南極科考斷面水汽同位素觀測與模擬及其反映的水循環(huán)信息.docx

第 36 卷 第 6 期2014 年 12 月冰川凍土jounal of glaciology and geocyologyvol 36，no 6 dec ，2014doi: 10 7522 / j issn 1000-0240 2014 0171liu jingfeng，xiao cunde，ding minghu，et al observing and modeling the atmospheric water vapor isotopes in south hemisphere and their implica-tion of water cyclej journal of glaciology and geocryology，2014，36( 6) : 1440 1449 柳景峰，效存德，丁明虎，等 南極科考斷面水汽 同位素觀測與模擬及其反映的水循環(huán)信息j 冰川凍土，2014，36( 6) : 1440 1449南極科考斷面水汽同位素觀測與模擬 及其反映的水循環(huán)信息柳景峰1，4 ，效存德1，2 ，丁明虎2，1 ，butzin martin3 ，任賈文1( 1 中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000; 2 中國氣象科學(xué)研究院 北京 100081;3 alfred wegener institute for polar and marine esearch，bremerhaven 27568，germany; 4 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)摘 要: 大氣水汽同位素實(shí)時(shí)監(jiān)測為水循環(huán)和區(qū)域大氣環(huán)流分析提供了新的定量化方法 依托雪龍?zhí)?考察船，利用水同位素激光光譜儀( picao l1102-i) 完成了 38 n 69 s 海表大氣水汽氫氧穩(wěn)定同 位素的觀測，結(jié)合表層海水和 gnip 降水同位素分析了多相水同位素緯向特征 結(jié)果表明: 水汽、降水 和表層海水同位素比率( 18 o，d) 隨緯度呈明顯的遞變性規(guī)律，赤道最低，副熱帶升高，而在南極大 陸外圍高緯區(qū)域則急劇降低; 過量氘( d-excess) 變化與此相反，反映出副熱帶下沉氣流對同位素富集影 響以及高緯度極地氣團(tuán)經(jīng)過洋面時(shí)過飽和分餾的劇烈變化 實(shí) 測 水 汽 同 位 素 與 lmdz4-iso 和 echam 5-w iso 模型對比表明了模擬結(jié)果較好，根據(jù)模擬進(jìn)一步分析了南極內(nèi)陸 dome a 水汽同位素反 映的水汽源區(qū) 結(jié)果顯示，除了中緯度印度洋海區(qū)之外，中低緯東太平洋海域也是冰蓋內(nèi)陸的重要水 汽源區(qū)關(guān)鍵詞: 大氣水汽同位素; 過量氘; 水汽傳輸; dome a中圖分類號: p426 61 + 2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: a 文章編號: 1000-0240( 2014) 06-1440-100引言16不同組合形式的水同位素分子( h218o，hdo，雨季) 和天氣( 如晴天) 的影響，也不受地域環(huán)境如 干旱、寒冷區(qū)域的限制，具有全時(shí)域和全空域觀測 的優(yōu) 點(diǎn)，同時(shí)避免了降水采樣中的部分信息失 9h2 o) 在相態(tài)轉(zhuǎn)化過程中會(huì)發(fā)生不同的分餾作用， 能夠反映水體運(yùn)移及水相轉(zhuǎn)化過程中的水汽交換傳 輸?shù)却髿馕锢硖卣?，所以，被?dāng)作氣候信息指標(biāo)廣 泛應(yīng)用于古氣候重建和當(dāng)前水循環(huán)研究中 例如，利用冰芯和石筍中同位素組成重建古氣溫和降水 率1 2，分析和模擬大氣水循環(huán)以及大氣環(huán)流特征 等3 8 在當(dāng)前水循環(huán)研究中，同位素觀測主要集 中于固態(tài)和液態(tài)降水，用于分析區(qū)域環(huán)流和水汽傳 輸 與液態(tài)水相比，水汽在水循環(huán)中參與環(huán)節(jié)更 多，大氣水汽同位素可以提供比降水同位素更豐富 的信息，能更直接全面地反映水循環(huán)過程中同位素 轉(zhuǎn)化機(jī)制 水汽穩(wěn)定同位素的觀測不受季節(jié)( 如非真 ，是定量化研究水循環(huán)的理想指標(biāo) 但水汽同位素觀測相對降水而言較為復(fù)雜，觀測數(shù)據(jù)也很有 限，主要原因是傳統(tǒng)觀測方法無法滿足高時(shí)空分辨 率水汽同位素的實(shí)時(shí)觀測 最近發(fā)展的激光光譜儀 使得野外水汽同位素的實(shí)時(shí)觀測成為了可能，并且 得到快速應(yīng)用，取得了較好的觀測結(jié)果水同位素作為反映區(qū)域及全球尺度水循環(huán)的重 要指標(biāo)，一般需要進(jìn)行較大空間尺度或較長時(shí)間的 采樣觀測，才能清晰反映水循環(huán)及環(huán)流信息，而較 大緯度斷面的水汽同位素觀測才可能反映全球尺度 