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水资源保护 2025年

作者：陶士勇徐晶夏军强熊兴基张翔陈小强刘祖凡武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室武汉大学海绵城市建设水系统科学湖北省重点实验室大连理工大学建设工程学院大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室

降水稳定同位素变化及其驱动因素是同位素水文研究的重要内容。基于武汉2019—2023年采集的降水样品，利用统计分析方法和HYSPLIT模型，分析了降水同位素变化特性及其与局地气象因子、水汽来源和区域尺度云量的关系。结果表明，降水同... 详细信息

降水稳定同位素变化及其驱动因素是同位素水文研究的重要内容。基于武汉2019—2023年采集的降水样品，利用统计分析方法和HYSPLIT模型，分析了降水同位素变化特性及其与局地气象因子、水汽来源和区域尺度云量的关系。结果表明，降水同位素表现夏季风时期相对贫化、冬季风时期相对富集的年内变化规律，各个时期均不具有“降水量效应”，仅冬季风时期呈现“温度效应”。识别出6种水汽输送类型对武汉降水的影响，相对于大陆水汽成因的降水，海洋水汽成因的降水δ18O值显著贫化，d-excess值更低。区域尺度上，夏季风时期降水δ18O值与降水前10天的总云量、高云量和中云量之间存在明显的负相关关系，相关性最明显的区域与对流过程的发生区域重叠，处于远洋水汽运移轨迹的上游。综合推断，武汉降水同位素的变化特征与水汽来源和上游对流活动的共同作用有关。

关键词：降水稳定同位素水汽来源对流活动 HYSPLIT模型武汉

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降水稳定同位素研究的历史与现状——基于文献计量学及网络分析方法

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生态学报 2019年第7期39卷 2634-2643页

作者：韦飞黎李双成余武生谢爱丽侯文宇北京大学城市与环境学院地表过程分析与模拟教育部重点实验室北京100871 中国科学院青藏高原研究所青藏高原环境变化与地表过程重点实验室北京100101

降水稳定同位素可以揭示降水的不同水汽来源和水汽的季节转换。通过建立降水稳定同位素与不同气象要素的关系,可为区域水资源管理甚至可为生态修复中的植被恢复状态的研究提供重要的背景数据。为揭示降水稳定同位素研究的发展现状,基于... 详细信息

降水稳定同位素可以揭示降水的不同水汽来源和水汽的季节转换。通过建立降水稳定同位素与不同气象要素的关系,可为区域水资源管理甚至可为生态修复中的植被恢复状态的研究提供重要的背景数据。为揭示降水稳定同位素研究的发展现状,基于文献计量学以及网络分析方法运用Citespace软件对1990—2017年Web of Science核心数据库中降水稳定同位素的相关文献进行可视化统计分析。发现降水稳定同位素相关的文献数量在呈逐年上升趋势,主要分布在地质、气象与大气科学、海洋学、湖泊沼泽学、古生物学等相关学科,美国、中国、德国、加拿大等国家以及中国科学院、美国地质调查局等研究机构文章数量较多,表现出较强的科研实力。利用Citespace软件绘制了降水稳定同位素研究相关文献的共被引、研究作者的共被引等知识图谱,对该研究领域知识基础及核心作者的影响力进行了探讨。图谱显示,2007年以来,Yao T、Risi C、Tian L等对降水稳定同位素的研究的推进起到了重要的推动作用。最后对该研究领域的关键词与词频等进行分析,绘制出降水稳定同位素研究领域的研究热点演进脉络,并确定leaf water、Tibetan Plateau、cellulose、environmental change、tree ring、atmospheric circulation、groundwater recharge、hydrograph separation等即将成为研究的新热点。近几年来,虽然研究的文章数量在逐年增加,但是核心作者及代表作品较少,与社会的实际生产应用结合度不足。在未来研究中在注重方法的更新的同时可考虑与社会生产实际相结合。

关键词：降水稳定同位素 Citespace 文献计量学网络分析可视化

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印度河上游Bagrot山谷降水稳定同位素变化及与水汽来源的关系

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干旱区地理 2019年第2期42卷 252-262页

作者：王邺凡余武生张寅生张腾高海峰 MUHAMMAD Atif Wazir 中国科学院青藏高原研究所青藏高原环境变化与地表过程重点实验室北京100101 中国科学院大学北京10049 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心北京100101 巴基斯坦气象局巴基斯坦伊斯兰堡44000

