水分來源復(fù)雜地區(qū)發(fā)揮溫度效應(yīng)的前提

時間：2023/8/11閱讀：1245

摘要

大氣降水廣泛參與了許多地質(zhì)檔案的形成和積累,。在這些過程中,，同位素分餾與溫度、降水量等氣象因素密切相關(guān),。因此,，降水同位素通常被認(rèn)為是重建古氣候和古環(huán)境變化的有效指標(biāo)。然而,，隨著研究的深入,，人們發(fā)現(xiàn)溫度效應(yīng)并不適用于所有地區(qū)和時間尺度，尤其是在水分來源復(fù)雜的地區(qū),。在這里,，我們選擇西安作為我們的研究地點(diǎn)，因?yàn)樗挥跂|亞夏季風(fēng)（EASM）和西風(fēng)帶的過渡帶,，水汽來源相對復(fù)雜,。通過在西安進(jìn)行為期三年的高分辨率、相對連續(xù)的水汽同位素組成測量,，我們確定了EASM的持續(xù)時間,，通常從6月開始，到9月結(jié)束,。通過將δ¹⁸O_p分為季風(fēng)季節(jié)和非季風(fēng)季節(jié),，我們發(fā)現(xiàn)在非季風(fēng)季節(jié)有顯著的溫度效應(yīng)，相關(guān)系數(shù)為0.54,，而在季風(fēng)季節(jié)和全年沒有觀察到溫度效應(yīng)。我們的水汽同位素結(jié)果表明,，建立降水同位素的溫度效應(yīng)應(yīng)該遵循兩個先決條件：1,、水汽來源單一,；2、溫度梯度大,。我們的研究結(jié)果明確了溫度效應(yīng)的適用條件,，并有助于我們更好地利用降水同位素來了解不同地區(qū)的古溫度變化。

1 簡介

由于降水是全球水循環(huán)的重要組成部分,，其同位素分餾過程與環(huán)境因素密切相關(guān)（如溫度,、降水量、相對濕度等）,，自1961年以來,，在國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）和世界氣象組織（WMO）聯(lián)合組織的全球降水同位素網(wǎng)絡(luò)計劃的支持下，它在世界各地得到了廣泛的調(diào)查,。根據(jù)GNIP的降水同位素數(shù)據(jù),，Dansgaard（1964）提出了溫度、降水量和海拔對降水同位素的影響的概念,。

所謂的溫度效應(yīng)是降水同位素和空氣溫度之間的正相關(guān)關(guān)系,，而潛在的機(jī)制是較低的溫度對應(yīng)于較大的分餾因子，這導(dǎo)致降水在分餾過程中具有更偏負(fù)的¹⁸O/¹⁶O比率,，特別是瑞利分餾過程,。

由于光學(xué)激光系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步，同位素比紅外光譜（IRIS）的出現(xiàn)使水汽同位素測量更加方便,。利用IRIS,，我們進(jìn)行了為期3年（2016年至2018年）的小時分辨率水汽同位素組成測量，以研究西安的溫度效應(yīng),。同時,，我們還收集了三年來基于事件的降水樣本。通過這項(xiàng)研究,，我們希望對以下兩個問題提供新的見解：（1）在過渡帶,，我們能否通過高分辨率的水汽同位素觀測準(zhǔn)確區(qū)分東亞夏季風(fēng)（EASM）的起止日期，以及東亞夏季風(fēng)的起止日期是否具有季節(jié)性規(guī)律,；（2）溫度效應(yīng)何時對過渡帶的降水同位素起作用,，潛在的機(jī)制是什么？通過研究過渡帶中降水同位素的溫度效應(yīng),，我們可以進(jìn)一步了解復(fù)雜環(huán)境背景下降水同位素信號中記錄的環(huán)境信息,。

2 材料和方法

研究地點(diǎn)

西安，陜西省省會,，中國西北地區(qū)最大的城市,，位于35^?N附近，代表了中國北部和西北部的大多數(shù)城市,。在夏季,，EASM將滲透到該地區(qū)并帶來充足的降雨（Yang和Yao,，2016），而在冬季,，盛行的西風(fēng)導(dǎo)致氣候干燥寒冷,，降水稀少。

取樣和同位素測量

在中國科學(xué)院地球與環(huán)境研究所（IEECAS）的大樓里同步觀測現(xiàn)場水汽和基于事件的降水同位素組成,。2016年1月1日至2018年10月7日,，在離地約30米的IEECAS七樓觀測到大氣水汽同位素組成。從每次降水事件開始,，手動收集降雨和降雪樣本,，并使用量瓶測量體積。我們在三年的采樣活動中收集了175個降雨和21個降雪樣本,。

