应用案例

Picarro L2140-i助力揭秘台风“烟花”降水稳定同位素信号变化

发表时间：2024-08-09

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图片来自台风周刊#10 7月第3周

研究背景

2021年，台风烟花（In-Fa）袭击了中国东部地区，引发了广泛的降水事件。为了更好地理解这种极端天气事件中的降水特征，科研人员开展了关于降水中稳定同位素信号的研究。稳定同位素分析是一种重要的气象和水文研究手段，可以揭示水循环过程中的蒸发、凝结和输送过程，理解这些变化对于气象学和水文循环研究具有重要意义。台风作为极端天气事件，其形成和演变会对大气中水汽和降水的同位素组成产生显著影响。本研究聚焦于2021年台风“烟花”期间中国东部地区降水中稳定同位素信号的变化，通过对降水样本进行高分辨率分析，探讨其与气象参数及不同水汽来源的关系。

研究目的

（1）阐明台风“烟花”期间降水稳定同位素组成的关键变化；

（2）探索两个采样点控制降水稳定同位素机制的共性和差异。

研究方法

本研究在江苏省昆山和扬州两个地点采集台风“烟花”期间的逐小时降水样本，分析了这些样本的稳定同位素组成。具体方法包括：

样品采集

在台风“烟花”登陆和影响期间（2021年7月25日至30日），分别在昆山和扬州两个地点进行降水样本的逐小时采集。

同位素分析

所有水样在福建师范大学地理科学学院稳定同位素实验室用Picarro L2140-i高精度稳定水同位素分析仪进行氧和氢同位素测量。测量精度为δ²H优于0.5‰，δ¹⁸O优于0.05‰。每个样品分析六次，取后三次数据平均。校准使用了三种参考标准，结果以‰（千分比）表示，相对于维也纳标准海洋水（V-SMOW）。

气象数据收集

气象参数（地表空气温度、降水量、相对湿度）从昆山和扬州的气象站获取。逐小时网格数据（850 hPa比湿、经向风、纬向风、1000-200 hPa相对湿度和垂直速度）从欧洲中期天气预报中心发布的第五代全球大气再分析数据集（ERA5）中提取。

气团后向轨迹分析与上游降水过程分析：使用HYSPLIT模型生成每个样品的气团后向轨迹，气象数据来自GDAS1数据库，分辨率为2.5° × 2.5°。通过MATLAB计算沿轨迹的降水总量，以分析上游降水对稳定同位素比值的影响。本研究计算了采样前12、24、36、48、60、72、84和96小时内的总上游降水量。

将同位素数据与气象参数（如地表空气温度、相对湿度和降水量）及不同水汽来源进行关联分析，以揭示同位素信号的变化机制。

图1.降水d-盈余、δ¹⁸O和气象参数的演变。（a）相对湿度、（b）温度、（c）从采样点到台风中心的距离、（d）d-盈余、（e）降水量δ¹⁸O和（f）降雨量。蓝线代表昆山，橙线代表扬州。采样时间按照中国标准时间UT+8:00（CST）。

图2.降水稳定同位素变化及相关气象参数（a）昆山上空空气的垂直速度。负值表示对流（向上运动），正值表示向下气流（向下运动）。（b）昆山的相对湿度和降雨强度（浅绿色曲线）。（c） δ¹⁸O（蓝色曲线）、d-盈余（深绿色曲线）在昆山的演变。降水数据来自昆山的气象站。垂直速度和相对湿度数据来自ERA5。

图3. （a，c）δ¹⁸O与上游降雨（散点图）之间的相关系数（r）。前几个小时的累计降雨量（bar）。（b，d）δ¹⁸O与36小时（昆山）和24小时（扬州）沿气团拉格朗日后向轨迹的上游降雨量（黑色），上游降水量与到台风中心的距离（灰色）。（a，b）昆山。（c，d）扬州。点表示p值小于0.05，菱形表示p值大于0.05。

研究结论

稳定同位素时间序列

总体而言，两个地点的降水δ¹⁸O在-1.3‰到-12.3‰之间波动。在台风影响期间，降水δ¹⁸O随着台风接近显示出向负值变化的趋势，随后在台风离开时逐渐偏正。扬州的降水δ¹⁸O值更负，并且相较于昆山有明显的时间滞后（约14小时）。这主要是由于台风“烟花”从昆山到扬州的降水过程持续时间较长和更高的凝结效率造成的。使用后向轨迹分析进一步研究了不同降水事件的水汽来源（图3）。结果显示，台风“烟花”期间的降水水汽主要来源于南海和西北太平洋区域，符合典型台风降水的水汽来源模式。

稳定同位素与气象参数的关系

降水量与δ¹⁸O和δ²H值之间存在显著负相关，这表明较强的降水倾向于具有更负的同位素值。这一现象可以解释为强降水过程中，较重的同位素优先凝结，导致降水中较轻的同位素比例增加。此外，研究表明地表空气温度与降水同位素值之间也存在显著负相关，而相对湿度与同位素值之间没有显著关系。这可能是因为地表空气温度直接影响了降水的蒸发过程和云层内的同位素交换过程。尽管两个采样地点的同位素变化趋势相似，但在具体数值和变化幅度上存在一定差异，这可能与当地微气候条件和地理位置有关。降水量和空气湿度是影响同位素组成的关键因素。大量降水和高湿度条件下，降水同位素值趋于减小。此外，不同水汽来源（如海洋蒸发和陆地再蒸发）对同位素组成也有重要影响。

总结

本研究通过对台风“烟花”期间中国东部地区降水稳定同位素信号的高分辨率分析，揭示了极端天气事件对大气中水汽和降水同位素组成的显著影响。研究结果不仅丰富了对台风影响下水文循环的理解，也为未来类似研究提供了宝贵的参考数据和分析方法。

原文链接

https://doi.org/10.1080/02626667.2024.2355977

致谢

感谢福建师范大学姜修洋教授团队、文章作者陈思帆硕士对该文本的专业支持！

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