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环境科学 2020年第7期41卷 3148-3156页

作者：赵明华陆彦玮 Rachana Heng 司炳成西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 萨斯喀彻温大学土壤学系加拿大萨斯卡通市S7N5A8

为探究关中平原降水氢氧稳定同位素特征及其水汽来源,本研究选取关中腹地的杨凌站点次降水为研究对象,利用当地2015~2018年间的98场次降水样品及同期气象资料,分析该地区降水氢氧稳定同位素(δ2H、δ18o和δ17o)组成特征及其影响因素,... 详细信息

为探究关中平原降水氢氧稳定同位素特征及其水汽来源,本研究选取关中腹地的杨凌站点次降水为研究对象,利用当地2015~2018年间的98场次降水样品及同期气象资料,分析该地区降水氢氧稳定同位素(δ2H、δ18o和δ17o)组成特征及其影响因素,建立当地大气降水线和三氧同位素大气降水线方程,并利用δ18o、d-excess和17o-excess指标尝试探讨当地可能存在的降水水汽来源,定量描述海洋和内陆源水汽对区域降水的贡献.结果表明,杨凌地区降水氢氧稳定同位素存在明显的季节性变化,同位素组成雨季(5~10月)贫化,旱季(11月~次年4月)富集;当地大气降水线的斜率和截距分别为7.7和9.1,说明研究区降水受到一定程度的蒸发分馏影响;三氧同位素大气降水线斜率为0.528,介于海水平衡分馏斜率(0.529)与水汽扩散斜率(0.518)之间,表明研究区处于海洋气团向内陆干旱区迁移的路径上.综合分析δ18o、d-excess和17o-excess,发现研究区降水受到来自东南季风的暖湿气团和来自西风的干冷气团的共同贡献,其中约有55%~79%的降水水汽来源于海洋,主要集中于6~8月;21%~45%的水汽来源于内陆和局地蒸发,主要集中于10月~次年4月. 5月和9月降水水汽来源复杂,可能受海洋水汽和内陆水汽的共同补给.

关键词：关中平原杨凌地区氢氧稳定同位素水汽来源 d-excess 17o-excess

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成都次降水稳定氢氧同位素特征及水汽来源分析

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环境科学 2019年第3期40卷 1179-1187页

作者：胡月刘国东孟玉川张文江夏成城四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室成都610065

基于对成都地区2016年9月至2017年10月采集的113场次降水样品氢氧同位素的分析,发现大气次降水中δD、δ^(18)o、^(17)o、d-excess和^(17)o-excess有显著的季节性变化,旱季高雨季低,反映了该地区旱、雨两季水汽来源不同;地区大气降水线... 详细信息

基于对成都地区2016年9月至2017年10月采集的113场次降水样品氢氧同位素的分析,发现大气次降水中δD、δ^(18)o、^(17)o、d-excess和^(17)o-excess有显著的季节性变化,旱季高雨季低,反映了该地区旱、雨两季水汽来源不同;地区大气降水线斜率和截距都偏小,表明成都降水来源于具有不同稳定同位素比率的源地,且雨滴在降落过程中发生了二次蒸发;三氧同位素大气降水线(δ'^(17)o=0. 528 9δ'^(18)o+0. 007 5)斜率介于海洋气团(0. 529)与干空气(0. 518)之间,表明成都地区处于海洋气团向内陆迁移的路径上; d值接近全球平均值,而^(17)o-excess值远较海水大,表明成都的水汽来源由海洋气团主导,且到达该地区的过程中同位素经历了严重的富集; d-excess在旱季出现的极低值可能是受到了人工降雨的影响,^(17)o-excess除了与水汽源地的相对湿度有关外,还会受到上游气团对流作用的影响,此外,成都当地的气象因素对不同季节次降水的^(17)o-excess值有不同程度的影响.

关键词：次降水氢氧同位素水汽来源 d-excess 17o-excess

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黄土高原中部大气降水同位素组成特征及其水汽来源

黄土高原中部大气降水同位素组成特征及其水汽来源

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作者：李佳奇西北农林科技大学

学位级别：硕士

降水是水循环过程的关键环节,决定了区域水资源的总量与分布特征,因此,摸清降水的水汽来源是进行水文过程解析和水资源管理的基础工作。黄土高原水资源先天不足,近年来又出现了各种表征水资源量减少的水文变异,此种背景下尤其需要明确... 详细信息

