青藏高原中部大气水汽稳定同位素捕捉到印度洋台风“费林”信号

大气水汽稳定同位素的变化不仅在长时间尺度上与气候因子相关,而且对于极端天气事件也十分敏感.本文通过分析青藏高原中部那曲地区大气水汽?18 O变化,发现2013年10月15~16日在印度洋台风"费林"暴发期间,大气水汽?18 O达极低值?42.1‰,平均值低于一般值16.6‰.大气水汽同位素与同期气象观测结果对比分析表明该极低值与水汽来源相关.TRMM卫星日降水量分布及水汽反向追踪模型结果显示,该水汽来源于南部的孟加拉湾.这表明即使在季风结束期,印度洋水汽可以通过极端天气事件影响到青藏高原;这也表明极端天气事件有可能通过稳定同位素信号影响不同介质的稳定同位素记录.     

夏季纳木错湖水蒸发对当地大气水汽贡献的方法探讨:基于水体稳定同位素的估算

青藏高原中部和南部在夏季风期间的降水主要来自印度季风输送的水汽和高原自身蒸发的水汽. 然而, 目前两种水汽对降水的贡献率还不清楚. 夏季风期间(6~9 月), 纳木错湖区大气降水、河水中过量氘明显比纳木错以南地区降水中过量氘高, 这反映了纳木错湖水蒸发水汽与当地大气水汽的混合. 本文根据地表水体蒸发水汽对当地大气水汽贡献率的估算理论, 基于相关水体(降水、河水、大气水汽和湖水)中稳定同位素数据, 初步估算出近年夏季纳木错湖水蒸发水汽对当地大气水汽的贡献率平均约为28.4%~31.1%.     

上海GPS网层析水汽三维分布改善数值预报湿度场

水汽三维分布信息是数值天气预报模式的初始条件之一, 大气中的水汽具有较强的时空变化特性, 传统观测手段受时空分辨率的限制, 对模式初始水汽场的描述远远不够. 利用地基GPS信号斜路径观测值探测水汽垂直剖面信息是目前国际上的研究前沿, 利用上海GPS综合应用网GPS信号斜路径水汽观测值, 在国内首次层析了上海地区水汽三维分布. 层析中采用高斯加权函数进行水平约束, 利用数值预报结果做先验值, 考虑了边界条件. 针对无法准确给出各类观测信息先验权的问题, 在层析水汽三维分布问题中首次采用了方差分量估计, 进行验后定权; 为了降低观测噪声对参数估计的影响, 采用了抗差估计; 针对水汽密度随高度减小的特点, 垂直方向上采用随高度变化的非等权约束方法. 层析结果与MM5数值预报结果比较, GPS信号斜路径水汽观测值对数值模式的预报湿度场有明显改善, 利用GPS信号斜路径水汽观测值准实时地探测水汽的三维分布, 应用于短期数值预报中, 可改善短期预报的初始湿度场, 提高数值预报的准确度.     

大气污染物跨境传输及其对青藏高原环境影响

青藏高原拥有独特的多圈层环境系统与生态类型,对我国乃至亚洲具有重要的生态安全屏障作用.在青藏高原开展污染物跨境传输的科学考察研究,既是地表多圈层相互作用研究的重要组成部分,也是支撑国家生态环境安全的战略需求.针对第二次青藏高原综合科学考察研究的"南亚通道"关键区,结合长期站点监测和短期强化观测,本文全面综述了青藏高原大气污染物时空分布、传输过程和机理,以及污染物对气候和生态系统影响方面的新认识.从历史趋势上看,青藏高原黑碳和汞等记录,自20世纪50年代以来呈现快速上升,反映了亚洲区域大气污染物排放的快速增多.从传输过程上看,跨越喜马拉雅山的高空环流以及局地的山谷风是大气污染物跨境传输的重要途径.大气气溶胶-雪冰辐射反馈效应对青藏高原的气候变化带来一定的影响,外源污染物对青藏高原生态系统的负面影响业已凸显.未来研究中,亟待精确量化跨境污染物的输送量和影响范围,预测未来情景下污染物排放与环境健康风险的变化趋势.     

