重庆大气降水中氢氧同位素变化及与ENSO事件的响应机制探究

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目前全球气候与环境变化及其应对措施已经逐渐变为全球瞩目的重大社会问题,联合国政府间的气候变化专委会第五次评价(IPCC-AR5)第一工作组报告指出,全球气候系统变暖已经毋庸置疑,在北半球地区的过去1400年中,最近30年的气温可能达到最暖。在气候变暖影响下,大气环流背景正出现一系列耦合性变化,同时体现在气候系统的变化还有:温室气体排放增多、温度升高、积雪融化、海平面上升、全球水体循环变化、极端气候事件和极端冷暖事件增多等方面,均已深刻危及人类生存和发展。厄尔尼诺-南方涛动现象(ENSO)是影响赤道地区气候环境年际变化的主导因素,并且对全球气候及环境变化具有重要的影响。作为记录和重建古气候变化的重要示踪信息——稳定同位素信息,具有携带信息体种类丰富、受噪音干扰小、对气候和环境变化响应敏感等特点而受到众多学者的广泛关注。通过不同尺度现代大气降水数据的持续监测,解译区域降水同位素变化特征,追踪水汽来源及响应大尺度环流变化,可以完善全球及区域尺度大气降水稳定同位素信息库。更好地为全球气候环境变化背景下,人类生存与社会发展过程中如何应对极端气候事件的影响提供科学的理论基础和决策依据,为水文学和古气候学领域研究和发展奠定了实践基础。本研究以重庆市西南大学为监测点,以降水中稳定氢氧同位素为主要监测对象,对研究区大气场降水进行了15个月(2015年4月2016年9月)的现代指标连续监测,并于实验室分析测试大气降水中稳定氢氧同位素信息数据,并结合中国气象台(China Meteorological Observatory)北碚气象站相关气象数据和美国国家海洋和大气管理局NOAA(National Oceanic and Atmosphereic Administration)提供的NCEP(National Centers for Environmental Prediction)/NCAR(National Center for Atmospheric Research)逐日全球再分析数据资料,分析了氧同位素季节变化特征和环境效应及大尺度大气环流特征,并对重庆地区场降水中氢氧同位素响应ENSO事件的机制进行了初步论证和探讨。结合现代大气场降水监测数据,探讨研究区大气场降水中δ18O变化特征响应大气环流的气候意义。研究发现,重庆降水中δ18O值的变化范围是-13.11‰1.81‰,δD值变化范围是-96.31‰28.70‰,δ18O、δD、d-excess值季节性变化显著,夏低冬高。研究时段,重庆地区大气降水线方程为δD=8.25δ18O+12.23,(R2=0.98,n=129),斜率和截距与全球大气降水线差别不大。根据夏季风活动将降水样品细分为夏半年组和冬半年组,得出夏半年δ18O-δD的线性方程为:δD=8.28δ18O+12.15,(R2=0.98,n=99)和冬半年δ18O-δD的相关关系:δD=7.28δ18O+10.05,(R2=0.90,n=30),探讨季节尺度下水汽来源差异对斜率和截距的影响。又依据降水量(P)的大小将样品细分4组后分别分析线性回归方程,得到的斜率和截距基本上随着降水量的增加而升高,斜率从7.99(P≤5)增至8.65(10<P≤25),相应的截距从10.57升至16.16,可能主要是由于降水量多与少导致的云下二次蒸发程度不同,从而引起的同位素不平衡分馏差异。通过降水中稳定同位素与研究区气象要素线性相关关系分析,全年降水中δ18O与降水量呈现出微弱的反相关关系:δ18O=-0.06P-4.19,(R2=0.12,n=129,P<0.001);δ18O与温度相关性较弱并且为负相关:δ18O=-0.28T+1.12,(R2=0.08,n=129,P<0.001),季节尺度分别回归得到夏半年和冬半年降水量效应和温度效应也不十分显著,可能是大气环流运动在某种程度上掩盖了季风区的温度和降水量效应。通过计算水汽通量和水汽通量散度模拟矢量水汽输送场,分析大尺度环流模式中ENSO事件联系下,热带辐合带ITCZ对夏半年降水中δ18O变化的可能影响,根据研究区2015年和2016年夏半年大气降水中δ18O的相似变化特征,可把夏半年分为五个阶段分析,第一阶段:五月和六月初,δ18O维持较高值;第二阶段:δ18O值开始逐渐下降,一般在六月中旬;第三阶段:δ18O值是夏半年的最低值,并且持续偏低;第四阶段:自八月末开始,δ18O值开始呈攀高趋势,出现第二次峰值;第五阶段,δ18O值开始下降,并呈波动偏低状态。分析发现,对比水汽矢量输送场及降水中δ18O值特征性的变化,与ITCZ对流活动的位置在南海和低纬度西太平洋、孟加拉湾等地变化以及强度变化密切相关。运用逐月风场资料模拟矢量风场,结合HYSPLIT轨迹模型,结果表明,夏半年水汽来源是低纬度的阿拉伯海、孟加拉湾和南海,使得夏季降水中稳定同位素值偏低;冬半年水汽来源是蒙古-西伯利亚高原以及局地水分循环,降水中δ18O呈现高值。研究区降水中δ18O变化显著响应于2015/2016ENSO时期,2015年El Ni?o事件夏半年降水中δ18O降水加权平均值为-7.05‰,2016年La Ni?a事件夏半年降水中δ18O为-6.29‰,2015年降水加权平均值显著偏负。根据夏季风影响期间阶段对比,第35阶段为El Ni?o和La Ni?a事件特征显著时期,2015年和2016年降水中δ18O分别是-9.00‰和-6.88‰。2015年59月为El Ni?o盛期,同时,El Ni?o事件影响下2015夏半年的d平均值为13.4‰,显著高于2014年和2016年同期平均值。结果表明研究区在El Ni?o时期及其衰减期,2015年夏半年样品统计降水量1018.8mm,且来自近源的水汽比例高,使得降水同位素值偏负;在La Ni?a时期,2016年夏半年样品数据总降水量646mm,加之来自远源的水汽比例高,降水同位素值较高,研究区大气降水稳定同位素变化特征记录了此次ENSO事件的转换。
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