降水是水循环过程的关键环节,决定了区域水资源的总量与分布特征,因此,摸清降水的水汽来源是进行水文过程解析和水资源管理的基础工作。黄土高原水资源先天不足,近年来又出现了各种表征水资源量减少的水文变异,此种背景下尤其需要明确其降水的水汽来源,以进行更高效可持续的水资源管理。本文以黄土高原中部的定边县、西峰区、长武县、杨凌区为研究区,利用实测的降水同位素数据和气象数据(温度、降水量、相对湿度),分析了大气降水同位素组成的季节变化和空间变异及其影响因素,结合氢氧稳定同位素的二阶变量d-excess、o-excess以及HYSPLIT后向轨迹模型示踪大气降水的水汽来源,进一步利用Stewart雨滴蒸散发模型、二相混合模型量化了云下二次蒸发作用强度、局地再循环水汽比例。取得的主要结果如下:(1)降水稳定同位素存在明显的季节变化和区域差异。降水中δo、δH变化范围分别为-22.8‰～3.1‰、-169.9‰～25.6‰。降水同位素组成呈现季节变化,且四个点位降水δo的季节变化趋势相似,最大值多出现在5月,最小值多出现在8月;δo呈现出旱季偏富集,雨季偏贫化的特征。同位素组成存在空间变异,定边降水δo最富集,长武降水δo最贫化,呈现出由南到北同位素逐渐富集的趋势。研究区大气降水线(LMWL)为δH=7.41δo+6.23,不同点位LMWL的斜率也均小于全球大气降水线(GMWL),其中长武LMWL的斜率和截距最大(7.86和16.28),而定边降水线斜率和截距最小(7.04和2.44)。(2)降水同位素在不同季节和区域受到不同环境因素的影响。研究区降水δo没有表现出温度效应,但表现出显著的雨量效应。这可能与降水分布格局有关,此外该区域有不少降水事件由对流水汽形成,导致较为贫化的降水同位素。4个点位中,旱季云下二次蒸发作用均强于雨季,温度和降水对降水同位素组成影响由南到北逐渐减弱,而相对湿度对降水同位素组成影响由南到北逐渐增强。(3)大气降水的水汽来源相对复杂,存在明显的季节性差异和区域差异。大气降水d-excess值变化范围较大,平均值大于10‰,表明水汽来源较为复杂且主要是相对湿度较低时水体快速蒸发形成的。d-excess由南到北逐渐减小,说明主导过程存在差异,如定边可能与强烈的云下二次蒸发作用有关,而长武主要与大量再循环水汽参与有关。d-excess旱季最大而雨季最小。旱季降水水汽以西风带和北冰洋水汽等内陆性水汽为主,雨季降水水汽受西南季风带来的印度洋水汽、东南季风带来的西太平洋水汽以及西北方向的北大西洋水汽影响。除外来水汽以外,局地再循环水汽也是区域降水的重要来源;定边再循环水汽比例最大达25%,旱季再循环水汽比例大于雨季。三氧同位素大气降水线表明,除长武水汽源地是在相对湿度较高的稳态下形成的,降水同位素受到很弱的动力分馏之外,定边、西峰、杨凌三地水汽源地均是在相对湿度较低的非稳态下形成的,降水同位素进行较强的动力分馏。通过对黄土高原中部降水同位素雨量效应、温度效应的分析,以及对水汽来源的示踪,局地再循环水汽、云下二次蒸发强度的量化,明确了该区域降水同位素的控制因素和水汽来源,为深入了解西北内陆地区水循环过程和水资源调配提供参考依据。

关键词：氢氧稳定同位素大气降水线云下二次蒸发局地再循环水汽 17o-excess

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上海地区大气降水水化学特征及其环境指示意义

上海地区大气降水水化学特征及其环境指示意义

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作者：张峦华东师范大学

学位级别：硕士

大气降水作为水循环的重要环节,其物质组成在循环过程中随着环境的不同会发生相应变化,从而保存有诸多环境信息,因此大气降水来源与传输成为当前环境演变与全球变化研究的前沿问题。大气降水中的同位素组成对环境变化十分敏感,包含了水... 详细信息