降水樣品由Picarro L2130-i波長掃描腔衰蕩光譜儀測量,，δ¹⁸O和δ²H的精度分別優(yōu)于0.1‰和0.5‰。大氣中水汽的δ¹⁸Ov和δ²Hv也通過IRIS（L2130-i,，Picarro Inc）測量,，但采用液-汽雙重模型。在水汽測量模型中,，儀器的入口通過外部電磁閥連接到水汽源,，電磁閥的另一端連接到干燥空氣，L2130-i發(fā)出的電信號控制閥門開關(guān),。在測量校準(zhǔn)氣體時,，電磁閥切換到干燥空氣，從而從測量池中去除任何水汽樣品殘留,。然后,，通過CTC Analytics自動采樣器將液體標(biāo)準(zhǔn)物注入汽化室中，并且通過IRIS（L2130-i,，Picarro Inc）測量汽化的的液體標(biāo)準(zhǔn)物,。測量液體標(biāo)準(zhǔn)后，將入口切換為水汽測量模式,，使用隔膜泵通過不銹鋼管（1/8 in.）將大氣水汽泵入儀器腔,，并通過L2130-i進(jìn)行檢測（詳細(xì)信息，請參閱Xing等人（2022））,。

3 結(jié)果與討論

定義EASM的開始和結(jié)束日期

季風(fēng)的定義是一種周期性的風(fēng),，尤其是在印度洋和南亞，這表明它的開始和消退日期具有內(nèi)部周期性,。因此,，研究降水同位素記錄的天氣條件，第一步是準(zhǔn)確確定EASM的起止時間。

我們使用IRIS獲得了西安三年一小時分辨率的水汽同位素數(shù)據(jù),，并準(zhǔn)確定義了EASM的開始和消退日期,。

Fig. 1. 2016年至2018年西安水汽δ¹⁸O（藍(lán)色）,、溫度（紅色）和濕度（綠色）的小時變化,。黑線表示通過快速傅立葉變換的水蒸氣δ¹⁸O的10天平滑值。

在圖1中,，通過快速傅立葉變換將每小時的水汽同位素數(shù)據(jù)平滑到10天的分辨率,，從2016年到2018年，可以清楚地觀察到δ¹⁸O_v的三次突然下降,。季風(fēng)的爆發(fā)以δ¹⁸O_v的急劇下降為標(biāo)志（Srivastava et al.,，2015；Yu et al.,，2016b）,，因此，這三個轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)于2016年至2018年EASM的爆發(fā)日期,。季風(fēng)的消退日期定義為當(dāng)δ¹⁸O_v的平滑值開始下降并遵循溫度下降趨勢時,。2016年，EASM在西安的開始和結(jié)束時間都比較晚,，但2017年和2018年的著陸和消退時間都比較早,。總體來看,，西安季風(fēng)的開始時間在6月左右,，消退時間一般在10月初。因此,，我們將西安的6月至9月定義為季風(fēng)季節(jié),，將10月至次年5月定義為非季風(fēng)季節(jié)。

溫度效應(yīng)

根據(jù)西安三年降水同位素觀測結(jié)果,，δ¹⁸O_p與溫度呈正相關(guān),，與降水量呈負(fù)相關(guān)（圖2a、2b）,，但相關(guān)系數(shù)較低（溫度r=0.26,，降水量r=-0.22）。這表明溫度和降水量對降水同位素的影響較弱,。

Fig. 2. 降水δ¹⁸O與溫度（a）,；降水（b）；水汽δ¹⁸O（c）,；以及相對濕度（d）的相關(guān)性,。

在分析δ¹⁸O_v和δ¹⁸O_p之間的關(guān)系之前，將每小時的水汽同位素數(shù)據(jù)平均為每日數(shù)據(jù),。正如預(yù)期的那樣,，δ¹⁸O_v和δ¹⁸O_p顯示出顯著的正相關(guān),，相關(guān)系數(shù)為0.84（圖2c）。此外,，根據(jù)平衡分餾理論,，我們通過觀測到的水汽同位素（δ¹⁸O_v）計算了平衡降水同位素（Δ¹⁸O_p-e），并將其與觀測到的δ¹⁸O_p進(jìn)行了比較,。降水同位素值主要由水汽同位素變化決定（R2=0.71）,。相比之下，平衡計算的δ¹⁸O_p-e值比觀測到的δ¹⁸O_p值更負(fù),，這可能表明云下蒸發(fā)對該研究區(qū)降水同位素的影響（Xing et al.,，2022）。δ¹⁸O_p和RH之間的負(fù)關(guān)系（圖2d）和d-excess和RH之間的正關(guān)系也反映了雨滴下落過程中云下蒸發(fā)對雨滴的影響,。因此,，基于δ¹⁸O_v和δ¹⁸O_p之間的顯著相關(guān)性，我們可以通過使用高分辨率的δ¹⁸O_v結(jié)果來進(jìn)一步研究δ¹⁸O_p所包含的環(huán)境信息,。

