青藏高原多圈層多相態水體穩定同位素研究獲進展

2015-12-10 青藏高原研究所

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  穩定同位素(δ18O、δD)被稱為水的“指紋”,其作為一種成熟的技術在氣象氣候學、水文學、生態學以及地質學等諸多領域都有著廣泛的應用。為了在全球范圍內調查環境同位素,1961年始,國際原子能機構(IAEA)和世界氣象組織(WMO)在全球范圍內啟動了降水中穩定同位素觀測計劃(GNIP)。但是這一觀測計劃在高海拔地區如青藏高原上甚少布設站點。近20多年來,以中國科學院院士姚檀棟為首的中國科研團隊開展了“青藏高原降水穩定同位素觀測計劃”(TNIP)。這一計劃的實施彌補了這一區域相關研究的不足,對深刻理解高原面上水汽來源和水循環過程具有重要意義。

  近日,中國科學院青藏高原地球科學卓越創新中心、青藏高原研究所副研究員余武生與合作者以TNIP計劃為研究平臺,在多圈層(大氣圈、水圈、植物圈)以多相態(氣態、液態)水體為研究對象,利用穩定同位素技術,開展了相關研究:

  水圈:通過在喜馬拉雅山南坡加德滿都和北坡定日二站點同時監測降水穩定同位素變化(圖1),定量刻畫了印度季風在喜馬拉雅山南、北坡的爆發與撤退時間(圖2)。研究發現,在觀測期間(2011-2012年),印度季風在喜馬拉雅山北坡定日爆發的時間要比其在南坡加德滿都的晚一周左右。相比而言,印度季風在喜馬拉雅山南北坡撤退的速度更快,其在定日的撤退時間比其在南部加德滿都的要早3天左右(Yu et al., 2015, Clim Dyn);通過穩定同位素技術,同樣能夠很好地刻畫季風在橫斷山脈的進退活動(Yu et al., 2015, Atmos Res)。

  大氣圈-水圈:通過在青藏高原中部那曲地區同步采集大氣水汽和降水樣品,揭示了水汽-降水穩定同位素的相互作用機制。研究發現,大氣水汽δ18O和降水δ18O的變化趨勢相對一致(圖3)。降水δ18O組成不但直接地顯著地影響當日的水汽δ18O組成,而且能夠影響當日之后數日內的水汽δ18O組成。相比之下,水汽δ18O組成只能通過對流活動間接地輕微地影響降水δ18O組成。在研究期間,大氣水汽δ18O和降水δ18O的變化極大地依賴于相對濕度、氣壓和降水量的共同作用,并揭示了不同的水汽來源,尤其是印度季風和高原對流活動對氣-液水體同位素的影響。這些研究結果對于該區域及其周邊地區的古沉積物記錄的解釋具有一定的指示意義(Yu et al., 2015, ACP)。

  植物圈:近年來,研究團隊進一步將青藏高原水體穩定同位素研究拓展到植物葉片水領域。藏東南植物葉片水穩定同位素能夠捕捉當地大氣濕度的信息和印度季風活動的信號,這對于進一步合理地解譯樹輪和正構烷烴等其它氣候指示物的穩定氫氧同位素記錄指明了新的途徑(Yu et al., 2014, GRL)。

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青藏高原多圈層多相態水體穩定同位素研究獲進

 

圖1 喜馬拉雅山南北坡降水穩定同位素觀測站點(南坡:加德滿都,北坡:定日)

青藏高原多圈層多相態水體穩定同位素研究獲進

 

圖2 喜馬拉雅山南北坡加德滿都與定日降水穩定同位素日變化特征

青藏高原多圈層多相態水體穩定同位素研究獲進

 

圖3 青藏高原中部那曲地區大氣水汽、降水δ18O日變化特征

  穩定同位素(δ18O、δD)被稱為水的“指紋”,其作為一種成熟的技術在氣象氣候學、水文學、生態學以及地質學等諸多領域都有著廣泛的應用。為了在全球范圍內調查環境同位素,1961年始,國際原子能機構(IAEA)和世界氣象組織(WMO)在全球范圍內啟動了降水中穩定同位素觀測計劃(GNIP)。但是這一觀測計劃在高海拔地區如青藏高原上甚少布設站點。近20多年來,以中國科學院院士姚檀棟為首的中國科研團隊開展了“青藏高原降水穩定同位素觀測計劃”(TNIP)。這一計劃的實施彌補了這一區域相關研究的不足,對深刻理解高原面上水汽來源和水循環過程具有重要意義。
  近日,中國科學院青藏高原地球科學卓越創新中心、青藏高原研究所副研究員余武生與合作者以TNIP計劃為研究平臺,在多圈層(大氣圈、水圈、植物圈)以多相態(氣態、液態)水體為研究對象,利用穩定同位素技術,開展了相關研究:
  水圈:通過在喜馬拉雅山南坡加德滿都和北坡定日二站點同時監測降水穩定同位素變化(圖1),定量刻畫了印度季風在喜馬拉雅山南、北坡的爆發與撤退時間(圖2)。研究發現,在觀測期間(2011-2012年),印度季風在喜馬拉雅山北坡定日爆發的時間要比其在南坡加德滿都的晚一周左右。相比而言,印度季風在喜馬拉雅山南北坡撤退的速度更快,其在定日的撤退時間比其在南部加德滿都的要早3天左右(Yu et al., 2015, Clim Dyn);通過穩定同位素技術,同樣能夠很好地刻畫季風在橫斷山脈的進退活動(Yu et al., 2015, Atmos Res)。
  大氣圈-水圈:通過在青藏高原中部那曲地區同步采集大氣水汽和降水樣品,揭示了水汽-降水穩定同位素的相互作用機制。研究發現,大氣水汽δ18O和降水δ18O的變化趨勢相對一致(圖3)。降水δ18O組成不但直接地顯著地影響當日的水汽δ18O組成,而且能夠影響當日之后數日內的水汽δ18O組成。相比之下,水汽δ18O組成只能通過對流活動間接地輕微地影響降水δ18O組成。在研究期間,大氣水汽δ18O和降水δ18O的變化極大地依賴于相對濕度、氣壓和降水量的共同作用,并揭示了不同的水汽來源,尤其是印度季風和高原對流活動對氣-液水體同位素的影響。這些研究結果對于該區域及其周邊地區的古沉積物記錄的解釋具有一定的指示意義(Yu et al., 2015, ACP)。
  植物圈:近年來,研究團隊進一步將青藏高原水體穩定同位素研究拓展到植物葉片水領域。藏東南植物葉片水穩定同位素能夠捕捉當地大氣濕度的信息和印度季風活動的信號,這對于進一步合理地解譯樹輪和正構烷烴等其它氣候指示物的穩定氫氧同位素記錄指明了新的途徑(Yu et al., 2014, GRL)。
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圖1 喜馬拉雅山南北坡降水穩定同位素觀測站點(南坡:加德滿都,北坡:定日)
 
圖2 喜馬拉雅山南北坡加德滿都與定日降水穩定同位素日變化特征
 
圖3 青藏高原中部那曲地區大氣水汽、降水δ18O日變化特征

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責任編輯:葉瑞優

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