青藏高原大气水汽稳定同位素三维观测体系

青藏高原是南北极之外冰雪储量最大的地区,也是亚洲10条大江大河的发源地,其水循环变化会影响全球近五分之一人口的生存和发展.水汽传输是青藏高原水循环的关键过程.大气水汽稳定同位素是研究水汽传输过程和机制的新指标.本文回顾了大气水汽稳定同位素垂直剖面观测研究的发展历程和青藏高原大气水汽稳定同位素研究现状,重点介绍了自第二次青藏高原综合科学考察研究启动以来,本研究团队建成的全球最大的同类地表水汽稳定同位素观测网,及结合浮空艇技术,开展的国际前沿大气水汽稳定同位素三维传输过程观测研究新进展.今后,我们将通过多学科交叉,继续拓展高精度三维(地-空)水汽稳定同位素多尺度连续观测,并结合地球系统模型,从而全面、准确地认知全球变暖背景下的青藏高原水汽传输过程和水循环变化机制,以服务于青藏高原和周边地区的水安全战略和水资源管理.     

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.     

喜马拉雅山南坡降水与河水中δ18O高程效应

水体中稳定同位素的垂直递减率不仅是反映稳定同位素水文循环过程的指标,也是重建青藏高原古海拔高度的重要变量.喜马拉雅山南坡垂直落差大,是直接监测研究降水与河水同位素垂直递减率的理想地区.本研究根据喜马拉雅山南坡沿垂直梯度从1320m到6700m的降水、雪冰以及河水的δ18O变化,计算了该地区降水及河水δ18O的垂直递减率.结果表明,喜马拉雅山南坡多年平均降水中δ18O的垂直递减率为0.15‰/100m,3个站点计算的δ18O在年尺度上的垂直递减率为0.17‰/100m.两个结果十分接近,但都远低于全球0.28‰/100m.而且还发现非季风期降水的垂直递减率高于季风期,而河水中δ18O的垂直递减率普遍高于降水.     

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.     

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     

水循环的地质演变:研究现状与关键问题

由大陆-海洋-大气之间水的3种相态(固态-液态-气态)相互转换和位移构成的水循环,是地球气候系统的主要过程之一.太阳辐射量在地球表面分布不均匀,是地表水循环的基本驱动力.水循环与碳循环密切关联,是气候系统演变中的两条主线.不同时空尺度的水循环和碳循环受天文、地质和生物因素以及它们之间相互作用的控制,揭示水循环地质演变过程及其与气候变化之间的关系,可为了解当今水文气候变化提供宝贵启示.通过水循环地质演变研究现状回顾,提出如下5个科学问题应在未来予以重点关注:(1)雪球地球时期的水循环;(2)植被起源和演化对水循环的影响;(3)深时热带辐合带(inter-tropical convergence zone, ITCZ)的演变与水循环;(4)暖室期地下水与海平面变化;(5)深时水循环中的氧同位素示踪.同时建议我国未来亟须加强的4个研究方向:(1)深时冰室期向暖室期转变中的水循环;(2)深时水循环与生态系统演变;(3)深时水循环研究方法的发展;(4)深时水循环与长周期地球系统演变的数值模型.     

黄土高原现代植物-土壤氮同位素组成及对环境变化的响应

由于土壤氮同位素组成被认为是气候环境变化和自然生态系统氮循环过程的可能指示, 开展全球不同区域、不同生态系统氮同位素组成的研究将有助于对这个可能性的认识. 对中国黄土高原中西部不同环境条件下的现代植物和相应的土壤氮同位素进行了调查, 氮同位素组成变化范围分别为: 植物根: -5.1‰ ~ 1.9‰; 植物残体: -6.6‰ ~ 2.9‰; 土壤: -1.2‰ ~ 5.8‰. 结果表明: (1) 土壤与植物有相近的变化趋势, 但土壤的氮同位素组成较植物根的氮同位素要偏正, 其Δδ¹⁵N值变化范围为: 0.3‰ ~ 7.2‰, 平均值为: 4.1‰, 表明植物分解过程氮同位素存在分馏; (2) 该地区现代生态系统的氮同位素对降水和温度变化有明显的响应, 沿西北到东南方向, 年平均降水每增加100 mm可能导致土壤氮同位素组成偏负约1.31‰, 随温度的增加, 土壤氮同位素也趋向偏负; (3) 在降水和温度共同增加的影响下, 植物根系、植物残体和土壤的氮同位素偏负, 这个现象可能归因于降水是该地区植物-土壤氮同位素变化的主要控制因素. 尽管目前对植物-土壤氮同位素组成变化与降水和温度关系的机制尚不清楚, 但初步的研究结果表明土壤的氮同位素组成可能为黄土高原环境变化示踪提供指示.     