有趣的是,，如圖2所示，δ¹⁸O_v和溫度（T）在非季風(fēng)季節(jié)表現(xiàn)出相似的趨勢,，而在季風(fēng)季節(jié)則表現(xiàn)出相反的趨勢,。通過回歸分析，我們注意到δ¹⁸O_v和溫度的決定系數(shù)（R²）從三年數(shù)據(jù)的0.29增加到僅非季風(fēng)數(shù)據(jù)的0.46（圖3）,，這表明δ¹⁸O_f在非季風(fēng)季節(jié)的變化比全年更依賴于溫度,。同時，δ¹⁸O_v-T在季風(fēng)季節(jié)的決定系數(shù)（R²=0.03）極低（圖3b）,。

Fig. 3. 三年內(nèi)水汽δ¹⁸O與溫度的相關(guān)性（a）,；以及在季風(fēng)季節(jié)（藍(lán)點(diǎn)）和非季風(fēng)季節(jié)（紅點(diǎn)）（b）。直線表示線性回歸,，曲線表示多項(xiàng)式回歸,。

Fig. 4. 降水δ¹⁸O與溫度（a）；降水（b）,；以及季風(fēng)季節(jié)（綠色方塊）和非季風(fēng)季節(jié)（紅點(diǎn)）相對濕度（c）的相關(guān)性,。

因此，根據(jù)δ¹⁸O_v的季節(jié)劃分,，我們將δ¹⁸O_p重新劃分為季風(fēng)組和非季風(fēng)組,，并重新進(jìn)行與氣象因素的回歸分析。如圖4a所示,，在非季風(fēng)季節(jié),，δ¹⁸O_p與溫度呈顯著正相關(guān)。同時，與年度數(shù)據(jù)相比,，相關(guān)系數(shù)從0.26增加到0.54,。相比之下，在季風(fēng)季節(jié),，δ¹⁸O_p與溫度之間的相關(guān)性仍然很弱,。這表明西安在非季風(fēng)季節(jié)存在明顯的溫度效應(yīng)。然而,，無論是在非季風(fēng)季節(jié)還是在季風(fēng)季節(jié),，δ¹⁸O_p與降水量之間的相關(guān)性仍然很差，表明西安沒有降雨量效應(yīng)（圖4b）,。

4 結(jié)論

降水同位素的溫度效應(yīng)在古氣候和古環(huán)境重建中非常有用，但它并不是無限地適用于所有地區(qū),。為了研究水汽來源復(fù)雜地區(qū)的溫度效應(yīng),，我們選擇了受EASM和西風(fēng)水汽影響的西安，同時測量了三年的降水同位素和水汽同位素組成,。根據(jù)我們?nèi)甑挠^察,，我們總結(jié)了以下主要結(jié)論：

1.通過高分辨率水汽同位素觀測，我們準(zhǔn)確地確定了EASM在西安的發(fā)生和消退日期,。通常,，EASM在5月底或6月初在西安著陸，并在10月初消退,。

2.利用高分辨率水汽同位素結(jié)果,，我們注意到δ¹⁸O_v-T在非季風(fēng)季節(jié)表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性，而在季風(fēng)季節(jié)則表現(xiàn)出較差的相關(guān)性,。因此,，通過將δ¹⁸O_p分為季風(fēng)季節(jié)和非季風(fēng)季節(jié)，在非季風(fēng)季節(jié)也觀察到顯著的溫度效應(yīng),。

3. 基于瑞利蒸餾模型,，提出單一的水分來源和較大的溫度梯度是研究區(qū)降水同位素發(fā)揮溫度效應(yīng)的兩個前提。

我們的發(fā)現(xiàn)對溫度效應(yīng)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用,，特別是在古氣候研究中具有深遠(yuǎn)的意義,。同時，為了深入了解降水同位素中所包含的環(huán)境信息,，迫切需要在僅以西風(fēng)帶為主或以季風(fēng)為主的地區(qū)進(jìn)行水汽同位素觀測,。

水分來源復(fù)雜地區(qū)發(fā)揮溫度效應(yīng)的前提

會員登錄

收藏該商鋪

提示