利用2015年8月—2016年7月在印度河上游流域Bagrot山谷降水稳定同位素(δ^(18)O和δD)观测结果以及当地气象资料,利用同位素示踪及统计分析方法,并结合HYSPLIT模型,对研究区降水稳定同位素变化特征、大气水线以及水汽来源进行了分析。... 详细信息

利用2015年8月—2016年7月在印度河上游流域Bagrot山谷降水稳定同位素(δ^(18)O和δD)观测结果以及当地气象资料,利用同位素示踪及统计分析方法,并结合HYSPLIT模型,对研究区降水稳定同位素变化特征、大气水线以及水汽来源进行了分析。结果表明:观测期间Bagrot山谷降水稳定同位素的季节变化明显,δ^(18)O与δD秋冬季偏低,春夏季偏高,且与气温变化一致,存在显著的温度效应,而降水量效应不明显。而且发现研究区局地大气水线截距和斜率均低于全球的,反映了降水过程中云下二次蒸发作用较为强烈,因此,不同的降水形态导致该研究区局地大气水线的斜率和截距不同。当液态降水(降雨)发生时,由于在较为干旱的气候环境下,雨滴在降落的过程中受到二次蒸发相对较强,使得局地大气水线的斜率和截距偏低;而当固态降水(降雪)发生时,由于温度较低,受再循环水汽和二次蒸发的影响较小,导致局地大气水线的斜率和截距均偏高。Bagrot山谷及其周边地区,从南到北局地大气水线的斜率相差不大,而其截距总体上随着纬度升高而降低,可能与云下二次蒸发导致稳定同位素发生的不平衡分馏逐渐强烈有关。通过Bagrot山谷站点降水稳定同位素观测结果并结合HYSPLIT模型的后向追踪,研究还发现,研究区全年主要受西风环流以及局地环流的影响。但与研究区以北的临近站点(慕士塔格、和田等)相比有所不同,由于Bagrot山谷位置更靠南,其仍然偶尔受到来自南方的海洋性水汽影响。这一研究结果可能对该地区树轮稳定同位素记录的解译具有一定的指示意义。

关键词：印度河上游降水稳定同位素大气水线水汽来源

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水汽来源和环境因子对典型亚热带季风区降水稳定同位素的影响——以湖口地区为例

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地理科学 2022年第8期42卷 1502-1512页

作者：吴华武欧阳勇峰姜鹏举张剑明李静吴亚坤中国科学院南京地理与湖泊研究所/中国科学院流域地理学重点实验室江苏南京210008 江西省城乡规划市政设计研究总院有限公司江西南昌330224 河南农业大学林学院河南郑州450002 湖南省气候中心湖南长沙410118 滁州学院地理信息与旅游学院安徽滁州239000 安徽工业大学能源与环境学院安徽马鞍山243002

基于亚热带季风区湖口降水稳定同位素进行高频监测,利用HYSPLIT模型、潜在源贡献因子算法和质量浓度权重轨迹等方法对湖口区降水水汽来源进行分析,研究结果表明:①湖口地区大气降水同位素组成呈夏季低、春冬季高变化趋势,湖口地区大气... 详细信息

基于亚热带季风区湖口降水稳定同位素进行高频监测,利用HYSPLIT模型、潜在源贡献因子算法和质量浓度权重轨迹等方法对湖口区降水水汽来源进行分析,研究结果表明:①湖口地区大气降水同位素组成呈夏季低、春冬季高变化趋势,湖口地区大气降水线斜率(8.19)和截距(12.5)与全球大气水线较为接近,说明整体上该研究区气候环境相对湿润。②湖口降水同位素组成与降水量、湿度和温度均成显著负相关关系,这表明其具有显著的降水量效应、湿度效应和反温度效应。③湖口地区水汽来源主要受东南沿海内陆地区、南海和孟加拉湾源区水汽影响显著,其造成降水同位素值也明显偏小,尤其在夏季和秋季。④湖口地区降水同位素组成变化还受锋面天气系统(准静止锋和冷锋)和台风影响,台风降水的水汽来源主要来自中国南海和东海地区,此水汽往内陆输送过程中不断形成降水,此过程中降水重同位素(18O和2 H)不断被冲刷造成其值逐渐变小;受准静止锋面系统影响降水δ^(18)O值为极小值,这与锋面系统中冷、暖气团相遇造成强烈空气对流活动密切相关;而在冷锋面系统影响下,湖口地区降水δ^(18)O值和d-excess较大,这与中国南方内陆局地再循环水汽补充有关,该研究结果将为鄱阳湖流域大气环流和水循环过程研究提供科学依据和数据支撑。

