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【前沿报道】Nature Communications:技术带动进步——为时两年的海洋水汽同位素数据集
2019-07-22 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  水同位素(2H18O)以及由其派生出的参数氘盈余(d-excess = δ2H-8*δ18O)是研究现代水文过程和恢复古气候的重要示踪剂,其分析测试的传统手段为同位素质谱分析技术(IRMS)。在2000年前后,水同位素红外光谱分析技术(IRIS)的诞生,大幅降低了测试成本,在保障较高精度的同时显著提高了测试效率(Lis et al., 2008)。最重要的是,它使得连续原位测量成为可能。 

  IRIS技术推动之下,水汽同位素的研究如雨后春笋般增长,在全球不同区域如美国、?#20998;?#21644;中国等地,均有水汽同位素连续观测的报道,并对开放水体蒸发和植被蒸腾乃?#20004;?#27700;形成等机理有了新的认识。然而,受测量条件限制,一直未见有全球尺度的连续测量结果,对控制水汽同位素分馏尤其?#35831;?#30408;余的主导因素除相对湿?#32676;?#28023;洋表面温度外,是否包括风速争议不断。 

  近期,Nature Communications发表了德国亥姆霍兹极地海洋研究中心、挪威卑尔根大学和丹麦哥本哈根大学研究人员为时两年(2015629-2017630日)的海洋水汽同位素数据集研究成果(Bonne et al., 2019)。研究人员在科考船上安装了IRIS水汽同位素连续测量装置,考察路径从北极到南极、穿越大西洋和北冰洋。在测量水汽同位素数据的同时,测试了海水同位素,并沿途观测了海水温度、风速、气温与相对湿度等数据,获得了全球尺度下第一批连续原位测量数据。全部数据可以到PANGAEA数据库下载。 

1全球不同纬度下的水汽同位素与氘盈余以及海冰覆盖比例、海水表面温度、海水同位素与氘盈余的连续变化(Bonne et al., 2019

  研究人员采用解析模型和数?#30340;?#22411;(IsoGCM)指出控制水汽氘盈余变化的主导因素是相对湿?#32676;?#28023;水表面温度,并不包括备受争议的因素——风速。他们进一步指出,在海冰覆盖的区域,采用IsoGCM模拟水汽同位素值时,若不考虑海冰表面的沉积雪发生升华的过程,模拟得到的数据与实际观测结果相差较大;但若考虑这一升华过程,则两者吻合较好。?#24471;?#21319;华过程中的同位素分馏,对水汽同位素影响显著。这一结果要求在利用冰芯和石笋的氘盈余恢复古气候时,要将氘盈余作为相对湿?#32676;?#28023;水表面温度的综合指标,在有海冰存在的区域,须考虑升华过程的影响。 

  基于IRIS技术进行连续原位测量,对应用水同位素开展全球尺度研究提供了强大的技术支持。值得一提的是,独立于水汽同位素测量的IRIS技术,另一支持全球尺度研究的水同位素分析手段——遥感反演技术也于近年?#35789;?#21040;了广泛关注,其优点是可以同时获得全球不同位置的水汽同位素数据(Worden et al., 2007);其缺点一是仅能获得氘同位素数据(2H),无法获得氧同位素数据(18O);二是精度相对较差。总之,在新技术的推动之下,利用水同位素开展全球尺度下的水循环研究,成为了现代水文科学的显著特征。 

  主要参考文献 

  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.原文链接 

  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.原文链接 

  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.原文链接 

  (撰稿:孔彦龙/工程?#36965;?/span>

 
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