我国大气降水中稳定同位素的多时空尺度变化及影响因素分析

论文摘要

气候变化是全球的热点话题之一。对于气候变化的研究,传统的器测记录仅能提供有限的视角,这在一定程度上制约了对于气候要素的变化和预测研究,而稳定同位素是可以从时间和空间上扩大相关天气气候过程研究的重要工具。降水稳定同位素与气候要素之间存在着相关关系,是定量反演古介质中蕴含的气候信息、及时掌握当前气候波动事实以及预测未来气候变化的重要依据。本文在空间上展现了我国降水中稳定同位素的分布特征,并基于我国36个站逐月降水稳定同位素资料,使用相关分析、聚类分析及逐步回归分析等方法分析我国大气降水中δ18O与7个气象因子之间的相关关系;在时间上,以典型台站（下称代表站）为例,基于引入水稳定同位素循环的全球气候模型（iGCMs）模拟输出产品数据,综合运用连续小波变换、交叉小波和相干小波变换方法,讨论不同气候背景下代表站降水中δ18O的年际变化及其与年平均温度和年降水量的相互关系;最后针对目前同位素研究的热点问题,利用长沙站20102017年的日降水δ18O数据,分析了该站降水中δ18O的变化特征及与局地和上游气候变量的关系。结果表明:（1）我国降水中δ18O的变化具有明显的纬度效应和高程效应。具体而言,东南沿海为我国降水中δ18O的相对高值集中分布区,随着纬度的增加,降水中δ18O值逐渐降低,至华北和东北地区,降水中δ18O约是经向上我国降水中δ18O的最低值。此外,位于我国地势第一级阶梯上的青藏高原成为我国降水中δ18O低值的集中分布区。在降水中δ18O季节差的空间分布上,我国西北、东北及青藏高原北部地区降水中δ18O的季节变化与温度的变化同步,δ18O平均值暖半年（49月）高于冷半年（10翌年3月）,季节差为正值;但在我国西南及东南沿海地区,水汽来源的季节转换对δ18O的变化产生了重要影响,降水中δ18O呈现出夏低冬高的季节变化特点,季节差为负值。（2）通过计算我国36个站降水中δ18O与近地面气温、降水量、大气可降水量、外向长波辐射、500hPa高度风速、Nino 4区海表温度距平以及南方涛动指数之间的相关关系发现,秦岭-淮河一线南北两侧站点降水中δ18O与气象因子之间的关系差异显著,该线是我国一条重要的降水稳定同位素环境效应分界线。（3）聚类分析的结果表明,我国降水中δ18O可以分为3个区域,即北部区（包括西北和东北地区）、中部过渡区（含华北及青藏地区）和南部区。其中北部区和中部过渡区的分界线大致与我国西北地区和北方地区的分界线吻合,中部过渡区与南部区的分界线大体与我国北方地区和南方地区的分界线相一致。不同地区控制降水中δ18O的气象因子存在差异:北部区为温度,中部过渡区为温度和500hPa高度风速,南部区是500hPa高度的风速。对各分区当地大气水线的比较发现,受不同水汽来源及当地气候条件的影响,LMWL的斜率小于8的站点多集中分布在北部区和中部过渡区,斜率大于8的站点主要分布在南部区。（4）对我国具有较长时间序列的6个代表站年降水中δ18O的Morlet小波变换结果表明,乌鲁木齐站年降水中δ18O在8a时间尺度下负-正交替的周期约为5年。齐齐哈尔站18O在12a特征尺度下大致经历了3个富集→贫化的转换期,18O变化的平均周期约为8年。石家庄站年降水中δ18O变化的主周期为9a,在该时间尺度下18O共经历了4个完整的贫化→富集的周期变化,变化的平均周期约为6年。德令哈站在13a特征时间尺度上年降水中18O变化的周期为9a左右,大约经历了3个富集→贫化的转换期。昆明站在8a的主周期时间尺度下降水中18O大致经历了5个富集→贫化的转换期,18O变化的平均周期约为5年。香港站近30年来降水中18O变化的主周期为6a,大致经历了7个贫化→富集的转换期,18O变化的平均周期约为4年。（5）交叉小波和相干小波分析的结果表明,6个代表站年降水中δ18O与年平均温度、年降水量在时频域中均存在不同尺度的共振周期和时滞效应,稳定的温度效应或降水量效应在整个研究时段上并不存在。各站点降水中δ18O与温度和降水量的相关性也存在差异。其中,乌鲁木齐站和石家庄站年降水中δ18O的变化与年平均温度和年降水量之间均存在较为密切的关系,且石家庄站δ18O与降水量的相关关系稍强于它与温度的相关关系;德令哈站年平均温度对该站年降水中δ18O的影响较年降水量更大;在齐齐哈尔、昆明和香港站,年降水量对年降水中δ18O的影响更为显著。（6）日时间尺度下,长沙降水中δ18O的变化呈现暖半年的低值与冷半年的高值交替的特点,且δ18O与局地温度和降水量之间都不存在显著且稳定的相关关系。与“局地效应”相比,长沙降水中δ18O的变化能敏感地响应上游关键区降水量的变化。日尺度下δ18O与上游关键区前期区域平均降水量之间的最大相关系数暖半年变化在-0.79-0.63之间,均通过0.001的信度检验;冷半年变化在-0.79-0.38之间,除2012年外,其余年份也都通过0.001的信度检验。说明局地降水中δ18O的变化存在“上游效应”,且上游关键区的降水对下游地区降水稳定同位素组成的影响较“局地效应”显著。

