印度季风水汽对青藏高原降水和河水中δ18O高程递减率的影响

根据青藏高原上建立的TORP(Tibetan Observation and Research Platform)平台的28个站点获取的降水δ¹⁸O的研究, 探讨了季风期河水δ¹⁸O的海拔递减率, 也讨论了全年河水δ¹⁸O的高程效应. 研究发现, 青藏高原内部降水δ¹⁸O广泛受到不同水汽来源的影响. 印度季风对青藏高原降水及河水δ¹⁸O的组成起着重要作用. 总体而言, 受季风影响地区水体中δ¹⁸O比西风影响区的水体δ¹⁸O更贫化, 反映了西南来的海洋水汽在长途传输和随喜马拉雅山爬升过程使δ¹⁸O逐步贫化. 由于季风环流对高原南部气候的控制, 季风期河水δ¹⁸O随海拔的递减率更大. 综合考虑季风期和非季风期河水δ¹⁸O的高程效应发现, 其河水δ¹⁸O的海拔递减率大于不考虑季风期河水同位素组成的海拔递减率. 因为青藏高原上河水和降水的高程效应是季风和非季风期水汽共同作用的结果, 因此在利用稳定氧同位素恢复古高度时, 需要考虑季风期高原水体中δ¹⁸O的组成和高程效应.     

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.     

青藏高原现代食草动物牙齿珐琅质稳定同位素特征及古高度重建意义

食草动物牙齿珐琅质具有非常强的抗成岩改造特征, 被认为是研究生态环境变化和重建古高度的理想载体之一. 对青藏高原腹地现代食草动物(牦牛、藏野驴、藏羚羊)牙齿珐琅质的稳定同位素进行了分析, 拉萨地块和羌塘南部地区食草动物牙齿珐琅质δ¹³C(PDB)平均值为－11.3‰ ± 1.1‰, 羌塘北部和可可西里地区为－10.2‰ ± 1.4‰, 与高原以C3植物为主的植被景观是一致的; δ¹⁸O(PDB)值也同样表现出从南向北逐渐升高的趋势, 喜马拉雅山地区吉隆盆地平均值最低, 为－11.8‰ ± 3.4‰, 拉萨地块和羌塘南部地区平均值为－11.1‰ ± 1.1‰, 羌塘北部和可可西里地区最高, 为－9.0‰ ± 1.1‰. 食草动物牙齿珐琅质氧同位素是河水(或降水)与食物(植物)氧同位素的混合, 不适合直接用来进行高度预测. 建立了高原现代食草动物牙齿珐琅质氧同位素对降水、植被及高度的响应关系, 为利用食草动物牙齿化石氧同位素重建青藏高原古高度提供了依据.     

祁连山中段黑河上游山区地表径流水资源主要形成区域的同位素示踪研究

通过对黑河干流上游祁连山区降水中δ¹⁸O随海拔高度变化的研究, 揭示出其变化具有显著的高程效应, 高度梯度约为−0.18‰/100?m. 利用同位素示踪技术, 并结合出山口河水中δ¹⁸O, 认为出山径流主要形成于高海拔山区. 应用“二分量模型”, 阐明了海拔3600?m以上的高山冰雪冻土带是黑河山区流域的主要产流区, 产流量占出山径流量的80.2%.     

青藏高原西部降水中δ18O变化特征及其气候意义

根据青藏高原西部阿里地区狮泉河和改则二站点降水中δ¹⁸O实测值和相关气象资料, 研究发现, 在一定程度上, 温度能够影响狮泉河和改则二站点降水中δ¹⁸O变化. 在夏季, 特别是同一降水过程中, 两个站点降水中δ¹⁸O变化趋势非常一致, 且在季风活跃期, 降水中δ¹⁸O都出现多次明显的低值, 这与西南季风水汽输送密切相关, 而在季风间歇期, 降水中δ¹⁸O仍然表现相对高值, 水汽主要来源于局地水汽的再循环; 在非季风时段, 降水中δ¹⁸O与温度的正相关性都更为显著, 该研究区域降水的水汽主要受局地环流和西风环流控制. 另外, 该研究区域的蒸发条件也同样影响降水中δ¹⁸O变化. 通过该区域及其毗邻地区降水中δ¹⁸O空间分布特征的研究, 揭示了5月底或6月初始至8月底或9月初是青藏高原不同水汽来源的一个重要的时间分界线, 而在空间上, 位于青藏高原北部的西昆仑山与唐古拉山是一条重要的气候分界线.     