環(huán)流的基本特征以及同位素變化規(guī)律 基于以上原 因，本研究利用附加數(shù)據(jù)校正系統(tǒng)的激光光譜儀 收稿日期: 2014-06-19; 修訂日期: 2014-10-03基金項(xiàng)目: 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃( 973 計(jì)劃) 項(xiàng)目( 2013cba01804) ; 國家杰出青年基金項(xiàng)目( 41425003 ) ; 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目( 41206179) ; 國家海洋局極地科學(xué)考察專項(xiàng)項(xiàng)目( chinae2014-02-02) 資助作者簡介: 柳景峰( 1984 ) ，男，甘肅莊浪人，2009 年在西北師范大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為在讀博士研究生，主要從事極地冰凍圈研究 e-mail: liujingfeng7732 126 com6 期柳景峰等: 南極科考斷面水汽同位素觀測與模擬及其反映的水循環(huán)信息1441( picao l1102-i) ，借助南極科考的機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)觀 測了 38 n 69 s 的海洋表面水汽同位素信息，同 時(shí)采集了表層海水進(jìn)行同位素分析，結(jié)合 gnip 降 水?dāng)?shù)據(jù)綜合分析半球尺度多相水體同位素變化規(guī) 律，來揭示大尺度環(huán)流背景下水體同位素的基本特 征 同時(shí)，借助目前較為成熟的同位素環(huán)流模型 ( iso -gcm ) ，進(jìn)一步分析了高緯度南極內(nèi)陸的水汽 同位素反映的水汽傳輸及來源，從水汽同位素的角 度分析了南半球的水循環(huán)特征1 數(shù)據(jù)和方法1 1 水汽同位素實(shí)時(shí)觀測方法大氣水汽同位素傳統(tǒng)的觀測方法為現(xiàn)場冷凝采 集，然后在室內(nèi)用質(zhì)譜儀測試，但是這種方法不能 滿足野外大范圍的水汽同位素實(shí)時(shí)觀測 傳統(tǒng)冷凝 方法的最大缺陷是不能實(shí)施高時(shí)間分辨率的實(shí)時(shí)觀 測，而且需要大量的后勤準(zhǔn)備和繁重的野外工作盡管激光光譜儀在國際上尚處于應(yīng)用探索階 段，但已經(jīng)有了很好的應(yīng)用 同質(zhì)譜儀相比，光譜 儀有其明顯的優(yōu)勢: 1 ) 體積小便于移動(dòng); 2 ) 無需 輔助設(shè)施可以對 18 o、d 進(jìn)行同時(shí)觀測; 3) 相對 低廉 的 價(jià) 格; 4 ) 足 夠 的 精 度: 18 o 0 07 ， d 0 0210; 而且操作簡單 其中，picao l1102-i 分析儀是利用激光衰蕩吸收光譜( cds) 來確定氫氧穩(wěn)定同位素比率的儀器11 該 儀 器 的 測量值依賴于水汽濃度，所以，必須確定水汽標(biāo) 準(zhǔn)進(jìn)氣量 另外，受到電壓變化和系統(tǒng)自身的影 響，連續(xù)測試時(shí)會(huì)表現(xiàn)出隨時(shí) 間變化的漂移誤 差 因 此，我 們自己設(shè)計(jì)了校正系統(tǒng) ( 專 利 號201210062160 x) ，對該儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)校正 校正 系統(tǒng)主要包括空氣干燥、流量控制和標(biāo)樣輸入 3 部 分( 圖 1) 所有的原始觀測數(shù)據(jù)必須根據(jù)標(biāo)樣校正系統(tǒng)進(jìn) 行數(shù)據(jù)的校正和誤差評估 數(shù)據(jù)校正主要分以下三 步: 濕度校正、標(biāo)樣校正和誤差修正12在實(shí)地觀測時(shí)，每一臺(tái)光譜儀都需要確定其觀 測結(jié)果對水汽濃度的響應(yīng)方程 如果沒有濕度校 正，水汽含量的大范圍波動(dòng)則會(huì)造成同位素觀測結(jié) 果的波動(dòng)，濕度校正需測試不同濕度狀態(tài)下同一標(biāo) 樣的同位素測值13 所以，在海表實(shí)地觀測的前 后，對其標(biāo)樣都進(jìn)行了測試，得到了穩(wěn)定的濕度響 應(yīng)校正方程( 圖 2) 本文中根據(jù)測試的穩(wěn)定性，確 定 19 000 ml m3 為校正參考絕對濕度，即按式 ( 1) 原理進(jìn)行濕度校正，具體修正公式如圖 2 中所 示 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行標(biāo)樣測定的誤差校正，按式 ( 2) 和式( 3) 分別得到了 18 o 和 d 濕度校正方程， 最后，計(jì)算按式( 4) 進(jìn)行誤差評估觀測值 濕度校正 = f( w實(shí)測 19000)( 1)18 o濕度校正 = 18 o觀測值 0 4753 ln( | w 實(shí)測 + 1000 | ) + 5 27( 2)d濕度校正 = d觀測值 0 0005( | w 實(shí)測 + 19000 | ) + 0 3269( 3)誤差 = 1 / n( 濕度校正標(biāo)準(zhǔn)值 標(biāo)樣值 )( 4) 式中: 觀測值 為水汽同位素原始觀測值; 濕度校正 為同 位素濕度校正后的 值; w實(shí)測 為 實(shí) 測 水 汽 濕 度; 濕度校正標(biāo)樣值 為標(biāo)樣經(jīng)濕度校正后值; 標(biāo)樣值 為標(biāo)樣 值 經(jīng)以上修正后得到的水汽同位素 18 o 和 d圖 1picao 改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖fig 1schematic of the picao vapor isotope observation and adjustment system1442冰川凍土36 卷圖 2不同水汽濕度條件下的同位素-濕度響應(yīng)校正方程fig 2humidity-isotope response calibration functions at different levels of humidity-vapor volume圖 3大氣水汽同位素監(jiān)測路線以及選取的 ieae gnip 降水觀測點(diǎn)的分布fig 3map showing the atmosphere water vapor observation route and ieae precipitation sampling sites最終修正方法如式( 5) 和( 6) :了防護(hù)處理，室內(nèi)溫度控制在約 20 25 范圍內(nèi)，18 o濕度校正= 0 9842( 18 o觀測值 0 4753因此，可以忽略環(huán)境溫度對觀測的影響 沿途所測ln( | w 實(shí)測 + 1000 | ) + 5 27) + 0 457( 5)d濕度校正 = 1 0072( d觀測值 0 0005( | w 實(shí)測 + 19000 | )+ 0 3269) + 10 679( 6)最后，通過計(jì)算該修正方法的標(biāo)準(zhǔn)偏差來評估 校正 的 誤 差，18 o 和 d 的 標(biāo) 準(zhǔn) 偏 差 分 別 為 0 0986 和 0 6402上述整套儀器架設(shè)在第 28 次南極科考時(shí)的極 地科考破冰船( 雪龍?zhí)? 上，置于五層氣象觀測室 內(nèi)，外接管路連通室外待測氣體 進(jìn)氣口如圖 1 做數(shù)據(jù)從 38 n( 中國天津) 至 69 s( 南極中山站外圍 約 10 km) ，采集數(shù)據(jù)斷面如圖 3 所示1 2表層海水采樣及 gnip 降水?dāng)?shù)據(jù)在觀測斷面沿線，每天按時(shí)間平均取表層海水 樣品 4 次( 每 6 h 取樣 1 次) ，取樣后置于科考船實(shí) 驗(yàn)室 5 冷藏庫中，帶回國內(nèi)中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū) 環(huán)境與工程研究所冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，使 用 mat -253 質(zhì)譜儀進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表 16 期柳景峰等: 南極科考斷面水汽同位素觀測與模擬及其反映的水循環(huán)信息1443表 1水汽同位素觀測期間同步表層海水采樣點(diǎn)及觀測結(jié)果table 1the surface sea water sampling sites and isotope data緯度經(jīng)度18 o /d /緯度經(jīng)度18 o /d /413 80n12419 20e1 05 4 272121 00s11322 80e0 040 6039 00n12233 00e0 75 2 182231 20s11315 00e0 390 8431 20n12226 40e0 28 0 212521 60s11228 80e0 41 27348 00n12121 60e0 56 2 372631 20s1136 00e0 752 07115 60n1206 00e0 76 1 563026 40s11429 40e0 961 48016 80n11919 20e0 63 1 10321 20s11524 00e0 603 53030 60s1194 20e0 35 1 433827 60s11123 40e 0 08 0 3929 00s11827 00e0 29 1 52404 80s11122 80e0 16 1 09325 20s1186 60e 0 13 3 704915 00s10625 20e 0 66 6 91510 20s1178 40e0 35 0 635027 60s1065 40e0 35 2 57618 60s11621 60e0 95 0 115617 40s10434 80e 0 43 5 73733 60s1160 60e0 630 33576 60s10427 60e 0 83 6 90923 40s11519 80e0 21 1 505922 80s10334 20e 0 39 4 90117 80s11511 40e0 880 576031 20s10027 00e0 