黑河源区水汽来源及地表径流组成的稳定同位素证据

通过对黑河源区不同水体稳定氢(δD)和氧(δ(18)O)同位素比率的测定及对过量氘(d-excess)的计算,结合美国环境预报中心和国家大气研究中心(NECP/NCAR)再分析资料,对研究区大气水汽来源及地表径流组成进行了初步研究.结果表明,黑河源区各样点降水δ(18)O季节变化的一致性表明其水汽来源相同;夏季,野牛沟...     

青藏高原冰芯高分辨率气候环境记录研究进展

青藏高原冰川高分辨率连续记录了过去气候环境变化信息.通过多种代用指标的分析可以重建气候变化历史.稳定同位素是冰芯记录的重要指标之一,通过青藏高原现代降水同位素过程的研究明确了大气降水中稳定同位素与气温的关系,奠定了青藏高原冰芯古气候学研究的理论基础.通过青藏高原不同地区冰芯稳定同位素记录研究,恢复了末次间冰期以来不同时间尺度的气候演化历史,冰川积累量变化揭示了过去降水量的变化过程;青藏高原冰芯中也保存了一系列的近代人类活动记录.此外,从青藏高原冰芯记录中提取了冰芯微生物种群及数量变化的信息,有助于进一步解释过去气候环境变化,获得了冰芯中古气候环境变化研究的新指标.     

中国东部季风区大气降水δ18O的特征及水汽来源

季风环流是水汽输送的重要载体, 它通过影响和制约大尺度水汽输送场的分布和水汽收支状况对季风区的降水产生影响. 对我国受季风影响最为显著的东部地区大气降水中稳定氢氧同位素的研究将有助于对季风降水机制的理解. 2005~2006年各月, 在中国大气降水同位素观测网络(CHNIP)位于该地区的17个观测站点进行了月大气降水样品的采集. 根据得到的274组稳定氢氧同位素组分所建立的局地大气降水线方程δD = 7.46δ18O + 0.90, 反应了该地区独特的局地气候特点. δ¹⁸O值由沿海向内陆地区逐渐贫化, 并且南部和东北地区δ¹⁸O值年内变化存在周期性. 不同地区影响降水同位素的气候因子不同, 由南向北, 温度效应逐渐增强, 降水量效应由全年存在变为只在主要降水期存在. 控制δ¹⁸O的地理因子存在差异: 南部和华北地区为高程, 东北地区是纬度. 此外, δ¹⁸O对季风的进退、雨带的移动以及台风/强热带风暴等强对流天气的运动路径有一定的示踪作用.     

青藏高原水体中稳定同位素研究

从1961年开始, 国际原子能组织(IAEA)和国际气象组织(WMO)联合启动了全球范围内的降水中稳定同位素监测(GNIP)计划, 最多时有500多个站点加入. 该计划的最初目标是通过降水中稳定同位素监测解释全球水循环过程中的地球化学特征, 为水资源管理提供基础数据. 但在计划的实施过程中, 却发现了全球中高纬度地区降水中稳定同位素变化与气温之间的关系. 这一发现被应用于古气候研究, 并成功恢复了极地冰芯中稳定同位素所记录的气候变化. 同时, 水体中的稳定同位素也被作为一种天然示踪剂, 广泛运用于水循环过程研究并验证GCM模型的可行性.     

