内陆水体蒸发同位素动力分馏系数的观测研究

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氢氧稳定同位素能为水循环过程提供独特的示踪信息。内陆水体蒸发过程是水循环的重要组成部分,其氢氧稳定同位素分馏系数的准确量化是水循环研究中应用稳定同位素方法的关键所在。自然条件下水体蒸发过程的稳定同位素分馏会受大气湍流的削弱,但是影响程度及其控制因素尚缺乏野外观测试验的直接检验,这限制了稳定同位素方法在内陆水循环研究中应用的准确性。本研究以内陆水体蒸发同位素分馏机制为研究核心,以量化蒸发过程中大气湍流对氢氧稳定同位素动力分馏效应的削弱程度为主要目标,选择太湖、鱼塘和蒸发皿分别代表大型内陆水体、小型内陆水体和野外人工水体这三类典型的内陆水体,在自然条件下开展水量收支及其同位素组成的观测试验;基于Craig-Gordon(CG)模型结合同位素质量守恒(IMB)模型、以及Unified Craig-Gordon(UCG)模型计算各水体的动力分馏系数εk最优值,并评估结果的不确定度;基于IMB模型和局地蒸发线模型对比氢D和氧18O两种同位素示踪蒸发的效果,并检验εk传统算法在内陆水体的适用性;探讨εk与水体面积和自由对流强度等环境因子的关系,并构建适用于内陆水体的εk参数化方案。主要结果如下:(1)本研究重点计算了太湖、鱼塘和大、小蒸发皿水体蒸发时H218O的εk最优值。结果表明,基于通量梯度法和CG模型估算的太湖εk最优值为8.26‰;基于IMB模型和CG模型估算的鱼塘、大蒸发皿和小蒸发皿εk最优值分别为10.2±4.9‰、14.3±6.8‰和7.0±3.1‰。结合文献和本文的观测数据,通过UCG或IMB模型计算各个水体εk最优值,得到H218O的εk总体平均值为9.74±2.60‰,对应的湍流参数n为0.34;基于该n值,可以反算HDO的εk为8.50±2.29‰。(2)以往内陆水体研究中普遍采用基于实验室试验或者物理模型获得的εk算法,本研究基于计算的εk最优值,进一步对比检验了这两种传统算法对于水体蒸发估算准确性的影响。结果表明,在内陆水体应用时,采用εk最优值计算的水体蒸发量与实际值最为接近,而物理模型推导的εk算法比实验室试验推导的εk算法相对更加准确。(3)在动力分馏系数研究中,HDO和H218O两种稳定同位素的示踪效果截然不同。H218O分馏过程对εk取值更为敏感,因为在HDO的同位素分馏过程以平衡分馏效应为主占,对动力分馏系数参数化方案的变化不敏感,所以无法计算自然水体蒸发过程HDO的εk最优值。(4)研究影响动力分馏系数εk的环境因子,构建适用于内陆水体的εk参数化方案。εk与局地蒸发线斜率和水体面积均无显著相关性。εk与Ts–Ta存在显著的负相关关系(y=-3.63 x+17.67;r=-0.64,p<0.01),这也说明了对流湍流强度越强,动力分馏效应强度越弱。因此,可以基于上式构建εk新的参数化方案。本研究成果能为内陆水体蒸发过程同位素动力分馏过程提供科学依据,推进氢氧稳定同位素在内陆水循环中的研究。
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