关键词：降水稳定同位素水汽来源台风降水 HYSPLIT模型鄱阳湖流域

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大尺度大气环流对亚洲典型季风区降水稳定同位素影响机制研究

大尺度大气环流对亚洲典型季风区降水稳定同位素影响机制研究

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作者：蔡忠银中国科学院大学

学位级别：博士

水稳定同位素是示踪水文循环过程、认识过去气候变化的重要工具，其在亚洲季风的研究中也发挥着重要作用，但是对于亚洲季风区降水稳定同位素影响机制和气候意义的理解和认识仍然存在争议和不确定性。目前研究对亚洲季风区降水稳定同位... 详细信息

水稳定同位素是示踪水文循环过程、认识过去气候变化的重要工具，其在亚洲季风的研究中也发挥着重要作用，但是对于亚洲季风区降水稳定同位素影响机制和气候意义的理解和认识仍然存在争议和不确定性。目前研究对亚洲季风区降水稳定同位素影响机制主要存在3种不同解释:当地降水量;水汽来源;上游水汽源区对流活动。本研究旨在厘清亚洲季风区降水稳定同位素的影响机制及其气候意义。　　本研究使用卫星观测的云气候资料分析季风区降水稳定同位素与云顶高度的关系。同时，借助再分析资料、LMDZ4模型输出数据、卫星反演的水汽同位素资料，利用空气后向轨迹分析、拉格朗日水汽追踪模型、空间相关分析等研究手段，阐明亚洲典型季风区降水稳定同位素的影响机制及其与大尺度大气环流间的关系。取得了以下主要的创新性认识:　　1)通过低纬度季风区降水δ18O与云顶高度关系分析，论证了导致季风区降水稳定同位素出现“降水量效应”的机理。从全球范围而言，低纬度季风区降水δ18O与云顶气压存在显著正相关关系，而且降水δ18O与云顶温度的显著正相关关系在季风区和非季风区都普遍存在。此外，季风区降水δ18O除与栅格尺度云顶气压显著相关外，还和区域尺度云顶气压显著相关。论证了对流降水是导致季风区出现“降水量效应”的重要原因，而且季风区降水稳定同位素受到大空间尺度对流活动的影响。　　2)揭示了大尺度大气环流过程如何影响亚洲季风区降水及水汽同位素的空间分布。空间上除高程效应外，降水和水汽同位素在亚洲季风区沿纬线的V型变化反映了大气环流对同位素的影响:沿着季风和信风水汽输送的方向，降水和水汽同位素值均随着淋洗过程逐渐加深以及对流活动逐渐变强而变小。　　3)明确了亚洲季风区降水稳定同位素季节变化是由中低纬度地区大尺度大气环流季节变化控制的。亚洲季风区降水稳定同位素在大空间尺度有着一致的季节变化特征;但是降水量却在不同区域表现出两种不同的季节变化特征。降水稳定同位素和降水量的这一解耦关系表明，当地降水量并不是降水稳定同位素直接控制因素，而应该是大尺度动力过程。水汽来源分析以及LMDZ4模式输出结果表明，东亚和南亚在季风前和季风期水汽来源都是海洋性水汽为主而且水汽来源的同位素变化并不能解释降水稳定同位素的变化。本研究证实降水稳定同位素的季节变化受水汽源区对流活动的控制。对流活动通过雨滴再蒸发、雨滴-水汽同位素交换、强烈的垂向水汽混合将重同位素贫化的水汽带入对流层下层，当对流层下层水汽在亚洲季风区站点形成降水时，源区对流活动对水汽同位素的影响便记录在降水中。由于水汽源区对流活动受季风槽和热带辐合带南北移动的控制，南北站点降水稳定同位素季节变化反映了热带辐合带和夏季风的推进过程。　　4)揭示了与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)相关的大气环流控制亚洲季风区降水稳定同位素的年际变化的机制。降水稳定同位素高值与低值年份空气后向轨迹和绝对湿度沿轨迹的变化表明，亚洲季风区降水稳定同位素高低值年份有着相似的水汽来源和输送路径。相反，本研究发现降水稳定同位素的年际变化与水汽源区和输送路径上的对流活动存在显著相关关系。这些水汽源区都显著受到ENSO的影响，因此亚洲季风区降水（以及两支冰芯）稳定同位素记录在年际尺度上普遍记录了ENSO信号。ENSO和降水稳定同位素的这一联系也通过水汽同位素得到证实:亚洲季风区和东印度洋地区(10°S～30°N，80°E～120°E)水汽同位素值在厄尔尼诺年偏高而在拉尼娜年偏低，反映了ENSO循环中沃克环流的变化导致的该地区对流活动变化对水汽同位素的影响。不过，降水稳定同位素对ENSO的响应在高海拔地区被放大，而且站点降水稳定同位素同时还记录着局地环流信息。通过集成不同站点降水稳定同位素记录，可以有效去除这些局地环流信息，从而使得ENSO在降水稳定同位素中的表达更强健。　　综上，本研究表明亚洲季风区降水稳定同位素反映了大尺度大气环流，而非传统认为的当地降水量或水汽来源。这些结果对于进一步深入认识亚洲季风区大尺度稳定同位素水文循环，以及为亚洲季风区稳定同位素气候意义的解释方面提供了新的理论依据。