92 1 381219 20s1154 20e0 44 1 636021 00s1001 20e0 30 3 77149 60s11429 40e1 13 0 316025 20s826 00e 0 26 5 201526 40s11421 60e1 030 986123 40s809 00e0 11 5 05177 80s11412 60e1 882 376330 60s7715 00e0 07 4 901818 00s1145 40e0 420 686612 60s771 20e0 00 4 15由于沿途降水頻率較低，所以，利用觀測沿線 國際原子能機(jī)構(gòu)降水同位素觀測網(wǎng)絡(luò)( gnip) 中站 點(diǎn)的長期平均降水同位素 18 o 和 d 來進(jìn)行緯向 對比分析 選取的站點(diǎn)盡可能靠近觀測海域，其中 南大洋觀測站點(diǎn)較少，所以數(shù)據(jù)較為稀缺; 而極地 周邊的降水?dāng)?shù)據(jù)則選取南極半島附近有降水同位素 觀測的站點(diǎn) 所選取的 gnip 網(wǎng)絡(luò)中降水同位素觀 測站點(diǎn)如圖 3 所示1 3同位素環(huán)流模型( lmdz4-iso 和 echam5-wiso)為結(jié)合水汽同位素觀測分析南半球高緯度的水 汽傳輸，本文嘗試借助同位素大氣環(huán)流模型對實(shí)測 的站點(diǎn)進(jìn)行模擬對比，進(jìn)而借助模型模擬南極內(nèi)陸 水汽同位素長時(shí)間序列來分析南極內(nèi)陸的水汽源區(qū) 及水汽傳輸 因此，選用了兩個(gè)目前較為成熟的大 氣環(huán)流模型 lmdz4-iso 和 echam5-w iso，與實(shí)測 值進(jìn)行對比并模擬內(nèi)陸的水汽同位素 18 o 和 d17同位素環(huán)流模型是在大氣環(huán)流模型基礎(chǔ)上加入 水汽同位素分餾的計(jì)算模塊，也就是模型中跟水相 變有關(guān)的物理過程必須同時(shí) 考慮同位素水分子 化 lmdz4-iso 是由法國國家科學(xué)院( cns) 氣候 與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)室在 lmdz4 模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而 來14 15，lm dz4 模型的動(dòng)力方程是以經(jīng)緯度網(wǎng)格 點(diǎn)來離散化處理，正常的分辨率為 2 5 3 74， 垂直分 19 層 需要說明的是，該模型針對南極內(nèi)陸 水循環(huán)中同位素分餾相關(guān)參數(shù)做了優(yōu)化16 選用 這一模型還因?yàn)槠淠M結(jié)果可以捕捉到日尺度的天 氣特征，而且較好模擬了格陵蘭冰蓋 neem 冰芯 的年際波動(dòng)特征echam5-w iso 模型具有較高的時(shí)間和空間分 辨率，是由德國不萊梅魏格納極地與海洋研究所 ( awi) 在 echam5 大氣環(huán)流模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而 來17 echam5 是由漢堡 max -planck 氣象研究所 與歐洲中期氣象預(yù)報(bào)中心( ecmwf) 合作開發(fā)的大 氣-海洋耦合的大氣環(huán)流模式改進(jìn)版本，用通量形 式的半拉格朗日傳輸模式來處理正定變量如水體組 成和化學(xué)示蹤劑等18 云水和云冰是獨(dú)立的診斷 預(yù)測方程19，而且改進(jìn)了云的微物理模式20 海 洋表面水體蒸發(fā)的同位素分餾用 hoffmann 模式模18( h2o，hdo，h2o) 分餾轉(zhuǎn)化過程并進(jìn)行參數(shù) 擬21，包含了平衡分餾和動(dòng)力分餾 其水平和垂直1444冰川凍土36 卷分辨率也擴(kuò)展為多種，本研究選用水平 1 87 分辨 率，垂直 31 層，時(shí)間步長 6 h t63 進(jìn)行模擬2 結(jié)果分析與討論2 1 水汽表層海水降水同位素緯向變化特征根據(jù)水汽同位素 18 o 和 d 的實(shí)測修正結(jié)果， 結(jié)合表層海水同位素測值以及 gnip 降水同位素?cái)?shù) 據(jù)，對比分析了三者在南半球的緯向變化特征( 圖 4) 可 以 看 出，在觀測的緯度范圍內(nèi) ( 38 n 69 s) ，三者 18 o 和 d 的遞變規(guī)律呈現(xiàn)出一致 性，即副熱帶區(qū)域最高，赤道相對副熱帶 18 o 和 d 均較低; 從副熱帶向高緯區(qū)延伸，水汽、降水和 表層海水的同位素 18 o 和 d 均逐漸貧化降低，在 全球尺度上呈馬鞍形分布 海水同位素的緯向變化 與水汽和降水類似，但 60 s 以南有明顯的升高特 點(diǎn)，這可能與海冰表面的升華過程有關(guān) 而水汽同 位素對應(yīng)的過量氘( d-excess，定義為 d 818 o) 則 在高緯度南極周邊明顯升高水汽 18 o、d、過量氘以及降水和表層海水同 位素隨緯度的這種遞變規(guī)律，從同期的大氣環(huán)流背 景分析可以看出同位素反映的環(huán)流信息 圖 5 為觀 測海區(qū)相應(yīng)時(shí)段( 