LI-2100 | 水汽来源复杂性对内陆山区降水稳定同位素海拔效应的影响

2024-08-01 09:30:34 30阅读次数

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水汽来源复杂性对内陆山区降水稳定同位素海拔效应的影响

祁连山脉位于青藏高原北部、河西走廊南侧，由多条平行的山脉组成，呈西北向东南延伸。石羊河流域上游是重点研究区域，海拔西南高、东北低，发源于祁连山脉北坡的冷龙岭，流经青藏高原，由西南向东北流动。该地区年降水量200~700 mm，月平均降水量24~51 mm，属于大陆性高山气候，受东亚季风、高原季风和西风影响。不同海拔对气候影响显著，山区年平均气温低于6℃，随海拔升高而降低。相对湿度随海拔增加而增加，反映了多种水汽来源的影响。

图1 西北地区北麓的位置，(a)研究区采样点位置，图(a)左上：研究区水分来源（箭头大小表示重要性）；(b)山区采样点位置；(c)祁连山北坡降水量与气温月平均变化。

来自西北师范大学的研究团队在祁连山北坡6个采样点共采集降水样品863个，其中雪样出现在冬季（1月、2月、12月），雨样出现在3月至11月，采样期间共采集雪样61个、雨样802个（表1）。在研究区5个采样点共采集地表水（河水）样品372个，在研究区5个采样点共采集植物水样品92个，采样时间为2016年10月至2020年9月。每次降水事件后，用雨量计采集降雨样品并立即放入50 ml聚乙烯采样瓶中，同时记录降水量，最后用封口膜盖紧封口并冷藏保存。地表水样品每次采集后也立即密封冷藏。同时利用自动气象观测仪器记录气温、降水、相对湿度、大气压等气象要素。分析时，植物水由LI-2100 全自动真空冷凝抽提系统（北京科技有限公司）提取。δ²H和δ¹⁸O测定在西北师范大学同位素实验室进行，每个水样和同位素标准样品连续进样6次。

表1 采样点基本信息

通过对2016年10月至2020年9月降水稳定同位素分析，确定祁连山水线（LMWL）为：δ2H = (7.78±0.05)δ1?O+ (10.97±0.52) (R2=0.97, n=863, p<0.05)。其斜率小于大气水线，截距大于大气水线，反映欧亚大陆的地理气候特征，气候干旱，高海拔干冷。此外，祁连山北坡低水分线斜率呈现月变化：4月、5月和9月斜率分别为6.92、6.93和6.66，春秋季地表蒸发明显；夏季（6-8月）斜率为7.32、7.26和7.31，降水增多，蒸发减少；10月至次年3月斜率均大于7.5（图2），气温低，降水少。海拔降低导致斜率和截距减小（图3）。在西营（M4）和武威（M6），降水同位素出现突变。西营（M4）的异常因水库增加湿度，武威（M6）则因人类活动和水源集中。

图2 研究区内各月份及不同采样点的LMWL。（a–l）表示1至12月祁连山带北坡LMWL，（m–r）表示研究区内各采样点的LMWL。

图3 研究区域内各月当地大气降水线 (LMWL) 的斜率和截距 (a) 和不同采样点 (b) 的比较。

图4 不同月份的祁连山带北坡原始后向轨迹聚类分析。图中百分比值代表来自各个方向的气团对研究区域的水汽贡献比例。

图5 气象水文过程对祁连山北坡降水稳定同位素海拔效应的影响。（a）降水稳定同位素海拔效应的月变化，图中连线表示海拔梯度及误差的月变化。（b）降水中循环水比例及相对湿度的月变化。（c）降水量和气温的月平均变化。（d）雨滴蒸发残留率的月变化。

石羊河上游位于青藏高原北部的祁连山北坡，降水除受当地气象水文过程影响外，还受到平流水汽的影响。祁连山北坡当地大气降水线（LMWL）为：δ²H =（7.78±0.05）δ¹⁸O +（10.97±0.52）（R² = 0.97，n = 863，p < 0.05），表明夏半年当地大气降水线的斜率小于冬半年。祁连山北坡降水稳定同位素的海拔效应在各季节的变化顺序为冬季<秋季<春季<夏季，表明海拔效应受当地气象水文过程的显著影响。研究区水汽主要来源于四个方向：西部、东北部、东南部和高原南部。来自东北和东南方向的水分具有较短的传输路径和较慢的速度，而来自西北和西南方向的水分具有较长的迁移路径和较快的速度。降水中稳定同位素的海拔效应变化在很大程度上取决于水分方向和气团特征，表现为四种不同的情况：

1、平流水分垂直于山脉，气团迁移速度较慢，加剧了海拔效应。

2、当平流水分（主要来源）与山脉方向平行，气团移动距离长且速度快时，海拔效应变得不那么明显。

3、尽管平流水分占主导地位，但相当一部分地表蒸发水会削弱观察到的海拔效应。

4、主要来源是平流水分，表现为沿斜坡向下的反向气流，在研究区域引入了反海拔现象。