（自然地理学专业论文）亚洲季风区降水中同位素变化特征及气候意义.pdf

摘要 中、高纬度地区降水中同位素值在很大程度上可以指示温度的变化特征， 特别在两极地区这种关系被广泛的用于古气候的重建。然而降水中同位素值在 亚洲季风环流形式下，所反映的气候意义仍然没有最终解决。作为中、低纬度 冰芯研究的重要补充和全球水同位素研究的组成部分之一，研究人员在青藏高 原的多个站点连续观测了近2 0 年，本论文在前人的观测和研究基础上，结合 i a e a g n i p 数据从大区域范围对同位素的空间和时间特征进行了分析，从大气 环流的角度分析了青藏高原降水中6 1 8 0 与水汽输送和季风活动的关系，并对青 藏高原南部季风降水中6 埔o 的时间特征进行了模拟。 从降水中6 1 8 0 的角度来看，全球南、北纬3 0 0 左右存在一个气候的过渡带， 北纬大约在3 2 0 3 3 0 左右，而南纬的纬度要高于北纬的，大约在3 5 0 - - - 4 5 0 左右。 这个过渡带的位置与i t c z 夏季多年活动最大范围的平均位置相吻合。青藏高 原地形对于印度季风的水汽输送方式产生了很大影响，在青藏高原南部地区产 生了一个与高原地形十分一致的降水中6 1 8 0 的低值中心。在同类型水汽输送的 影响下，不论是大陆站点还是海洋站点在长时间尺度上降水中6 1 8 0 的变化都和 温度存在比较一致的变化趋势。冬季降水中6 1 8 0 对于温度的响应要比夏季的灵 敏，6 1 8 0 对于降温的过程要比升温过程灵敏。 从水汽输送的角度来看，冬季青藏高原的水汽输送以西风带的气流为主， 但在高原南部偶尔会有来自南边印度洋的海洋水汽，使降水中6 1 8 0 产生异常。 夏季则南、北部水汽输送来源不同，此时降水中6 1 8 0 值的大小与不同气团水汽 中6 1 8 0 的含量不同有关。夏季对流的强弱是影响降水中6 1 8 0 的重要原因之一。 低6 1 8 0 值对应强对流，高6 1 8 0 值对应弱对流，这种对应关系是由于对流的深度 对应着水汽的凝结程度。模型模拟结果也表明青藏高原南部降水中1 8 0 的极度 贫化是由于气流在喜马拉雅南坡突然抬升，水汽在高层的深度凝结造成的。 关键词：降水中6 1 8 0 ，过量氘，青藏高原，水汽输送，对流活动，瑞利模型 a b s t r a c t s t a b l e i s o t o p ei np r e c i p i t a t i o n o fm i d h i 曲l a t i t u d ec a ni n d i c a t el o c a l t e m p e r a t u r et oag r e a te x t e n t e s p e c i a l l y , t h i sr e l a t i o n s h i ph a sb e e nw i l d l ye m p l o y e d i n r e c o n s t r u c t i n gp a l a e o c l i m a t e i np o l a rr e g i o n s w h e t h e rs t a b l e i s o t o p e i n p r e c i p i t a t i o ni na s i am o n s o o nc i r c u m f l u e n tc o n d i t i o n sc a nr e p r e s e n tc e r t a i nc l i m a t i c c h a r a c t e r i s t i c s ，h o w e v e r i ss t i l lu n d e rd e b a t e a sa l li m p o r t a n tc o m p l e m e n t a r ys t u d y o fi c ec o r er e s e a r c hi nl o w - m i dl a t i t u d er e g i o na n da na b s o l u t e l yn e c e s s a r i l ys e c t i o n o fg l o b a lr e s e a r c ho fw a t e ri s o t o p e ，o b s e r v a t i o n so fs t a b l ei s o t o p ei np r e c i p i t a t i o no n t i b e t a np l a t e a uh a sc a r r i e do u to ns e v e r a ls t a t i o n sf o ra l m o s t2 0y e a r s o nt h eb a s i s o fp r e v i o u ss t u d y , t h i sp a p e rm a k i n gu s eo ft h ed a t aa n dc o m b i n i n gw a t e ri s o t o p e d a t af r o mi a e a g n i pf o rs u p p l e m e n ta n a l y z et