利用CLM模拟陆面过程中稳定水同位素季节变化

将稳定同位素作为诊断工具引入CLM(Community Land Model), 并对巴西马瑙斯站在平衡年的不同水体中稳定同位素的季节变化进行了模拟和分析, 旨在通过对陆面过程中稳定水同位素的模拟试验, 了解陆面过程中稳定水同位素的循环过程, 以补充观测资料之缺乏, 并最终利用稳定同位素的变化特性进行水文气象过程的预测. 模拟的结果表明, 降水、水汽和地表径流中的δ¹⁸O均存在显著的季节性变化, 并与相应的水量存在反比关系. 与IAEA/WMO监测数据相比, CLM的模拟基本上揭示了降水中δ¹⁸O的实际分布特征. 另外, 模拟的月降水量与月δ¹⁸O之间的降水量效应以及大气水线(MWL)均接近实际状况. 这在一定程度上说明, 引入稳定同位素效应的CLM的模拟是合理的. 但也看到, 模拟的降水中δ¹⁸O的季节差异明显小于实际值, 降水中δ¹⁸O的季节变化展示了赤道地区理想的双峰型特点, 但实际的分布却是单峰型. 这些差异的产生可能与CLM本身的模拟能力有关, 也可能与强迫资料的准确性有关.     

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.     

古元古代冰期事件: 山西五台地区滹沱群的碳同位素证据

古元古代全球性冰期(~2.3 Ga)可能是地质历史时期发育最早的雪球事件. 华北地区广泛出露古元古代轻微变质沉积岩, 但缺乏古元古代冰期事件的沉积学证据. 研究了山西五台地区古元古代滹沱群(2.5~2.2 Ga)稳定碳同位素组成, 结果显示δ¹³C 值在垂向地层序列中的变化有明显的规律性: 豆村亚群大石岭组碳同位素高正值(δ¹³C_carb 值3.2‰~1.0‰); 东冶亚群纹山组-大关洞组中部碳同位素值的降低(δ¹³C_carb 值2.0‰~-1.2‰), 伴随着叠层石从繁盛到衰落的过程; 至大关洞组上部及其与槐荫村组界线附近碳同位素发生显著负漂移(δ¹³C_carb值1.4‰~-3.3‰), 该段地层叠层石不发育; 在其之上的北大兴组-天蓬垴组碳同位素比值逐渐恢复到零值附近(δ¹³C_carb 1.2‰~1.4‰), 叠层石迅速繁盛. 在东冶亚群建安村组-大关洞组中部出现的碳同位素负漂移可能是古元古代全球性冰期事件在我国华北地区的响应, 反映古元古代全球古气候发生了重要的变化.     

全新世黔北降水特征的石笋记录及适宜期结束时间在亚洲季风区的不等时性

基于黔北石膏洞两支石笋(SG1 和SG2)的12 个高精度²³⁰Th 年龄(误差为±2.5~55 a)和479 个氧同位素数据, 建立了全新世9.9 ka BP (相对1950 AD) 至今较高分辨率的东亚季风和印度季风交汇区季风降水序列. 石膏洞δ¹⁸O 记录表明: 9.9~6.6 ka BP, 季风降水处于降水丰沛的湿润期; 6.6~1.6 ka BP, 该时段为降水逐渐减弱时期; 1.6 ka BP 至今石笋δ¹⁸O 最为偏正, 季风降水整体处于较弱期, 其长期演变趋势整体追随30°N 夏季太阳辐射能量变化曲线. 利用时序分析方法, 对石膏洞与已发表的高分辨率石笋δ¹⁸O 记录分析发现, 石笋所揭示的全新世适宜期结束时间在不同季风区存在显著差异: 统计分析结果显示印度季风区的阿曼为7.2~7.4 kaBP, 东亚季风下的华中地区为5.6~5.8 ka BP, 而地处于两季风交汇处的西南一带则介于其中约为6.6~7.0 ka BP. 我们认为供应东亚季风水汽来源的热带西太平洋海水表面温度变化, 是可能造成亚洲不同地区全新世适宜期结束时间不一致的原因.     

