水汽来源和云下二次蒸发对降水同位素的影响

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水分子由氢氧原子构成,降水的氢氧稳定同位素特征保存了有关降水水汽来源、运移过程和降水区的宝贵信息,是水循环过程的理想示踪剂。降水作为水循环过程中的一个关键环节,研究其同位素组成可以揭示水循环的复杂过程。冰沟河流域位于祁连山东段,地处季风边缘区,地理位置特殊,环流复杂,降水过程复杂多变。基于此,本研究以祁连山东段的冰沟河流域为研究对象,以2018年6月~2020年5月的降水同位素、同时期的气象观测数据和NCEP/NCAR再分析资料为研究数据,分析了研究区不同时间尺度的降水同位素特征、大气降水线和环境效应,基于后向轨迹模型和雨滴蒸发模型探明研究区的水汽来源与云下二次蒸发,并讨论了水汽来源和云下二次蒸发对降水同位素的影响。结果表明:(1)研究区降水δD和δ18O值均呈现出“W”的变化趋势;季节尺度上,δD和δ18O值夏季高,其次是春秋季,冬季最低。d值在2019年8月之前变化幅度较小,之后变化幅度较大,但两个时期都呈“增-减-增-减”的变化趋势;季节尺度上,d值冬季低,春季、夏季和秋季高。研究区局地大气降水线(LMWL)方程的斜率低于而截距高于全球降水线,且不同季节的大气降水线差异明显。研究区全部降水事件的降水同位素存在显著的温度效应,而不存在降水量效应;季节尺度上,夏季存在降水量效应,而不存在温度效应,其他季节存在温度效应,而不存在降水量效应,这一结果说明夏季降水量效应掩盖了温度效应,其他季节温度效应掩盖了降水量效应。研究区全部降水事件的降水同位素与相对湿度之间存在明显的正相关关系;季节尺度上,除夏季外其他季节降水δ18O与RH均呈正相关关系。(2)研究区主要受西风水汽、北部水汽、内陆再循环水汽和季风水汽的控制。不同季节控制降水水汽来源的环流系统差异较大,其中,西风水汽所占比例最大,其次是内陆再循环水汽、北部水汽和混合水汽,季风水汽占比最少。不同水汽来源因水汽源地和水汽输送路径上的气象要素、地理因子等不同,其对降水同位素的影响也是不同的,总体来说,内陆再蒸发水汽为研究区带来了较高的降水同位素值,西风水汽和北部水汽为研究区带来的降水同位素值低于内陆再蒸发水汽,混合水汽控制的降水事件的降水同位素值最低,单一的季风水汽只在夏季时对研究区降水同位素产生影响。(3)研究区雨滴蒸发速率呈现出先上升再下降的趋势;季节尺度上,夏季值相对较高且波动范围较大,其他季节值较低且波动范围小。蒸发剩余比(f)和Δd的变化趋势基本一致,二者呈现出先波动下降再波动上升的趋势;季节尺度上,夏季最小,其次为秋季,冬春季较大;总体来说,冰沟河流域夏半年的云下二次蒸发强于冬半年,降雨过程中雨滴的蒸发损失更大,使得降水中的重同位素在夏半年较冬半年富集。随着降雨量和雨滴直径的增加,云下二次蒸发不断减弱;随着温度的增加,云下二次蒸发不断加强;相对湿度越高,云下二次蒸发效应越弱。研究区f与Δd之间的线性关系显著,蒸发量每增加1%,Δd值减少2.38‰;当f大于90%时,蒸发量每增加1%,Δd值减少1.85‰。在不同的气象条件下,f与Δd之间的相关性都较高;其中,温度越高,f与Δd线性关系的斜率越高;降水量越高、雨滴直径越大,f与Δd线性关系的斜率越小;相对湿度小于80%时,相对湿度越高,f与Δd线性关系的斜率越高。
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