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降水及冰芯稳定同位素记录作为气候变化的代用指标已得到广泛研究。现有结果表明降水稳定同位素具有温度效应、降水量效应、高程效应、大陆效应等,而一些地区的降水同位素亦在一定程度上受到风速和湿度的影响。测量得到的降水稳定同位素比率不仅与降水时的同位素分馏过程相关,也受到水汽源区状况、水汽输送过程及云下同位素交换和分馏过程的影响。新疆地处欧亚大陆腹地,主要受西风环流的影响。因缺乏海洋水汽的输入而降水稀少,其水汽来源具有明显的季节差异,且陆面水体再循环过程强烈,因而降水稳定同位素受到诸多因子的影响更显复杂。中纬度地区山地冰川,冰芯氢氧稳定同位素记录还受到沉积后过程的影响,在粒雪成冰过程中同位素比率可能发生一定程度的变化,进而对应用冰芯稳定同位素恢复过去气候环境变化造成一定的影响。本文选择分析乌鲁木齐与和田地区降水稳定同位素记录及哈尔里克山庙儿沟冰芯氧同位素记录与地面和高空一些气象因子的关系。本研究的意义在于通过揭示新疆地区降水及冰芯稳定同位素与气象因子的相关性,加深对水循环过程中稳定同位素变化过程的理解,探讨新疆地区降水及冰芯稳定同位素的气候环境意义。
主要结论如下:
1.分析了乌鲁木齐与和田地区降水稳定同位素比率与地面气象要素的关系,结果表明新疆降水中δ18O与δD均体现明显的“温度效应”,高的月平均风速对应高的δ18O与δD。地面蒸发越明显或空气越湿润,水汽压越大,有利于局地高同位素比率的水汽汇入以及降水下落时的同位素交换过程引起的重同位素比率增加。乌鲁木齐站d值与地面温度、地面风速及水汽压具有一定的负相关关系。和田站则基本相反。总体而言,d值主要受源区状况的影响,乌鲁木齐站及和田站d值与气象要素关系的不同及季节分布的不同或说明两站的水汽来源存在较大差异。
2.分析了乌鲁木齐与和田降水稳定同位素比率与高空风速场及局地高空风速的关系,结果表明新疆地区(以点带面)降水δ18O与对流层中部、上部高空风速场具有明显的负相关区域,该区域在200hPa、500hPa、700hPa等压面上均呈纬向带状分布,其中心位置随高度下降略为北偏,与降水时的最大下沉速度区对应,范围最大可达半个经圈以上,体现了西风环流大尺度系统对于降水稳定同位素的影响。200hPa西风急流多年平均位置与负相关中心的一致性或表明西风环流通过急流次级环流对降水δ18O的影响。此外较大的高空风速有利于海洋水汽的远距离传输,因而在对流层中部风速与降水δ18O呈负相关关系。乌鲁木齐局地高空风速与降水δ18O为正相关,中部对流层风速与降水δ18O呈负相关,对流层顶风速与降水δ18O呈正相关。和田研究结果类似乌鲁木齐。
3.分析了新疆东天山哈尔里克山庙儿沟平顶冰川冰芯δ18O与附近气象站点温度记录的关系,结果表明降水季节分布的不均匀性、夏季高温引起的融化-渗浸-再冻结作用,及冬季雪层中的水汽运移和积雪表面的升华可能一定程度上影响了冰芯δ18O记录,但影响仅限于当年。1953-2004AD期间,庙儿沟冰芯δ18O记录呈线性下降趋势,与同处哈尔里克山南坡的哈密气象站夏季温度的长期变化趋势一致,二者存在明显的正相关关系,庙儿沟冰芯δ18O记录可作为该区域过去夏季温度变化的代用指标,而北坡气象站温度记录则呈现相反的长期变化趋势。哈尔里克山南北坡温度变化差异说明在地形的影响下,区域气候变化可能与近年来的全球变暖背景并不完全一致。庙儿沟冰芯与附近区域冰芯δ18O记录具有较好的对应关系,表明其对于气候环境记录仍具有相当程度的保存,与ENSO记录及NAO指数的相关性或表明该记录可一定程度上反映全球气候事件。