基于LMDZiso模式的西北干旱区夏半年再循环水汽贡献率时空特征及影响因素分析

论文摘要

局地水汽再循环在陆地水循环过程中扮演着重要角色。在我国西北干旱区,尽管再循环水汽的绝对量有限,但对区域降水的贡献（即水汽再循环率）却不容忽视。本文基于嵌套了同位素模块的全球大气环流模式——LMDZiso模型模拟的降水稳定同位素及相关气象要素（温度、压强、比湿等）数据,依据同位素非平衡分馏假设、简化的Craig-Gordon模型、以及瑞利分馏原理对降水水汽、再循环水汽和外来水汽的同位素值进行了模拟计算;同时,借助同位素混合模型,对西北干旱区1979―2007年夏半年再循环水汽对降水贡献率的时空特征、作用机制及影响因素进行了分析,从而在利用稳定同位素技术定量评估西北干旱区水汽再循环率方面取得一定突破。通过对比分析发现:尽管外来水汽对降水的贡献率占主体,但再循环水汽的贡献率仍占一定比例,这充分肯定了水汽再循环在干旱区大气水汽平衡中的重要作用,即参与局部地区降水形成过程,并提供少量珍贵水资源。这对于深入理解西北内陆夏半年水循环过程及陆—气相互作用提供了有价值的参考,并为同位素模拟技术应用于水文水资源领域提供思路。本文的主要结论如下:（1）研究时段内夏半年降水水汽、外来水汽和再循环水汽中δ18O和δD的季节变化和年际变化显示:7、8月各水汽中重同位素较为富集,4月和10月较为贫化,47月重同位素由相对贫化向相对富集过渡,810月由相对富集向相对贫化过渡;在年际上呈逐年富集的趋势。就各水汽同位素的空间分布而言,4月、7月、10月和夏半年平均各水汽中δ18O和δD在山区相对贫化,在山地周围的绿洲区及沙漠地区相对富集;在4月和10月δ18O和δD的分布较为相似;7月研究区δ18O和δD的整体富集程度要比4月和10月高。整体上,植物蒸腾水汽中δ18O和δD的富集程度最高,降水水汽和外来水汽中的δ18O和δD的分布较为相似;地表蒸发水汽中δ18O和δD的的富集程度最低。（2）LMDZiso（free）和LMDZiso（nudged）模拟的1979―2007年夏半年外来水汽与再循环水汽贡献率的季节变化和年际变化显示:外来水汽对降水的贡献率最高,在季节上分别介于79.9%99.4%和77.4%98.7%,且春、夏季节（47月）逐渐升高,夏、秋季节（810月）逐渐降低;在年际上分别介于90.1%94.5%和88.2%93.6%,且对降水的年际贡献率有逐年上升的趋势,其年际贡献量介于302485 mm和265508 mm。地表蒸发水汽对降水的贡献率最低,在季节上分别介于0.01%14.1%和0.01%8.2%,且季节波动明显,46月贡献率逐渐降低,78月贡献率贡献率逐渐升高,910月又逐渐降低;在年际上分别介于0.1%0.7%和0.2%0.8%,年际贡献量介于28mm和310mm。植物蒸腾水汽对降水的贡献率介于外来水汽和地表蒸发水汽之间,在季节上分别介于0.05%15%和0.16%21.2%,在47月逐渐降低,810月逐渐升高;年际上分别介于5.2%9.7%和5.9%11.3%,年际贡献量介于2447 mm和2651 mm。整体上,植物蒸腾水汽贡献率较地表蒸发水汽贡献率高,但二者之和在季节变化上都呈春、夏季节（47月）逐渐降低,夏、秋季节（810月）逐渐升高,且年际贡献率呈逐年下降的趋势。夏半年各水汽对降水的贡献率及其贡献量空间分布不均:外来水汽贡献率普遍较高,较高值（85%100%）出现在山区,其贡献量高于200 mm;较低值（55%80%）出现在山前绿洲区及沙漠附近地区,其贡献量低于50 mm;当贡献率在80%85%之间时,贡献量在50200 mm。相较于植物蒸腾水汽贡献率,地表蒸发水汽贡献率在大部分地区较低（05%）,其贡献量低于5 mm;但在小范围山区附近贡献率较高（5%20%）,其贡献量介于5100 mm。整体上,外来水汽和地表蒸发水汽对降水的贡献量与其贡献率成正相关,即在山区较高,在绿洲区及沙漠地区较低;而植物蒸腾水汽对降水的贡献量与其贡献率成负相关,当贡献率在15%35%时,贡献量不足5 mm,当贡献率在015%时,贡献量介于5100 mm。（3）由于西风水汽在输送过程中会发生同位素分馏,且随着水汽输送强度的变化,其分馏程度也相应不同,导致外来水汽中同位素的富集程度发生变化,进而导致外来水汽对降水的时空贡献率和贡献量发生变化。7月外来水汽中δ18advO和δadvD整体相对富集,同时贡献水汽较多,使其贡献率和贡献量较高。