湘江流域陆面过程中稳定水同位素的研究

以湘江流域为研究区域，采用数学模拟与实际取样相结合的方法，利用稳定同位素在水循环中形成的各种同位素现象揭示发生在流域内生物圈系统和水文气象过程中精细的物理变化和物质迁移规律，深入了解东亚季风区典型流域的水循环机制。将稳定同位素效应引入NOAH陆面模式，模拟流域内土壤、植被、大气之间的H216O以及稳定同位素H218O和HD16O的通量，确定植物蒸腾和自由水面蒸发对总蒸散的相对贡献。通过对该流域内大气降水、河水、地下水、泉水、土壤水和大气水汽的取样，以及通过与模拟结果的比较，对影响流域降水的水汽进行识别，揭示不同水汽来源、不同水汽输送方式对稳定水同位素的影响，为进行水汽来源分析、实施流域水汽监测、定量恢复沉积物中的古气候、古环境记录以及为陆面模式的参数化改进提供稳定同位素的证据。研究结果将丰富人们对陆地表面能量、水体、物质平衡的认识，加深对能量和水循环过程如何作用以及对气候反馈贡献的理解。

以湘江流域为研究区域，采用现场取样、气象诊断、数学模式相结合的方法，利用稳定同位素在水循环中形成的各种稳定同位素现象研究了发生在流域内陆面过程以及水循环中精细的物理变化和物质迁移规律，揭示了影响水稳定同位素变化的主要原因，改善了对季风区水循环中稳定同位素效应的理解和认识。项目实施期间，取得了以下主要进展：(1)在湘江流域中游的长沙岳麓山下实施了为期6年的大气降水、河水、浅层土壤水、井水和近地面大气水汽的水样采集和水稳定同位素的测试。(2)利用实际监测数据，分析了东亚典型季风区陆面过程中的水稳定同位素的变化特征，不同水体之间的稳定同位素的相互转换关系，地表水、浅层土壤水和地下水中稳定同位素对降水稳定同位素的响应时滞。结果显示，湘江河水和浅层土壤水的滞后时间较短，约1-4天；井水的滞后时间较长，约5天以上。(3)利用HYSPLIT气流轨迹模型对研究区降水事件的水汽来源和输送路径进行了追踪。结果发现，研究区冬季降水的水汽主要来源于西风带以及南下冷空气输送的大陆性气团；夏季的水汽输送轨迹更多地集中在西南季风路径上，西太洋副高对东亚季风区的水汽起到了重要的调节作用。(4)实施了不同季节自由水体中水稳定同位素的蒸发分馏实验，分析了蒸发剩余水中稳定同位素的变化特征，探讨了蒸发剩余水中水稳定同位素变化及其与相关气象要素的关系。蒸发水体中的稳定同位素比率随剩余水比例的减小逐渐增加，蒸发水体稳定同位素动力分馏模拟结果与实测较吻合，并能反映出由于水面物质交换所引起的剩余水中稳定同位素值的波动。(5)开发了一个稳定同位素大气水平衡模式iAWBM。利用该模式模拟了全球大气水汽和降水中稳定同位素的空间分布以及降水中稳定同位素与降水量和温度之间的关系、季风区长沙站大气水汽和降水中稳定同位素的时间变化。模拟结果很好地再现了全球降水中稳定同位素的纬度效应、大陆效应和季节差异，以及长沙降水中稳定同位素的季节变化，季风区降水中稳定同位素雨季被贫化旱季被富集的基本特点以及存在的显著降水量效应均被模拟出。(6)依托本研究项目，已公开发表论文28篇，其中被SCI收录的论文5篇，国际刊物的论文14篇，国内核心刊物的论文21篇。在项目实施期间，共培养博士研究生1名，硕士研究生9名。