塔克拉玛干沙漠及周边地区大气水汽量的时空变化

利用塔里木盆地周边地区27个站的1961~2006年的降水、水气压资料和沙漠腹地塔中气象站1999~2006年的观测数据,重建了塔中站1961~1998年逐月水气压序列,并利用1976~2006年和田、库车、若羌、喀什和民丰(1999~2006年)等5个探空站实测资料对大气含水量与地面水汽压的关系进行了验证和计算,研究了塔克拉玛干沙漠及周边地区大气含水量时空变化,得出了新的水汽分布形式.结果表明:塔里木盆地内大气含水量的高值区,主要分布在沙漠北部、西部的边缘的绿洲地带,大气含水量在14~15mm.而沙漠腹地是水汽的低值中心,水汽含量仅为7~8mm.大气含水量的年际变化总体呈现增加趋势,1961~1986年期间,沙漠周边与腹地水汽含量的升降趋势均不显著,1986年后发生显著意义的突变,两地水汽增加明显.这与近50年来南疆降水显著增加的趋势是一致的.NCEP/NCAR再分析资料在塔克拉玛干沙漠地区偏差很大,与实际情况不符.     

季风降水中δ18O与季风水汽来源

利用稳定同位素瑞利分馏模型, 根据季风区可降水量与源区可降水量的比率f与季风降水中δ¹⁸O之间存在反相关关系这一基本假设, 提出了一种确定季风水汽来源的新方法. 应用西南季风区典型代表站新德里和东南季风区典型代表站香港夏季同位素资料, 对此方法的可行性进行了实例分析验证. 结果表明, 利用此方法确定的两站点季风降水的水汽来源与基本大气环流背景相吻合. 研究结果对于追踪季风水汽来源具有重要意义.     

海河流域大气降水中稳定同位素的时空变化

利用海河流域2012年7月~2013年1月7个观测站点大气降水中的δD和δ18O数据,研究了流域降水稳定同位素的时空变化特征.结果表明流域降水稳定同位素季节变化具有明显的空间差异,南部站点降水稳定同位素值季风期(7~9月)相对贫化,非季风期相对富集;而流域北部站点则相反.这种季节上的空间差异主要反映了不同水汽来源和气候要素的控制,季风期间,受海洋水汽(d8.4‰)影响,流域降水中稳定同位素值普遍较低,而非季风期间由于大陆水汽(d14.1‰)影响,其降水中同位素以高值为特征;在日和月时间尺度上,降水中稳定同位素变化在流域南部地区(除惠民站外)表现出显著的降水量效应,而在北部地区则表现为显著的温度效应.流域降水易受到云底二次蒸发的影响,特别是在季风期间,受其影响,流域大气水线的斜率和截距显著降低.     

冰芯记录所揭示的青藏高原升温

许多研究证实,青藏高原不仅在全球变化中具有重要作用,而且也对全球变化十分敏感,本文将以最新的冰芯资料阐述青藏高原的升温和青藏高原对全球升温的敏感性.冰芯样品中温度的最好指标是稳定氧同位素(简写δ~(18)O)和稳定氢同位素(简定δD).本文的讨论以稳定氧同位素为基础.以稳定氧同位素作为冰芯样品中反映温度的指标时,一个首先需要回答的问题是冰芯样品中的稳定氧同位素是否反映了温度的变化.为了回答这个问题,从1989     

T_m-T_s的相关性分析及全球纬度相关的线性关系模型构建

利用全球大地观测系统(Global Geodetic Observing System,GGOS)大气(Atmosphere)的加权平均温度(Tm)数据和欧洲中尺度天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的地表温度数据在全球范围内计算了利用全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)反演水汽中的关键参数加权平均温度Tm与地表温度Ts的相关系数,结果显示二者的相关性主要受纬度影响,在高纬度地区较强,在低纬度地区较弱.虽然二者的相关性在赤道地区较弱,但这些区域的温度变化幅度较小,在这些区域利用线性回归模型建模依然可以取得较好的结果.在此基础上,本文利用2005~2011年的全球大地观测系统大气的Tm数据和欧洲中尺度天气预报中心的Ts数据按纬度建立了全球分区域线性回归模型.来自全球大地观测系统,气象、电离层和气候的星座观测系统(Constellation Observing System of Meteorology,Ionosphere and Climate,COSMIC)以及无线电探空(Radiosonde)的数据对模型的检验表明,新模型与这3种不同源数据都能较好吻合,分别取得了3.2,3.3和4.4 K的均方根误差,精度明显优于Bevis Tm-Ts关系模型.     