关键词：降水稳定同位素水汽来源大尺度大气环流亚洲季风区云气候资料

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中国降水稳定同位素的分布特点及其影响因素

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大气科学学报 2010年第6期33卷 667-679页

作者：陈中笑程军郭品文林振毅张福颖南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室江苏南京210044 南京信息工程大学大气物理学院江苏南京210044

利用IAEA\WMO\GNIP的降水稳定同位素资料,分析了中国降水稳定同位素的时空分布特征及其影响因素。结果表明,整体来看我国降水稳定同位素有明显的大陆效应和高度效应。各地大气降水线存在地域差异,内陆地区同一站点冬、夏半年也有明显差... 详细信息

利用IAEA\WMO\GNIP的降水稳定同位素资料,分析了中国降水稳定同位素的时空分布特征及其影响因素。结果表明,整体来看我国降水稳定同位素有明显的大陆效应和高度效应。各地大气降水线存在地域差异,内陆地区同一站点冬、夏半年也有明显差异,显示出水汽团特性的不同。不同地区降水稳定同位素(δ和过量氘)的季节变化特征明显不同,表明主要水汽来源存在季节性差异。通过对比长序列降水稳定同位素的年际变化与季风和ENSO指数的关系,发现ENSO与降水稳定同位素有显著的正相关,但不一定通过影响降水量来引起降水稳定同位素(stable isotope in precipitation,SIP)的变化。重点分析了我国降水量效应、温度效应的特点,指出沿海和西南等季风区主要受降水量的影响,北方非季风区温度效应起主要作用,交叉地带则两种效应都有影响。

关键词：降水稳定同位素水汽源大气降水线降水量效应温度效应

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黄土高原东部不同地貌区降水稳定同位素变化特征及水汽来源分析

黄土高原东部不同地貌区降水稳定同位素变化特征及水汽来源分析

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作者：周思捷山西师范大学

学位级别：硕士

稳定同位素氢(H)和氧(O)是降水中理想的物理示踪剂,是水体的重要组成部分,虽然其所占的含量较小,但对周围环境的变化很敏感,同时也记载着整个水循环过程的过往信息。降水作为该区水循环的重要补给,是该区水资源的重要补给来源,降水水汽... 详细信息

