%BD%8D素水文学-第3讲-大气降水同位素-2011版本

中国科学院研究生院，北京, 2011年2月－6月

在δ18O-δD图上，当地降水线偏离大气水 线，具有较低的斜率s，这主要取决于相对湿 度。Gonfianfini(1986)建立了这个关系的数学 模型。如图所示，当湿度h值很低，动力蒸发 达到最大值，s值也很低。
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全球大气降水线
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H. Craig，1961
大气降水同位素的瑞利分馏


水的蒸发、凝结是大气降水氢氧稳定同位素 分馏的直接过程，也是造成不同水体同位素 组成差异的重要原因。 瑞利模型可用来讨论大气中水汽凝结形成降 水和地表水体的蒸发过程中氢氧稳定同位素 的富集或贫化。它给出了酿酒过程中蒸馏作 用（distillation）使气体分离的数学原理 (Rayleigh,1896) 。

大气降水同位素的时空分布特征


新疆干旱区大气降水同位素最新成果简介
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大气降水同位素



降水是自然界水循环过程中的一个重要环节，在实现 海水—大气水—降水的相变过程中，氘-氧同位素之 间的内在关系 降水同位素受气候、地理因素影响，具有明显的时空 变化，并且与云团凝结温度、降雨量、高程等地理因 素等有关。 分析大气降水δ18O和δD在不同地区的分布特点， 以及其与各种环境因素之间的因果关系，不仅有助于 定性或定量地解决地下水的起源和成因，区分补给源 区和补给高程等水文学问题，而且也有助于判断水气 来源等气象学研究
American Geochemist 1926-2003
Danish Paleoclimatologist 1922-2011
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Craig， 1961，Science
Dangsgard,1964,Tellus
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大气降水线中的氘盈余



氘过量参数（d excesss）亦称氘剩余，d被定义为： d=δD-8δ18O （Dansgaard，1964) （2-17） d值的大小相当于该地区的降水线斜率δD/δ18O为8 时的截距，用以表示蒸发过程的不平衡程度。 影响氘过量参数d的因素非常复杂，它的变化完全依 赖于水的蒸发凝结过程中的同位素分馏的实际条件。
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不管δ18O和δ2H的范围值多大，数据都落在一条直线上：δD从300‰到+500‰，δ18O从46‰到+16‰。根据这些数据拟合出的大 气降水线方程。 δD=8δ18O+10 上述关系线即为著名的全球大气降水线（GMWL）。
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全球大气降水线



Craig全球大气降水线反映的是全球许多地区大气水 线的平均值，而不同地区当地大气水线受当地气候因 素控制，包括水气团的起源、降雨中的二次蒸发和降 水季节性变化，这些因素影响着降水线的斜率和氘过 量参数（d=δD-8δ18O），见图。 因此，不同地区降水过程同位素分馏的不同，各个地 区的雨水线（Local Meteoric Water Line, 简称 LMWL）方程并不相同，而且往往偏离全球降水线 （GMWL），主要反映在雨水线的斜率和截距（氘 过量参数d）的差异上。
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湿度和d-excess之间的关系


。一般而言d值接近10为平衡过程。 一般而言d值小说明湿度大，蒸发小；反之d 值大，湿度小，蒸发快，不平衡蒸发非常强 烈。 空气相对湿度低的地区，风速大，d值也增 大，如东地中海沿岸地区的氘过量参数d值达 到+20‰以上，平均为22‰。
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冷凝以后发生的蒸发将影响降水线的斜率， 如果降雨落在地表上的干燥土层，一些雨水 会蒸发，雨水中δ值会因蒸发偏离全球大气 水线，而形成的斜率小于8的当地大气降水 线。 观测结果表明当雨量较小时，对斜率s影响最 大。如果排除小于20mm的降雨数据，GMWL 的斜率更接近平均值8。
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中国部分地区的降水方程

北京 昆明 乌鲁木齐 兰州 甘肃张掖 上海 广州 郑州 台湾
D=7.318O+9.7 D=7.8718O+11.09 D=7.9618O+9.57 D=6.8918O+7.67 D=7.4818O+3.53 D=8.218O+15.8 D=6.9718O+2.59 D=8.018O+10.75 D=8.018O+16.5
18 大气降水中D— O的关系
全球大气降水线 大气降水的同位素组成变化很大，同一地区不同时间的降水，同位 素组成会有很大差异，但δ18O和δ2H的之间的关系是十分有规律 的。Craig（1961）在研究北美大气降水时发现大气降水的的氢氧同 位素组成呈线性变化。 寒冷地区 温暖地区

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O
大气降水线的斜率


云团内水汽温度的降低发生凝结降水过程是一个平衡 分馏的过程，因此降水同位素组成δ18O和δD关系 点都落在斜率近于8的大气降水线上，为什么斜率是 8，这与δ18O和δD的平衡分馏系数的比值有关： S≈8.2 （T=25℃时） 事实上，式是一个近似值(J.Gat.Percomm，1996)。 实际的斜率随着冷凝温度变化而变化(图2-6)，只有 在较高温度下，斜率才接近8。
全球大气降水同位素分布
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GNIP
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GNIP：Scientific Scope
The scientific rationale of the Global Network for Isotopes in Precipitation (GNIP) is two-fold: firstly to derive from the global distribution of isotopes in precipitation as the isotopic input functions necessary for isotope-hydrological studies; secondly to utilize the isotope signatures in the precipitation for studying atmospheric circulation and global climatic changes in different time scales. For this reason, the GNIP has been an integral part of the IAEA subprogramme on water resources development and management. In the meantime, it is also meeting the needs of a wide range of climatological applications, such as, paleoclimatic research, climate model research, synoptic climatology and atmospheric chemistry.
Natural Water Cycle
-120%0, -15%0
庞忠和，1997
Isotope Labeling 自然界的水循环及其同位素标记
Isotope fractionation
Condensation
-70%0, -10%0
Transpiration Infiltration
-30%0 ,-5%0

Craig大气降水方程是用SMOW作为标准，其大气降水线适用于 全球，是全球局部和区域大气水线的平均值。 根据D—18O的图形可发现以下规律： 1）温度低、远离蒸气源的内陆、海拔高度高、或高纬度的大气 降水的同位素组成，一般落在全球平均降水线的左下方；反之其 降水的同位素组成落在全球平均降水线的右上方。 2）降水量小而蒸发强烈的干旱或半干旱地区，其斜率大都小于 8，其降水线向右偏离全球平均降水线，同位素组成落在全球平 均降水线的右下方。斜率越小，偏离越远，反映蒸发作用越强 烈。 Craig最主要的发现是同位素的贫化与寒冷地区同位素的富集与温 暖地区的关系。这一划分是认识地下水补给环境的工具与地下水 来源研究的基础。查明大气降水中稳定同位素分布是确定其输入 函数的基础。当地大气降水线提供了地下水的基础线。