我国大气降水的氢氧稳定同位素研究

一、引言地球上不同地区大气降水中氢氧稳定同位素的组成是不同的,降水同位素的经典模式认为这种同位素值的差别是由于云团的冷凝遵循瑞利分馏的过程,即降水在云团中平衡冷凝后迅速从其中分离出来,造成不同地区降水中的同位素分馏,降水中同位素值的瑞利分馏简化公式如下:     

贵州凉风洞大气降水-土壤水-滴水的δ18O信号传递及其意义

通过对贵州荔波凉风洞(LFD)大气降水、土壤水、土壤气、洞穴滴水以及滴水对应的现代化学沉积物氧(氢)同位素组成的系统监测, 发现LFD土壤水和滴水主要来源于当地大气降水; 3种水(大气降水、土壤水和滴水)氧同位素值的变化幅度在年内依次减小, 分别在0~-10‰, -2‰~-9‰和-6‰~-8‰之间; 3种水氧同位素值之间存在大致协调同步的季节变化规律: 雨季偏轻, 旱季偏重; 地表蒸发作用导致滴水氧同位素年算术平均值相对于大气降水值偏重约0.3‰以上. 计算结果验证了LFD系统中洞穴次生化学沉积物形成过程基本达到了氧同位素平衡, 利用洞穴沉积物氧同位素值恢复和重建古气温和降水量是可行的, 但应注意研究区地表蒸发作用对氧同位素值的调节作用.     

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.     

稳定同位素在陆地生态系统动－植物相互关系研究中的应用

稳定同位素(stable isotope)作为一种天然的示踪物,已广泛应用于植物生理学、生态学和环境科学研究中。近年来,动物生态学家也开始将稳定同位素技术应用于动-植物相互关系研究中。动物同位素组成总是与其生活环境中植物同位素组成相一致,而且还反映了一段时间内(几小时到几年甚至更长时间)动物所采食的所有食物同位素组成的综合特征;当动物栖息环境发生变化或动物迁移到一个新的生境中,动物组织同位素组成又会向新环境的同位素特征转变。这样,动物组织同位素组成能真实地反映一段时期内动物的食物来源、栖息环境、分布格局及其迁移活动等信息,是动物生存状况理想的指示者。而且,分析不同时间尺度上动物组织同位素组成还可以深入了解动物对环境变化的适应等过程。此外,动物吸收利用营养过程中存在的同位素分馏效应,为研究动物食物网和群落结构提供了理想工具。稳定同位素技术可以连续地测出食物网和群落中动物所处的营养级位置,从本质上揭示动物间捕食与被捕食关系及其在整个生态系统物质平衡和能量流动中的作用,从而使其成为动-植物相互关系研究中十分重要的、有效的研究工具。本文主要综述稳定同位素在动-植物相互关系研究方面的最新进展,评价其应用上的优缺点,并进一步提出未来研究方     

WOCE和气候变化

WOCE(世界大洋环流实验)是政府间海洋委员会、世界气象组织、海洋科学委员会、国际科学联盟等国际组织发起的一项大规模的国际合作计划。该计划进行为期10年(1991--2000年)的全球海洋环流变化及其对全球气候影响的机制的研究,并通过数值模拟、经常性监测、专题调查三者有机结合,最终为增进人类对海洋环流的认识和改善气候预报作出贡献。 WOCE计划是在下述背景情况下应运而生的:     

贵州凉风洞大气降水-土壤水-滴水的δ~(18)O信号传递及其意义

通过对贵州荔波凉风洞(LFD)大气降水、土壤水、土壤气、洞穴滴水以及滴水对应的现代化学沉积物氧(氢)同位素组成的系统监测,发现LFD土壤水和滴水主要来源于当地大气降水;3种水(大气降水、土壤水和滴水)氧同位素值的变化幅度在年内依次减小,分别在0～-10‰,-2‰～-9‰和-6‰～-8‰之间;3种水氧同位素值之间存在大致协调同步的季节变化规律:雨季偏轻,旱季偏重;地表蒸发作用导致滴水氧同位素年算术平均值相对于大气降水值偏重约0.3‰以上.计算结果验证了LFD系统中洞穴次生化学沉积物形成过程基本达到了氧同位素平衡,利用洞穴沉积物氧同位素值恢复和重建古气温和降水量是可行的,但应注意研究区地表蒸发作用对氧同位素值的调节作用。     

藏南地区降水量变化对陆源正构烷烃单体氢稳定同位素影响初探

在藏南羊卓雍错流域的沉错和宁金岗桑冰川分别钻取了浅湖芯和冰芯,对过去80年来湖芯中记录的陆源正构烷烃单体氢稳定同位素(δDwax)与冰芯氢稳定同位素(δDice)进行比较,发现二者具有较好的相关性(R2=0.41,P=0.047),显示了陆生植物叶蜡正构烷烃单体氢稳定同位素对大气降水氢稳定同位素的继承效应.但δDwax与δDice之间的分馏(εwax-ice)与冰芯积累量(降水量)呈现反相关关系(R2=0.65,P=0.0051),说明气候的干湿变化对δDwax有显著的影响.因此降水稳定同位素和降水量是影响δDwax的两个重要因素.     