南极冰盖中山站-Dome A断面表层雪内δ18O分布

测试了中国南极考察内陆冰盖考察沿线约1248 km断面上(中山站至Dome A)表层雪中氧稳定同位素组成. 通过回归分析得出了δ¹⁸O-气温(T)分布梯度、δ¹⁸O-海拔(H)高度效应和年均温-海拔效应递减率分别为–0.84‰/℃, –1.1‰/100 m和1.31℃/100 m, 分析过程均通过99.9%的置信度检验.     

成壤钙结核孔隙和基质碳酸盐碳同位素对比及其对碳酸盐成因的指示意义

成壤碳酸盐碳同位素常被用于古环境研究, 而原生碳酸盐的干扰会使其碳同位素值发生改变. 为了建立判定成壤钙结核中是否存在原生碳酸盐的实验方法, 对黄土高原地区中新世黄土中23个成壤钙结核孔隙和基质部位进行了微形态鉴定和碳酸盐碳同位素测试. 结果表明, 同一个钙结核基质(B)与孔隙(A)碳酸盐碳同位素差值(δ¹³C_(B–A))范围为−0.16‰~0.44‰, 其中基质中含原生碳酸盐的钙结核的δ¹³C_(B-A)值范围为0.27‰~0.44‰, 大于测量误差(±0.2‰), 而不含原生碳酸盐的钙结核的δ¹³C_(B-A)值范围为−0.16‰~0.13‰, 在测量误差之内. 由此, 得到利用碳同位素手段判断黄土钙结核中是否含有原生碳酸盐的简便方法, 将δ¹³C_(B-A)的值在测量误差之内作为判断钙结核中不含原生碳酸盐的碳同位素标准.     

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.     

贡嘎山东坡植物和土壤有机质的δ13C差异

通过对贡嘎山东坡地表植被、凋落物、土壤有机质δ¹³C值的分析, 结果显示贡嘎山东坡地表植被、凋落物、0~5, 5~10和10~20 cm土壤有机质的δ¹³C值均随海拔的升高先减小后增大, 即从海拔1200~2100 m, δ¹³C值逐渐变小, 从2100~4500 m, δ¹³C值则逐渐变大. 植被、凋落物和土壤有机质δ¹³C值沿海拔高度的这种变化是与C3, C4植物的分布有关, C4植物仅仅生长于海拔高度低于2100 m的环境中, 而C3在所有海拔都存在. 植被、凋落物和土壤有机质三者间的δ¹³C有显著的正相关, 凋落物、0~5 cm层、5~10 cm层和10~20 cm土壤有机质δ¹³C较植被分别平均偏正0.56‰, 2.87‰, 3.04‰和3.49‰. 在综合考虑工业革命以来大气CO₂浓度和δ¹³C值变化对植物同位素的影响后, 我们认为1.57‰可能是利用古土壤有机质δ¹³C进行古生态重建时应该考虑的最小修正值.     

黄土高原西缘在AD 1875~2003期间石笋氧同位素记录的季风降水变化与海气系统的联系

基于黄土高原西部甘肃武都万象洞中一根石笋0~16 mm之间的5个高精度²³⁰Th年代和103个δ¹⁸O数据, 重建了亚洲季风边缘区过去100多年来高分辨率的季风降水变化历史. 通过与武都器测降水数据对比发现, 最近50多年来石笋氧同位素组成受降雨量效应的影响, 指示了亚洲季风的强弱变化及其带来的降水量信息. 近100多年来亚洲季风的变化历史可分为季风降水增强期(AD 1875~1900)、季风降水减弱期(AD 1901~1946)和季风降水再次增强期(AD 1947~2003) 3个气候段, 而且这3个季风变化阶段与通过历史文献记载建立的旱涝指数变化相似. 近100多年来万象洞石笋氧同位素记录的季风强度变化与太平洋年代际振荡(PDO)密切相关, 年代际时间尺度上PDO暖(冷)相位与季风降水的减少(增加)对应; 但在1977年之后出现了季风降水变化和PDO的反相位关系, 很可能是北太平洋在1976/1977年前后发生的年代际气候跃变的反映. 说明现代亚洲季风强度及季风降水变化通过海气相互作用与太平洋密切相关. 这种关系将有助于亚洲季风区水循环的预测, 而且可以利用洞穴观测数据来提高气候模型的预测能力.     

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.     