大气降水作为水循环的重要环节,其物质组成在循环过程中随着环境的不同会发生相应变化,从而保存有诸多环境信息,因此大气降水来源与传输成为当前环境演变与全球变化研究的前沿问题。大气降水中的同位素组成对环境变化十分敏感,包含了水汽来源与传输的重要信息,可以被用来追踪天气系统及大气环流过程。此外降水在滴落到地表的过程中,通过云下捕集吸收大气中的微量气体和气溶胶,通过对大气降水中离子浓度的分析,可以进一步分析大气组分的来源,评价降水对地表生态系统的影响等。本文论文分析了2016年9月-2018年8月两年间124个雨水样品中的氢氧同位素特征(δD、δo和δo值特征、大气降水线等),探讨了其环境效应;利用降水同位素组成计算氘盈余值(d值)和o盈余值(o值)进行水汽源示踪;结合雨水样品的pH值、常量离子浓度特征以及氢氧同位素组成与常量离子浓度间的相关性分析其环境意义。通过论文的研究得出如下主要结论:1.不同年份下,近几年上海地区大气降水中的氢氧同位素组成波动较小,年波动范围呈现出逐年缩小的趋势。不同月份下,δD、δo和δo值年变化趋势一致且波动范围较大,干季偏正,雨季偏负。不同季节下,δD、δo和δo值为冬半年数值大于夏半年。单次降水尺度下,上海地区连续性降水样品中的δD、δo和δo值变化趋势一致,都经历了从降水开始重同位素较为富集、到降水结束慢慢变贫化的一个过程。2.上海地区δDo的区域大气降水线(LMWL)为:δD=8.07δo+11.48(r=0.96,α=0.001,n=124)。与全球大气降水线(GMWL)方程的相比,该方程的斜率和截距相近;与中国大气降水线(CMWL)相比,该方程斜率相似,截距较大。上海地区距离海洋较近,气候整体较温和湿润,所以建立的LMWL的斜率和截距较全球平均值偏大。上海地区δoo氧同位素的LMWL:δ’o=0.526×δ’o+0.00052(n=124,R=0.99)。该方程的斜率介于0.529-0.518,说明该地区水汽处于从海洋到陆地迁移中,且中途受到蒸发。3.上海地区大气降水中年平均δo值表现为显著的降水量效应和反温度效应。上海地区冬春季降水较少,相对湿度较小故蒸发作用较强,重同位素较为富集;夏秋相反,因此呈现出降水量效应。反温度效应,主要是上海地区沿江傍海,大气相对湿度全年相对大,δo值的浓缩作用不再突出。再加上夏秋强降水影响,雨量一定程度上对δo值与温度正相关关系有干扰作用。4.上海地区大气降水d值全年变化幅度较大,平均值为11.01‰,水汽输送中的蒸发作用旺盛。季节上d值为冬半年>夏半年。这是由于夏季风主要从海洋到陆地,水汽较暖湿蒸发作用较小;冬季风相反,水汽较干冷蒸发作用较大造成的。上海地区大气降水中o盈余变化幅度较小,平均值为13.45 per meg,水汽在输送中经历了蒸发。o盈余季节变化为春>夏>冬>秋。o盈余与相对湿度(RH)在全年尺度下不相关,但季节上秋季为负相关,冬季为正相关。这表明上海地区的水汽秋季主要为海洋气团;而冬季主要为本地蒸发,其他季节较为复杂。5.上海地区连续两年pH年均值分别为5.54、5.50,年际变化较稳定。一年中在不同的月份,雨水样品的pH值最低为4.09,最高为6.43,年内波动较大。在不同的季节,雨水样品的pH值夏秋季较高,冬春季较低,季节差异明显。上海地区124个雨水样品中,以中性和弱酸性降水类型最为普遍,占总比95%。春秋季降水多数为弱酸性,冬季降水酸性显著增强,夏季多为偏中性。且本论文研究结果与前人比较表明,近年来上海地区雨水的pH值有显著上升,酸雨程度有所减轻。6.上海地区大气降水中的各常量离子浓度大小顺序为:So>Cl>Ca>No>NH>Na>Mg>K。总离子中,最主要的离子为So,占比为23.3%;最主要的阳离子为Ca和NH,占比为37%和29%;最主要的阴离子为So和Cl,占比为42%和37%。阴离子浓度季节变化特征:Cl为冬>春>秋>夏。So和No在2016-2017年为冬>秋>春>夏;2017-2018年为春>秋>冬>夏。阳离子浓度的季节变化特征为:K为秋>冬>春>夏。Ca为冬>春>秋>夏。Na和Mg均为冬>秋>春>夏。NH在2016-2017年为春>冬>夏>秋;17-2018年为冬>春>秋>夏。7.上海地区大气降水中氢氧同位素组成与常量离子浓度的相关系数特征为:δD与Na、Cl在0.01水平下显著相关,相关系数分别为0.334和0.410,这说明这Na和Cl两种离子与δD的影响相似。氢氧同位素与NH和No离子无显著相关,NH和No离子对来自于人类生产生活,两者之间的关系表明人类的生产和生活对降水氢氧同位素组成没有明显影响。

关键词：氢氧同位素组成 d 17o-excess 离子组成环境意义大气降水上海地区

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黄土高原降水稳定同位素空间分布及水汽来源分析

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作者：赵明华西北农林科技大学

学位级别：硕士

大气降水是水文循环中至关重要的一个环节,其氢氧稳定同位素对环境响应十分敏感,是研究区域水循环的重要载体。黄土高原是我国粮食生产重要基地,生态环境极其脆弱,为改善区域生态环境,国家在黄土高原实施了大面积的退耕还林还草工程,区... 详细信息