轨道驱动对高低纬水循环的影响特征:海冰和降水

轨道尺度上的水循环及其对轨道三要素、温室气体和冰盖的响应一直是古气候学界研究的热点科学问题之一.海冰和降水作为水循环的两个重要组成部分,其变化更是备受关注.研究海冰和降水在轨道尺度上的变化,特别是对外部驱动的响应机理、内部过程和反馈机制,有望对现代海冰和降水变化的理解及其未来趋势预测提供长尺度的背景参考.最新研究结果表明,在轨道尺度上北半球海冰对太阳辐射的变化更敏感,而南半球海冰对温室气体的变化更敏感.就轨道三要素而言,北半球海冰主要受岁差控制,而南半球海冰主要受斜率控制.岁差、斜率和CO₂在全球不同区域降水中的相对重要性随时间和空间不同而发生变化.受赤道最大太阳辐射影响,热带降水中还含有明显的半岁差信号.此外,缓慢的轨道尺度太阳辐射变化可以通过影响北极海冰变化来引起大西洋经向翻转环流(Atlantic meridional overturning circulation, AMOC)百年-千年尺度的突变,从而引起全球温度和降水随之发生改变.在东亚季风区,中国南方夏季降水受冰盖影响显著,冰盖主要通过影响热带辐合带(inter-tropical convergenc...     

印度季风降水变率与机理研究取得新进展

[本刊讯]中国科学院地球环境研究所研究员蔡演军和中科院院士安芷生等学者,联合美国加州大学伯克利分校和明尼苏达大学等多个国家和地区的研究人员,对我国西南洞穴石笋记录以及集成降水同位素的全球气候模式模拟进行研究,最新成果于2015年2月23日在线刊登于《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。研究团队重建了过去25.2万年印度季风降水的历史和变率,并结合集成降水同位素的全球气候模式模拟的结果,探讨了印度季     

西沙珊瑚礁锶同位素特征及其古环境意义

深海钻探计划(DSDP)的执行在全球范围内推动了“锶同位素地层学”的研究.赵焕庭等和于津生等报道了南沙群岛“南永一井”的34个样品的锶同位素数据,并对珊瑚礁的锶同位素地球化学作了开拓性的研究工作,本义将研究西沙群岛“西琛一井”(16°27′N,111°42′E)第四纪珊瑚礁地层的锶同位素组成特征,并探讨其古环境意义.     

工业革命以来大气CO_2浓度不断增加的树轮稳定碳同位素证据

树轮稳定碳同位素研究已被广泛用于探讨古气侯波动、大气圈过去CO_2水平,以及全球碳循环.我国对这一领域的研究几乎还是一个空白.本文对采自我国黄土高原上的两棵油松年轮进行了δ~(13)C分析,探讨了工业革命以来大气CO_2碳同位素组成的变化对树轮δ~(13)C的影响.     

Science Bulletin 2016年第2期中文概要

正偶数汞同位素非质量分馏蔡虹明,陈玖斌同位素方法为研究汞生物地球化学循环开辟了新领域.除被大量报道并被实验验证的奇数汞同位素非质量分馏(D~(199)Hg和D~(201)Hg)外,自然样品中还发现了奇特的偶数汞同位素非质量分馏(D~(200)Hg和D~(204)Hg).与奇数汞同位素异常不同,偶数同位素非质量分馏的产生过程和机制尚不清楚.本文系统总结了当前关于偶数汞同位素异常的所有报道,详细讨论了发现偶数汞同位素异常的分析方法及其可能的产生过程和机理,并展望了其在汞     

大气硝酸盐中氧同位素异常研究进展

硝酸盐是大气中的主要污染物,其前体物NO_x(NO+NO_2)参与大气中多种光化学反应,可以改变大气氧化特性,有利于细颗粒物的形成,影响气候系统与人类健康.硝酸盐氧同位素异常(Δ~(17)NO_3~-)是解析大气硝酸盐生成途径的有力手段.本文对大气硝酸盐氧同位素异常的研究进展进行了综述.首先列举了测试大气硝酸盐三氧同位素(~(16)O, ~(17)O和~(18)O)的前处理方法(热解法、细菌法和化学法),并对比了全球范围内大气硝酸盐氧同位素异常的时空分布特征.其次总结了大气中硝酸盐生成的主要途径及其氧同位素质量守恒,讨论了大气硝酸盐中氧原子的可能来源及其氧同位素异常值,评估了全球及典型区域尺度上氧同位素异常的模型.最后对大气硝酸盐氧同位素异常的未来研究方向进行了展望.