半干旱地区大气水蒸气的同位素组成（δ18O和δD）：变化特征及其控制因素

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Isotopic composition (δ18O and δD) of ambient atmospheric water vapor in a semi-arid region: variabilities and controlling factors

本研究分析了2017年7月至2019年12月印度Ahmedabad地区大气水汽的δ1?O和δD组成，发现西南季风和后季风期间同位素相关性较强，冬季较弱，δ-excess波动显著，主要受阿拉伯海moisture source和温度影响。

　　本研究聚焦于印度半干旱地区阿姆利则（Ahmedabad）的环境大气水汽同位素组成，探讨其在不同时间尺度上的变化特征以及这些变化与气候现象之间的关系。大气水分输送是水文循环的重要组成部分，其稳定同位素组成（如δ1?O和δD）和时间变化特性能够有效揭示复杂的气象现象及其历史演变。通过分析2017年7月至2019年12月间阿姆利则的同位素数据，研究者发现该地区降雨的季节性与年度性变化显著，其中2019年的降雨天数最多，达75天，其次是2017年的51天和2018年的41天。这一变化趋势反映了该地区在不同季节和年份间水汽来源、温度变化以及大气湿度的动态调整。

在不同时间尺度上，大气水汽的同位素组成表现出显著的波动。特别是在西南季风（SM）和季风后（post-monsoon）期间，δ1?O与δD之间呈现出明显的相关性，而冬季季风（winter monsoon）期间的相关性较弱，甚至在前季风（pre-monsoon）期间几乎可以忽略。这种相关性的变化与大气水汽来源的改变及同位素分馏过程密切相关。研究者还发现，δ1?O和δD之间的变化幅度较大，分别在-2‰至-27‰和-28‰至-206‰之间波动。这种显著的同位素变化不仅反映了水汽来源的多样性，还揭示了大气动力学过程对水汽输送的调控作用。

研究者采用回溯轨迹分析方法，结合δD和δ1?O的同位素数据，进一步探讨了水汽来源及其对降雨生成的影响。分析结果显示，在西南季风后期及季风期间，高湿度水平与阿拉伯海（Arabian Sea）的水汽输送密切相关。而在冬季季风期间，低湿度水平则主要受到动能分馏（kinetic fractionation）的影响。这一发现对于理解印度次大陆的气候系统具有重要意义，因为水汽来源和其动态变化在气候调控中扮演着关键角色。

在印度次大陆，由于复杂的季风模式和显著的大气变化，对水汽和降雨的同位素组成进行深入研究尤为重要。尽管已有大量关于降雨同位素的研究，但目前在印度地区对季风期间的水汽同位素变化仍缺乏高分辨率的观测数据。本研究通过高分辨率的测量手段，获取了阿姆利则在2017至2019年间的δ1?O和δD数据，时间分辨率达到每8分钟一次，填补了这一领域的研究空白。这些数据不仅能够帮助科学家更准确地理解当地和区域尺度上的气候影响因素，还能够揭示水汽来源、输送路径以及蒸发与降水之间的动态关系。

本研究的核心目标在于通过高分辨率的同位素数据，深入分析大气水汽在不同时间尺度上的变化规律。具体而言，研究者希望通过以下五个方面进一步推进对大气水汽同位素组成的理解：（1）研究2017至2019年间不同季节的同位素组成变化；（2）分析降雨的波动及其对同位素组成的影响；（3）识别导致同位素变化的关键过程；（4）量化δ1?O和δD在不同季节和年份间的波动幅度；（5）探讨水汽输送路径对同位素组成动态的影响。这些研究目标不仅有助于揭示大气水汽的来源和输送机制，还能够为气候研究和水资源管理提供科学依据。

阿姆利则位于印度西部半干旱地区，其降水模式具有明显的季节性特征。该地区在西南季风期间（6月至9月）降水量最大，而在非季风期间则几乎没有降水。阿姆利则的主要水汽来源是阿拉伯海，其次是孟加拉湾（Bay of Bengal）的季风分支以及本地地表蒸发形成的水汽。这种水汽来源的多样性导致了不同季节间同位素组成的显著差异。例如，在西南季风期间，由于水汽主要来自阿拉伯海，其同位素组成表现出一定的特征，而在季风后或冬季季风期间，由于水汽来源的变化，同位素组成也随之发生变化。

