%bd%8d素水文学-第3讲-大气降水同位素-2011版本

'同位素水文学IsotopeHydrology大气降水的同位素Isotopesinprecipitation主讲：庞忠和研究员、博士生导师中国科学院地质与地球物理研究所z.pang@mail.iggcas.ac.cnhttp://www.iggcas.ac.cn中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 NaturalWaterCycle庞忠和，1997IsotopeLabeling自然界的水循环及其同位素标记Isotopefractionation-120%0,-15%0Condensation-70%0,-10%0Transpiration-30%0,-5%0-120%0,-15%0EvaporationInfiltration-150%0,-20%00%0,0%0Radioactiveisotopedecay中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 大气降水同位素18大气降水中D-O的内在关系大气降水线方程同位素与温度关系式大气降水同位素的时空分布特征全球大气降水同位素监测网-GNIP大气降水同位素五大效应新疆干旱区大气降水同位素最新成果简介中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 大气降水同位素降水是自然界水循环过程中的一个重要环节，在实现海水—大气水—降水的相变过程中，氘-氧同位素之间的内在关系降水同位素受气候、地理因素影响，具有明显的时空变化，并且与云团凝结温度、降雨量、高程等地理因素等有关。18分析大气降水δO和δD在不同地区的分布特点，以及其与各种环境因素之间的因果关系，不仅有助于定性或定量地解决地下水的起源和成因，区分补给源区和补给高程等水文学问题，而且也有助于判断水气来源等气象学研究中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 HarmonCraig，1961,IsotopicvariationsinmeteoricScience单篇被引2030次watersWilliDansgaard,1964StableisotopesinprecipitationTellus单篇被引2405次AmericanGeochemistDanishPaleoclimatologist1926-20031922-2011中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 Craig，1961，ScienceDangsgard,1964,Tellus中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 大气降水中D—18O的关系全球大气降水线大气降水的同位素组成变化很大，同一地区不同时间的降水，同位素组成会有很大差异，但δ18O和δ2H的之间的关系是十分有规律的。Craig（1961）在研究北美大气降水时发现大气降水的的氢氧同位素组成呈线性变化。寒冷地区温暖地区不管δ18O和δ2H的范围值多大，数据都落在一条直线上：δD从-300‰到+500‰，δ18O从46‰到+16‰。根据这些数据拟合出的大气降水线方程。δD=8δ18O+10上述关系线即为著名的全球大气降水线（GMWL）。中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 全球大气降水线Craig大气降水方程是用SMOW作为标准，其大气降水线适用于全球，是全球局部和区域大气水线的平均值。根据D—18O的图形可发现以下规律：1）温度低、远离蒸气源的内陆、海拔高度高、或高纬度的大气降水的同位素组成，一般落在全球平均降水线的左下方；反之其降水的同位素组成落在全球平均降水线的右上方。2）降水量小而蒸发强烈的干旱或半干旱地区，其斜率大都小于8，其降水线向右偏离全球平均降水线，同位素组成落在全球平均降水线的右下方。斜率越小，偏离越远，反映蒸发作用越强烈。Craig最主要的发现是同位素的贫化与寒冷地区同位素的富集与温暖地区的关系。这一划分是认识地下水补给环境的工具与地下水来源研究的基础。查明大气降水中稳定同位素分布是确定其输入函数的基础。当地大气降水线提供了地下水的基础线。中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 全球大气降水线H.Craig，1961中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 大气降水同位素的瑞利分馏水的蒸发、凝结是大气降水氢氧稳定同位素分馏的直接过程，也是造成不同水体同位素组成差异的重要原因。瑞利模型可用来讨论大气中水汽凝结形成降水和地表水体的蒸发过程中氢氧稳定同位素的富集或贫化。它给出了酿酒过程中蒸馏作用（distillation）使气体分离的数学原理(Rayleigh,1896)。中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 oRayleighdistillationat30C01.0n0.8io0.6t-100lu0.4ov1.0e0.2n0.8io0.6t0.1a0.4-200itniptioc0.052re0.2luHpov0.1e-300ruop0.010.05pav*2*v-4000.0118*-500-60-50-40-30-20-100中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月18O 大气降水线的斜率云团内水汽温度的降低发生凝结降水过程是一个平衡分馏的过程，因此降水同位素组成δ18O和δD关系点都落在斜率近于8的大气降水线上，为什么斜率是8，这与δ18O和δD的平衡分馏系数的比值有关：S≈8.2（T=25℃时）事实上，式是一个近似值(J.Gat.Percomm，1996)。实际的斜率随着冷凝温度变化而变化(图2-6)，只有在较高温度下，斜率才接近8。