稳定同位素氢(H)和氧(O)是降水中理想的物理示踪剂,是水体的重要组成部分,虽然其所占的含量较小,但对周围环境的变化很敏感,同时也记载着整个水循环过程的过往信息。降水作为该区水循环的重要补给,是该区水资源的重要补给来源,降水水汽既是载体,又是相变的主体,在水循环过程中其同位素的含量会随之变化。研究区黄土高原东部地区(Eastern Loess Plateau of China,以下简称ECLP)地处黄河流域的中下游,处于平原向山地高原过渡、半湿润向半干旱过渡以及东部季风区的边缘地带,各种自然地理要素相互交错、气候环境复杂、生态环境稳定性较差。因此,研究ECLP降水稳定同位素的时空变化特征及其影响因素、了解降水水汽源地,对于改善脆弱的黄土高原生态环境,保护黄土高原东部地区水生态与评估水循环研究均具有重要意义。本研究基于ECLP地区典型的太行山土石山区(RMT)、汾河谷地(FRV)以及黄土丘陵沟壑区(LH)等三种不同地貌类型区布设的10个长期大气降水监测站点的降水稳定同位素数据,结合再分析资料、经验正交函数分析法(EOF)、空间相关性分析法、Stewart雨滴蒸发模型、Hysplit后向轨迹模型以及水汽来源诊断分析等研究手段,系统分析了2019年ECLP不同地貌区降水稳定同位素的基本变化特征,探讨影响该区降水稳定同位素变化的主要控制因素和水汽来源,主要研究结果如下:(1)ECLP地区的大气降水稳定同位素δH和δO表现出明显的季节波动,其呈现夏秋低冬春高的季节变化特征。ECLP地区的降水d-excess的季节波动变化较小,其降水过程受较为稳定的海洋性气团影响。区域尺度上,ECLP降水δH和δO空整体呈现出中部高值四周低值的空间分布特征,与之相反,ECLP降水d-excess整体上呈现出中部低四周高的空间分布特征,结合ECLP降水δH、δO和d-excess的空间模态(EOF)与时间序列(PC)综合分析发现,ECLP降水δH、δO的空间模态整体上呈现自东向西差异逐渐显著的趋势,其中除介休站外,在7月之前,降水稳定同位素值是偏高的,7月之后,夏季同位素值降低,这被认为是季风对降水过程影响的讯号。而降水d-excess的EOF模态显示阳泉和长治站与其他站点d-excess夏秋低冬春高的季节变化特征相反,d-excess的季节波动也相对较小。ECLP各站点的大气降水线斜率在6.86-8.34之间,表示区域降水可能受到内循环水汽以及云下蒸发的影响。(2)ECLP在中小尺度降水过程中,降水量的变化直接影响降水同位素的波动。在降水量400-750 mm之间的降水样品中,ECLP中RMT与FRV大气降水稳定同位素与海拔之间存在显著的正相关关系,“反高程效应”明显,ECLP水汽再循环、云下蒸发以及FRV独特的河谷地形可能是该地区出现“反高程效应”的主要原因。云下蒸发因素方面,当ECLP地区日均气温偏高、日均相对湿度偏低、日均降雨量偏少的条件下,f偏小,Δd变化较大,线性关系减弱。(3)ECLP在700h Pa的整层大气水汽通量显示西向气流与南向气流占主导,其中ECLP中部和南部的水汽输送较为复杂,夏半年(4-9月)来自东南季风的水汽输送对ECLP贡献较大。夏半年ECLP水汽输送路径以西方路径为主,南方路径次之。4-6月ECLP受单一气团西风带的控制,自汾河谷地向太行山区推进,降水中δO值逐渐降低,而d-excess值逐渐上升;9月大气降水主要源于西方路径和北方路径下局地循环水汽,d-excess值逐渐有所回升。基于比湿订正后ECLP三种不同地貌区夏半年的降水水汽主要来源于渤海与东南沿海方向的近陆源,逐月来看,ECLP降水的水汽在近地面和东南路径方向上主要来源于渤海和东海,在8月和9月西路径上伴随有少量水汽,与水汽输送轨迹明显不同,这与区域水汽输送路径的结果有较大差异。本研究的发现可以增强我们对ECLP降水稳定同位素时空变化的理解,并为季风边缘区降水稳定同位素组成的气候和环境控制因素研究提供新的思路。

关键词：降水稳定同位素时空分布云下蒸发水汽来源黄土高原

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石羊河流域水汽来源及其对降水稳定同位素的影响研究

石羊河流域水汽来源及其对降水稳定同位素的影响研究

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作者：张苗苗西北师范大学

学位级别：硕士

大气降水是水循环的重要环节,水汽汇聚凝结是形成降水的必要条件,明确降水的水汽来源对研究区域水文变化及其与降水的响应关系具有重要意义。大气降水中的氢（δ2H）和氧(δ18O)稳定同位素对区域环境要素变化响应敏感,是大气降水过程的... 详细信息