h et e m p o r a la n ds p a t i a l c h a r a c t e r i s t i c so fi s o t o p ev a r i a t i o ni nal a r g e ra r e aa n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n5 t 8 0 i np r e c i p i t a t i o na n dw a t e rv a p o rt r a n s p o r t a t i o na n dm o n s o o na c t i v i t ya n ds i m u l a t e t h et e m p o r a lv a r i a t i o no f8 l8 0i n p r e c i p i t a t i o ni ns o u t h e r nt i b e t a np l a t e a ui ns u m m e r m o n s o o ns t a g e f r o mp o i n to fv i e wo f5 ts oi n p r e c i p i t a t i o n ，t h e r ee x i s t sac l i m a t i ct r a n s i t i o n z o n ea ta b o u t3 0 0 na n d3 0 0 s z o n ea tn o r t hl a t i t u d ea ta r o u n d3 2 0 n - 3 3 0 n ，w h i l e o n ea ts o u t hl a t i t u d ea ta p p r o x i m a t e3 5 0 s - 4 5 0 s t h ep o s i t i o n so ft h ez o n e sa r e c o i n c i d e s 、析t i lt h em a x i m u me x t e n to ft h ei n t e r t r o p i c a lc o n v e r g e n c ez o n e ( i t c z ) i n t h er e g i o nd u r i n gs u m m e r v a p o rt r a n s p o r tm o d ea tt i b e t a np l a t e a uw a sa f f e c t e d g r e a t l yb yi t st o p o g r a p h t y t h el o w - v a l u er e g i o no f5 18 0i n p r e c i p i t a t i o no ns o u t h e r n t i b e t a ni sa c c o r d a n tw i t ht h eb o r d e r l i n eo ft h ep l a t e a u 6 18 0i n p r e c i p i t a t i o no nl a r g e t i m e s c a l eo fw h e t h e rc o n t i n e n t a ls t a t i o n so ro c e a n i cs t a t i o n sh a v eac o n s i s t e n tt r e n d w i t ht e m p e r a t u r eo nt h ec o n d i t i o no ft h es a m ea t m o s p h e r i cc i r c u m f l u e n c e 8 i s 0i n p r e c i p i t a t i o no f w i n t e ri sm o r es e n s i t i v et ot e m p e r a t u r et h a nt h a to fs u m m e r , a n do n e t oc o o l - d o w np r o c e s si sm o r es e n s i t i v et ot e m p e r a t u r et h a nt h a to fw a r m - u pp r o c e s s f r o mp o i n tv i e wo fv a p o rt r a n s p o r t ，w e s t e r l ya i r f l o wi sa b s o l u t ei nt h e n a s c e n d a n t , w h i l et h e r ei sm o i s t u r ef r o ms o u t h e r l yo fi n d i a no c e a nn o wa n dt h e nt h a t m a k e s8 t s oi np r e c i p i t a t i o na b n o r m i t y v a p o rt r a n s p o r ts o u r c ei sd i f f e r e n