中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 冷凝以后发生的蒸发将影响降水线的斜率，如果降雨落在地表上的干燥土层，一些雨水会蒸发，雨水中δ值会因蒸发偏离全球大气水线，而形成的斜率小于8的当地大气降水线。观测结果表明当雨量较小时，对斜率s影响最大。如果排除小于20mm的降雨数据，GMWL的斜率更接近平均值8。中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 阿曼北部的大气降雨资料显示了在降雨过程中由于蒸发影响，δ18O-δD关系呈非线性关系(图2-7)，利用降雨量大于20mm的数据建立LMWL，其斜率接近8：δD=5.2δ18O+10（所有降水）（2-15）δD=7.5δ18O+16.1（大于20mm的降水）（2-16）中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 在δ18O-δD图上，当地降水线偏离大气水线，具有较低的斜率s，这主要取决于相对湿度。Gonfianfini(1986)建立了这个关系的数学模型。如图所示，当湿度h值很低，动力蒸发达到最大值，s值也很低。中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 大气降水线中的氘盈余氘过量参数（dexcesss）亦称氘剩余，d被定义为：d=δD-8δ18O（Dansgaard，1964)（2-17）d值的大小相当于该地区的降水线斜率δD/δ18O为8时的截距，用以表示蒸发过程的不平衡程度。影响氘过量参数d的因素非常复杂，它的变化完全依赖于水的蒸发凝结过程中的同位素分馏的实际条件。中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 如果海水是在平衡条件下缓慢蒸发，则d值接近于零。但是，水的蒸发作用总是在不平衡条件下进行的，故存在动力同位素分馏效应。此时，水蒸气就变得更贫重同位素，d值就不等于零。滨海地区降水的同位素组成，一般位于全球降水线的右边，d值有时为负值，这与云层下的雨滴发生不平衡蒸发，使降至地表的雨水进一步富含重同位素有关。在高纬度地区和内陆区，夏季降水的d值可降为负值。如我国的柴达木盆地和罗布泊（沙漠）地区的d值都比较低。中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 湿度和d-excess之间的关系。一般而言d值接近10为平衡过程。一般而言d值小说明湿度大，蒸发小；反之d值大，湿度小，蒸发快，不平衡蒸发非常强烈。空气相对湿度低的地区，风速大，d值也增大，如东地中海沿岸地区的氘过量参数d值达到+20‰以上，平均为22‰。中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 在我国受季风影响的地区，冬季风期间，d值一般大于10.如1983～1985年桂林市夏季风期间，d值平均为10.5‰，而冬季风期间为16.8‰，反映冬夏季风期间降水云团有不同的源区。中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 区域（当地）降水线Craig全球大气降水线反映的是全球许多地区大气水线的平均值，而不同地区当地大气水线受当地气候因素控制，包括水气团的起源、降雨中的二次蒸发和降水季节性变化，这些因素影响着降水线的斜率和氘过量参数（d=δD-8δ18O），见图。因此，不同地区降水过程同位素分馏的不同，各个地区的雨水线（LocalMeteoricWaterLine,简称LMWL）方程并不相同，而且往往偏离全球降水线（GMWL），主要反映在雨水线的斜率和截距（氘过量参数d）的差异上。中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 世界部分地区的降水方程18澳大利亚D=（8+1.3）O+（16+2.3）18日本D=8.0O+17.518埃塞俄比亚D=8.0O+1518南美州D=（7.9+1.7）O+（8+2.7）18加拿大渥太华D=7.6O+6.518维也纳D=7.1O-1.418阿曼北部D=7.5O+16.1中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 中国部分地区的降水方程18北京D=7.3O+9.718昆明D=7.87O+11.0918乌鲁木齐D=7.96O+9.5718兰州D=6.89O+7.6718甘肃张掖D=7.48O+3.5318上海D=8.2O+15.818广州D=6.97O+2.5918郑州D=8.0O+10.7518台湾D=8.0O+16.5中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 进行区域同位素研究时，建立当地大气降水线LMWL是非常重要的，在水循环分析时要将地表水和地下水的同位素组成与LMWL进行对比。LMWL的建立主要通过在当地设置降水监测站点，以获取同位素数据（时间至少一年）。中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 全球大气降水同位素分布中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 GNIP中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 GNIP：ScientificScopeThescientificrationaleoftheGlobalNetworkforIsotopesinPrecipitation(GNIP)istwo-fold:firstlytoderivefromtheglobaldistributionofisotopesinprecipitationastheisotopicinputfunctionsnecessaryforisotope-hydrologicalstudies;secondlytoutilizetheisotopesignaturesintheprecipitationforstudyingatmosphericcirculationandglobalclimaticchangesindifferenttimescales.Forthisreason,theGNIPhasbeenanintegralpartoftheIAEAsub-programmeonwaterresourcesdevelopmentandmanagement.Inthemeantime,itisalsomeetingtheneedsofawiderangeofclimatologicalapplications,suchas,paleoclimaticresearch,climatemodelresearch,synopticclimatologyandatmosphericchemistry.