论和实践意义。基于氢氧稳定同位素技术,通过分析青土湖5月～10月6个月21个大气降水氢氧同位素组成及与环境因子的关系,结合HYSPLIT模型模拟大气降水气团传输途径和过程,判定该地区水汽来源。结果表明:5月-10月大气降水氢氧稳定同位素关系的线性方程LMWL为δD=6. 67δ~(18)O-1. 01(n=21,R2=0. 95);大气降水的δ~(18)O变化范围为-16. 97‰～3.23‰,平均值为-5. 36‰。δD的变化范围为-118. 36‰～15. 63‰,平均值为-36. 82‰。过量氘(d-excess)介于-23. 64～21. 93‰,均值为6. 03‰,低于全球平均值(10‰)。降水δ~(18)O与降雨量显著相关,但温度效应不显著。受西风水汽、局地人工季节性湖面蒸发和亚洲季风的影响,青土湖大气降水水汽来源的季节性明显,夏季主要来源于西风环流、东南季风及局地蒸发,秋季来源于西伯利亚和蒙古的极地大陆气团。连续多年生态补水形成的人工季节性湖面蒸发成为夏季降水水汽来源之一,对改善湖区生态环境具有重要的意义。     

黄土高原半干旱区降雨入渗试验研究

黄土高原地区地下水资源缺乏,降雨是土壤水的唯一补给来源。为研究降雨补给地下水过程,在黄土丘陵半干旱区的米脂试验站,对野外10 m土柱土壤水分进行了定位观测,分析自然降雨下土壤水分入渗深度和补给量。结果表明:自动监测显示单次降雨量为5.2 mm(小雨)时,11 h后入渗达到最大深度0.3 m,此深度以下几乎没有变化;单次降雨量为15.8 mm(中雨)时,4 d内影响深度可达0.6 m;单次降雨量为33.6 mm(大雨)时,8 d内1.2 m处土壤含水量增长明显,1.4 m以下没有变化。水分循环主要在0.8 m以内的蒸发带,该层土壤水分易被蒸发,0.8 m以下随着深度增加,土体含水率变化逐渐滞后,增幅逐渐减小。受多种因素影响,入渗过程持续时间不一。覆盖处理观测期土壤水分补给量显示:覆膜石子树枝裸地,补给量与降雨量呈线性关系,覆膜补给量上升最大。     

鄂尔多斯高原潜水同位素特征及其成因分析

西北干旱半干旱区地下水的补给来源和方式仍没有统一的认识。通过对比鄂尔多斯高原不同水体氢氧稳定同位素特征,发现鄂尔多斯高原潜水的δD、δ~(18)O平均值(-71.75‰,-9.64‰)相对于当地降水均值(-65.00‰,-8.79‰)偏负。通过综合分析区内气候特点、地下水补给方式、潜水位动态等方面因素,认为潜水δD、δ~(18)O偏负现象与干旱地区降水的雨量效应和季节性冻土冻融作用下降水入渗补给地下水过程有关。δD、δ~(18)O值偏负的大降水补给地下水的能力较强,可能使潜水δD、δ~(18)O值偏负;冻土冻融条件下δD、δ~(18)O值偏负的冬季降水有效入渗补给能力较强,是潜水δD、δ~(18)O值偏负的另一可能原因。研究表明,利用氢氧稳定同位素研究干旱半干旱区地下水的补给来源和方式,需要考虑不同降水条件及冻土冻融作用下地下水补给能力的差异及其对地下水同位素组成的影响。     

近50年中国不同强度降水日数时空变化特征

利用1957-2006年全国679个测站逐日降水资料,针对不同年降水量的站点,定义了新的降水等级,分析了我国近50年不同强度降水的时空变化特征。结果表明:①不同等级降水占总降水量比重的分布,自西北向东南小雨量在总降水量中的分量逐渐下降,但小雨日数在总降水日数中依然是最主要的;中雨对年降水量的贡献在20%～38%;大到暴雨雨量和日数比重逐渐增加。②年降雨量及不同等级雨日数趋势表现为,在我国西部地区年降雨量及小雨、中雨日数呈正趋势,即在西部小雨、中雨雨日数增加的同时,西部年降水量亦在增加;而大-暴雨区主要集中在南方,华北、东北大-暴雨有不同程度的减少。③各气候区的突变检验结果为,甘新和青藏两个气候区年平均中雨日数增加趋势十分显著,而内蒙气候区在减少;华南区的年平均暴雨日数增加趋势明显。     