大气降水是水文循环中至关重要的一个环节,其氢氧稳定同位素对环境响应十分敏感,是研究区域水循环的重要载体。黄土高原是我国粮食生产重要基地,生态环境极其脆弱,为改善区域生态环境,国家在黄土高原实施了大面积的退耕还林还草工程,区域生态环境改变,水文循环相应发生改变。因此,理清黄土高原降水稳定同位素特征对于评估区域水循环研究具有重要意义。本文基于黄土高原45个降水站点的降水δo数据,结合BW同位素预测模型,生成了黄土高原降水氧稳定同位素的高精度空间分布图,然后根据氢氧稳定同位素确定了在不同气团控制下,黄土高原不同气候区当地大气降水线的拟合方法,最后由典型降水监测站数据,分析了黄土高原降水稳定同位素的时空变化特征及其环境效应,明确了黄土高原降水水汽输送过程。主要结果如下:(1)基于黄土高原45个降水监测站的δo资料和BW回归模型,通过逐步回归拟合出大气降水稳定同位素δo与纬度和海拔的定量关系为:?o(28)-0.009Lat(10)0.427Lat-0.001Alt-11.321。受季风影响较大、海拔相对较低的黄土高原南部关中平原地区和东南部的山西临汾地区,模型残差很小(介于-0.7‰～-0.4‰),表明该区域同位素模型可较为准确的模拟实际的同位素值;而西部地区模型残差较大(-2.4‰～-1.6‰),说明该区域降水δo除了受纬度效应和海拔高度影响外,还受其他局部因素的影响。类似地,黄土高原降水同位素从东南向西北逐渐贫化。由于银川平原地区存在大量湖泊,故降水δo较周围地区富集;西部的榆中地区和西宁地区降水δo格外贫化,主要原因是这两个地区海拔高,降水水汽经过高山或高原,抵达监测站的水汽十分贫化。综上所述,低海拔平原地带δo富集,高纬度和高海拔地区同位素纬度效应和海拔效应明显,同位素贫化。该研究提高了黄土高原降水同位素空间分布的精度,为了解其降水稳定同位素的空间变异性提供了新的平台。(2)受云下二次蒸发强度的影响,半湿润区LMWL斜率和截距均大于半干旱区和干旱区;与次降水相比,各气候区月降水数据采用oLSR增加了LMWL的斜率和截距,表明次降水数据通过雨量加权为月降水数据后,弱化了小降水对LMWL的影响;使用次或月降水数据建立LMWL时,在半湿润区(P=563.4 mm yr)oLSR斜率与PWRMA斜率无显著差异;半干旱区(P=451.9 mm yr)次降水数据oLSR斜率与PWRMA斜率差异显著,而月降水数据oLSR斜率与PWRMA斜率无显著差异;而在干旱区(P=166.3 mm yr),次和月降水数据的oLSR斜率与PWRMA结果均存在显著差异。以上结果表明,建立LMWL时应根据气候条件考虑是否采用雨量加权。黄土高原半湿润区基于次降水数据采用oLSR得到的LMWL为:?H(28)7.5?o+7.5,半干旱区基于月降水数据采用oLSR建立的LMWL为:?H(28)7.4?o+7.4;干旱区次降水数据采用PWRMA得到的LMWL为:?H(28)7.3?o+4.9。本研究为黄土高原同位素生态水文研究提供了可靠的LMWL,同时阐明了次降水雨量效应对不同气候区建立LMWL的影响。(3)降水氢氧稳定同位素存在明显的季节性变化,半湿润区同位素组成雨季(5～10月)贫化,旱季(11月～次年4月)富集;半干旱和干旱区雨季富集,旱季贫化。综合分析δo、d-excess和o-excess,发现研究区降水受到来自东南季风的暖湿气团和来自西风的干冷气团的共同贡献。其中,半湿润区约有55%～79%的降水水汽来源于海洋,主要集中于6～8月;21%～45%的水汽来源于内陆和局地蒸发,主要集中于10月～次年4月。5月和9月降水水汽来源复杂,可能受海洋水汽和内陆水汽的共同补给。半干旱区约有26%～52%的降水水汽来源于海洋,主要集中于6月,48%～74%的水汽来源于内陆和局地蒸发,主要集中于8月～次年5月。7月降水水汽来源复杂,可能受海洋水汽和内陆水汽的共同补给。干旱区约有17%～29%的降水水汽来源于海洋,主要集中于8月,71%～83%的水汽来源于内陆和局地蒸发,主要集中于9月～次年5月。6～7月水汽来源复杂,其原因可能是这些月份降水水汽受到海洋和内陆性气团水汽的共同补给。

关键词：同位素空间分布 PWRMA BW模型 17o-excess 水汽来源

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