Picarro L2140-i助力揭秘臺風(fēng)“煙花”降水穩(wěn)定同位素信號變化

2021年，臺風(fēng)煙花（In-Fa）襲擊了中國東部地區(qū)，引發(fā)了廣泛的降水事件。為了更好地理解這種極端天氣事件中的降水特征，科研人員開展了關(guān)于降水中穩(wěn)定同位素信號的研究。穩(wěn)定同位素分析是一種重要的氣象和水文研究手段，可以揭示水循環(huán)過程中的蒸發(fā)、凝結(jié)和輸送過程，理解這些變化對于氣象學(xué)和水文循環(huán)研究具有重要意義。臺風(fēng)作為極端天氣事件，其形成和演變會對大氣中水汽和降水的同位素組成產(chǎn)生顯著影響。本研究聚焦于2021年臺風(fēng)“煙花”期間中國東部地區(qū)降水中穩(wěn)定同位素信號的變化，通過對降水樣本進行高分辨率分析，探討其與氣象參數(shù)及不同水汽來源的關(guān)系。

（1）闡明臺風(fēng)“煙花”期間降水穩(wěn)定同位素組成的關(guān)鍵變化；

（2）探索兩個采樣點控制降水穩(wěn)定同位素機制的共性和差異。

本研究在江蘇省昆山和揚州兩個地點采集臺風(fēng)“煙花”期間的逐小時降水樣本，分析了這些樣本的穩(wěn)定同位素組成。具體方法包括：

在臺風(fēng)“煙花”登陸和影響期間（2021年7月25日至30日），分別在昆山和揚州兩個地點進行降水樣本的逐小時采集。

所有水樣在福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院穩(wěn)定同位素實驗室用Picarro L2140-i高精度穩(wěn)定水同位素分析儀進行氧和氫同位素測量。測量精度為δ2H優(yōu)于0.5‰，δ1?O優(yōu)于0.05‰。每個樣品分析六次，取后三次數(shù)據(jù)平均。校準(zhǔn)使用了三種參考標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果以‰（千分比）表示，相對于維也納標(biāo)準(zhǔn)海洋水（V-SMOW）。

氣象參數(shù)（地表空氣溫度、降水量、相對濕度）從昆山和揚州的氣象站獲取。逐小時網(wǎng)格數(shù)據(jù)（850 hPa比濕、經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)、1000-200 hPa相對濕度和垂直速度）從歐洲中期天氣預(yù)報中心發(fā)布的第五代全球大氣再分析數(shù)據(jù)集（ERA5）中提取。

氣團后向軌跡分析與上游降水過程分析：使用HYSPLIT模型生成每個樣品的氣團后向軌跡，氣象數(shù)據(jù)來自GDAS1數(shù)據(jù)庫，分辨率為2.5° × 2.5°。通過MATLAB計算沿軌跡的降水總量，以分析上游降水對穩(wěn)定同位素比值的影響。本研究計算了采樣前12、24、36、48、60、72、84和96小時內(nèi)的總上游降水量。

將同位素數(shù)據(jù)與氣象參數(shù)（如地表空氣溫度、相對濕度和降水量）及不同水汽來源進行關(guān)聯(lián)分析，以揭示同位素信號的變化機制。

圖1.降水d-盈余、δ¹⁸O和氣象參數(shù)的演變。（a） 相對濕度、（b）溫度、（c）從采樣點到臺風(fēng)中心的距離、（d）d-盈余、（e）降水量δ¹⁸O和（f）降雨量。藍線代表昆山，橙線代表揚州。采樣時間按照中國標(biāo)準(zhǔn)時間UT+8:00（CST）。

圖2.降水穩(wěn)定同位素變化及相關(guān)氣象參數(shù)（a） 昆山上空空氣的垂直速度。負值表示對流（向上運動），正值表示向下氣流（向下運動）。（b） 昆山的相對濕度和降雨強度（淺綠色曲線）。（c） δ¹⁸O（藍色曲線）、d-盈余（深綠色曲線）在昆山的演變。降水?dāng)?shù)據(jù)來自昆山的氣象站。垂直速度和相對濕度數(shù)據(jù)來自ERA5。

圖3. （a，c）δ¹⁸O與上游降雨（散點圖）之間的相關(guān)系數(shù)（r）。前幾個小時的累計降雨量（bar）。（b，d）δ¹⁸O與36小時（昆山）和24小時（揚州）沿氣團拉格朗日后向軌跡的上游降雨量（黑色），上游降水量與到臺風(fēng)中心的距離（灰色）。（a，b）昆山。（c，d）揚州。點表示p值小于0.05，菱形表示p值大于0.05。

總體而言，兩個地點的降水δ¹⁸O在-1.3‰到-12.3‰之間波動。在臺風(fēng)影響期間，降水δ¹⁸O隨著臺風(fēng)接近顯示出向負值變化的趨勢，隨后在臺風(fēng)離開時逐漸偏正。揚州的降水δ¹⁸O值更負，并且相較于昆山有明顯的時間滯后（約14小時）。這主要是由于臺風(fēng)“煙花”從昆山到揚州的降水過程持續(xù)時間較長和更高的凝結(jié)效率造成的。使用后向軌跡分析進一步研究了不同降水事件的水汽來源（圖3）。結(jié)果顯示，臺風(fēng)“煙花”期間的降水水汽主要來源于南海和西北太平洋區(qū)域，符合典型臺風(fēng)降水的水汽來源模式。

降水量與δ¹⁸O和δ²H值之間存在顯著負相關(guān)，這表明較強的降水傾向于具有更負的同位素值。這一現(xiàn)象可以解釋為強降水過程中，較重的同位素優(yōu)先凝結(jié)，導(dǎo)致降水中較輕的同位素比例增加。此外，研究表明地表空氣溫度與降水同位素值之間也存在顯著負相關(guān)，而相對濕度與同位素值之間沒有顯著關(guān)系。這可能是因為地表空氣溫度直接影響了降水的蒸發(fā)過程和云層內(nèi)的同位素交換過程。盡管兩個采樣地點的同位素變化趨勢相似，但在具體數(shù)值和變化幅度上存在一定差異，這可能與當(dāng)?shù)匚夂驐l件和地理位置有關(guān)。降水量和空氣濕度是影響同位素組成的關(guān)鍵因素。大量降水和高濕度條件下，降水同位素值趨于減小。此外，不同水汽來源（如海洋蒸發(fā)和陸地再蒸發(fā)）對同位素組成也有重要影響。

本研究通過對臺風(fēng)“煙花”期間中國東部地區(qū)降水穩(wěn)定同位素信號的高分辨率分析，揭示了極端天氣事件對大氣中水汽和降水同位素組成的顯著影響。研究結(jié)果不僅豐富了對臺風(fēng)影響下水文循環(huán)的理解，也為未來類似研究提供了寶貴的參考數(shù)據(jù)和分析方法。