亚洲中部高山降水稳定同位素空间分布特征

为了揭示中亚高山地区大气降水稳定同位素的时空分布特征,开展不同尺度下干旱区水文循环的研究,分析了亚洲中部天山、昆仑山、祁连山地区18个站点的降水氢氧稳定同位素资料。结果表明:天山、昆仑山和祁连山地区降水稳定同位素季节变化较为明显,表现出夏半年高、冬半年低的变化趋势。3个地区降水稳定同位素的空间分布也呈现出显著的季节差异。除昆仑山外,天山和祁连山大气降水线方程的斜率均低于全球大气降水线,说明这些地区的降水受到较强的蒸发影响。研究区各站点降水稳定同位素均呈显著的温度效应,区域内降水量效应不明显。春、夏季昆仑山地区3站点的降水δ^18O高程效应较明显,降水δ^18O随海拔上升而降低,其余地区没有明显的高程效应。除昆仑山地区西合休外,亚洲高山地区氘盈余(d值)总体表现出冬半年高,夏半年低的变化趋势。     

塔什库尔干河流域河谷大气降水同位素特征与水汽输送路径

利用塔什库尔干河流域河谷2018年9月—2020年5月的降水事件的大气降水同位素数据,以及流域河谷代表性气象站点温度、降水、相对湿度等气象资料,分析降水中δ¹⁸O、δ²H和氘盈余(d-excess)变化特征,探讨影响因素,并基于拉格朗日后向轨迹模型(HYSPLIT)追踪解析流域河谷大气降水的水汽输送路径。结果表明：(1)降水δ²H、δ¹⁸O值总体上呈现夏季富集、冬季贫化的季节变化特征,且具有显著的温度效应(1.33‰·℃-1),但未见显著雨量效应;(2)局地大气降水线方程为δ²H=7.63δ¹⁸O-3.55,呈现出显著的干旱气候特征;(3)HYSPLIT模拟结果表明研究流域降水水汽主要受西风环流和局地水汽再循环影响,其中夏半年局地水汽蒸发占比54.09%,冬半年西方路径中较长距离输送占比45.53%。8月源自印度洋的水汽可绕过青藏高原到达研究区域。成果可为塔什库尔干河流域水资源管理和气候应对提供参考依据。     

赣中第四纪红壤区马尾松林下水土流失特征及防治成效分析

马尾松林下水土流失是当前南方红壤区急需解决的环境问题。采用野外自然坡面试验小区监测方式,运用类比以及统计分析等方法,对30场次降雨下的第四纪红壤区马尾松林下水土流失特征以及防治成效进行了分析。结果表明:马尾松纯林小区与裸露对照小区相比,产流量差异不显著,产沙量差异极显著,不同雨型下的降雨对产流、产沙的贡献率存在差异,中雨型下马尾松林下水土流失表现最为突出,马尾松林下降雨、产流以及产沙之间的关系模型为一元二次回归模型;乔草、乔灌组合模式与马尾松纯林小区在产流、产沙方面存在显著性差异(P<0.01),其减流、减沙率均在90%左右,其中以乔草组合模式最优,不同雨型的减流、减沙率由大到小依次为小雨型,中雨型,大雨及以上雨型,各防治模式下的降雨、产流以及产沙之间的关系模型为一元二次回归模型。     