tb e t w e e n s o u t ha n dn o r t ho nt i b e t a np l a t e a ui ns u m m e r a tt h i st i m e8 1s 0v a l u e si n p r e c i p i t a t i o ni sr e l a t i v ew i t ht h a t8 18 0v a l u ev a r i e si nd i f f e r e n ta i rm a s s c o n v e c t i v e i sa l s oo n eo fi m p o r t a n tr e a s o n st h a ta f f e c tt h e8 18 0v a l u e si np r e c i p i t a t i o n l o w 8 1 8 0v a l u e sc o r r e s p o n dt os t r o n g e rc o n v e c t i v ea c t i v i t y , h i g h8 1 8 0v a l u e sc o r r e s p o n d t ow e a k e rc o n v e c t i v ea c t i v i t y t h i sr e l a t i o n s h i pr o o ti nt h a td e e pc o n v e c t i o np a r a l l e l w i t hc o a g u l a t ed e g r e eo fm o i s t u r e a sw e l la s ，s i m u l a t e dr e s u l t sr e p r e s e n tt h a tu t m o s t d e p l e t eo f 18 0i n p r e c i p i t a t i o ni ns o u t ht i b e t a np l a t e a uo w i n gt oa i r f l o ws t e e p l y r i s i n ga ts o u t hs l o p eo fh i m a l a y a sa n dd e e p l yc o a g u l a t i n go fu p p e ra i r k e y w o r d s ：8 1 s 0i np r e c i p i t a t i o n ；d - e x c e s s ；v a p o rt r a n s p o r t a t i o n ；c o n v e c t i o na c t i v i t y ； r a y l e i g hm o d e l ；t i b e t a np l a t e a u i i i 原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成 果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确 注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。 本声明的 研究生签名： 承担。 关于学位论文使用授权的说明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属中国科 学院寒区旱区环境与工程研究所。本人完全了解中国科学院寒区旱区环境与工程 研究所有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构 送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅：本人授权中国科学院寒区 旱区环境与工程研究所可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离所后发表、使用论 文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为中国科学院寒 区早区环境与工程研究所。 保密论文在解密后应遵守此规定。 研究生签名：雒 导师签名： 日期：麴z ：f 兰 日期： 1 1 研究背景 第1 章绪论 气候变化是当今人们关注的热点问题，在气候变化的诸多要素中，气温的 变化对全球气候变化起着决定性的作用。大量的研究和地面气象观测资料表明， 全球气温正在持续升高。2 0 世纪地面增温0 6 + 0 2 ，有一半发生在最近的四 分之一个世纪里。近百年来最暖的年份均出现在1 9 8 3 年以后，2 0 世纪北半球 温度的增幅，可能是过去1 0 0 0 年中最高的。图1 1 是1 8 5 7 1 9 9 3 年各年平均 温度值相对于全球平均温度距平得到的近百年全球温度平均值的变化曲线，可 以看出2 0 世纪气候变暖已是一个无可争辩的事实，变暖的速率在2 0 世纪的最 后2 0 多年时间里加快了，并且北半球的升温幅度要大于南半球的。 气候变化的影响是多尺度、全方位和多层次的，正面和负面影响并存。