2011 年 11 月 3 29 日) 近地表風(fēng) 速風(fēng)向和相對濕度狀況，顯示赤道和副熱帶近地表 風(fēng)速較低，而高緯極地周邊風(fēng)速強(qiáng)烈，并且氣團(tuán)源 自極地冰蓋 為了進(jìn)一步分析影響水汽同位素以及 過量氘的因素，利用 noaa / ncep 再分析資料做 hysplit 模型的 48 h 后向模擬( 圖 6 ) 后向軌跡 分析顯示，不同緯度的氣團(tuán)運(yùn)行在水平和垂直方向 上明顯受大尺度環(huán)流的影響 其中，低緯赤道下沉 氣流對應(yīng)較高的氫氧同位素比率和較低的過量氘， 這可能是因?yàn)殡S著氣流的下沉，水汽壓逐漸增大造 成 d 較18 o進(jìn)行更大程度的分餾 海表邊界層氣團(tuán) 多源自洋面或海洋上空，但南極大陸邊緣海區(qū)的氣 團(tuán)則源自極地大陸內(nèi)部，同時(shí)顯示較高的過量氘， 說明極地冷氣團(tuán)在經(jīng)過相對溫暖的開放洋面時(shí)源自 海表的強(qiáng)烈蒸發(fā)引起了動(dòng)力分餾 這一現(xiàn)象在北極圖 4 水汽-表層海水-降水同位素緯向變化fig 4 zonal variations of 18 o ( a) and d ( b)圖 5研究區(qū)( 50 n 80 s，50 150 e) 觀測時(shí)段內(nèi)( a) 風(fēng)速和風(fēng)向( ms 1 ) 和( b) 相對濕度( % )fig 5spatial distributions of wind speed and wind direction ( a) and relative humidity ( b) ，averaged from 3 29 nov ，20116 期柳景峰等: 南極科考斷面水汽同位素觀測與模擬及其反映的水循環(huán)信息1445圖 6水汽同位素 18 o 和 d 觀測副熱帶高值區(qū)以及高緯度顯著變化區(qū)地表 50 m 高 48 h 的三維后向軌跡fig 6three dimensional backward trajectories of air masses from sampling sites of different latitudes ( totally 10 different trajectories presented with different color，starting at 50 m a s l ，back trajectory for 48 hrs )附近年際降水觀測中也有反映22 由于源自南極 內(nèi)陸的極干冷氣團(tuán)越過相對溫暖的開放水體表面 時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，這一物理過程引起的 動(dòng)力分餾非常明顯，造成水汽中較高的過量氘 因 此，環(huán)流背景分析證明，副熱帶下沉氣流的過飽和 水汽形成了 18 o 和 d 的相對高值區(qū)，而源自高緯 度冰蓋的干冷氣團(tuán)經(jīng)過開闊溫暖水面時(shí)的動(dòng)力分餾 則造成過量氘的異常升高2 2 同位素模型與實(shí)測結(jié)果的對比分析將實(shí)測水汽同位素 18 o 和 d 以及過量氘與 lmdz4-iso 和 echam5-w iso 模型模擬結(jié)果進(jìn)行了 對比分析，利用這兩個(gè)大氣環(huán)流模型分別模擬了同期觀測點(diǎn)的日均水汽同位素 d 和 18 o 以及過量 氘 圖 7 為二者過量氘的模擬結(jié)果，圖 8 給出了二 者模擬的結(jié)果以及與實(shí)測數(shù)據(jù)的誤差比較 總體來 說，lm dz4-iso 和 echam5-w iso 模 擬 結(jié) 果 均 較 好的 反映了大尺度水汽同位素的 18 o、d 和 d-excess，與實(shí)地觀測變化趨勢吻合，但兩個(gè)模型在 南極洲邊緣均低估了水汽同位素比率 lmdz4-iso 模型 在 低 緯 比 echam5-w iso 更 接 近 實(shí) 測 值，而 echam5-w iso 模型在高緯度尤其是南極大陸邊緣 區(qū)域的模擬結(jié)果更接近實(shí)測值，也模擬出了高緯極 地邊緣 區(qū) 水 汽同位素含量的突變信息 ( 圖 5 和 圖 6) 1446冰川凍土36 卷圖 7lmdz4-iso 和 echam5-w iso 模擬的觀測海域海表水汽同位素過量氘fig 7spatial distributions of d-excess above sea surface，simulated with lmdz4-iso gcm ( a) and echam5-w iso gcm ( b)圖 8lmdz4-iso、echam5-w iso 模擬與實(shí)測水汽18 o 和 d 及過量氘的緯向比較fig 8zonal variations of 18 o，d and d-excess，measured and lmdz4-iso and echam5-w iso simulated為進(jìn)一步明確影響模擬結(jié)果的各模型參數(shù)的特 征，對兩模型中涉及同位素分餾的濕度( 2 m specific humidity) 、海 表溫度以及風(fēng)速 ( 10 m zonal wind speed) 等信息做了對比 