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中級(jí)會(huì)員 | 第5年

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【案例分享】低降雨量的情況下,,該選擇何種降水收集器,?

時(shí)間:2024/12/5閱讀:639
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【案例分享】低降雨量的情況下,該選擇何種降水收集器,?


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【案例分享】低降雨量的情況下,該選擇何種降水收集器,?


【案例分享】低降雨量的情況下,,該選擇何種降水收集器?




01.

降水在水循環(huán)中的重要性

降水是大氣過程的關(guān)鍵組成部分,,也是水文循環(huán)的重要部分,,其同位素組成是多數(shù)同位素應(yīng)用的起點(diǎn)。自 1961 年起,,國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)與世界氣象組織(WMO)合作建立了全球降水同位素網(wǎng)絡(luò)(GNIP),,用于收集降水樣本并測(cè)定其氧和氫的穩(wěn)定同位素組成,許多國家也建立了相應(yīng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),。


02.

降水收集器的種類與問題

多種降水收集器被設(shè)計(jì)用于收集降水,其基本要素包括采樣瓶,、漏斗,、進(jìn)氣管和防蒸發(fā)系統(tǒng),因?yàn)檎舭l(fā)會(huì)導(dǎo)致同位素分餾,,影響降水樣本的同位素組成,。油樣采樣器因防蒸發(fā)可靠性高、成本低和易維護(hù)而被廣泛使用,,但存在油污染分析儀器的問題,。約二十年前,IAEA 推出了無油收集器(Tube-dip-in-water collectors),,雖已被一些同位素研究采用,,但對(duì)其在低降水量下防蒸發(fā)和同位素分餾的有效性存在疑慮,且相關(guān)野外實(shí)驗(yàn)較少,。


【案例分享】低降雨量的情況下,,該選擇何種降水收集器?

評(píng)估Tube-dip-in-water 收集器在*端條件下的可靠性:評(píng)估配備 Tube-dip-in-water 防蒸發(fā)系統(tǒng)的降水采樣器在防止極低降水量(采樣量極少)同位素分餾方面的可靠性,。

【案例分享】低降雨量的情況下,,該選擇何種降水收集器?


【案例分享】低降雨量的情況下,,該選擇何種降水收集器,?


實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)與時(shí)間:2022年3月至7月在意大利比薩市(地中海地區(qū))地球科學(xué)系屋頂進(jìn)行,共四個(gè)周期,,除最后一個(gè)周期約為16天外,,其他周期約為一個(gè)月,以模擬月降水量收集,。


【案例分享】低降雨量的情況下,,該選擇何種降水收集器,?

01.

收集器類型


包括油收集器(Oil collector)、Palmex Tube-dip-in 收集器,、自制 Tube-dip-in 收集器(Home-made Tube-dip-in collector)和對(duì)照收集器(Control collector),。除Palmex收集器使用特定方形截面瓶外,其他收集器均使用10L圓柱形高密度聚乙烯(HDPE)瓶,,壁厚約2mm(Palmex 瓶壁厚約3mm),。油收集器通過在收集瓶中添加約0.5cm厚的石蠟油層組裝;Palmex RS-2i 收集器配備特定尺寸的進(jìn)氣管和約15m長(zhǎng)的通風(fēng)管,,并裝在金屬外殼中,;自制收集器由作者按照相關(guān)規(guī)定組裝,包含進(jìn)氣管,、補(bǔ)償管,,裝在有孔塑料盒中。


02.

樣本準(zhǔn)備


在每個(gè)周期開始時(shí),,用已知同位素組成的蒸餾水填充收集器,。測(cè)試不同降水量對(duì)應(yīng)的收集器,其中四個(gè)收集器(對(duì)照,、油,、Palmex、自制10mm)模擬約10mm降水量(對(duì)應(yīng)填充體積約0.14L,,填充百分比低于2%),,另外兩個(gè)自制收集器(RH35和RH70)分別模擬約35mm和70mm降水量(對(duì)應(yīng)填充百分比約5%和10%)。


03.

數(shù)據(jù)測(cè)量


數(shù)據(jù)測(cè)量:在每個(gè)周期開始和結(jié)束時(shí)測(cè)量收集器內(nèi)水深,、稱重(精確到±0.2g)以確定蒸發(fā)質(zhì)量損失,,并從每個(gè)收集器中取樣進(jìn)行同位素分析(使用Picarro L2140-i分析儀),樣品轉(zhuǎn)移至12mL玻璃小瓶,,在約+4°C儲(chǔ)存,。對(duì)于油收集器中的水,使用分液漏斗分離油分,。


【案例分享】低降雨量的情況下,,該選擇何種降水收集器?

01.

油收集器性能最佳


油收集器在防止蒸發(fā)和同位素分餾方面表現(xiàn)可靠,,蒸發(fā)質(zhì)量損失最小,,同位素位移低,但在同位素分析時(shí)需注意激光光譜分析,,并在分析前準(zhǔn)確去除油分,。


02.

Tube-dip-in-water

收集器的可靠性與局限性

可靠性:無油 Tube-dip-in-water 收集器在多數(shù)同位素水文學(xué)研究中是可靠替代方案,但在采樣階段需謹(jǐn)慎選擇收集器設(shè)計(jì),根據(jù)地區(qū)氣候特征和季節(jié)性調(diào)整漏斗大小和瓶體積,,以最小化瓶?jī)?nèi)氣水比,。自制 Tube-dip-in 收集器可靠性高,是低成本替代方案,。


局限性:Palmex 收集器在低降水量(<2%)下表現(xiàn)不佳,,同位素位移較大,原因可能包括進(jìn)水管浸沒不足,、瓶?jī)?nèi)蒸發(fā) - 冷凝循環(huán),、瓶子形狀和外殼材料(金屬外殼可能導(dǎo)致過熱,增強(qiáng)溫度波動(dòng)和氣體膨脹 - 收縮循環(huán),,促進(jìn)蒸汽交換)等,,但這只是假設(shè),需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,。在降水量極低(水深低于約2cm)時(shí),,使用 Tube-dip-in-water 收集器可能存在同位素分餾風(fēng)險(xiǎn),尤其在干旱和半干旱氣候及溫暖干燥季節(jié),。不過,,對(duì)于高水量降水,自制收集器測(cè)試結(jié)果良好,,證明了 Tube-dip-in-water 收集器在防止采樣后蒸發(fā)方面的有效性,適用于溫帶至半干旱氣候地區(qū),,如地中海地區(qū),,但在氣候季節(jié)性明顯地區(qū),研究人員需根據(jù)氣候分析調(diào)整收集器設(shè)計(jì),。

【案例分享】低降雨量的情況下,,該選擇何種降水收集器?

文章使用Picarro L2140 - i 分析儀基于腔衰蕩光譜(CRDS)技術(shù)測(cè)定水同位素組成,。進(jìn)樣量為 1.8µl,,每個(gè)進(jìn)樣循環(huán)持續(xù) 9min,為減少記憶效應(yīng),,每個(gè)樣品進(jìn)樣9次,,舍棄前6 次,計(jì)算后3次的平均值,。



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