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【前沿報道】Nature Communications:技術帶動進步——為時兩年的海洋水汽同位素數據集
2019-07-22 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  水同位素(2H18O)以及由其派生出的參數氘盈余(d-excess = δ2H-8*δ18O)是研究現代水文過程和恢復古氣候的重要示蹤劑,其分析測試的傳統手段為同位素質譜分析技術(IRMS)。在2000年前后,水同位素紅外光譜分析技術(IRIS)的誕生,大幅降低了測試成本,在保障較高精度的同時顯著提高了測試效率(Lis et al., 2008)。最重要的是,它使得連續原位測量成為可能。 

  IRIS技術推動之下,水汽同位素的研究如雨后春筍般增長,在全球不同區域如美國、歐洲和中國等地,均有水汽同位素連續觀測的報道,并對開放水體蒸發和植被蒸騰乃至降水形成等機理有了新的認識。然而,受測量條件限制,一直未見有全球尺度的連續測量結果,對控制水汽同位素分餾尤其是氘盈余的主導因素除相對濕度和海洋表面溫度外,是否包括風速爭議不斷。 

  近期,Nature Communications發表了德國亥姆霍茲極地海洋研究中心、挪威卑爾根大學和丹麥哥本哈根大學研究人員為時兩年(2015629-2017630日)的海洋水汽同位素數據集研究成果(Bonne et al., 2019)。研究人員在科考船上安裝了IRIS水汽同位素連續測量裝置,考察路徑從北極到南極、穿越大西洋和北冰洋。在測量水汽同位素數據的同時,測試了海水同位素,并沿途觀測了海水溫度、風速、氣溫與相對濕度等數據,獲得了全球尺度下第一批連續原位測量數據。全部數據可以到PANGAEA數據庫下載。 

1全球不同緯度下的水汽同位素與氘盈余以及海冰覆蓋比例、海水表面溫度、海水同位素與氘盈余的連續變化(Bonne et al., 2019

  研究人員采用解析模型和數值模型(IsoGCM)指出控制水汽氘盈余變化的主導因素是相對濕度和海水表面溫度,并不包括備受爭議的因素——風速。他們進一步指出,在海冰覆蓋的區域,采用IsoGCM模擬水汽同位素值時,若不考慮海冰表面的沉積雪發生升華的過程,模擬得到的數據與實際觀測結果相差較大;但若考慮這一升華過程,則兩者吻合較好。說明升華過程中的同位素分餾,對水汽同位素影響顯著。這一結果要求在利用冰芯和石筍的氘盈余恢復古氣候時,要將氘盈余作為相對濕度和海水表面溫度的綜合指標,在有海冰存在的區域,須考慮升華過程的影響。 

  基于IRIS技術進行連續原位測量,對應用水同位素開展全球尺度研究提供了強大的技術支持。值得一提的是,獨立于水汽同位素測量的IRIS技術,另一支持全球尺度研究的水同位素分析手段——遙感反演技術也于近年來受到了廣泛關注,其優點是可以同時獲得全球不同位置的水汽同位素數據(Worden et al., 2007);其缺點一是僅能獲得氘同位素數據(2H),無法獲得氧同位素數據(18O);二是精度相對較差。總之,在新技術的推動之下,利用水同位素開展全球尺度下的水循環研究,成為了現代水文科學的顯著特征。 

  主要參考文獻 

  Lis G, Wassenaar L I, Hendry M J. High-precision laser spectroscopy D/H and 18O/16O measurements of microliter natural water samples[J]. Analytical Chemistry, 2008, 80(1): 287-293.原文鏈接 

  Bonne J L, Behrens M, Meyer H, et al. Resolving the controls of water vapour isotopes in the Atlantic sector[J]. Nature Communications, 2019, 10: 1632.原文鏈接 

  Worden J, Noone D, Bowman K, et al. Importance of rain evaporation and continental convection in the tropical water cycle[J]. Nature, 2007, 445(7127): 528.原文鏈接 

  (撰稿:孔彥龍/工程室)

 
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