东南极典型沿海地区雪冰稳定同位素影响因素研究

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南极冰芯是最重要的气候档案之一,在气候变化研究中占有重要地位。冰芯中保存的稳定水同位素记录可以作为重建过去温度变化的代用指标,对于解释古气候和环境条件是非常重要的。但是降水同位素组成与温度的斜率关系,不仅受当地冷凝温度的影响,还受到水汽源区蒸发条件、水汽来源变化、水汽传输路径及其分馏历史、云中形成降雪的微物理过程和降水间歇性的影响。此外,在南极沿海区域气旋活动频繁,降水同位素组成还受南极下降风和季节性海冰的双重影响,从而影响到降水同位素组成与温度的斜率关系。相对于利用单一同位素比率(δ18O或δD)进行局地温度重建,二级参数过量氘(d-excess)结合同位素分馏模型不仅能进行局地温度的重建,还能进行水汽源区环境条件的重建。所以,研究极地降水过量氘的影响因素有助于我们利用冰芯同位素记录进行水汽源区气象条件和冰芯钻取点局地温度的重建,同时对于冰芯过量氘记录的解释也有一定的意义。但是一些后沉积过程例如风吹雪、雪气交换和雪冰中的扩散过程会影响雪坑或冰芯同位素记录,而这些过程的量化仍然很差。因而,有必要将现代降水同位素记录与雪坑或浅冰芯进行比较。中山站位于东南极沿海,极易受南极下降风和季节性海冰的影响。本论文基于中山站2015-2017年收集的降雪样品和中山站附近的LGB雪坑,并对降雪和雪坑样品进行了稳定同位素测试(δ18O,δD和d-excess),重点研究不同尺度下降水同位素组成与局地空气温度的斜率,风向对降水同位素组成的影响以及降水过量氘的影响因素。最后将中山站降水同位素的季节变化、过量氘和局地水线斜率与LGB雪坑记录进行比较,得到如下初步结论:(1)中山站降水δ18O/T存在日尺度、月尺度和季节尺度上的不同。日尺度下的δ18O/T为0.48‰℃-1,大约为全南极表层雪δ18O/T的一半。月尺度下的δ18O/T为0.59‰℃-1,高于日尺度下的δ18O/T。在季节尺度上,降水δ18O/T的范围为0.41-0.5 8‰℃-1。其中,秋季降水δ18O/T为0.58‰℃-1,δ18O的温度梯度最大,但是与空气温度的相关性最小。秋季初期海冰面积较小,水汽来源更近使得秋季初期的降水δ18O偏高,大气环流同位素模型LMDZ-iso也表明实测秋季初期δ18O偏高。秋季δ18O的季节振幅变大,导致同位素比率δ18O与空气温度没有很好的相关性,所以秋季相关性较低,同时也使得秋季δ18O/T高于春季和冬季。水汽来源诊断结果也表明秋季的水汽来源相较于冬季和春季,更多的来自靠近站点的海洋和大陆。而冬季和春季降水日的水汽来源于更偏北的中纬度海洋区域。(2)中山站西北向风和西向风对应的同位素比率δ18O明显小于东北向风和北向风对应的δ18O。西北向风和西向风可能是来自南极内陆的下降风,因而同位素比率较为贫化。而东北向风和北向风来自海洋方向,同位素比率相对富集。此外,中山站受海洋气团影响的降水日明显大于下降风影响的降水日。(3)在日尺度上,中山站降水d-excess受局地空气温度的影响,与局地空气温度和δ18O的斜率分别为-0.33‰℃-1和-0.5‰/‰。在季节尺度上,相对于春季和冬季,d-excess与局地空气温度和δ18O在秋季相关性很小。除了局地空气温度影响,d-excess还受水汽来源及其气象条件的影响。降水d-excess与ERA5再分析数据海洋表面温度和相对湿度超前1天、3天和5天的空间相关性分析表明,d-excess与南印度洋中高纬度的海洋表面温度正相关,与南印度洋中高纬度的相对湿度负相关。同时,水汽来源诊断结果表明中山站降水日的水汽主要来源于南印度洋50-70°S。此外,由于海冰的季节性变化,水汽来源也会存在季节性变化从而影响到d-excess。冬季的水汽来源最远,相对应地d-excess值相对偏高。然而,春季的水汽来源相对于秋季更偏北,同时同位素组成比秋季低,但是春季平均d-excess值却低于秋季。秋季初期,在海冰边缘附近形成气团伴随着较高的d-excess和δ18O值,这可能是因为在低湿度下的蒸发导致的高动力学分馏作用和有限的分馏作用造成的。(4)中山站δ18O的平均季节振幅小于LGB雪坑的平均季节振幅。中山站夏季平均δ18O比LGB雪坑高12.54‰,而中山站冬季平均δ18O比LGB雪坑高14.31‰,两个地点在冬夏季的差值相当。中山站过量氘值略小于LGB雪坑,但是中山站降水过量氘的变化范围大于LGB雪坑,这表明中山站更靠近沿海受海洋气团和季节性海冰的影响更大,而LGB雪坑还存在后沉积过程的影响导致同位素记录均质化。此外,中山站局地水线斜率较小的原因可能是水汽输送过程中发生的非平衡动力分馏造成的。本文研究结果对于南极中山站温度和水汽源区气象条件的重建、水汽输送过程中的同位素分馏过程和雪冰稳定同位素记录的解释等研究具有重要意义。
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