庞忠和等，1998，Water&EnvironmentNews,IAEA,No2中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 大气降水同位素变化全球大气降水同位素观测结果表明，降水同位素组成随着地理位置、季节变化和降水量等因素的改变而改变，被总结为若干“效应”：纬度效应大陆效应高程效应季节效应雨量效应中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 降水同位素纬度效应中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 全球大气降水氧同位素中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 GNIPStationswithTritiumData中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 USStationswithTritiumData中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 EUSationswithTritiumData中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 EU-CentralAsianStationswithTritiumData中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 TheGNIPDatabaseProvidesLong-termRecordsofBomb-tritiuminPrecipitation10,000KAITOKE,1,000NEWZEALANDVIENNA,AUSTRIA10010TRITIUM[TU]119551960196519701975198019851990中国科学院研究生院，北京YEAR,2011年2月－6月 中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 Pangetal.,TellusB,2011中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 ProcessesaffectingisotopesinprecipitationofanaridregionByPangZ.Kong,Y.,FroehlichK.,HuangT.,YuanL.LiZ.,WangF.,2011,Tellus-B中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 新疆：•离海最远的地方科学问题•最大的内陆流域•为什么干旱？•如何干旱化？•未来变化趋势怎样？•如何适应？中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 二次援疆：十二五期间二次援疆：十二五期间22万亿元投资万亿元投资“引渤济新”：学者建议，网络热议大量海水依靠西北丰富的太阳能自然蒸发，作为湿润北方气候的水气供应源增加降雨，从而达到治理沙漠、沙尘暴，彻底改变华北、西北地区生态环境的目的。（科学时报，2010-11-17）中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 为什么干旱？乌鲁木齐极端干旱-西北内流区世界水塔-西藏外流区拉萨中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 西风带主导的大气环流乌鲁木齐24Ma35N拉萨Sun,etal,Geology,2010Tianetal.,JGR,2009中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 降水同位素定点观测乌鲁木齐站2003年5月-2004年7月，逐次采样，共采集了147个后峡站高山站降水样品，同时收集了乌鲁木齐、张掖和银川站的多年观测数据中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月研究区与采样点分布图 降水观测站观测站质谱测试高山站后峡站中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 奇特的温度效应水汽再循环云下蒸发绝热膨胀中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 水汽再循环+10水汽再循环云下蒸发中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 氘盈余的高程效应中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 研究现状92%！北冰洋水汽8%！印度洋季风南太平洋季风中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月 思考题：1.大气降水同位素的基本特征2.大气降水同位素的影响因素3.氚的分布4.大气降水同位素与大气环流中国科学院研究生院，北京,2011年2月－6月'