大气降水是水循环的重要环节,水汽汇聚凝结是形成降水的必要条件,明确降水的水汽来源对研究区域水文变化及其与降水的响应关系具有重要意义。大气降水中的氢（δ2H）和氧(δ18O)稳定同位素对区域环境要素变化响应敏感,是大气降水过程的天然示踪剂,水汽来源的变化对降水稳定同位素具有重要影响。石羊河流域是西北干旱区典型的内陆河流域之一,降水是其重要的水资源补给项,明确流域水汽来源及其对降水稳定同位素的影响对于深入理解干旱区内陆河流域水循环及水资源的合理开发利用具有重要意义。本文运用在石羊河流域11个降水采样点采集的降水稳定同位素数据以及美国国家环境预报中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）的再分析气象数据,运用拉格朗日混合单粒子轨道模型（Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory,HYSPLIT）及浓度权重轨迹（Concentration weighted trajectory,CWT）分析等方法,分析石羊河流域降水稳定同位素的时空变化特征、水汽来源及水汽来源对降水稳定同位素的影响,得出以下主要结论:（1）2017-2019年,石羊河流域降水中δ2H和δ18O值呈上升趋势,过量氘（d-excess）则表现为“高-低-高”的变化特征。降水中δ2H和δ18O呈现出夏秋季节高、冬春季节低的显著季节变化特征。D-excess呈现出春秋季节高、夏冬季节低的季节变化特征。降水中δ2H和δ18O呈现自上游到中、下游地区逐渐增大的趋势,d-excess呈现自上游到中、下游地区逐渐减小的趋势。（2）石羊河流域的水汽主要来自陆源,比例为72%,可分为4个亚组,包括中亚（30%）、蒙古-西伯利亚（24%）、欧洲（11%）和中国内陆（7%）。海洋来源的比例为28%,可分为5个亚组,包括大西洋（11%）、太平洋（7%）、北冰洋（5%）、地中海（4%）和印度洋（1%）。（3）春季和冬季,来自大西洋、欧洲、中亚大陆以及地中海的西风水汽是决定流域上空水汽含量的关键;夏季,来自太平洋和印度洋的季风水汽是决定流域上空水汽含量的关键;秋季,来自蒙古-西伯利亚的偏北风水汽是决定流域上空水汽含量的关键。（4）与陆源水汽主导形成的降水相比,海源水汽主导形成的降水中δ18O更为贫化。来自大西洋（-13.9‰）和印度洋（-13.5‰）的降水中δ18O显著损耗,归因于较长的运输距离导致的瑞利分馏增强。陆源降水中δ18O的富集受陆地表面蒸散发影响,如夏季来自中国内陆（-3.9‰）、中亚（-7.7‰）、欧洲（-7.8‰）和蒙古-西伯利亚（-9.2‰）的降水,以及秋季来自中亚（-7.4‰）和蒙古-西伯利亚（-9.2‰）的降水。（5）春季,来自中亚、蒙古-西伯利亚和欧洲的陆源水汽贡献较高时,降水δ18O较低,来自地中海、大西洋、北冰洋的海源水汽贡献较高时,降水δ18O较高。夏季,来自印度洋、太平洋以及北冰洋和大西洋等远距离水汽贡献较高时,降水δ18O较低,来自欧洲、中亚、地中海以及中国内陆的水汽贡献较高时,降水δ18O较高。秋季,来自大西洋、北冰洋、蒙古-西伯利亚等纬度较高的源地水汽贡献较高时,降水δ18O较低,来自中亚、欧洲和地中海等纬度较低的源地水汽贡献较高时,降水δ18O较高。冬季,来自大西洋和中亚的西风水汽贡献较高时,降水δ18O较低,来自蒙古-西伯利亚的北风水汽贡献较高时,降水δ18O较高。

关键词：降水稳定同位素水汽来源 HYSPLIT模型石羊河流域

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基于Stewart模型的季风三角区西部区域降水稳定同位素云下二次蒸发效应

基于Stewart模型的季风三角区西部区域降水稳定同位素云下二次蒸...