兩模型中用于模擬同位素 的分餾的這些參數(shù)基本一 致，差別較大的是在 30 50 s 之間，lm dz4-iso 模型中的 10 m 緯向 風(fēng)速 相 對 echam5-w iso 模 型 更 高， 二 者 相 差 10 ms 1 左右; 而兩模型中濕度和海表溫度差別 較小 作為水面蒸發(fā)同位素分餾的重要影響因素， 風(fēng)速差別可能是造成二者在高緯度區(qū)域過量氘差異較大的原因之一2 3基于模型的極地水汽來源分析綜合上述結(jié)果，借助 echam5-w iso 模型進(jìn)一 步模擬了 dome a 區(qū)域 1960 2013 年的地表水汽 18 o、d 以及過量氘，以期從水汽同位素的角度認(rèn) 識(shí) dome a 的水汽來源 關(guān)于南極內(nèi)陸冰蓋的水汽 來源，已有研究認(rèn)識(shí)并不一致 ciais 等23 通過模 型檢驗(yàn)了安德烈地與南極點(diǎn)雪樣中過量氘與 d 之 間的 關(guān) 系，認(rèn)為內(nèi)陸地區(qū)現(xiàn)代降水主要來源于 20 40 s 的大洋表面; james24 和 king 等25 通 過模擬認(rèn)為中低緯地帶的氣團(tuán)能在高空穿過南極繞 級波影響內(nèi)陸地區(qū)，而冰蓋近岸地帶只受沿岸海域 影響; connolley 等26 和 delaygue 等27 根據(jù)觀測 與模擬數(shù)據(jù)認(rèn)為，盡管有南極繞級波影響，但南極 冰蓋的降水主要受固定經(jīng)度范圍內(nèi)海域的影響; 從 近岸向內(nèi)陸行進(jìn)，源區(qū)則從高緯向低緯轉(zhuǎn)移，同時(shí) 源區(qū)的可能范圍增 大 sodemann 等28 和 wang 等29基于改進(jìn)的拉格朗日方法認(rèn)為南極冰蓋內(nèi)陸 的水汽主要源于 40 45 s，其中，dome a 主要 源自 45 s 印度洋海表 丁明虎等30使用 mcim 模 型檢驗(yàn)得出了研究斷面不同地區(qū)水汽源區(qū)的分界 線，以 1 900 m 和 2 850 m 兩個(gè)海拔作為拐點(diǎn)，認(rèn) 為在南半球夏季 1 2 月份，近岸地帶( 0 185 km) 主要受來自于近岸海域即普里茲灣的氣團(tuán)控制; 而 內(nèi)陸地帶( 185 830 km) 的水汽來源于印度洋西部 中低緯地帶( 20 40 s) ，高海拔冰穹地區(qū)( 830 1 248 km) 的水汽來源則非常廣泛，可變性很高，很6 期柳景峰等: 南極科考斷面水汽同位素觀測與模擬及其反映的水循環(huán)信息( a) 和( b) 為 10 月和 12 月過量氘與海表濕度的相關(guān)性; ( c) 和( d) 為 11 月和 12 月降水量與海表濕度的相關(guān)性圖 9dome a 過量氘和降水量與海表濕度的相關(guān)性fig 9correlations between dome a d-excess accumulation rate and precipitation ( accumation ration) with south ocean surface relative humidity1447難確定該處水汽的來源本文借助 echam5-w iso 模擬了 dome a 區(qū)域 1960 2013 年的逐月地表水汽 18 o、d 以及過量 氘?dāng)?shù)據(jù)，與 荷 蘭 皇 家 氣 象 學(xué) 會(huì) ( knmi) ( http: / / climexp knmi nl / ) 的長序列南半球海表水汽、海溫 等做了相關(guān)分析，分析模擬結(jié)果與逐月海表濕度， 海表溫度以及水汽通量的關(guān)系 結(jié)果反映，過量氘 及降水量( 積累率) 與南半球海表水汽濕度有很好 的相關(guān)性，而與海表的溫度關(guān)系并不明顯 由于過 量氘能較好的反映水汽源區(qū)，所以結(jié)合降水量與過 量氘，從水汽同位素角度分析極地內(nèi)陸的水汽 來源圖 9 為主降水月( 10 12 月) 29，31過量氘與南 半球海表濕度的空間相關(guān)性以及降水量( 積累率) 與海表濕度的相關(guān)性 從過量氘的相關(guān)性可以看 出，dome a 水汽來源與南半球中低緯度海表水汽 濕度全年呈反相關(guān)，而這也與過量氘與濕度在理論 上呈反相關(guān)一致16 其中，相關(guān)性最強(qiáng)的區(qū)域除印 度洋中緯度之外，還有太平洋低緯區(qū)域即赤道東太 平洋 水汽同位素過量氘與南半球逐月海表溫度呈正相關(guān)，總體來說海表溫度與過量氘的相關(guān)性并不 明顯 過量氘和積累率數(shù)據(jù)共同表明除了中緯度大 西洋和印度洋外，低緯度太平洋也是很重要的水汽 源區(qū) 這與以前基于其他方法研究得出的結(jié)果有所 不同，即除了中緯度海域外，低緯東太平洋也可能 是南極內(nèi)陸的水汽源區(qū) 盡管這一結(jié)果需要進(jìn)一步 確認(rèn)，但水汽同位素在反映水汽傳輸方面的優(yōu)勢提 供了認(rèn)識(shí)這一問題的不同視角 同時(shí)，需要指出的 是水汽過量氘與南極大陸及邊緣區(qū)的地表溫度呈正 相關(guān)，這也為 dome a 