全 球气候变暖对全球许多地区的自然生态系统已经产生了影响，如海平面升高、 冰川退缩、湖泊水位下降、湖泊面积萎缩和冻土融化等( i p c c2 0 0 1 ) 。全球气候 变暖的加速已经严重地影响到气候系统，气候异常事件频繁发生，自然灾害发 生的频率变快，同时破坏性也在变大。2 0 世纪9 0 年代死于自然灾害的人数是 8 0 万，受自然灾害影响的人数达到2 0 亿人。2 0 0 3 年，约有7 0 0 起自然灾害导 致7 5 万人丧生，并造成6 5 0 亿美元的经济损失。中国1 9 9 0 2 0 0 0 年自然灾害 导致的损失占年g d p 的2 5 ，2 0 0 6 年夏季中国遭遇了6 年来最严重的自然灾 害，直接经济损失近1 6 0 0 亿人民币。气候变化所导致的灾难性气候事件已经成 为威胁我们生存环境的最危险的因素之- - ( i p c c2 0 0 1 ) ，因此未来气候中长时间 尺度的预测对于人类具有迫切的现实意义( 符淙斌，叶笃正1 9 9 5 ；秦大河主编 2 0 0 2 ) 对未来气候的预测依赖于：( 1 ) 未来气候会在特定时段重复历史气候的假 设；( 2 ) 对过去历史气候的高分辨率重建。能够反演过去气候变化的代用资料 很多：黄土( 方小敏等1 9 9 9 ；a ne ta 1 2 0 0 1 ；f a n ge ta 1 2 0 0 5 ) 、深海沉积 ( b i r c h f i e l da n dg h i l1 9 9 3 ；w a n ge ta 1 1 9 9 9 ) 、湖泊沉积( c h e ne ta 1 1 9 9 9 ；刘嘉麒 亚洲季风区降水中同位素变化特征及气候意义 和n e g 2 0 0 0 ；朱立平等2 0 0 1 ) 、珊瑚( y ue ta 1 2 0 0 2 ；s t e p h a n se ta 1 2 0 0 4 ) 、石笋 ( 汪永进和穆西南2 0 0 0 ；f l e i t m a n ne ta 1 2 0 0 3 ；m ae ta 1 2 0 0 3 ) 、纹泥( a n d r 6 ne t a 1 1 9 9 9 ) 、孢粉( n a k a z a w ae ta 1 2 0 0 4 ) 、树轮( 邵雪梅1 9 9 7 ；e s p e re ta 1 2 0 0 2 ；梁 尔源等2 0 0 4 ) 、冰芯以及历史文献纪录( 张德二1 9 9 3 ；张德二1 9 9 5 ) 等，均可 以追溯历史的气候特征，弥补现代气候变化观测记录的不足，并在古气候研究 方面得出了很多有意义的结论，很多证据也证明气候会在特定的历史阶段重复 并伴随着人类社会文明的更叠而推进。在这些资料中冰芯以其分辨率高( 可以 到年、季) 、保真性强( 低温环境) 、信息量大( 包括气候、环境、生物信息等) 、 时间序列长( 可到几十万年) 和洁净度高( 远离人类聚集区) 等优点而成为研 究地球系统中生物、化学和物理过程的最好媒体( 姚檀栋和王宁练1 9 9 7 ；姚檀 栋1 9 9 8 ) ，也成为全球变化研究最重要的手段之一。 0 5 0 0 - o 5 0 5 ) o 0 0 牛 醴 憾- - o 5 赠 0 5 0 0 - - 0 5 北半球 l“。d “ i 1 1 _ 呷喁9旷w 。研7 可 硝 i 一-i i - 。 l 商i 半球 。山 觥 陬即w刖孵， ii i l -i l l 全球 i 一“j 即w f 盯一 ， 1 8 6 01 8 8 01 9 0 01 9 2 0 1 9 4 01 9 6 01 9 8 02 0 0 0 年 图l - l 南、北半球和全球18 6 0 年以来的温度变化趋势( j o n e se ta 1 1 9 9 9 ； b r o h a ne ta 1 2 0 0 6 ) f i g u r el lv a r i e t yt r e n do fn o r t h e r nh e m i s p h e r e ，s o u t h e r nh e m i s p h e r e a n dg l o b a la i rt e m p e r a t u r ef r o m18 6 0 ( j o n e se ta 1 19 9 9 ；b m h a ne ta 1 2 0 0 6 ) 2 第一章绪论 青藏高原作为“地球的第三极 、“世界屋脊 ，平均海拔在4 0 0 0 米以上， 集中了地球上大部分海拔8 0 0 0 m 以上的高峰，是地球上最高、最大和最年轻的 独一无二的自然地域单元，并以其强大的热力作用和地形动力作用，对北半球 以及全球的大气环流产生重大影响( 施雅风等1 9 9 9 ；a ne ta 1 2 0 0 1 ；g u p me ta 1 2 0 0 4 ) ) ，在全球气候变化中，起着“先兆区 和“放大区 的作用，是亚洲气 候变化的“启搏器( 叶笃正和高由禧1 9 7 9 ；潘保田和李吉均1 9 9 6 ) 。研究 青藏高原的过去气候环境对于预测高亚洲和全球生存环境的未来变化具有重要 的理论和现实意义( 郑度等2 0 0 2 ) 。但青藏高原本身现有的气候观测记录不但 时间短、测站少，而且大部分的观测记录主要集中在低海拔的人类聚集区，在 高原主体上观测记录十分稀少。因此，利用代用资料是研究青藏高原过去气候 变化，尤其是高原主体区域气候变化最重要的方法。 