昆明露水同位素与水循环的过程研究
作者单位：云南大学
学位级别：硕士
导师姓名：田立德
授予年度：2022年
学科分类：08[工学] 081501[工学-水文学及水资源] 0815[工学-水利工程]
摘 要：露水是附生植物和地衣的重要水分来源,具有吸收大气水分的特殊物理特征。在干旱区和半干旱地区露水凝结量可以达到甚至超过年降雨量,是维持干旱和半干旱环境中植物和小动物生存的可持续和稳定的水源。此外,露水已被认为是干旱和半干旱地区水循环的重要环节。在水循环中,当水分子发生相变时,水中氢氧元素的重同位素含量经常发生变化,经历所谓的同位素分馏。氢氧同位素作为水分子的一部分,可用于水体的标记。且已被证明是研究水文循环的有效示踪物,如水的补给、蒸发、降水、土壤水分运动和水汽运输过程。通过对露水同位素进行一定研究有助于我们对水循环过程有更深入的了解。本研究以云南省昆明市呈贡区为研究区域,通过在区域内进行露水,大气水汽以及大气降水等水体的连续取样监测,分析了昆明地区露水,水汽和降水的稳定同位素特征并探讨这三种水体与相关气象因子的关系;利用同位素的平衡分馏公式以及气象资料,建立了露水的分馏模型;讨论了持续性降水中的不同水汽源并分析了主要水汽的来源路径特征等,目前初步得出以下结论(本研究主要分为三个时间段,分别是2020-2021年冬季、2021年夏半年以及2021-2022年冬季):(1)相较于2021-2022年冬季的露水(δO变化范围为-12.3‰～-0.01‰,平均值为-6.44‰),2020-2021年冬季的露水同位素值(δO变化范围为-13.32‰～-2.86‰,平均值为-9.69‰)更偏负;而三个时间段的水汽同位素值相差不大(三个阶段的水汽δO平均值分别为-16.74‰、-16.9‰、-17.89‰);但降水同位素值的差异相对较大,在雨季也就是2021年夏半年降水同位素值更加偏正。(2)昆明地区全年的大气水线为δD=8.19δO+12.36(r=0.99,n=109),这与Craig所提出的全球大气水线相差不大,只是截距略高于全球大气水线,表面昆明地区的降水的水汽主要是由西南季风输送的印度洋水汽组成。大气水汽线方程为δD=7.98δO+16.17(r=0.98,n=407),其斜率小于8,但截距大于10,反映了循环水汽的局部影响,且对比表明大气水汽线的季节性变化与大气水线有一定的相似性。温度、降水量和相对湿度对它们有不同的影响:温度越高,降水越多,近地层水汽含量越高,大气水汽线斜率越大。(3)利用平衡分馏公式以及部分气象数据,我们建立了露水与水汽的平衡分馏模型,通过此模型发现2020-2021年冬季实际形成的露水的同位素值比理论测出的露水同位素值低,δO偏差在3～5‰之间;而在2021-2022年冬季此偏差缩小至1‰,说明不同下垫面的露水同位素差异较大。通过在2021年夏半年做的人工凝结水实验发现,露水在自然凝结过程中可能会发生类似的动力学分馏。这表明,当产生过饱和条件时,动力学分馏也可能参与其他各种自然冷凝过程。(4)在2021年夏半年,大气降水同位素表现出明显的温度效应,而水汽同位素和露水同位素与绝对湿度一直存在显著的负相关关系,在2021-2022年冬季露水同位素与温度也表现出明显的负相关关系。(5)在2021年6月6～12日、7月17～25日、7月27～30日、8月14～19日这4个发生持续性降水的时间段中,利用HYSPLIT模型分别追踪了了其不同的水汽来源、研究了这几个时间段的同位素特征,发现水汽大部分水汽是来自于贵州,广西以及中南半岛。在连续两天的降雨事件中,降水同位素与降雨量并不一定存在“降雨量效应,在雨季尤为明显。这是由于在持续的降雨事件中,降水贫化引起的分馏作用会致使降水过程中的重同位素不断发生贫化。
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