内蒙古中部夏季大气降水中同位素变化

大气降水中稳定同位素(δD、δ~(18)O)含量变化及相互关系是分析大气降水过程潜在影响因素的重要指标之一。通过采集内蒙古中部地区呼和浩特市、锡林郭勒盟正蓝旗和赤峰市克什克腾旗达里诺尔湖等区域的夏季大气降水样品,进行了δD、δ~(18)O值测试,同时结合包头市大气降水同位素测试结果,进行了区域大气降水变化特征对比分析,结果显示:(1)内蒙古中部4个区域"大气水线"间存在明显差异,表明区域大气降水的水汽来源并不一致,同时叠加区域蒸发作用的影响,使得内蒙古中西部地区的包头市"大气水线"的斜率(5.84)和截距(-8.88)较低,而位于东南部的达里诺尔湖区域"大气水线"的斜率(8.26)和截距(7.21)较高,最接近全球或全国"大气水线";(2)内蒙古中部地区的大气降水同位素组成主要受到降水过程及区域强烈蒸发作用的影响。夏季不同月份大气降水中d值出现明显波动,显示不同月份大气降水同位素组成的主要影响因素存在差异:7月的大气降水量占夏季降水总量的比例最高,受季风降水影响作用最强烈,同时d值最低,说明降水过程对降水同位素组成的影响作用可能超过了蒸发作用的影响;6、9月降水量相对减少,而d值相对较高,显示蒸发作用的影响较强。     

基于D、~(18)O同位素和HYSPLIT4气团轨迹模型的黑河上游降水水汽来源研究

基于黑河上游祁连山区2012年10月至2013年9月间次降水事件的δD、δ~(18)O数据,建立了当地大气降水线方程δD=8.29δ~(18)O+17.13,并分析了各降水事件的氘盈余值特征,推断其水汽源区的气候条件相对干燥。结合HYSPLIT4气团轨迹模型计算结果,推断研究区降水全年主要受西风带水汽影响,春秋两季降水的水汽除了来自西风输送外,还混有局地和当地蒸散发水汽;夏季降水的水汽来源较为复杂,受到西风环流、内循环水汽以及少量东南亚季风水汽的综合作用;冬季的西风带水汽占有绝对优势。     

青藏高原上空夏季水汽含量的时空分布特征

利用青藏高原地区1979-2008年14个探空站的观测资料以及同期的NCEP/NCAR再分析资料,采用线性趋势、Mann-Kendall突变检验和合成方法,分析高原上空夏季水汽含量的时空演变特征及影响高原水汽含量异常的大气环流等因子。结果表明：高原夏季水汽含量在空间上表现出随海拔高度升高而减少的分布特征,即高原东南部和东北部湿润,西北部干燥。近30 a来,高原夏季水汽含量整体上呈现出增加趋势,其中高海拔的西部干燥地区水汽含量的增加较东部湿润地区更加显著。高原夏季水汽含量偏多（少）年,高原地区整层水汽通量以辐合（散）为主,高原上空低层的位势高度以负（正）距平为主,高原地表温度整体上偏高（低）。     

天山山区及周边地区水汽含量的计算与特征分析

利用1976-2009年天山山区周边伊宁、库车和乌鲁木齐3个探空站实测资料,计算逐月平均水汽含量,并建立了与地面水汽压的关系式;利用这个关系式计算了天山山区及周边地区1961-2009年44个站水汽含量,分析了水汽的时空分布特征及其与降水量的关系。结果表明：①天山山区及周边地区水汽含量有3个高值区,主要分布在天山北麓的河谷平原地带和吐鲁番盆地,水汽含量在12~21 mm;南天山及东部的阿克苏地区、库尔勒地区和东天山南部的哈密地区是水汽含量的次高值区,水汽含量在5~13 mm;而中天山和东天山是水汽的低值中心,水汽含量在4~8 mm。② 水汽含量的月际变化呈单峰型,夏季最大,冬季最小,季节变化非常明显;其中2-7月为增长期,3月增长率最大,7月最小,增长率分别为65.8%和17.6%,而8月到次年1月为递减期,12月减少率最大,8月最小,分别为38.5%和7.8%。 天山山区内部月均水汽（7.83 mm）低于全区平均水平(10.51 mm),其中西天山月均和夏季水汽含量均最高,分别为9.88 mm和18.94 mm。③ 49 a间水汽含量年代际变化较小,1986年以后变化波动大且上升趋势明显。④ 水汽和降水量并不具有很好的对应关系,而呈现区域差异。
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大气红外探测器（AIRS）资料揭示的中亚地区上对流层水汽时空变化特征