高耸的青藏高原截夺空中的水汽，形成了亚洲最大的山地固体水库青 藏高原现代冰川。青藏高原也是中低纬度冰川分布最多的区域，青藏高原冰川 不仅是亚洲主要江河的源头和中国西部干旱区最宝贵的淡水资源，还储存着很 多气候与环境变化的信息( 施雅风主编2 0 0 0 ) ：冰面温度会影响冰晶生长，可以 根据冰芯中冰晶生长的形态来推断温度的变化；冰川的净积累率可以作为降水 量变化的指标；由雪转换成冰的过程中包裹在冰中的气泡记录着气泡生成时的 大气成分：冰芯中的化学成分和微粒含量记录了过去大气气溶胶的状况，以及 地球沙漠化和大气环流强度的状况；冰芯中保存的有机物质记录了当时的生物 地球化学循环过程；冰芯中的火山灰和强酸信号则记录了火山活动的历史；冰 芯中旧b e 、3 6 c l 等放射性同位素含量的变化反映了宇宙射线强度、太阳活动和 地磁场强度变化的历史( 张兰生等2 0 0 0 ) 。另外，冰芯作为大气环流降水的产 物，其形成与气候环境密切相关，因此它是气候特征最真实的体现( 姚檀栋和 谢自楚1 9 9 0 ；姚檀栋e ta i 1 9 9 2 ) 。因此，从青藏高原广泛分布的冰川冰帽提取 的冰芯记录可以有效地揭示青藏高原气候的时间和空间变化。 青藏高原位于中低纬度地区，它所反映的气候变化对于人类来讲更具有实 际意义。青藏高原以其独特的地理、生态环境，对中国气候，甚至对亚洲大陆 乃至全球气候、大气环流等都产生了重大影响。正因为如此，在短短不n - 十 年的时间里，青藏高原已成为极地冰盖外中低纬度山地冰芯研究的热点区域， 3 亚洲季风区降水中同位素变化特征及气候意义 中外科学家陆续在青藏高原不同区域，如：敦德( t h o m p s o ne ta 1 1 9 8 8 ；t h o m p s o n e ta 1 1 9 8 9 ；t h o m p s o ne ta 1 1 9 9 0 ；y a oe ta 1 1 9 9 1 a ；y a oe ta 1 1 9 9 1 b ；y a oa n d t h o m p s o n1 9 9 2 ) 、古里雅( t h o m p s o ne ta 1 1 9 9 5 ；y a oe ta 1 1 9 9 5 ；y a oe ta 1 1 9 9 6 b ； y a oe ta 1 1 9 9 7 ；王宁练等1 9 9 8 ；y a o1 9 9 9 ；王宁练等1 9 9 9 ；y a n ge ta 1 2 0 0 0 ； w a n ge ta 1 2 0 0 2 ；y a oe ta 1 2 0 0 4 ；y a oa n dy a n g2 0 0 4 ) 、普若岗日( y a o e ta 1 2 0 0 6 a ) 、 唐古拉山、达索普( y a oe ta 1 2 0 0 0 ；段克勤等2 0 0 0 ；段克勤等2 0 0 1 ；y a oe ta 1 2 0 0 2 ) 、马兰( w a n ge ta 1 2 0 0 3 b ) 、珠峰绒布冰) 1 ( k a n ge ta 1 2 0 0 2 a ；k a n ge ta 1 2 0 0 2 b ；r e ne ta 1 2 0 0 4 ) 、慕士塔格( 李真等2 0 0 4 ；t i a ne ta 1 2 0 0 6 ) 、纳木那尼等 冰川( 冰帽) 钻取了大量冰芯。冰芯气候记录的异同特征非常显著，青藏高原 气候变化的影响因子表现出复杂的区域性分布特征。同时也给我们提供了丰富 的历史气候环境信息：气温、降水、大气环流、气溶胶( s u ne ta 1 1 9 9 8 ；徐柏青和 姚檀栋2 0 0 1 ) 、微粒( 姚檀栋等2 0 0 4 ；邬光剑等2 0 0 4 ) 、重金属和痕量元素( 霍 文冕等1 9 9 9 b ；霍文冕等1 9 9 9 a ；李月芳等2 0 0 0 ；李真和姚檀栋2 0 0 2 ； 李月芳等2 0 0 3 ) 、微生物( 张晓君和姚檀栋2 0 0 0 ；向述荣等2 0 0 4 ；y a oe ta 1 2 0 0 6 b ) 和有机酸( 汪君霞和姚檀栋2 0 0 3 ；汪君霞等2 0 0 4 ) ，和影响气候环境 变化的各种因子，如人类活动( 姚檀栋和谢自楚1 9 9 0 ；姚檀栋和王宁练 1 9 9 7 ) 、太阳活动( w a n ge ta 1 2 0 0 0 ；w a n ge ta 1 2 0 0 2 ) 、火山活动、e n s o 事件( y a n g e ta 1 2 0 0 0 ) 、海洋温度和海洋环流以及宇宙事件等许多科学结论。 但是地球系统的作用过程远比我们想象的要复杂地多，决定气候变化的因 子不单是大气内部的各种过程，还决定于发生在大气上、下边界处的各种物理、 化学过程以及各种作用过程耦合与反馈的机制，需考虑海洋、冰雪覆盖、陆地 表面、地球上生物分布以及大气内部成份和太阳辐射变化等对气候的影响，因 此一个完整的气候系统是由太阳辐射这个主要的能源之外的大气圈、水圈、冰 冻圈、岩石圈和生物圈组成( 张兰生等2 0 0 0 ) 。也就是说，气候的形成和变化 是大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈等诸多子系统相应变化过程在不同 时间和空间尺度上线性和非线性的耦合结果，它不单纯是孤立天气、气候事件 的偶然出现。