近50 a来青藏高原东部高海拔洞穴现代石笋氧同位素组成及其含义

基于²¹⁰Pb和²³⁰Th两种定年方法, 并结合黄龙洞石笋d ¹⁸O测试数据建立了青藏高原东部近半个世纪以来平均分辨率达到年际的亚洲季风变化序列. 通过对黄龙洞石笋氧同位素体系的研究, 表明现代洞穴滴水与洞穴周围大气降水的氧同位素具有一致性, 石笋方解石与洞穴滴水是在同位素平衡分馏状态下沉积的. 与器测数据对比分析发现, 黄龙洞石笋δ¹⁸O的轻重变化主要受西南季风(印度季风)带来的降水量效应所控制, 受温度的影响比较弱. 石笋δ ¹⁸O在短时间尺度上的轻重变化主要反映了季风降水δ ¹⁸O的信息, 指示了西南季风的年际变化. 最近50 a来, 四川黄龙洞石笋的氧同位素组成具有逐渐变重的趋势, 即逐渐变得相对富集¹⁸O, 与亚洲季风区其他石笋δ ¹⁸O具有相同的变化趋势, 而且也与东亚、南亚季风指数所指示的季风减弱趋势相一致, 与全球季风指数密切相关. 这种亚洲季风的减弱趋势主要受太阳辐射变化的影响, 并紧密地匹配于高空平流层的温度变化.     

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.     

深海氧同位素8期东亚夏季风旋回与事件的湖北神农架洞穴记录

根据神农架三宝洞一支长610 mm石笋的7个²³⁰Th 年龄和355个δ¹⁸O数据, 将该洞石笋季风记录延伸至深海氧同位素8阶段(MIS8). 虽然²³⁰Th年龄在该时段的误差达3~4 ka, 但根据石笋剖面δ¹⁸O的波动幅度(3.4‰)以及沉积速率的相对稳定性, 获得了284~240 ka BP连续的东亚季风气候记录. 石笋δ¹⁸O记录的岁差旋回与北半球65°N太阳辐射能量曲线类似, 这进一步支持了轨道尺度太阳辐射直接控制亚洲夏季风变化的假说. MIS8至少存在6个千年尺度的夏季风增强事件(振幅>0.5‰, 持续时间>1 ka), 叠加于轨道尺度的季风气候旋回之上. 邻近冰消期的3个显著的夏季风减弱事件大致可与北大西洋冰漂碎屑事件对比, 说明此类全球性特征的千年尺度事件持续发生在更老的冰期气候边界条件下. 与最近两次冰消期相似, 倒数第三次冰消期也表现为两个阶段的变化过程, 即阶段1为夏季风减弱时期(约250~244 ka BP), 此时期南极温度和CO₂浓度缓慢上升; 阶段2(244 ka BP附近)为夏季风快速增强时期, 与CH₄浓度突变同步, 南极温度和CO₂浓度则达到最大值. 北半球高纬度太阳辐射能量的变化有可能触发了冰消期的开始, 而南半球温度变化则是终结东亚季风倒数第三次冰消期的要素之一.     

天气尺度下丽江季风降水中δ18O变化

根据丽江2003年夏季日降水中δ¹⁸O资料, 结合日平均NCEP/NCAR再分析资料, 研究天气尺度下季风降水中δ¹⁸O变化. 研究发现, 丽江夏季日降水中δ¹⁸O变化具有显著的“降水量效应”, 而“温度效应”不存在. 季风活跃期和不活跃期的交替出现可能对天气尺度下δ¹⁸O的变化具有显著的影响, 同时季风降水的再循环过程可能对季风末期降水中δ¹⁸O变化具有显著的影响. 这些影响对季风降水中稳定同位素所特有的“降水量效应”产生严重干扰. 另外, 研究表明丽江夏季天气尺度下δ¹⁸O变化主要受大尺度印度低压系统控制. 研究结果对于季风区稳定同位素“降水量效应”以及本区古气候的研究具有重要意义.     

南极冰盖雪冰氢、氧稳定同位素气候学：现状与展望

南极雪冰稳定同位素作为良好的气候代用指标为过去全球变化研究做出了巨大贡献. 本文系统总结了南极冰盖雪冰δD、δ¹⁸O、过量氘和过量¹⁷O空间分布规律及影响因素, 着重阐述了雪冰稳定同位素代用指标重建过去气候变化的可靠性与适用性. 在此基础上, 综述了南极深冰芯稳定同位素气候记录研究取得的最新进展, 并结合现有南极雪冰同位素研究中存在的问题对下一步的研究进行了展望.