中国大气降水中δ18O的空间分布

许多研究已经证明大气降水中δ¹⁸O的变化主要和瑞利分馏过程中水汽凝结的热动力学有 关, 而导致温度降低水汽凝结的主要地理因素是海拔和纬度. BW模型认为大气降水中的δ¹⁸O作为纬度和海拔的函数可以通过模拟获得, 这为缺乏同位素观测地区的研究提供了必要的数据. 利用BW模型, 结合我国现有的55个站点降水和冰芯中δ¹⁸O的资料, 建立了我国降水中δ¹⁸O与纬度和海拔定量关系的模型: δ¹⁸Oppt= -0.0176LAT2 + 1.1195LAT-0.0016ALT-23.7553. 在此基础上, 利用地理信息系统分析软件ArcGIS, 综合了纬度、海拔以及水汽源地和水汽循环过程等影响因素产生了较高分辨率的中国降水中δ¹⁸O的空间分布图. 从一个新的研究方法揭示了我国大气降水中d 18O的空间分布特征, 为古气候与稳定同位素水文研究提供了重要资料.     

青藏高原“亚洲水塔”效应和大气水分循环特征

青藏高原是东亚海陆气相互作用最敏感的地区之一.青藏高原大气水分循环结构特征不仅反映了西风气流与"大三角扇形"影响域季风水汽流的相互作用特征,而且凸现出该区域为全球能量、水汽的交换关键区,构成"亚洲水塔"形成的重要背景;隆升的高原地形和强大的表面辐射加热形成了局地上升对流和高耸入对流层中部中空"热源柱".研究揭示出此"热力驱动"下青藏高原高、低层互为反环流类似台风的自激反馈机制,其提供了"亚洲水塔"水汽"汇流"与抽吸动力效应."亚洲水塔"热源驱动机制有助于"世界屋脊"大气"热岛"、"湿岛"的形成和维持,使暖湿气流从低纬海洋向高原输送、汇聚.针对"世界屋脊"高原对流频繁、云降水异常特征,揭示出"世界屋脊"空气低密度条件对高原对流云的触发效应.分析表明,低纬热带海洋成为"亚洲水塔"大气水分循环的重要水汽源区,水汽源区可跨越赤道追踪到南半球.提出了青藏高原"热力驱动"下大气水分循环结构类似全球性大气"水塔"的观点,青藏高原特殊的跨半球大气水分循环构建出"亚洲水塔"和其周边地区独特的大气-水文功能体系.给出了西风与季风协同作用背景下青藏高原为核心区的陆地-海洋-大气相互作用的"亚洲水塔"大气水分循环物理图像.     

华南下寒武统地层的Mo同位素组成特征及其古海洋环境意义

Mo同位素是近10年来发展起来的新的非传统稳定同位素之一, 由于其特殊的同位素分馏机制, 使之成为研究古海洋和大气环境的良好指标. 通过对中国南方典型下寒武统剖面的Mo同位素组成的测定, 推断寒武纪早期海水的δ⁹⁷/⁹⁵Mo值应大于1.4‰, 并且较为稳定, 而剖面上Mo同位素组成的变异与沉积环境的氧化还原变化有关. 结合已有的数据, 整个地史时期海水的Mo同位素演化模型被构建, 其同位素组成变化基本与大气氧的演化一致.     