研究者还发现，同位素组成的变化与降雨强度、温度、湿度以及大气循环模式密切相关。例如，在季风期间，降雨的发生直接影响了大气水汽的同位素组成，而在非季风期间，温度和湿度的变化则成为主导因素。这种现象表明，大气水汽的同位素组成不仅受到水汽来源的影响，还与当地和区域尺度上的气象条件密切相关。此外，研究者还发现，d-excess（即同位素过剩值）在研究期间表现出显著波动，范围从-49‰到103‰。这一波动主要由周围空气的湿度变化所驱动，并且与δ1?O呈现出强烈的负相关关系。d-excess的变化反映了水汽在相变过程中所经历的非平衡分馏过程，是识别水汽来源的重要指标。

通过回溯轨迹分析，研究者能够更直观地了解水汽的输送路径及其对降水的影响。轨迹分析结果显示，在研究期间，水汽来源在不同季节间发生了显著变化。例如，在西南季风期间，水汽主要来自阿拉伯海，而在季风后，水汽来源则更多样化，可能受到孟加拉湾或其他地区的贡献。而在冬季季风期间，水汽来源主要受到本地地表蒸发的影响，这种现象与动能分馏密切相关。这种水汽来源的动态变化不仅影响了同位素组成，还对降水模式和区域气候产生了重要影响。

研究者还发现，大气水汽的同位素组成在不同季节间呈现出不同的变化趋势。例如，在西南季风期间，δ1?O和δD之间的相关性较强，而在季风后，这种相关性有所减弱。这种变化可能与水汽来源的改变及分馏过程的差异有关。此外，研究者还注意到，在某些季节中，同位素组成的变化幅度较大，这可能与特定的气象条件或水汽输送路径有关。这些发现为理解大气水汽的来源和输送机制提供了新的视角。

在印度次大陆，由于复杂的季风系统和显著的大气变化，对水汽和降雨的同位素组成进行深入研究尤为重要。研究者通过高分辨率的同位素数据，揭示了大气水汽在不同时间尺度上的变化特征，并探讨了这些变化与气象条件之间的关系。这些数据不仅有助于理解大气水汽的来源和输送路径，还能够为区域气候研究和水资源管理提供科学依据。此外，研究者还发现，d-excess的变化与降雨强度和湿度密切相关，这种关系在不同季节间有所不同，反映了水汽来源和分馏过程的动态调整。

通过回溯轨迹分析，研究者能够更清晰地了解水汽输送路径及其对降水的影响。轨迹分析结果显示，在研究期间，水汽来源在不同季节间发生了显著变化。例如，在西南季风期间，水汽主要来自阿拉伯海，而在季风后，水汽来源则更多样化，可能受到孟加拉湾或其他地区的贡献。而在冬季季风期间，水汽来源主要受到本地地表蒸发的影响，这种现象与动能分馏密切相关。这种水汽来源的动态变化不仅影响了同位素组成，还对降水模式和区域气候产生了重要影响。

研究者还发现，大气水汽的同位素组成在不同季节间呈现出不同的变化趋势。例如，在西南季风期间，δ1?O和δD之间的相关性较强，而在季风后，这种相关性有所减弱。这种变化可能与水汽来源的改变及分馏过程的差异有关。此外，研究者还注意到，在某些季节中，同位素组成的变化幅度较大，这可能与特定的气象条件或水汽输送路径有关。这些发现为理解大气水汽的来源和输送机制提供了新的视角。

综上所述，本研究通过高分辨率的同位素数据，揭示了印度半干旱地区阿姆利则大气水汽在不同时间尺度上的变化特征，并探讨了这些变化与气象条件、水汽来源及分馏过程之间的关系。研究结果表明，大气水汽的同位素组成不仅受到水汽来源的影响，还与温度、湿度、降雨强度以及大气循环模式密切相关。通过回溯轨迹分析，研究者能够更直观地了解水汽输送路径及其对降水的影响，为区域气候研究和水资源管理提供了重要的科学依据。此外，研究者还发现，d-excess的变化与降雨强度和湿度密切相关，这种关系在不同季节间有所不同，反映了水汽来源和分馏过程的动态调整。这些发现不仅有助于理解大气水汽的来源和输送机制，还能够为气候研究和水资源管理提供新的思路和方法。