水资源纠纷已成为当前威胁中亚地区国家安全与稳定的主要因素，而上对流层水汽作为全球水循环的重要组成部分，其空间分布和变化过程对中亚地区水资源分配具有重要科学价值。利用最新的AIRS水汽质量混合比数据，分析了中亚地区2003-2011年上对流层水汽的时空变化及其异常特征，揭示了其与青藏高原、热带季风区等受亚洲夏季风影响区域的显著差异。研究表明：就整个亚洲中低纬地区而言，中亚地区全年上对流层水汽偏少，且年内变化相对稳定，逐月波动不大。与夏季青藏高原南部及热带季风区北部的水汽大值区相比，在黑海-里海以东至我国新疆西部之间的中亚地区上对流层为显著的水汽含量低值区。近9 a中亚地区上对流层水汽整体呈微弱的增加趋势，且具有较强的波动性：水汽最小、最大值分别出现在2009年、2010年，这一显著振荡对近9 a水汽的线性变化趋势影响较大。就季节变化而言，春、夏季分别呈微弱的下降、上升趋势，秋季上升趋势显著，冬季在2~3 a波动变化特征明显。     

六盘山半干旱区华北落叶松林土壤水分对降雨的响应

研究土壤水分对不同量级降雨的响应,探讨森林生态系统的土壤水分形成与消耗规律,可为我国干旱半干旱地区基于土壤水分承载力的森林植被建设和水土资源管理提供依据。在宁夏六盘山北侧半干旱区,利用气象站及土壤水势仪监测并分析了2010年生长季(5-10月)58次降水事件及华北落叶松林地根系分布层(0-60cm)各层土壤水分的响应过程。结果表明:华北落叶松林土壤水分变化与降水关系密切,土壤含水量峰型与降雨分布格局较为一致,月均土壤含水量(%)与月降水量(mm)呈极显著正相关(R=0.573,P<0.01)。不同深度处的土壤水分对降水量级的响应有差异,在小雨条件下,0-10cm土层的累计降水量响应阈值为7mm;在中雨条件下,0-10、10-20cm土层的累计降水量响应阈值为10和25mm;在大雨条件下,0-10、10-20、20-40cm土层的累计降水量响应阈值依次为8、22和36mm;在暴雨条件下,0-10、10-20、20-40、40-60cm土层的累计降水量响应阈值依次为12、29、37和63mm;随土层向深处,响应变幅呈减少趋势,对降水的响应滞后时间逐渐增加;在小雨和中雨条件下,侧向流不明显,但在大雨条件下侧向流趋势明显,最大为7.88mm。综上可知,土壤含水量的变化幅度随土层深度增加,各层次呈减小趋势,土壤含水量与降雨的同步性呈下降趋势且各层响应存在时间的滞后性。     

云下二次蒸发对降水过程中氢氧稳定同位素构成的影响

在干旱地区,降水中的氢氧稳定同位素组成常受到雨滴云下二次蒸发作用的影响而发生改变。基于全球降水同位素网(GNIP)在我国西北东部站点的数据并结合气象数据,分析雨滴二次蒸发作用发生的条件、季节特征、影响因素以及对降水氢氧稳定同位素组成的影响规律。研究表明:在我国西北东部,当近地表水汽压差(VPD)等于0.52 k Pa时,降水中氢氧稳定同位素组成规律发生显著改变。当VPD0.52 k Pa时,地区降水线(LMWL)的斜率和截距与全球降水线(GMWL)无显著差别,且氘剩余(d-excess)也与VPD不存在显著相关关系。然而,当VPD0.52 k Pa时,LMWL的斜率和截距显著地小于GMWL,d-excess与VPD存在显著的负相关关系。表明当VPD0.52 k Pa时,保留了云层中热力学平衡分馏特征,而当VPD0.52 k Pa时,降水氢氧稳定同位素经历了动力学非平衡分馏过程——云下雨滴在降落过程中二次蒸发作用。根据Tetens公式,当气温(t)7.0℃时,空气饱和水汽压不可能超过0.52 k Pa,所以,当t7.0℃时不可能发生雨滴二次蒸发过程。这样,在温带干旱地区,在t较低的冬半年降水中的δ18O只存在显著的温度效应,而在t较高的夏半年降水中的δ18O同时存在温度和降水效应。     