區(qū)域水汽來源的復(fù)雜和多源 性提供了線索，即南極冰蓋邊緣隨溫度變化與內(nèi)陸 的水汽傳輸可能有關(guān)聯(lián)，這種觀點(diǎn)仍需要進(jìn)一步 研究3 結(jié)論通過附加的水汽同位素校正裝置，實(shí)時(shí)觀測了 大尺度海表水汽同位素 18 o 和 d，并與同位素模 型 lmdz4-iso 和 echam5-w iso 結(jié)果進(jìn)行對比，進(jìn) 一步借助模型模擬的南極內(nèi)陸水汽同位素進(jìn)行了水 汽源區(qū)的分析，得出以下主要結(jié)論:1448冰川凍土36 卷( 1) 大氣水汽 18 o 和 d 的實(shí)測結(jié)果、表層海 水的測值和 gnip 降水同位素結(jié)果顯示，在觀測的 緯度范圍內(nèi)，三者 18 o 和 d 的遞變規(guī)律呈現(xiàn)一致 性，即副熱帶區(qū)域最高，赤道相對副熱帶先對較 低; 從副熱帶向高緯區(qū)延伸，水汽、降水和表層海 水的的同位素 18 o 和 d 均降低 海水氘同位素的 緯向變化與水汽和降水類似，并且海水同位素18 o 和 d 在 60 s 以南有明顯的升高特點(diǎn)( 2) lmdz4-iso 和 echam5-w iso 模擬結(jié)果與 實(shí)地觀測的水汽 18 o、d 和過量氘變化趨勢吻合 較好，但兩個(gè)模型在南極洲邊緣均低估了水汽同位 素比率 lmdz4-iso 模型在低緯比 echam5-w iso 更接近實(shí)測值，而 echam5-w iso 模型在高緯度尤 其是南極大陸邊緣區(qū)域的模擬結(jié)果更接近實(shí)測值( 3) 基于 echam5-w iso 模擬結(jié)果的 dome a 水汽源區(qū)分析表明，除了大西洋和印度洋外，中低 緯度赤道東太平洋也是重要的水汽源區(qū)參考文獻(xiàn)( eferences) :1 dansgaard w the abundance of o18 in atmospheric water and water vapourj tellus，1953，5( 4) : 461 4692 jouzel j water stable isotopes: atmospheric composition and applications in polar ice core studiesm/ / treatise on geochem- istry: vol 4 amsterdam，the netherlands: elsevier，2003: 213 2433 noone d，galew sky j，sharp z d，et al properties of air massmixing and humidity in the subtropics from measurements of the d / h isotope ratio of water vapor at the mauna loa observatoryj journal of geophysical esearch: atmospheres，2011，116( d22) doi: 10 1029 /2011jd0157734 sturm c，zhang qiong，noone d an introduction to stable wa- ter isotopes in climate models: benefits of forward proxy model- ling for paleoclimatologyj climate of the past，2010，6( 1) : 115 1295 he yuanqi，pang hongxi，lu aigang，et al spatial and tempo-ral variations of the stable isotopes in snowpacks and glacial run- off in different types of glacier areas in chinaj journal of glaciology and geocryology，2006，28( 1) : 22 28 何元慶， 龐洪喜，盧愛剛，等 中國西部不同類型冰川區(qū)積雪及其融 水徑流中穩(wěn)定同位素比率的時(shí)空變化及其氣候效應(yīng)j 冰 川凍土，2006，28( 1) : 22 286 wu jingkui，ding yongjian，wang genxu，et al advance onapplication of isotopic techniques in water sciences in cold and ar- id regionsj journal of glaciology and geocryology，2004， 26 ( 4) : 509 516 吳錦奎，丁永建，王根緒，等 同位素技 術(shù)在寒旱區(qū)水科學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展j 冰川凍土，2004，26 ( 4) : 509 5167 yu wusheng，yao tandong，tian lide，et al isotopic compo-sition of atmospheric water vapor before and after the monsoons