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作者：陈举藩西北师范大学

学位级别：硕士

水资源是人类社会发展的基石,水循环的研究为水资源的合理利用提供了科学依据,大气降水是水循环的重要环节,降水中氢氧同位素可以更有效地反映区域水循环机制机理。在干旱半干旱区,受云下二次蒸发影响,雨滴下落过程中会发生明显的稳定... 详细信息

水资源是人类社会发展的基石,水循环的研究为水资源的合理利用提供了科学依据,大气降水是水循环的重要环节,降水中氢氧同位素可以更有效地反映区域水循环机制机理。在干旱半干旱区,受云下二次蒸发影响,雨滴下落过程中会发生明显的稳定同位素比率变化,定量评估这种变化对于明晰区域水循环,提高降水预测及水资源管理能力有非常重要的意义。季风三角区西部区域生态环境脆弱敏感,水资源形势严峻,蒸发强烈。鉴于此,本研究于2020年1月至12月期间选取季风三角区西部区域的白银、环县、静宁、崆峒、玛曲、武都构建区域降水同位素监测网,同时基于Stewart模型的均质假设和分层假设,揭示了季风三角区西部区域降水氢氧稳定同位素的特征,对比分析了两种假设下的云下二次蒸发效应,讨论了影响云下二次蒸发的因素及Stewart模型的关键输入要素,分析了降水及水汽同位素的环境意义,具体研究结果如下所示:(1)研究区降水中δO值介于-28.61‰～12.20‰,平均值为-8.93‰,δD值介于-196.20‰～37.12‰,平均值为-63.18‰,其中白银、环县、崆峒降水稳定同位素值夏高冬低,而静宁、玛曲、武都则夏季较为贫化,冬季富集,其异常表现归结于东南季风和西南季风带来的充沛水汽的影响,空间变化上,崆峒降水中稳定同位素最为富集,静宁最为贫化;在影响降水稳定同位素的因素中,相对湿度与之呈负相关,温度、水气压、气压和降雨量则没有表现出明显的相关性。研究区氘盈余值介于-115.78‰～118.42‰,平均值为8.23‰,整体呈现出夏低冬高的特点。基于实测样品的大气水线方程为δD=6.12δO-8.53,斜率和截距均低于GMWL斜率和截距,且与理论斜率之间存在显著差异,表明研究区存在明显的云下二次蒸发效应。(2)基于Stewart模型均质假设和分层假设得到的研究区云下二次蒸发的时空特征相同,10时至21时期间云下二次蒸发导致的同位素富集更加明显,春季云下二次蒸发强度大于其他季节,白银降水过程中云下二次蒸发最为明显,崆峒最为微弱。通过对比分析,均质假设往往高估了云底至地面的同位素差异,而分层假设下的云下二次蒸发强度与降水稳定同位素对应良好且相关系数较高,能更为准确估算雨滴从云层底部到地面的同位素变化。温度(T)、云底高度(H)与云下二次蒸发强度呈正相关,相对湿度(h)、降雨强度(P)和雨滴直径(φ)与之呈负相关,当T>25℃,或h≤50%,或P≤0.1mm/h,或φ≤0.75mm,或H>600m时,云下二次蒸发造成的同位素差异最为显著。相较于温度,相对湿度与云下二次蒸发的时空特征相似且相关性较高,可以作为指示云下二次蒸发的理想指标,是Stewart模型的关键输入要素。(3)全球变暖会增强研究区云下二次蒸发效应,长时间序列云下二次蒸发的研究对于指示全球变暖及区域气候变化也有一定的参考价值,同时云下二次蒸发效应可考虑用于订正降水短临预报方法模型,提高降水预报的准确性。研究区水汽d-excess与CO浓度呈负相关,表明城市化石燃料燃烧水汽对大气水汽有很大的影响,这部分水汽将会影响大气水汽同位素的分布,利用水汽同位素可以细化研究城市向大气的排放,为城市环境保护提供依据。

关键词：季风三角区降水稳定同位素云下二次蒸发 Stewart模型

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基于降水稳定同位素的西北4省水汽来源研究

基于降水稳定同位素的西北4省水汽来源研究

引用

作者：刘洁遥陕西师范大学

学位级别：硕士

地球系统水资源的根本来源是大气降水。区域地理位置及自然环境的改变都会引起降水中氢氧稳定同位素比率的波动,这一波动规律能够将水循环过程的信息直观体现出来。因此,对降水稳定同位素比率的分析有利于判别特定区域的水汽来源。降水... 详细信息