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摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.3 研究内容与技术路线

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

2.1.1 降水稳定同位素数据

2.1.2 气象数据

2.2 主要方法

2.2.1 相关分析

2.2.2 聚类分析

2.2.3 逐步回归分析

2.2.4 小波分析

18O的空间分布特征及其影响因素分析'>3 我国大气降水中δ¹⁸O的空间分布特征及其影响因素分析

18O的空间分布'> 3.1 我国大气降水中δ¹⁸O的空间分布

18O的空间分布'> 3.1.1 多年平均δ¹⁸O的空间分布

18O季节差的空间分布'> 3.1.2 多年平均δ¹⁸O季节差的空间分布

18O变化的多气象因子分析'> 3.2 我国大气降水中δ¹⁸O变化的多气象因子分析

18O与近地面气温和降水量的关系'> 3.2.1 降水中δ¹⁸O与近地面气温和降水量的关系

18O与大气可降水量、外向长波辐射及500hPa高度风速的关系'> 3.2.2 降水中δ¹⁸O与大气可降水量、外向长波辐射及500hPa高度风速的关系

18O与 Nino4 区海表温度距平及南方涛动指数的关系'> 3.2.3 降水中δ¹⁸O与 Nino4 区海表温度距平及南方涛动指数的关系

18O地理分区'> 3.3 我国大气降水中δ¹⁸O地理分区

18O分区'> 3.3.1 基于聚类分析的我国降水中δ¹⁸O分区

18O变化的主要影响因素'> 3.3.2 各分区降水中δ¹⁸O变化的主要影响因素

3.3.3 各分区大气水线的比较

18O的多时间尺度变化特征及与气温和降水量的关系'>4 我国大气降水中δ¹⁸O的多时间尺度变化特征及与气温和降水量的关系

4.1 代表站的选择

18O的多时间尺度变化特征'> 4.2 代表站年降水中δ¹⁸O的多时间尺度变化特征

18O与年平均温度的交叉小波和小波相干分析'> 4.3 代表站年降水中δ¹⁸O与年平均温度的交叉小波和小波相干分析

18O与年降水量的交叉小波和小波相干分析'> 4.4 代表站年降水中δ¹⁸O与年降水量的交叉小波和小波相干分析

18O的变化特征及影响因素探究——以长沙站为例'>5 日尺度下降水中δ¹⁸O的变化特征及影响因素探究——以长沙站为例

18O的变化特征'> 5.1 日尺度下长沙降水中δ¹⁸O的变化特征

18O与局地气象要素的关系'> 5.2 长沙降水中δ¹⁸O与局地气象要素的关系

18O与上游关键区降水过程的关系'> 5.3 长沙降水中δ¹⁸O与上游关键区降水过程的关系

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周慧

导师: 章新平

关键词: 降水稳定同位素,多尺度,同位素效应,上游关键区,小波分析

来源: 湖南师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 湖南师范大学

基金: 国家自然科学基金(No.41571021),湖南师范大学一流学科建设项目(No.810006)

分类号: P426.612

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