end in the nagqu iver basinj chinese science bulletin， 2005，50 ( 23) : 2755 2760 余武生，姚檀棟，田立德，等 那曲河流域季風(fēng)結(jié)束前后大氣水汽中 18 o 變化特征j 科 學(xué)通報(bào)，2006，51 ( 2) : 194 1998 zhang xinping，sun zhian，guan huade，et al gcm simula- tion of stable water isotope in water cyele and intercomparisons o- ver east asiaj journal of glaciology and geocryology，2012，33 ( 6) : 1274 1285 章新平，孫治安，關(guān)華德，等 東亞水循環(huán)中水穩(wěn)定同位素的 gcm 模擬和相互比較j 冰 川凍土，2012，33 ( 6) : 1274 12859 bolin b on the use of tritium as a tracer for water in nature stockholm，sweden: international meteorological instti- tute，195910 gu weizu isotopic hydrologym beijing: science press， 2011 顧慰 祖 同 位 素 水 文 學(xué)m 北 京: 科 學(xué) 出 版 社，201111 crosson e ，icci k n，ichman b a，et al stable isotope ra-tios using cavity ring-dow n spectroscopy: determination of 13c / 12c for carbon dioxide in human breathj analytical chemis- try，2002，74 ( 9) : 2003 200712 liu jingfeng，xiao cunde，ding minghu，et al variations instable hydrogen and oxygen isotopes in atmospheric water vapor in the marine boundary layer across a wide latitude rangej journal of environmental sciences，2014，26 ( 11 ) : 2266 227613 steen-larsen h，johnsen s j，masson-delmotte v，et al con-tinuous monitoring of summer surface water vapor isotopic com- position above the greenland ice sheetj atmospheric chem- istry and physics，2013，13 ( 9) : 4815 482814 isi c，bony s，vimeux f，et al understanding the sahelianwater budget through the isotopic composition of water vapor and precipitationj journal of geophysical esearch: atmos- pheres，2010，115 ( d24) doi: 10 1029 /2010jd01469015 isi c，bony s，vimeux f，et al water-stable isotopes in thelmdz4 general circulation model: model evaluation for present- day and past climates and applications to climatic interpretations of tropical isotopic recordsj journal of geophysical e- search: atmospheres， 2010， 115 ( d12 ) doi: 10 1029 / 2009jd01325516 jouzel j，m erlivat l deuterium and oxygen 18 in precipitation: modeling of the isotopic effects during snow formationj jour- nal of geophysical esearch: atmospheres，1984，89 ( d7 ) : 11749 1175717 werner m ，langebroek p m ，carlsen t，et al stable water iso-topes in the echam5 general circulation model: toward high- resolution isotope modeling on a global scalej journal of ge- ophysical esearch: atmospheres，2011，116 ( d15 ) doi: 10 1029 /2011jd01568118 l