这反映在当前气候变化上的相当部分是其过去不同时间和空间尺 度上变化的延续( j o u z e le ta 1 1 9 8 7 a ) ，而当前气候变化的相当部分也势必将对其 未来变化特征起制约作用。 4 第一章绪论 预测未来的气候变化，就必须了解现在和过去的气候状况，寻求气候演变 规律和成因机制，科学家们已经认识到研究地球气候环境的历史变化对更好地 理解现在和预测未来是十分重要的。历史气候记录的重建为研究人类对地球气 候变化的影响提供了坚实的自然背景，并帮助我们理解可能发生的气候环境变 化。研究气候的长期变化，对我们预报和有效应对气候变化给人类生活所带来 的一系列不利影响提供了可能性。 人类对历史时期气候和环境演化的认识，很大程度上还是在近几十年以来 通过研究陆地和海洋沉积物中稳定同位素的变化来获得的。在冰盖、冰川区， 通过对冰川上钻取的冰芯中包含的气候环境信息进行分析，能够恢复古气候、 古环境的演化历史。在所有气候环境变化的指标中，冰芯中稳定氧同位素比率 变化是恢复过去气候环境变化的一种最可靠的手段和最有效的途径之一。降水 中的稳定氧( 氢) 同位素是降水时凝结温度的函数( d a n s g a a r d1 9 6 4 ；r o z a n s k ie ta 1 1 9 9 3 ；j o u z e le ta 1 1 9 9 7 ) ，在两极和中高纬度地区降水以锋面系统为主，凝结温 度与地表温度平行变化，因此将它作为古温度可信的代用指标之一，已经成功 地应用于两极地区冰芯的古气候研究中( b a r d1 9 9 9 ) 。气候环境变化不仅具有全 球性，而且也具有区域性。只有对不同纬度、不同区域过去气候环境变化进行 详细研究，才能揭示过去全球变化的全貌。 现代大气降水中稳定同位素的变化研究，对于冰芯中稳定同位素变化规律 研究提供重要的指示意义。在气候变化的研究中，近代观测时期在对气候变化 基本规律的直观认识、对气候变化物理机制的探讨、对气候要素统计规律的分 析以及对气候模式的验证，实际观测数据是十分重要的。如果人类进行的大量 的地球物理实验都能够被充分证明的话，那么我们就有可能深入了解决定天气 和气候过程的本质( o e s c h g e r2 0 0 0 ) 。通过实际观测资料，可以深入研究气候变化 的各个细节，为长时间序列气候要素数据的恢复奠定坚实的理论基础。 氢和氧同位素提供利用自然记录中同位素含量重建过去气候变化所需要的 信息，i a e a w m o 水循环中的同位素项目( i s o h y c ) 着眼于利用同位素的变 化深化对现代气候变化趋势的理解，i s o h y c 中g n i p 项目( g l o b a ln e t w o r k i s o t o p e si np r e c i p i t a t i o n ) 在全球降水中稳定同位素研究中扮演了一个重要的角 色。g n i p 的主要目的是，把气候学家、模型工作者和同位素专业人员的工作联 亚洲季风区降水中同位素变化特征及气候意义 系在一起，建立交叉、多学科( m u l t i d i s c i p l i n a r y ) 的研究方法( o e s c h g e r2 0 0 0 ) ， 以提供更多的研究思路。g n i p 在全球设立t 5 0 0 多个观测站点，大多数集中在 中低纬度地区，由于青藏高原恶劣、复杂的气候条件，在广阔的青藏高原仅仅 设立了拉萨一个站点，而且观测时间较短( 1 9 8 6 - - - 1 9 9 2 年) ，收集时段也不完整， 这对于更细致的青藏高原区域研究来讲，已经远远不能满足研究的需要。在青 藏高原不同地区设立站点进行降水中稳定同位素的长期观测，能够为科学解释 青藏高原不同区域的冰芯稳定同位素变化规律提供坚实的理论基础和重要的启 示。近二十年来，伴随着青藏高原冰芯研究范围的不断扩大，研究程度的不断 深入，研究内容的不断拓展，青藏高原降水中稳定同位素的研究工作也急需进 一步加强。 从上世纪9 0 年代初，我国研究人员在青藏高原建立了若干降水观测点，随 着研究工作的持续进行，从南到北、从东到西逐渐加密观测站点，实施大气降 水样品收集和分析工作( 章新平等1 9 9 5 ；y a oe ta l1 9 9 6 a ；田立德等1 9 9 7 ；田 立德等2 0 0 1 b ；田立德等2 0 0 1 c ) 。通过分析降水样品中稳定同位素，可以帮 助我们更加深入的认识青藏高原大范围地区现代降水中稳定同位素的时空变化 规律，揭示其与水汽来源及气象要素之间的内在关系，反演气候变化历史。 尽管降水中稳定同位素已经得到了广泛地应用，但受到监测站资料时间长 度和空间范围的限制，下列问题仍未解决：1 ) 不同时间尺度降水中稳定同位素 对于天气、气候参数( 如温度、降水、水汽来源、降水时的湿度状况和季风的 强弱等) 的综合响应；2 ) 季节尺度下具有降水量效应的站点在年尺度下是否具 有温度效应；3 ) 降水中稳定同位素比率的空间变化和时间变化的特征。因此， 长期、系统地观测、研究青藏高原降水中稳定同位素变化对于科学地解释冰芯 中稳定同位素变化规律具有重要的指示意义。 