地球系统水资源的根本来源是大气降水。区域地理位置及自然环境的改变都会引起降水中氢氧稳定同位素比率的波动,这一波动规律能够将水循环过程的信息直观体现出来。因此,对降水稳定同位素比率的分析有利于判别特定区域的水汽来源。降水稳定同位素比率的变化能在一定程度上指示水循环过程,反映局地的气候特征。本研究选择除青海省外的我国西北地区作为研究区,主要分析了西北地区10个站点(8个来自全球降水同位素监测网(GNIP),2个来自实地采样)大气降水中δD和δ18O的相关关系及δ18O的时空变化规律及降水δ18O的环境效应,模拟了研究区不同时期的水汽来源,并定量分析了夏冬季风时期的云下二次蒸发效应,计算了研究区不同时期的水汽再循环比率。得出如下结论:(1)研究区各省的大气降水线的截距斜率都比全球大气降水线的截距斜率小,可知研究区气候较干旱,蒸发作用在降雨阶段有一定的体现。通过计算发现,夏季风时期大气降水线的斜率为6.80,截距为-0.07,与研究区年大气降水线方程的斜率7.27、截距3.37相比,明显较低,该数据表明蒸发作用在夏季风时期的降水阶段较强。而研究区冬季风期间的大气降水线斜率截距值高于年大气降水线,冬季风时期气温较低,使得降水经历的蒸发作用减弱。因此,在大气降水线方程上表现为斜率和截距较高。(2)10个站点的降水δ18O值均表现出夏秋季节高,冬春季节低的季节变化规律,与温度的季节变化规律吻合,表明研究区降水δ180的改变与温度有着密切的关系。降水δ18O在整个研究区尺度的空间变化呈现由西至东降低-增大-再降低的变化规律。分陕甘宁地区和新疆地区讨论发现,陕甘宁地区在空间上呈现δ18O从西北到东南降低,新疆地区则由和田至乌鲁木齐降低。分析不同时期δ18O与过量氘d(d=δD-8×δ18O)的空间变化规律发现,夏季风期间,新疆地区,δ18O与d均表现出从南到北逐渐降低的趋势。而陕甘宁地区,整体上从南到北,从东到西,δ18O逐渐增大,d值逐渐降低。而在冬季风时期,δ18O表现为由南至北,由东至西逐渐降低的变化规律。而d值由于受到多种因素的综合作用,各区域的变化规律存在一定的差异。(3)西北地区各省均存在显著的温度效应,不存在降水量效应。表明“温度效应”是引起研究区降水δ18O变化的主要因素。分季节对研究区的降水量效应进行分析,结果表明夏季存在显著的降水量效应。表明我国西北地区夏季降水水汽来源一定程度上受海洋性季风的影响,因此,研究区夏季的降水量效应不可忽略。我国西北地区高程效应的定量关系为-0.05‰/100m,即高度每增加100m,降水中δ18O相应贫化0.05‰。与高程效应相比,西北地区的纬度效应更显著,表现为纬度每增加1°,降水中δ18O相应贫化0.48‰。(4)探究我国西北地区二次蒸发效应时,应用水滴蒸发模型实现定量分析,结果表明夏季风时期,降水经历的蒸发比率为4.49%,冬季风时期的蒸发比率为3.65%。表明夏季风时期降水经历的蒸发程度较冬季风时期强。各站点降水经历的蒸发程度在不同季风期存在差异,这与各站点的地理位置及气候条件密不可分。众多气象因子均会对云下蒸发作用产生影响,二次蒸发效应对各因子的敏感程度不同,每个因子所处的区间范围不同时,对二次蒸发过程产生的影响也不同。蒸发作用的强度与温度呈正相关,与水汽压和相对湿度有负相关关系。二次蒸发作用的强度和降水量的相关性与降水量所处的区间范围有关。(5)陕甘宁地区夏季风时期的水汽来源主要有南部孟加拉湾的水汽、东南季风水汽和西风带水汽。夏季风时期温度较高且较干旱,混入了一定量的局地再蒸发水汽,使得夏季风时期δ18O值较高。冬季风时期的水汽来源以西风带水汽为主,因此冬季风时期降水中δ18O较贫化。新疆地区主要的水汽来源有西伯利亚的西北方向水汽、孟加拉湾水汽和大西洋的西风带水汽,但以西风带水汽为主。(6)通过三元混合模型计算发现,任何时期,各站点外来水汽的贡献比均在70%以上,在各站点水汽来源比率中占据主导地位。地表水体蒸发水汽与植物蒸腾水汽的贡献比均表现为夏季风时期较冬季风时期高,但地表水体蒸发水汽的贡献比低于植物蒸腾水汽的贡献比。

关键词：降水稳定同位素同位素效应云下蒸发效应水汽来源

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