研究发现干旱区大气降水同位素演化机理

大气降水是水循环的输入项，是地下水资源的主要补给来源。降水同位素演化机理是同位素水文学的核心科学问题之一。降水同位素的高程、温度、纬度等效应的应用十分广泛，如依据温度效应可以恢复古温度；依据高程效应可以恢复古高程；依据纬度和高程效应可以确定地下水的补给区等。精确的同位素温度及高程梯度的建立，取决于对控制降水同位素演化的各种过程的准确而完整的监测与分析。以往的研究虽然指出了同位素效应的不确定性，但并没有涉及其内在的机理问题。干旱区因本地蒸发强烈，水分内循环对同位素演化的影响十分明显。然而，关于降水过程中同位素的演化缺乏研究。新疆是世界三大极端干旱区之一，位于其境内的天山更有 “中亚水塔”之誉，水循环与水资源研究的地位十分突出，是开展此类研究的理想区域。中科院地质与地球物理研究所工程地质力学重点实验室庞忠和课题组对我国西北地区大气降水的同位素进行了监测研究，特别是在天山一号冰川附近的高山站（海拔3545m）和后峡站（海拔2100m）开展了为期一个水文年以上的降水、雪坑高密度观测与取样，分析了水同位素组成。同时，对全球大气降水同位素监测网（GNIP）中我国的乌鲁木齐、银川和张掖等站点的长期观测资料进行了分析计算。主要研究成果如下：首次系统地开展了降水同位素氘盈余研究, 揭示了同位素温度效应及温度梯度的新规律，并基于降水形成的三个过程分析给出了其形成机理。基于我国西北干旱区降水同位素氘盈余的对比研究，提出干旱区氘盈余的反高程效应。 1、水同位素温度效应：因温度区间而异。零度以下的降雪温度正相关效应显著；零度以上的降雨，温度效应不显著。其机理是：影响同位素演化的本地降水过程主要有三个，即绝热膨胀、水汽再循环与云下蒸发。其中，以绝热膨胀为主要过程的降水具备明显的温度效应；受水汽再循环与云下蒸发共同影响的降水，无温度效应；受云下蒸发影响强烈的样品，氘盈余值明显降低，稳定同位素有所富集，但其温度效应也不显著。 2、水同位素温度梯度：降雨与降雪之间相差20%。同位素古温度计的可靠性依赖于同位素温度梯度的准确性。本研究发现，在后峡站，降雨δ18O温度梯度为0.64，而降雪δ18O温度梯度为0.52，相差达20%；高山站有相似结果。因此，在恢复古温度时，直接采用对于液态与固态降水不加区分的δ18O温度梯度可能导致错误结果。这一结果有助于促进古气候研究。 3、氘盈余的反高程效应：与湿润区相反，氘盈余随高程增加而降低。在湿润区，氘盈余随着海拔的升高而升高。原因是随着海拔增加，云下蒸发过程越来越微弱。本研究表明，在干旱区，呈现相反的变化趋势，氘盈余随着海拔的升高而降低。原因是，在低海拔地区，水汽再循环的影响强于云下蒸发，使氘盈余有所升高。随着高程增加，水汽再循环的作用越来越弱，导致降水同位素的氘盈余逐渐降低。这一现象与湿润地区相反,称为降水同位素氘盈余的反高程效应。上述结果为大气降水水汽来源的示踪、内循环水汽的定量评价、古温度及古高程的恢复提供了理论依据，为同位素水文学原理在干旱区水资源管理中的应用创造了更有利的条件。该研究成果近期发表在国际权威的水文气象学杂志《特勒斯》（Tellus）上。（来源：中科院地质与地球物理研究所）