大氣降水是水循環(huán)的輸入項(xiàng)，是地下水資源的主要補(bǔ)給來源。降水同位素演化機(jī)理是同位素水文學(xué)的核心科學(xué)問題之一。降水同位素的高程、溫度、緯度等效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛，如依據(jù)溫度效應(yīng)可以恢復(fù)古溫度；依據(jù)高程效應(yīng)可以恢復(fù)古高程；依據(jù)緯度和高程效應(yīng)可以確定地下水的補(bǔ)給區(qū)等。精確的同位素溫度及高程梯度的建立，取決于對控制降水同位素演化的各種過程的準(zhǔn)確而完整的監(jiān)測與分析。以往的研究雖然指出了同位素效應(yīng)的不確定性，但并沒有涉及其內(nèi)在的機(jī)理問題。干旱區(qū)因本地蒸發(fā)強(qiáng)烈，水分內(nèi)循環(huán)對同位素演化的影響十分明顯。然而，關(guān)于降水過程中同位素的演化缺乏研究。新疆是世界三大極端干旱區(qū)之一，位于其境內(nèi)的天山更有 “中亞水塔”之譽(yù)，水循環(huán)與水資源研究的地位十分突出，是開展此類研究的理想?yún)^(qū)域。
中科院地質(zhì)與地球物理研究所工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室龐忠和課題組對我國西北地區(qū)大氣降水的同位素進(jìn)行了監(jiān)測研究，特別是在天山一號冰川附近的高山站（海拔3545m）和后峽站（海拔2100m）開展了為期一個水文年以上的降水、雪坑高密度觀測與取樣，分析了水同位素組成。同時，對全球大氣降水同位素監(jiān)測網(wǎng)（GNIP）中我國的烏魯木齊、銀川和張掖等站點(diǎn)的長期觀測資料進(jìn)行了分析計算。主要研究成果如下：首次系統(tǒng)地開展了降水同位素氘盈余研究, 揭示了同位素溫度效應(yīng)及溫度梯度的新規(guī)律，并基于降水形成的三個過程分析給出了其形成機(jī)理。
基于我國西北干旱區(qū)降水同位素氘盈余的對比研究，提出干旱區(qū)氘盈余的反高程效應(yīng)。1、水同位素溫度效應(yīng)：因溫度區(qū)間而異。零度以下的降雪溫度正相關(guān)效應(yīng)顯著；零度以上的降雨，溫度效應(yīng)不顯著。其機(jī)理是：影響同位素演化的本地降水過程主要有三個，即絕熱膨脹、水汽再循環(huán)與云下蒸發(fā)。其中，以絕熱膨脹為主要過程的降水具備明顯的溫度效應(yīng)；受水汽再循環(huán)與云下蒸發(fā)共同影響的降水，無溫度效應(yīng)；受云下蒸發(fā)影響強(qiáng)烈的樣品，氘盈余值明顯降低，穩(wěn)定同位素有所富集，但其溫度效應(yīng)也不顯著。2、水同位素溫度梯度：降雨與降雪之間相差20%。同位素古溫度計的可靠性依賴于同位素溫度梯度的準(zhǔn)確性。本研究發(fā)現(xiàn)，在后峽站，降雨δ18O溫度梯度為0.64，而降雪δ18O溫度梯度為0.52，相差達(dá)20%；高山站有相似結(jié)果。因此，在恢復(fù)古溫度時，直接采用對于液態(tài)與固態(tài)降水不加區(qū)分的δ18O溫度梯度可能導(dǎo)致錯誤結(jié)果。這一結(jié)果有助于促進(jìn)古氣候研究。3、氘盈余的反高程效應(yīng)：與濕潤區(qū)相反，氘盈余隨高程增加而降低。在濕潤區(qū)，氘盈余隨著海拔的升高而升高。原因是隨著海拔增加，云下蒸發(fā)過程越來越微弱。
研究表明，在干旱區(qū)，呈現(xiàn)相反的變化趨勢，氘盈余隨著海拔的升高而降低。原因是，在低海拔地區(qū)，水汽再循環(huán)的影響強(qiáng)于云下蒸發(fā)，使氘盈余有所升高。 隨著高程增加，水汽再循環(huán)的作用越來越弱，導(dǎo)致降水同位素的氘盈余逐漸降低。這一現(xiàn)象與濕潤地區(qū)相反,稱為降水同位素氘盈余的反高程效應(yīng)。上述結(jié)果為大氣降水水汽來源的示蹤、內(nèi)循環(huán)水汽的定量評價、古溫度及古高程的恢復(fù)提供了理論依據(jù)，為同位素水文學(xué)原理在干旱區(qū)水資源管理中的應(yīng)用創(chuàng)造了更有利的條件。
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