Picarro L2140-i（（西安降水穩(wěn)定同位素組成、水分來源以及控制因素）

降水是水循環(huán)的重要輸入與組成部分。降水量的變化，特別是極端天氣導(dǎo)致的降水量的變化，將直接影響干旱半干旱區(qū)水資源的管理和利用。使用穩(wěn)定氫氧同位素(δD和δ¹⁸O)作為天然示蹤劑研究水循環(huán)過程的方法已經(jīng)被廣泛用于追蹤全球與降水有關(guān)水文過程。δD和δ¹⁸O不僅被用于了解大氣水汽循環(huán)、氣候變化和地下水的演化與補給，還被用于保存在冰芯、樹輪和湖泊沉積物等記錄中的古氣候重建研究。降水δD和δ¹⁸O的時空變化對研究降水水汽來源和水汽源區(qū)氣候條件具有重要意義。

西北大學(xué)趙良菊老師課題組謝聰博士通過對西安2016~2020年次降水事件δD和δ¹⁸O的時間變化特征結(jié)合氣象資料、風(fēng)場圖和西風(fēng)與季風(fēng)環(huán)流強度指數(shù)的分析：(1)確定觀測期內(nèi)不同季節(jié)大氣降水水汽來源；(2)研究降水δ¹⁸O的季節(jié)變化特征及其與環(huán)境要素的關(guān)系；(3)在季節(jié)尺度上尋找降水δ¹⁸O和降雨量的控制因素。其研究結(jié)果將為了解秦嶺以北地區(qū)的水汽輸送提供有用的信息。

利用自動降水收集器(APS-3B)和平板上覆塑料薄膜分別采集降水和降雪樣品，在2016年1月至2020年12月期間共收集317個次降水/降雪樣品。每次降水事件結(jié)束后立即收集樣品，并用0.2μm濾膜過濾，每個樣品兩等份保存在2mL玻璃瓶中。雪樣在室溫下融化后與降水樣品使用相同的方法處理，所有樣品在4℃下冷藏，直至測試。同步記錄降水量、溫度和相對濕度等氣象數(shù)據(jù)。

在陜西省西安市西北大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點實驗室使用Picarro L2140-i測定δD和δ¹⁸O值。為了避免儀器的記憶效應(yīng)，每個樣品測量10次，并去除前3次的值。δD和δ¹⁸O的分析精度(1σ)分別優(yōu)于的±0.1‰和±0.025‰。

次降水事件和月雨量加權(quán)平均δ¹⁸O值的時間序列變化表明，其具有典型的季節(jié)變化特征：在4~6月出現(xiàn)最大值，在7~10月下降到最小值，然后在11~3月呈上升趨勢。

基于實驗觀測，將研究時段劃分為季風(fēng)期(7月至10月)和西風(fēng)期，西風(fēng)期包括季風(fēng)前期(4月至6月)和季風(fēng)后期(11月至3月)，季風(fēng)前期降水δ¹⁸O和δD值通常高于季風(fēng)期和季風(fēng)后期。

上圖顯示了不同季節(jié)降水δ¹⁸O雨量加權(quán)平均值、降水量與南亞夏季風(fēng)指數(shù)(SASMI)和西風(fēng)指數(shù)(WI)季節(jié)尺度的關(guān)系。如圖a所示，在季風(fēng)期，δ¹⁸O與SASMI呈顯著(95%置信度)正相關(guān)，但降水量與SASMI不相關(guān)。如圖中b所示在季風(fēng)前期，降水量與WI呈正相關(guān)；在季風(fēng)后期，降水量與WI呈負(fù)相關(guān)。如圖中c所示，在季風(fēng)后期，降水量與前一個季風(fēng)期的SASMI顯著負(fù)相關(guān)。

研究分析了2016~2020年西安市基于次降水事件的δD和δ¹⁸O值，結(jié)果表明其存在明顯季節(jié)變化特征，從季風(fēng)前到季風(fēng)后期的早期，δD和δ¹⁸O季節(jié)加權(quán)平均值逐漸減小，在季風(fēng)后期剩余時段逐漸增大。在次降水事件的月尺度上，氣象參數(shù)與降水δ¹⁸O之間的相關(guān)性很弱甚至不存在。在月尺度上，只有季風(fēng)期的相對濕度和季風(fēng)后期的降水量與降水δ¹⁸O顯著相關(guān)。在次事件尺度上，氣象資料與降水δ¹⁸O之間存在顯著但較弱的相關(guān)性。在季風(fēng)期，水汽主要來自孟加拉灣的南亞夏季風(fēng)，但東亞夏季風(fēng)也可能產(chǎn)生一些影響。在非季風(fēng)期，水汽源于西風(fēng)環(huán)流，可能從西北(青藏高原北部)或西南(青藏高原南部)方向輸送至西安。季風(fēng)前期高δ¹⁸O值的降水水汽來自于青藏高原北部，季風(fēng)后低δ¹⁸O值的降水水汽來自于青藏高原南部。與潛在貢獻(xiàn)源（PSCF）分析結(jié)果一致，季風(fēng)后期降水極有可能來自四川或云南的再循環(huán)水汽。在青藏高原北部，降水δD和δ¹⁸O的控制因素是凝結(jié)溫度，而不是降雨量。季風(fēng)期降水δ¹⁸O雨量加權(quán)平均值與降水量之間無相關(guān)性，SASMI與δ¹⁸O呈正相關(guān)。在季風(fēng)后期，降水量與WI和前一個季風(fēng)期的SASMI呈負(fù)相關(guān)。季風(fēng)前期WI與降水量呈正相關(guān)。本研究將西安的水汽來源結(jié)果分析置于區(qū)域和季節(jié)性環(huán)流模式的背景下，并為未來更長期數(shù)據(jù)集的記錄提供了基礎(chǔ)。

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