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Picarro L2130-i在評估云下蒸發(fā)對局地降水同位素組成影響的應(yīng)用

更新時間:2023-10-27      點擊次數(shù):974
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當(dāng)水凝物從云內(nèi)飽和環(huán)境落向地面時,特別是在干旱和半干旱地區(qū),云下過程可能會通過平衡和非平衡分餾而改變降水的同位素組成。如果這些云下過程沒有被正確識別,它們可能會導(dǎo)致對降水同位素信號的誤解。為了正確認(rèn)識降水同位素記錄的環(huán)境信息,定性分析云下過程和定量計算云下蒸發(fā)效應(yīng)是兩個重要步驟。在此,我們根據(jù)西安市兩年來的降水和水汽同位素同步觀測,整理出一套有效的方法來系統(tǒng)評估云下蒸發(fā)對當(dāng)?shù)亟邓凰亟M成的影響。


 ΔdΔδ圖是有效診斷云下過程(例如平衡或蒸發(fā))的工具,因為降水平衡蒸氣和觀測到的蒸氣之間的同位素差異(δ2H;d-excess)顯示出不同的路徑。通過使用ΔdΔδ圖,我們的數(shù)據(jù)表明蒸發(fā)是西安主要的云下過程,而降雪樣本保留了初始云信號,因為它們受氣固相同位素交換的影響較小。然后,我們選擇了兩種方法來定量表征云下蒸發(fā)對局地降水同位素組成的影響。一種是基于雨滴下落過程中的質(zhì)量變化(以下簡稱方法1),另一種是取決于從云底到地面的降水同位素組成的變化(以下簡稱方法2)。通過比較,我們發(fā)現(xiàn)除了降雪事件外,兩種方法在評估蒸發(fā)對δ2Hp的影響方面沒有顯著差異。與 δ2H 變化成比例的蒸發(fā)斜率 (Fi /Δδ2H) 在方法 1 中 (1.0 ‰ %−1) 比在方法 2 中 (0.9 ‰ %−1) 稍大。此外,兩種方法均表明秋季蒸發(fā)作用較弱,春季蒸發(fā)作用較重。通過靈敏度測試,我們發(fā)現(xiàn)兩種方法中,相對濕度是最敏感的參數(shù),而溫度對兩種方法的影響不同。因此,我們得出結(jié)論,兩種方法都適合研究云下蒸發(fā)效應(yīng),而方法2中仍然可以包括其他云下過程,例如過飽和度。通過應(yīng)用方法2,將改善云下過程的診斷及其對降水同位素組成的影響的理解。


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系統(tǒng)評估云基以下蒸發(fā)對當(dāng)?shù)亟邓€(wěn)定同位素組成的影響,為此編制了一套有效的方法。


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2010-2015年西安、蘭州和西寧氣溫和降水的月平均變化地點:采樣地點位于西安市市區(qū)東南9公里的雁塔區(qū)。水蒸氣樣本是在一棟12層建筑的7樓采集的,采樣高度30 m,降水樣本在頂層收集,采樣高度50 m。


測量大氣水汽和降水的氫氧同位素組成;ΔdΔδ圖用于定性診斷云基以下過程;Stewart模型(方法1)和氣柱模型(方法2)用于定量評估云基以下蒸發(fā)效應(yīng)。

(1) 收集降水和水汽樣品,用Picarro L2130-i測量其氫氧同位素組成;

(2) 繪制ΔdΔδ圖,定性分析云基以下過程; 

(3) 應(yīng)用方法1和方法2,定量計算云基以下蒸發(fā)對降水同位素的影響。

試驗結(jié)果顯示:西安的降水主要受到云基以下蒸發(fā)過程影響;兩種方法得到的 Δ δ2H結(jié)果沒有顯著統(tǒng)計差異,但對降雪事件的評估存在較大誤差。


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上圖顯示的是西安的當(dāng)?shù)亟邓€(LMWL)和水汽線(LWVL)??梢钥闯觯?/span>

(1) LMWL的斜率7.0低于GMWL的斜率8.0,反映了云基以下蒸發(fā)的影響。

(2) LWVL的斜率7.8也略低于平衡分餾值8.0,反映了動力學(xué)過程的影響。

(3) 降水和水汽同位素組成分布在不同范圍,前者較陽性,這與經(jīng)典分餾理論吻合,支持了二者之間存在蒸發(fā)作用。


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Δd Δδ圖是Graf等人在2019年提出的一種新型圖解框架,可以直接區(qū)分不同云基以下過程對水汽和降水穩(wěn)定同位素組成的卷積影響,尤其是平衡和非平衡過程的影響。


其中Δd是降水平衡水汽與觀測近地面水汽的d-excess之差;Δδ是兩者的δ2H之差。圖中橫縱坐標(biāo)分別為 Δd和 Δδ。不同云基以下過程在該二維相空間有不同的分布,從而可以更清楚地識別。


說明:本文數(shù)據(jù)在 Graf 等人建議的 Δd Δδ 直徑圖上的投影。實線代表 Δd-excessv 和 Δδ2Hv 為0‰。虛線對應(yīng)于陰影中具有 95% 置信帶的樣本的線性擬合。紅線是降雨樣本,青色線是降雪樣本。羅馬數(shù)字代表象限的類別。



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(1)干旱地區(qū)降水和水汽同位素組成關(guān)系密切;

(2) Δd Δδ圖可以有效定性分析云基以下過程;

(3)兩種方法可以定量評估蒸發(fā)效應(yīng),但方法2可以包含更多過程。



最后,感謝中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室;中國科學(xué)院第四紀(jì)科學(xué)與全球變化卓越中心,再次向本文作者刑萌老師等對本公眾號大力支持。


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