冬季北京强降雪过程水汽在空中的表现

文中应用探空资料和常规气象数据,分析了2009年冬季北京连续发生的几次强降雪天气过程,对各次降雪天气过程的水汽在空中的分布、近地面层平流输送、中高空平流输送及水汽累积过程进行了研究。结果表明:北京冬季较强降雪前的水汽在空中有两种表现:一是水汽在高空先达到饱和,二是近地面层的水汽先达到饱和。我们试称之为低源水汽和高源水汽。湿层的上下变化主要取决于垂直运动发生的高低,而垂直运动发生的高低由天气系统的位置决定。高层有水汽辐合时,水汽由上而下发展,当低层有水汽辐合时,水汽由上而下发展。水汽的变化反映出上升运动情况。两种水汽表现所对应的上升运动中心高度的位置有明显的差异,高源水汽上升速度中心位置较高,而低源水汽的上升速度中心高度位置较低。在这两种水汽输送过程中,上升运动的表现和水汽积累并不完全相同,但无论哪种输送,降雪时,湿层都表现为上下贯通,而且湿层基本上要接地。     

应用环境同位素识别松嫩平原西南部地下水的补给来源

识别地下水的补给来源是进行合理开发利用与科学管理地下水资源的重要前提.文中根据松嫩平原月大气降水同位素数据,建立了当地大气降水线方程δD =7.29 δ18O-0.81‰;通过分析研究区内110件地下水样品的环境同位素(2H、18O、3H)特征以及结合区域水文地质条件,识别出了研究区地下水的补给来源.结果表明:第四系潜水补给来源以当地降水为主,受蒸发作用影响强烈;第四系承压水补给来源有两种途径,一种是山前平原的侧向补给(降水来源)或上层第四系潜水的渗透补给;另一种可能是δ18O值更为贫化的山区降水入渗所形成的侧向补给.新近系泰康组与大安组承压水的补给来源为历史时期的古降水,其水汽来源特征与现今相比更加湿润.     

多源水汽再分析资料在青藏高原的适用性评估

评估多源水汽再分析资料在青藏高原的适用性,可为高原水汽分布及输送特征研究提供数据参考,并有利于提高高原地区气候变化研究结果的可靠性。以探空观测资料(简称"观测资料")为参照标准,对比分析JRA-25(J25)、JRA-55(J55)和ERA-interim(ERA)等再分析水汽资料在高原的适用性。结果表明:3种再分析资料均能揭示高原比湿的时空变化特征,但再分析资料与观测资料比湿偏差存在明显的季节和区域差异。水平方向上,J25与观测资料比湿均方根误差(RMSE)及相对偏差(PIC)总体较小,J55和ERA夏季及年平均比湿RMSE和PIC明显偏大,冬季较小。垂直方向上,与观测资料比湿垂直廓线相比,J25夏、冬季及年平均比湿垂直廓线一致性最好;J55和ERA比湿垂直廓线冬季一致性较好,夏季偏差较大,特别是高原主体及东南部站点偏差尤为显著。再分析资料与观测资料各层比湿RMSE低层大,高层小,且J25的RMSE最小。与观测资料相比,J25比湿数值小幅偏高,J55和ERA则整体偏低,且偏差较大。J55和ERA再分析资料比湿存在较大偏差的原因及其在我国其他区域的适用性还有待进一步检验。