青藏高原那曲地区夏季对流云结构及雨滴谱分布日变化特征

青藏高原对于我国大气水循环、生态环境、灾害天气产生及气候变化等均具有重要作用和影响.为进一步揭示青藏高原气象和大气物理过程,我国启动了第三次青藏高原科学试验-边界层与对流层观测(2014~2017年)重大研究项目,其中云降水物理观测试验采用了包括C波段连续波雷达、Ka波段毫米波云雷达、地面雨滴谱仪、激光云高仪等目前先进的观测仪器.本文利用2014年7月1日~8月31日期间在西藏那曲的观测数据,结合FY-2E卫星的TBB资料,分析研究了青藏高原夏季(7~8月)对流云及其降水过程和雨滴谱分布特征.研究结果表明,观测试验期间青藏高原对流活动主要集中在高原东南部和中部地区,其降水过程存在准两周的周期性;由于高原的加热效应,对流云和降水过程有着显著的日变化特征,对流活动在11:00(当地时间)由局地热对流发展,经合并增长在17:00~18:00达到最强,入夜后降水过程开始偏平流性并持续至6:00,之后逐渐消散,上午对流活动较少.高原对流云平均云顶高度为11.5 km左右(海拔高度),最大云顶高可超过19 km;平均云底高度6.88 km.降水过程主要表现为短时阵性降水,持续时间基本小于1 h,平均降水强度在1.2 mm/h左右.另外,研究发现高原雨滴谱分布相对于同纬度和季节的平原地区较宽,导致高原对流易产生降水.Γ分布相对于M-P分布更适用于对高原上的雨滴谱分布进行拟合.     

青藏高原河川径流变化及其影响研究进展

青藏高原被称为世界"第三极",又有"亚洲水塔"之称,对其周边地区的水文和气候系统有重要影响.青藏高原是亚洲许多大河的发源地,其冰川与河川径流变化影响到周边数十亿人口.本文介绍了青藏高原河川径流观测现状,回顾了青藏高原河川径流变化研究. 20世纪50年代至21世纪初,黄河源区年径流呈减少趋势、长江源区年径流呈微弱增加趋势,青藏高原其他江河源区的年径流没有显著的变化趋势.黄河上游、澜沧江上游、沱沱河及拉萨河源区的春季径流有增加趋势.未来气候变化情景下,随着降水和冰雪融水增加,青藏高原大部分河流源区径流增加,洪水等极端水文事件发生更加频繁.青藏高原河流源区水文气象观测资料稀缺,是河川径流变化及其影响研究的重大挑战.青藏高原水文研究亟需结合最新观测与模拟技术,提高水循环观测与模拟能力,深入认识青藏高原河川径流复杂性及其变化规律,为径流变化的影响评估及其应对提供科技支撑.     

青藏高原唐古拉山地区降雪中δ~(18)O特征及其与水汽来源的关系

本文以1989年中日青藏高原冰川考察研究期间所得到的资料为基础,讨论该地区降雪中氧同位素(δ_(18)O)的特征及其与水汽来源的关系。     

祁连山七一冰川积雪和大气降水中的氢氧稳定同位素变化

报道祁连山七一冰川夏季降水和冰川表层积雪中氢氧稳定同位素的观测资料, 并分析其与气象要素的关系. 在事件尺度上, 七一冰川夏季降水中δ¹⁸O的变化不存在温度效应, 但显示出明显的降水量效应. 水汽输送过程追踪与降水及降水中稳定同位素对比研究显示, 这种降水量效应既反映了水汽来源的差异, 与季风活动相关, 也与云中水汽冷却程度、水滴在降落过程中的蒸发及和周围水汽的交换相关. 由于冬季降水极少, 积雪剖面主要体现夏、春、秋三季的降水状况. 夏季降水的δ¹⁸O值低, 而春、秋季降水的δ¹⁸O高. 夏季降水的大气水线为δD= 7.6 δ¹⁸O + 13.3, 与祁连山南麓德令哈的大气水线相近. 积雪的大气水线为δD = 10.4 δ¹⁸O + 41.4, 显示出异常高的斜率和截距. 积雪剖面的过量氘(d)值与δ¹⁸O存在明显的正相关, 说明从春到夏, 随着降水同位素比率的降低, d值降低, 反之, 从初秋至早春, d值增加, 从而导致大气水线的高斜率和高截距. d的变化指示春秋季水汽可能来源于附近的内陆蒸发或干燥的西风气流在经过相对温暖的水体时的快速蒸发, 而夏季水汽则由季风带来. 同时, 这也表明季风的影响范围可达祁连山西段.