应用案例

Picarro L2140-i（（西安降水稳定同位素组成、水分来源以及控制因素）

发表时间：2024-04-17

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Xie C, Zhao L, Eastoe C J, et al. Precipitation stable isotope composition, moisture sources, and controlling factors in Xi'an, Northwest China[J]. Atmospheric Research, 2022: 106428.

https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2022.106428

序言

降水是水循环的重要输入与组成部分。降水量的变化，特别是极端天气导致的降水量的变化，将直接影响干旱半干旱区水资源的管理和利用。使用稳定氢氧同位素(δD和δ¹⁸O)作为天然示踪剂研究水循环过程的方法已经被广泛用于追踪全球与降水有关水文过程。δD和δ¹⁸O不仅被用于了解大气水汽循环、气候变化和地下水的演化与补给，还被用于保存在冰芯、树轮和湖泊沉积物等记录中的古气候重建研究。降水δD和δ¹⁸O的时空变化对研究降水水汽来源和水汽源区气候条件具有重要意义。

西北大学赵良菊老师课题组谢聪博士通过对西安2016~2020年次降水事件δD和δ¹⁸O的时间变化特征结合气象资料、风场图和西风与季风环流强度指数的分析：(1)确定观测期内不同季节大气降水水汽来源；(2)研究降水δ¹⁸O的季节变化特征及其与环境要素的关系；(3)在季节尺度上寻找降水δ¹⁸O和降雨量的控制因素。其研究结果将为了解秦岭以北地区的水汽输送提供有用的信息。

研究方法

利用自动降水收集器(APS-3B)和平板上覆塑料薄膜分别采集降水和降雪样品，在2016年1月至2020年12月期间共收集317个次降水/降雪样品。每次降水事件结束后立即收集样品，并用0.2μm滤膜过滤，每个样品两等份保存在2mL玻璃瓶中。雪样在室温下融化后与降水样品使用相同的方法处理，所有样品在4℃下冷藏，直至测试。同步记录降水量、温度和相对湿度等气象数据。

在陕西省西安市西北大学城市与环境科学学院陕西省地表系统与环境承载力重点实验室使用Picarro L2140-i测定δD和δ¹⁸O值。为了避免仪器的记忆效应，每个样品测量10次，并去除前3次的值。δD和δ¹⁸O的分析精度(1σ)分别优于的±0.1&permil;和±0.025&permil;。

研究结果

次降水事件和月雨量加权平均δ¹⁸O值的时间序列变化表明，其具有典型的季节变化特征：在4~6月出现最大值，在7~10月下降到最小值，然后在11~3月呈上升趋势。

基于实验观测，将研究时段划分为季风期(7月至10月)和西风期，西风期包括季风前期(4月至6月)和季风后期(11月至3月)，季风前期降水δ¹⁸O和δD值通常高于季风期和季风后期。

上图显示了不同季节降水δ¹⁸O雨量加权平均值、降水量与南亚夏季风指数(SASMI)和西风指数(WI)季节尺度的关系。如图a所示，在季风期，δ¹⁸O与SASMI呈显著(95%置信度)正相关，但降水量与SASMI不相关。如图中b所示在季风前期，降水量与WI呈正相关；在季风后期，降水量与WI呈负相关。如图中c所示，在季风后期，降水量与前一个季风期的SASMI显著负相关。

研究结论

研究分析了2016~2020年西安市基于次降水事件的δD和δ¹⁸O值，结果表明其存在明显季节变化特征，从季风前到季风后期的早期，δD和δ¹⁸O季节加权平均值逐渐减小，在季风后期剩余时段逐渐增大。在次降水事件的月尺度上，气象参数与降水δ¹⁸O之间的相关性很弱甚至不存在。在月尺度上，只有季风期的相对湿度和季风后期的降水量与降水δ¹⁸O显著相关。在次事件尺度上，气象资料与降水δ¹⁸O之间存在显著但较弱的相关性。在季风期，水汽主要来自孟加拉湾的南亚夏季风，但东亚夏季风也可能产生一些影响。在非季风期，水汽源于西风环流，可能从西北(青藏高原北部)或西南(青藏高原南部)方向输送至西安。季风前期高δ¹⁸O值的降水水汽来自于青藏高原北部，季风后低δ¹⁸O值的降水水汽来自于青藏高原南部。与潜在贡献源（PSCF）分析结果一致，季风后期降水极有可能来自四川或云南的再循环水汽。在青藏高原北部，降水δD和δ¹⁸O的控制因素是凝结温度，而不是降雨量。季风期降水δ¹⁸O雨量加权平均值与降水量之间无相关性，SASMI与δ¹⁸O呈正相关。在季风后期，降水量与WI和前一个季风期的SASMI呈负相关。季风前期WI与降水量呈正相关。本研究将西安的水汽来源结果分析置于区域和季节性环流模式的背景下，并为未来更长期数据集的记录提供了基础。

本文编辑：王文杰

感谢西北大学城市与环境科学学院谢聪博士对文章编辑的大力支持

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陈工 chenxf@cen-sun.com

高工 gaoch@cen-sun.com