水分來源復(fù)雜地區(qū)發(fā)揮溫度效應(yīng)的前提

更新時(shí)間：2023-08-11 點(diǎn)擊次數(shù)：2113

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(shí)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(duì)復(fù)雜。通過在西安進(jìn)行為期三年的高分辨率、相對(duì)連續(xù)的水汽同位素組成測(cè)量，我們確定了EASM的持續(xù)時(shí)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(gè)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(duì)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(jì)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?cái)?shù)據(jù)，Dansgaard（1964）提出了溫度、降水量和海拔對(duì)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(duì)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(cè)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(shí)分辨率水汽同位素組成測(cè)量，以研究西安的溫度效應(yīng)。同時(shí)，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(duì)以下兩個(gè)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(cè)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(shí)對(duì)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(hào)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(huì)，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(cè)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(cè)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)到大氣水汽同位素組成。從每次降水事件開始，手動(dòng)收集降雨和降雪樣本，并使用量瓶測(cè)量體積。我們?cè)谌甑牟蓸踊顒?dòng)中收集了175個(gè)降雨和21個(gè)降雪樣本。

降水樣品由Picarro L2130-i波長掃描腔衰蕩光譜儀測(cè)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(cè)量，但采用液-汽雙重模型。在水汽測(cè)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(hào)控制閥門開關(guān)。在測(cè)量校準(zhǔn)氣體時(shí)，電磁閥切換到干燥空氣，從而從測(cè)量池中去除任何水汽樣品殘留。然后，通過CTC Analytics自動(dòng)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(cè)量汽化的的液體標(biāo)準(zhǔn)物。測(cè)量液體標(biāo)準(zhǔn)后，將入口切換為水汽測(cè)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(cè)（詳細(xì)信息，請(qǐng)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(shí)間。

我們使用IRIS獲得了西安三年一小時(shí)分辨率的水汽同位素?cái)?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(shí)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(shí)的水汽同位素?cái)?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(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)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(shì)時(shí)。2016年，EASM在西安的開始和結(jié)束時(shí)間都比較晚，但2017年和2018年的著陸和消退時(shí)間都比較早。總體來看，西安季風(fēng)的開始時(shí)間在6月左右，消退時(shí)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(cè)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(duì)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(duì)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(shí)的水汽同位素?cái)?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(cè)到的水汽同位素（δ¹⁸O_v）計(jì)算了平衡降水同位素（Δ¹⁸O_p-e），并將其與觀測(cè)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(jì)算的δ¹⁸O_p-e值比觀測(cè)到的δ¹⁸O_p值更負(fù)，這可能表明云下蒸發(fā)對(duì)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(duì)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(shì)，而在季風(fēng)季節(jié)則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。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(shí)，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(duì)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(shí)，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(shí)測(cè)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(cè)，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(gè)前提。

我們的發(fā)現(xiàn)對(duì)溫度效應(yīng)在各個(gè)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(shí)，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(cè)。