1 2 理论基础 1 2 1 同位素分馏效应 同一元素的同位素之间由于核质量的差别，其物理和化学性质存在极微小 的差别，这种性质与核过程和放射性衰变无关。由于这种微小的差别，经物理、 6 第一章绪论 化学或生物过程之后，反应体系的不同部分( 如反应物和产物) 的同位素组成 将发生微小的、但可测量的改变，称为同位素分馏，其程度正比于同位素质量 差。在所有元素中，氢同位素质量的相对差异最大，因此氢同位素分馏也最大， 一般比其他元素的同位素分馏大一个数量级。例如，水在2 0 。c 下的蒸发一凝结 过程中，水与水蒸气之间的氢氧同位素分馏系数分别是：0 【h = 1 0 7 9 ，0 【0 = 1 0 0 9 1 。这表明，与水平衡的水蒸汽比较，d 贫化了约7 9 o ，而1 8 0 仅贫化了 约9 。 在自然界存在一种特殊的体系，在一定物理化学条件下发生物相分离，分 离前不同物相之间保持着热力学平衡并处于封闭体系状态，分离后一相物质不 断离开体系，不再与另一相保持平衡。这种在开放体系中进行的过程称之为瑞 利过程，在瑞利过程中发生的同位素分馏称之为瑞利分馏( r a y l e i g h f r a c t i o n a t i o n ) 。例如在海水蒸发、雨滴从云中不断凝结出来并落下、晶体从溶 液中析出、岩浆去气等过程中，均伴有瑞利分馏。 考察一个两相共存体系a 和b ，在物相分离过程中a 不断地离开体系，b 则保留在体系中。在物相分离前a 与b 处于同位素平衡状态，相分离服从瑞利 过程，因此出现瑞利分馏： i r b = 严舢 ( 1 1 ) 式中r o 为体系a + b 初始同位素比值，r 为经受分离后体系( 相b ) 的同 位素比值，f 为保留在体系中的物相分数，口：为相分离前a 相与b 相之间的瞬 时平衡分馏系数。将同位素比值r 转化为常用的6 标记，即： 咖鲁= 鬻 m 2 ， 将式( 1 - 2 ) 代入式( 1 1 ) 并取自然对数，得到 l n 堕：l n 1 0 0 鬲0 + 8 b ：( 口口a 一1 ) l n 厂( 1 - 3 ) r o1 0 0 0 + 磊 、4。 在自然对数下存在的关系： l n 粉1 0 0 0 姓1 0 0 0 ( 1 q + 艿r 、7 7 亚洲季风区降水中同位素变化特征及气候意义 因此式( 1 - 1 ) 就变成： 8 口= 8 0 + l o o o ( a g - 1 ) l n f ( 1 - 5 ) 以即为残留在体系中某元素的同位素组成。根据质量守恒关系，可得到分 离相a 的同位素组成为： 生：生 r 口1 一f 采用艿标记，则：一= ( 8 0 + 1 0 0 0 ) 0 - f 口) ( 1 - f ) - 1 0 0 0 ( 1 6 ) ( 1 - 7 ) 在上述公式推导中假设分馏系数i x 为常数。实际上，温度会出现一定变化， 0 【也相应改变，此时可以把瑞利过程划分为许多小的阶段处理，每一阶段的0 c 值 近似不变。 1 2 1 1 大气降水的同位素分馏一瑞利分馏 水是由氢和氧两种元素组成的，氢有1 h 、2 h ( d ) 和3 h 三种同位素组成 形式，氧有1 6 0 、1 7 0 和1 8 0 三种同位素组成形式，实际上水是由多种不同同位 素组合形式的水分子组成的。但考虑到不同同位素成分的丰度不同( 如1 6 0 = 9 9 7 7 7 1 - 9 9 7 5 3 9 ，1 7 0 = 0 0 4 0 7 0 0 3 5 0 ，1 8 0 = 0 2 0 8 4 o 1 8 9 7 ) ， 自然水中同位素成分的变化覆盖了很大的范围，总的来说6 d 超过4 0 0 9 6 0 ，8 1 8 0 超过4 0 9 6 0 ，在实际应用中更注重含有2 h ( d ) 和1 8 0 的水分子成分。由于不同 同位素组成的水分子之间存在着物理差异，不同水分子在水的循环过程中表现 出的物理性质也不相同。 那么是什么决定了降水中同位素的变化，又是怎样把它和气候参数联系在 一起的呢? 水分子依赖于质量差别的分馏过程可以帮助我们解决这个问题。水 的同位素分馏由自然界中几个过程驱动，如，生物活动以及与其它资源的交换， 从大气、水文和冰川学的观点来讲最感兴趣的是：h 2 1 6 0 的挥发要比含有重同 位素成分的水快，因此在混合均匀的水里，在冷凝和蒸发过程中都产生了分馏， 尤其是在水发生相变时最为明显。 正是由于不同同位素组成的水分子之间存在以上的差异，使得在水的循环 过程中产生分馏作用。由于h 2 0 1 6 比其它水分子质量轻，在相变过程中的挥发 r 第一章绪论 快、而凝结慢，使不同同位素成分在水的蒸发和凝结过程中产生分馏作用。分 馏的程度取决于分馏过程的温度和反应的速度。在理想的平衡条件下，分馏系 数等于轻稳定同位素成分的水汽压( p ) 和重的稳定同位素成分的水汽压( ) 的 比值。 口= _ p ( 1 8 ) p 、7 其中口为分馏系数。 ( m a j o u b e1 9 7 1 ) 测量了水汽之间h 2 1 6 0 h d l 6 0 和h 2 1 6 0 h 2 1 6 0 h e l 8 0 在0 1 0 0 ( 2 的分馏系数，实验结果可表示为： 对于1 8 0 ，有： i n 口= 学1 0 3 一半_ 2 0 6 6 7 l o 一( 1 - 9 ) 对于2 h ，有： l n a = 丝警1 0 3 一下7 6 2 4 8 5 2 6 1 2 1 0 。 ( 1 1 0 ) 下z 1 其中口为分馏系数，而t 为温度( k 。) - 4 - 4 3 3 2 2 一l 一1 乘4 j 泳汽害5 分f 图1 2 水在凝结过程中剩余水中稳定同位素的变化 f i g u r e1 - 2 v a r i a t i o no fw a t e rs t a b l ei s o t o p ei nr e m a i n i n gw a t e ri nt h e p r o c e s so f c o n d e n s a t i o n 由于产生同位素分馏的过程比较复杂，在这里我们只考虑简单的平衡分馏 过程。平衡分馏是一种理想的状况，假设在一个两相的系统中，没有其它物质 进入，一种最常见的方式就是水汽的凝结过程。瑞利凝结是指在一个由水汽和 液态水组成的两相系统中，水汽和液态水一直处于平衡状态，水汽慢慢凝结， 并且凝结成的水滴马上离开系统而不再与系统中的剩余部分发生同位素交换。 9 亚洲季风区降水中同位索变化特征及气候意义 把瑞利过程进一步简化，假设在水汽凝结过程中气温也不变化，由于重的同位 素成分优先凝结成液滴而离开系统，剩余的水汽中6 也逐渐降低，其结果是随后 形成的凝结物中6 也逐渐降低。这种变化过程可由图1 2 反映出来。 1 2 1 2 非平衡过程一动力分馏 任何分馏因子a 的使用都假设分馏是在平衡的条件下进行的，但是这仅在 反应过程非常慢的情况下才可能出现，因为在相对湿度在1 0 0 的条件下，水的 汽相和液相始终处于一种反应的平衡状态，完成水汽到水滴的相变转换，所以 凝结过程可以简单的看成是瑞利分馏过程，但蒸发情况则相对复杂的多，很多 的观测值都表明在自然界里一些蒸发的不平衡过程导致了一些重要的结果 ( t i a ne ta 1 2 0 0 5 ) 。 由于不同水分子之间分子量的差异和不同水分子重心的改变，分子量不同 的水分子在气体中的扩散系数有所不同。( m e r l i v a t1 9 7 8 ) 用两种不同的方法测量 了不同水分子之间扩散系数的差异。一种情况下，蒸发水汽通过一可以控制的 薄层；另一情况是蒸发的水汽通过一扩散管。实验结果计算的三种水分子在空 气中的扩散系数比值为： d 肋- 6 0 d h ，6 0 = 0 9 7 5 5 + 0 0 0 0 9 ( 1 - 1 1 ) d 嚣，- t d d ：- d = 0 9 7 2 3 o 0 0 0 7 ( 1 - 1 2 ) 扩散系数的不同导致了偏离简单平衡过程的现象，这都可以用同位素不同的反 应速度来解释： v ( h 2 0 1 6 ) v ( h d 0 1 6 ) v ( h 2 0 他) ( 1 1 3 ) 实验表明仅当从很小的水面蒸发且水蒸气非常缓慢的移除情况是在平衡条件下 进行的。 相分离过程是在开放体系中进行的一种动力学非平衡分馏，例如海水蒸发、 水汽冷凝等。然而在相分离过程中，体系中的两物质在分离前的瞬间仍然处于 热力学同位素平衡状态，成为瞬间平衡状态。一旦某一物相离开平衡区域，两 相之间不再发生同位素交换，结果两相物质的同位素组成将随着相分离过程的 1 0 第一章绪论 进行不断发生改变。这样，不仅对于分离出去的物质，而且对于留在体系中的 物质，他们的同位素组成均发生一定规律的变化，具体取决于相分离时的温度、 化学成分和分离物质的数量。对于分离的物相和留在体系内的物相而言，两者 之间的同位素分馏并不处于热力学平衡状态，而是一种动力学非平衡分馏。对 于水体的蒸发而言，蒸发速度限制水一汽的交换，从而限制同位素平衡程度。 蒸发速度的增加能够引起对水汽的动力( 或非平衡) 分馏效应。影响动力分馏 的环境因素有表面气温、风速( 特别是水体表面) 、盐度等，但是最为主要的 还是相对湿度，在相对湿度越低的情况下，水一汽交换就大大受限，动力分馏 作用就增强；湿度越高，蒸发过程中，动力分馏作用就弱，水体的重同位素成 分改变越小。 在水体的蒸发过程中，随着轻的同位素成分优先脱离水面，造成水汽中重 同位素成分相对贫化，而在剩余水中重的同位素成分发生富集，这与凝结( 图 1 - 3 ) 的情况正好相反。这一过程中蒸发水表面的相对湿度( h ) 会影响剩余水 中重同位素的富集程度。在温度不变的情况下，湿度越低，蒸发的动力分馏作 用越强烈，剩余水中的重同位素越富集( 图1 - 3 ) 。 剩余水汽的比例f 图1 - 3 水蒸发过程中相对湿度对同位素分馏的影响 f i g u r el - 3 e f f e c to f r e l a t i v eh u m i d i t yt oi s o t o p ef r a c t i o ni nt h ep r o c e s so f e v a p o r a t i o n 假设在h 保持为o 的情况下，蒸发水汽迅速扩散进入大气中，与水体表面的 洲季风区降水中月也素变化特征a 气候意卫 水汽不发生交换剩余水中的重同位素的富集过程服从瑞利分馏剩余水中重 同位素的组成将呈指数形式升高： r = r ，1 ( 1 - 1 4 ) 其中，r 。是水体初始的稳定同位素比率，r 是当剩余部分水时剩余水