基于稳定同位素法量化太湖水汽再循环比例

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湖泊蒸发对其下风方向站点降水的贡献(即湖泊水汽再循环)是局地水循环的重要组成部分。准确量化湖泊水汽再循环比例,能够促进我们对于地气相互作用的理解,并为区域气候模型中的大气水分收支预测提供独立的验证信息。稳定同位素法是量化湖泊水汽再循环比例的有力工具,但在应用时仍面临一些挑战:(1)缺乏湖泊上风和下风方向站点同步观测的降水同位素数据;(2)采用传统的Keeling曲线法估算湖泊蒸发同位素组成时,仍然存在很大不确定性;(3)水汽再循环比例估算过程中,如何量化云下二次蒸发和湖泊蒸发过程中的同位素动力学分馏效应,仍存在争议;(4)亚热带季风区浅水湖泊水汽再循环比例季节变化的驱动机制尚不明确。本研究以位于亚热带季风区的浅水湖泊太湖为研究对象,采用稳定同位素法估算湖泊水汽再循环比例,针对上述问题开展研究。首先,基于在太湖流域主风方向上的南京、溧阳、宜兴和东山4个站点2015年8月至2017年12月同期观测到的降水同位素数据,分析了降水同位素组成的时空格局,探究水汽源地和局地蒸发对降水同位素组成的影响。然后,基于高频观测的水汽同位素数据,探讨了Keeling曲线法中最优拟合方法的选取,建立了适用于计算湖泊蒸发同位素组成的Keeling曲线法的方法体系。最后,基于同位素二源混合模型,量化了太湖蒸发对下风方向站点降水的贡献,探讨了云下二次蒸发以及动力分馏系数的选取对水汽再循环比例计算结果的影响,并确定了亚热带季风区浅水湖泊水汽再循环的季节变化特征及其驱动机制。得到的主要结果如下:(1)针对太湖周边站点降水同位素组成的时空格局,发现水汽源地的差异使得夏季风期间的降水过量氘值(约10‰)低于冬季风期间(约20‰);太湖蒸发的补给,使得下风方向站点的降水过量氘值大于上风方向站点,冬季风期间大约0.9‰~3.0‰,夏季风期间大约-0.2‰~2.4‰;冬季风期间降水过量氘较大的空间变化,表明冬季风期间湖泊水汽再循环比例更大。(2)针对湖泊蒸发同位素组成的计算问题,在Keeling曲线法中采用最小二乘法或York求解法(基于校准循环水汽数据计算得到的具有水汽浓度依赖性的测量误差)进行拟合,并采用两个高度的观测数据,能明显改善Keeling曲线法估算湖泊蒸发同位素组成的能力,其结果与通量梯度法和Craig-Gordon模型的观测和模拟结果之间具有较好的一致性。(3)针对亚热带季风区浅水湖泊水汽再循环比例估算的问题,发现2015年12月至2016年2月冬季风、2016年6月至9月夏季风和2016年12月至2017年2月冬季风期间太湖蒸发对下风方向站点降水的贡献比例分别为48.1%±13.3%、7.0%±2.9%和37.5%±5.3%。采用湖泊动力分馏系数,或者忽略对云下二次蒸发的校正,都会使计算得到的水汽再循环比例降低,且前者对计算结果的影响更大。(4)冬季风期间的太湖水汽再循环比例高于夏季风期间,主要原因是冬季风期间大尺度平流气团对水汽的输送作用较弱,使得大气水汽中来源于湖泊蒸发的水汽占比变高,从而提高了水汽再循环比例。
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