【熱點Focus】李捷、龐忠和《中國科學》：青藏高原降水同位素高程梯度

發(fā)表時間：2023-07-25

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降水同位素的高程效應(yīng)（Isotope Altitude Effect），是指水蒸氣在海上形成之后，向大陸運移的過程中，隨著地形高度變大而貧化的現(xiàn)象。而定量描述其變化快慢的參數(shù)，就是同位素高程梯度 (Isotope Altitude Gradient), 單位一般是&permil;/1000米。

青藏高原被稱為 “世界第三極”和“亞洲水塔”，其隆升的歷史過程很難確定。同位素的高程梯度是重建山體高度和氣候變化歷史的基本參數(shù)。最近的研究表明，青藏高原隆升對于周邊乃至全國大部分地區(qū)的氣候都有影響。高程梯度可用于評估高原隆升對區(qū)域生態(tài)和全球氣候和水循環(huán)格局等的影響。

然而，青藏高原降水同位素監(jiān)測比較困難，過去依賴于河流樣品開展工作，而河流的選擇沒有統(tǒng)一的標準，另外來自河流的穩(wěn)定同位素高度梯度是否存在偏差尚不清楚。

針對上述問題，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所李捷博士（現(xiàn)為北京師范大學講師）與龐忠和研究員在青藏高原東坡（圖1）合作開展地表水體采樣和降水同位素監(jiān)測工作，利用4個降水、8個山巔湖泊和23件小流域（小于20km2的小溪）樣品，基于回歸分析建立了青藏高原東坡的高程梯度為-4.2&permil;/km（圖2）,這是迄今為止得到的降水同位素高程梯度最大值。

圖1 青藏高原地形圖及降水站分布

圖2 青藏高原東坡的降水同位素梯度

另外，利用夏季溫度梯度作為參數(shù)建立的簡單瑞利模型給出了-4.0&permil;/km的高程梯度，與觀測結(jié)果接近。基于蒸發(fā)過程研究的山巔湖泊可為確定本地降水同位素均值提供方便。

利用湖泊的原始δ¹⁸O值和采樣高程建立高程梯度，該方法在本研究中證實有效。河水樣品由于高地補給存在抑制同位素高程梯度，根據(jù)研究本文將建立高程梯度的有效河流樣品限定在20km²的流域面積以內(nèi)，該閾值明顯小于前人對于河流樣品的選擇。

此外，作者比較了青藏高原腹地的降水及河水樣品，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些樣品分布在該高程梯度線上方，瑞利模型檢驗結(jié)果表明水汽再循環(huán)控制了高原腹地的同位素演化（圖3）。因此，河水作為替代物，由于控制同位素高程梯度線中同位素變化的各種因素，對同位素高程梯度線產(chǎn)生了較大的不確定性，應(yīng)慎重采樣。

圖3 青藏高原不同水體的氘氧同位素與海拔的關(guān)系

研究成果以中英文分別發(fā)表在《中國科學：地球科學》和《Science China: Earth Sciences》上 (Jie Li & Zhonghe Pang. The elevation gradient of stable isotopes in precipitation in the eastern margin of Tibetan Plateau. Science China: Earth Sciences, 2022. https://doi.org/10.1007/s11430-021-9942-0)。該成果受到國家自然科學基金項目（42130809、41430319）、國際原子能機構(gòu)CRP項目(F31006、F33024) 等項目資助。

論文中降水和地表水體樣品氘氧同位素測試所用的儀器為Picarro L1102-i高精度水同位素分析儀，該儀器是國內(nèi)最早的幾臺Picarro分析儀之一，于2011年采購，穩(wěn)定運行十年之久。近年來，隨著Picarro產(chǎn)品更新?lián)Q代，其同位素測試精度和穩(wěn)定性更上一臺階。Picarro分析儀高兼容性、便攜性、穩(wěn)定性及強大的技術(shù)服務(wù)團隊，可為科研、環(huán)保領(lǐng)域的各類應(yīng)用提供最大限度的支持。圍繞Picarro分析儀的應(yīng)用已涵蓋海洋、高原、湖泊、極地、土壤、毒理、微環(huán)境等各個領(lǐng)域，歡迎感興趣的專家學者與我們交流討論！

注：內(nèi)容轉(zhuǎn)載自同位素水文公眾號。

聯(lián)系人：

韓工：hyx@cen-sun.com

陳工：chenxf@cen-sun.com

高工：gaoch@cen-sun.com

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