湘江流域水稳定同位素的取样、模拟和比较

Sampling in situ is the most direct means to understand stable water isotopic cycle and isotopic effects. Simulation of stable water isotopes is the most effective tools to deal their impact mechanisms. Comparison between simulations and observations is the most suitable method to assess the rationality of a mathematic model. This study, through developing the isotope enabled atmospheric water balance model (iAWBM) and sampling actually, will provide the daily data sets of stable water isotopes in global grids (1.5°×1.5°) based on iAWBM simulations and at sampling site in Xiangjiang Rever Basin, respectively; Using iAWBM, the temporal and spatial variations of stable water isotopes and isotopic effects are simulated under different isotopic fractionations generated by evaporation of underlying surface and by condensation in cloud, in the framework of the water balance and stable water isotope balance; By comparing with the monthly isotopic data from GNIP, isotopic GCM simulations (SWING2) and from TES, as well as with actual daily isotopic data at typical station in Xiangjiang River Basin, the work arms to assess the rationality of iAWBM in simulating the stable water isotopic cycle, deal the impact mechanisms of external meteorological forcings, isotopic evaporation and condensation fractionations on global and regional water isotopic cycles, and improve the understanding on stable isotopic effects in the water cycle.

实地取样是了解水稳定同位素循环和效应最直接的手段，水稳定同位素的模拟是揭示水稳定同位素影响机制最有效的工具，模拟值与实测值之间的比较是对数学模式进行合理性评估最合适的方法。本研究通过建立稳定同位素大气水平衡模式(iAWBM)以及通过实地取样，提供基于iAWBM模拟的全球水稳定同位素逐日网格点(1.5°×1.5°)数据以及在湘江流域典型站实测的水稳定同位素逐日数据；利用iAWBM，在水平衡和水稳定同位素平衡框架下，模拟在不同的下垫面蒸发分馏以及不同的云中凝结分馏条件下水稳定同位素的时空变化和水稳定同位素效应；通过与GNIP降水中稳定同位素月数据、主要GCM模拟值(SWING2)、TES大气水汽中稳定同位素月数据，以及与在典型站实际监测的水稳定同位素日数据的比较，评价iAWBM模拟水稳定同位素循环的合理性，揭示气象条件、下垫面蒸发分馏以及云中凝结分馏对全球和区域水稳定同位素循环的影响机制，改善对水循环中水稳定同位素效应的理解和认识。

以湘江流域为研究区域，采用现场取样、水文气象学诊断、模式模拟相结合的方法，利用水稳定同位素在水循环中形成的各种稳定同位素现象研究发生在流域内及水循环中精细的物理变化和物质迁移规律，揭示影响水稳定同位素变化的主要原因，改善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)在湘江中游的长沙岳麓山下实施了为期4年的大气降水、河水、浅层地下水、近地面大气水汽的水样采集和水稳定同位素的测试。(2)利用监测数据，分析了降水稳定同位素的变化及其与局地气温、降水量、水汽输送、水汽输送上游地区的对流活动和上游降水量的关系。结果发现，季风区降水稳定同位素的变化存在显著“上游效应”，且上游关键区的降水对下游地区降水稳定同位素具有比“局地效应”更显著的影响。(3)受具有不同热力性质气团间的交替影响，流域水汽同位素具有明显的季节性变化，冷半年的水汽同位素偏正于暖半年。水汽同位素与温度、降水量和近地面绝对湿度之间均呈显著的负线性关系，但这种线性关系在不同的时间尺度下是不同的，这与控制气团的性质有关。(4)湖水稳定同位素存在明显的季节变化。当5d累计降水量Ps≥23.2mm时，湖水中稳定同位素比率与Ps之间的负相关关系非常显著，但与5d累计蒸发量Es之间呈弱的正相关；相比于平均湖水蒸发线，该降水段的蒸发线斜率和截距均有明显增加。当Ps＜23.2mm时，湖水中稳定同位素比率与Ps之间的相关程度明显降低，但与Es之间的相关程度则明显提高；相比于平均湖水蒸发线，该降水段的蒸发线的斜率和截距均有明显减小。(5)利用开发的稳定同位素大气水平衡模式，模拟在不同的稳定同位素蒸发和分馏条件下降水中稳定同位素的空间变化和时间变化、降水量效应和大气水线，并通过与实测数据的比较以及模拟试验结果之间的比较，揭示下垫面被蒸发水汽中稳定同位素的时间变化和云中稳定同位素分馏对降水中稳定同位素变化的影响机制。