Picarro L2130-i在评估云下蒸发对局地降水同位素组成影响的应用

Picarro L2130-i在评估云下蒸发对局地降水同位素组成影响的应用

                                           ——以中国西安为例

摘要

当水凝物从云内饱和环境落向地面时，特别是在干旱和半干旱地区，云下过程可能会通过平衡和非平衡分馏而改变降水的同位素组成。如果这些云下过程没有被正确识别，它们可能会导致对降水同位素信号的误解。为了正确认识降水同位素记录的环境信息，定性分析云下过程和定量计算云下蒸发效应是两个重要步骤。在此，我们根据西安市两年来的降水和水汽同位素同步观测，整理出一套有效的方法来系统评估云下蒸发对当地降水同位素组成的影响。

ΔdΔδ图是有效诊断云下过程（例如平衡或蒸发）的工具，因为降水平衡蒸气和观测到的蒸气之间的同位素差异（δ2H；d-excess）显示出不同的路径。通过使用ΔdΔδ图，我们的数据表明蒸发是西安主要的云下过程，而降雪样本保留了初始云信号，因为它们受气固相同位素交换的影响较小。然后，我们选择了两种方法来定量表征云下蒸发对局地降水同位素组成的影响。一种是基于雨滴下落过程中的质量变化（以下简称方法1），另一种是取决于从云底到地面的降水同位素组成的变化（以下简称方法2）。通过比较，我们发现除了降雪事件外，两种方法在评估蒸发对δ2Hp的影响方面没有显着差异。与 δ2H 变化成比例的蒸发斜率 (Fi /Δδ2H) 在方法 1 中 (1.0 ‰ %−1) 比在方法 2 中 (0.9 ‰ %−1) 稍大。此外，两种方法均表明秋季蒸发作用较弱，春季蒸发作用较重。通过灵敏度测试，我们发现两种方法中，相对湿度是最敏感的参数，而温度对两种方法的影响不同。因此，我们得出结论，两种方法都适合研究云下蒸发效应，而方法2中仍然可以包括其他云下过程，例如过饱和度。通过应用方法2，将改善云下过程的诊断及其对降水同位素组成的影响的理解。

研究目的

系统评估云基以下蒸发对当地降水稳定同位素组成的影响，为此编制了一套有效的方法。

研究方法与结果

2010-2015年西安、兰州和西宁气温和降水的月平均变化地点:采样地点位于西安市市区东南9公里的雁塔区。水蒸气样本是在一栋12层建筑的7楼采集的，采样高度30 m，降水样本在顶层收集，采样高度50 m。

测量大气水汽和降水的氢氧同位素组成； ΔdΔδ图用于定性诊断云基以下过程；Stewart模型(方法1)和气柱模型(方法2)用于定量评估云基以下蒸发效应。

(1) 收集降水和水汽样品，用Picarro L2130-i测量其氢氧同位素组成；

(2) 绘制ΔdΔδ图，定性分析云基以下过程；  

(3) 应用方法1和方法2，定量计算云基以下蒸发对降水同位素的影响。

试验结果显示：西安的降水主要受到云基以下蒸发过程影响；两种方法得到的 Δ δ2H结果没有显著统计差异，但对降雪事件的评估存在较大误差。

上图显示的是西安的当地降水线(LMWL)和水汽线(LWVL)。可以看出：

(1) LMWL的斜率7.0低于GMWL的斜率8.0，反映了云基以下蒸发的影响。

(2) LWVL的斜率7.8也略低于平衡分馏值8.0，反映了动力学过程的影响。

(3) 降水和水汽同位素组成分布在不同范围，前者较阳性，这与经典分馏理论吻合，支持了二者之间存在蒸发作用。

Δd Δδ图是Graf等人在2019年提出的一种新型图解框架，可以直接区分不同云基以下过程对水汽和降水稳定同位素组成的卷积影响，尤其是平衡和非平衡过程的影响。

其中Δd是降水平衡水汽与观测近地面水汽的d-excess之差； Δδ是两者的δ2H之差。图中横纵坐标分别为 Δd和 Δδ。不同云基以下过程在该二维相空间有不同的分布，从而可以更清楚地识别。

说明：本文数据在 Graf 等人建议的 Δd Δδ 直径图上的投影。实线代表 Δd-excessv 和 Δδ2Hv 为0‰。虚线对应于阴影中具有 95% 置信带的样本的线性拟合。红线是降雨样本，青色线是降雪样本。罗马数字代表象限的类别。

主要研究结论与总结

(1)干旱地区降水和水汽同位素组成关系密切；

(2) Δd Δδ图可以有效定性分析云基以下过程；

(3)两种方法可以定量评估蒸发效应，但方法2可以包含更多过程。

最后，感谢中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室；中国科学院第四纪科学与全球变化卓越中心，再次向本文作者刑萌老师等对本公众号大力支持。

原文链接：https://acp.copernicus.org/articles/23/9123/2023/acp-23-9123-2023.pdf

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