47月δ18advO和δadvD由相对贫化向相对富集过渡,710月δ18advO和δadvD由相对富集向相对贫化过渡,其指示着外来水汽所贡献的降水水汽分别由少到多和由多到少变化,外来水汽的贡献率也由低到高和由高到低变化。此外,由于我国西北干旱区大部分地区处在西风环流与副热带高气压带的过渡带,夏季受副高北移影响,西风气流在45°N以南地区不稳定,出现南疆大部分地区外来水汽含量较少,贡献率和贡献量较低的情况,结果使得南疆地区的降水不如北疆地区多。4月研究区水热条件较差,使得地表蒸发和植物蒸腾水汽同位素分馏受到制约,因而δev18O和δevD和δtr18O和δtrD相对贫化;同时地表蒸发和植物蒸腾贡献的水汽较少。7、8月研究区水热条件较好,地表蒸发和植物蒸腾水汽同位素分馏较彻底,因而δev18O和δevD和δtr18O和δtrD相对富集;同时地表蒸发和植物蒸腾贡献的水汽也较多。（4）降水水汽是由外来水汽、地表蒸发水汽和植物蒸腾水汽混合而成;受西风水汽主导作用,外来水汽对降水的贡献居于主体地位。外部水汽输送增加使得降水增加,但也使得西北干旱区局地再循环水汽在总降水中的比率降低;而再循环水汽在降水出现减少趋势时,即外来水汽输送减少时起到较高的补偿作用,即贡献率较高;虽受局地水热条件作用,在7、8月再循环水汽贡献较大,但总体而言,外部水汽输送仍然是降水的主要来源,因此再循环水汽在这一时期贡献率相对较低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 选题背景与研究意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 水汽再循环的国内外研究进展
•     1.2.2 同位素方法在水汽再循环研究中的应用
•   1.3 研究内容与技术路线
•     1.3.1 研究内容
•     1.3.2 技术路线
• 2 研究区概况及资料方法
•   2.1 研究区概况
•     2.1.1 地理位置及地貌特征
•     2.1.2 气候特征
•     2.1.3 水文特征
•     2.1.4 土壤特征
•     2.1.5 植被特征
•   2.2 研究资料
•     2.2.1 LMDZ模拟数据
•     2.2.2 同位素实测数据
•     2.2.3 气象数据
•   2.3 研究方法
•     2.3.1 同位素混合模型
•     2.3.2 降水水汽的同位素组成
•     2.3.3 植物蒸腾水汽的同位素组成
•     2.3.4 地表蒸发水汽的同位素组成
•     2.3.5 外来水汽的同位素组成
• 3 水汽同位素时空特征
•   3.1 降水水汽同位素时空特征
•     3.1.1 季节特征
•     3.1.2 年际特征
•     3.1.3 空间特征
•   3.2 外来水汽同位素时空特征
•     3.2.1 季节特征
•     3.2.2 年际特征
•     3.2.3 空间特征
•   3.3 地表蒸发水汽同位素时空特征
•     3.3.1 季节特征
•     3.3.2 年际特征
•     3.3.3 空间特征
•   3.4 植物蒸腾水汽同位素时空特征
•     3.4.1 季节特征
•     3.4.2 年际特征
•     3.4.3 空间特征
•   3.5 小结
• 4 水汽贡献率与贡献量时空变化
•   4.1 季节贡献率特征
•   4.2 年际贡献率与贡献量特征
•   4.3 空间贡献率与贡献量特征
•   4.4 小结
• 5 水汽再循环的影响因素分析
•   5.1 西风环流
•   5.2 局地气象条件
•   5.3 小结
• 6 结论与展望
•   6.1 主要结论
•   6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 余秀秀

导师: 张明军

关键词: 水汽再循环,降水贡献率,时空特征,影响因素,同位素混合模型,模式,西北干旱区

来源: 西北师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 气象学,气象学,地球物理学,水利水电工程

单位: 西北师范大学

分类号: P426;P339

总页数: 79

文件大小: 10963K

下载量: 21