南极冰盖中山站-Dome A 大气水汽同位素特征及其反映的水循环信息

Stable isotope in polar ice cores were used as the key to indicate climate change. In Antarctica it is also the tracer of moisture source. But accurate measurement of atmospheric water vapor isotopic composition is required urgently for quantifying the atmosphere-snow isotope fractionation processes and identifying moisture source in Antarctic plateau region，this project based on novel real time measurements of water vapor isotopes along the transect from Zhongshan station to Dome Argus (hereafter Dome A) in East Antarctica for the first time and aimed to the study of follow questions: a) presents spatial variation characteristic of surface vapor stable isotopic composition of Antarctica; b) Spatial variation of vapor isotopic composition and its implication to different regimes controlling the inland water cycle; 3) To quantitatively research stratosphere intrusion of air and vapor derived from low latitudes by Brewer–Dobson circulation；4) To reveal the substantial domination role of supersaturation sublimation/condensation effect in inland atmosphere and snow isotope exchange processes. This study would fill the observation gap of atmosphere water vapor isotope composition above the ice sheet surface, and would have great help in understanding the ice sheet evolution and snow-air surface mass-isotope exchange.

极地冰芯中的氢氧稳定同位素是研究过去气候变化的重要指标，冰盖表层雪冰同位素也被用来反映水汽来源及路径。但影响同位素分馏的因素很多且发生在水循环整个过程中，水汽尤其关键。因此南极冰盖表层大气水汽同位素的观测和研究更是揭示过去温度变化、南极水汽传输过程的必要工作。本研究基于激光光谱仪在南极冰盖表面的水汽同位素实地观测，进行以下研究：1）揭示冰盖表面地形-温度-海拔三者作用下的水汽同位素地域分异特征；2）内陆不同区域的水汽传输控制格局；3）基于实测水汽同位素分析极端干燥的南极内陆高原平流层水汽入侵以及Brewer-Dobson环流对极地水汽的可能补给特征。4）对低温过饱和状态环境下凝华/升华作用及沉降后表雪层同位素分馏特征进行分析。本研究计划希望从数据上填补该区域大气水汽同位素的监测空白，对提高冰芯反演气候精度、认识南极内陆气-雪界面的物质交换过程有进一步认识。

氢氧稳定同位素尤其是冰芯同位素被当作重要温度指标研究过去的气候变化，已有研究多关注液态水如降水和冰芯，对水汽这一核心环节研究较少，局限了对水体同位素分馏具体机制的认识，以及对水汽传输格局的了解，也造成了同位素冰芯反演气候的误差。本研究通过改进，实现了利用激光光谱仪对南极冰盖表面水汽同位素的观测，结果给出了冰盖表面水汽同位素的空间变化特征，以及内陆不同区域的水汽传输控制格局。首先，观测结果反映了南极冰盖大气水汽稳定同位素从中山站至Dome A的空间变化趋势：δ18O从沿海至内陆从-40‰逐渐降低，Dome A至-80‰，同样δD从-280‰逐渐降。由于南极内陆空间地形-温度-海拔三者梯度变化重合，水汽氢氧稳定同位素显示出明显的温度和梯度效应。其次，氢氧同位素的特征呈现明显的地域分异，反映了三种不同的同位素分馏特征，以此将南极冰盖表层的水汽输送格局分为三个分区，即海拔2000米以下的沿岸抬升地形区域，2000米至3000米之间的内陆区，以及受极地反气旋控制的内陆高原3000米以上区域。再次，南极高原内陆实测水汽同位素反映了很高的过量氘信息，可能与平流层水汽入侵下沉作用有关，根据对比实测水汽过量氘和平流层水汽同位素的航测结果以及平流层典型示踪剂的对比，部分解释了极端干燥的南极内陆高原，平流层水汽入侵以及Brewer-Dobson环流对极地水汽的补给特征。表层雪重金属元素分析也反映了不同时期中低纬度的影响。另外， 水汽同位素以及同步综合观测显示南极内陆的水汽同位素具有明显的日循环波动特征，与地表的气温变化同步，而且越深入内陆，水汽同位素昼夜差别越大，波动越剧烈，这反映了在内陆极端低温环境下大气-表雪层之间升华/凝华作用下造成的同位素动力分馏。在低温过饱和条件下，动力分馏对沉降后分馏具有很大影响，是扰动短周期同位素记录变化的主要因素。研究结果这有助于进一步认识冰芯记录的古气候同位素信息的不确定性，但对极地雪冰沉降后同位素分馏过程以及冰芯记录的气温信息的认识还需要更精确的水汽、雪同位素的观测工作。