温带内陆草原流域降水中的再生水分贡献：冷暖气团辐合作用下的同位素示踪研究

本文创新性地构建了考虑冷暖气团辐合效应的同位素估算框架，通过HYSPLIT轨迹模型识别多源平流水汽信号，揭示了温带草原内陆流域降水的水分来源特征。研究发现草甸草原的植物蒸腾贡献(ftr达38%)显著高于典型草原(9.2%)和疏林草原(25.3%)，证实冷暖气团辐合会显著增强再生水分对降水的贡献(7-8月达33%)，而冷-冷辐合则产生抑制作用(6月24.8%)。该研究为评估内陆草原生态系统水循环提供了新方法。

　　

研究背景

温带欧亚草原作为全球最大连续草原生态系统，其陆地-大气相互作用对区域水文循环具有重要调控作用。研究聚焦锡林河流域典型草原、草甸草原和疏林草原，针对传统同位素模型仅考虑单向平流水汽的局限，创新性地引入冷暖气团辐合效应，通过NCEP/NCAR再分析数据和HYSPLIT轨迹模型，识别出西伯利亚水汽（冷气团）与东南季风（暖气团）两大主要外部水汽来源。

方法创新

研究改进了Brubaker-van der Ent陆地-大气水汽通量概念模型，构建包含δ²H和δ¹⁸O双同位素的四端元混合模型：

δ²H_pv = f_evδ²H_ev + f_trδ²H_tr + f_adv-Aδ²H_adv-A + f_adv-Bδ²H_adv-B

通过Hydrocalculator软件计算降水水汽同位素组成，结合克雷格-戈登模型估算蒸发水汽δ_ev，并直接测定优势植物木质部水的δ_tr值。

关键发现

1. 1.

   时空分异特征：

   • •

     草甸草原降水δ²H平均值最高(-40.2‰)，其再生水分贡献达43.1%，显著高于疏林草原(41.3%)和典型草原(17.6%)

   • •

     植物蒸腾贡献(f_tr)普遍高于地表蒸发(f_ev)，草甸草原f_tr达38%，是典型草原的4倍

2. 2.

   气团辐合效应：

   • •

     冷-冷气团辐合(6月)通过补偿下沉运动(ω>0)抑制再生水分，CAPE仅0-34.5 J/kg

   • •

     冷-暖气团辐合(7-8月)增强锋面抬升，CAPE升至272.1 J/kg，自由对流高度(LFC)降低至226.7-820.6 hPa

3. 3.

   控制机制：

   • •

     δ¹⁸O_pv与温度呈显著正相关(R²=0.5619)

   • •

     蒸发过程导致δ²H_ev每增加10‰，f_tr下降14.1%

   • •

     蒸腾过程δ¹⁸O_tr每增加10‰，f_ev上升36.4%

理论价值

研究建立的改进框架将再生水分估算不确定度降低23%，敏感性分析显示草甸草原f_adv-SMV对δ²H_ev变化响应最敏感(-3.82%/Δδ²H_ev)。通过整合ERA5(0.25°×0.25°)和GDAS1(1°×1°)再分析数据，证实气团辐合类型（非降水量）是调控再生水分的主控因子。

应用前景

成果为半干旱区草地生态系统管理提供科学依据：

1. 1.

   草甸草原的高蒸腾贡献提示需重点保护河岸植被

2. 2.

   冷暖气团交互期的水分循环数据可用于改进区域气候模型

3. 3.

   疏林草原16%的蒸发贡献警示需防控沙地水分流失

该研究通过多尺度同位素示踪技术，首次量化了温带草原不同植被类型对降水形成的差异化贡献，为理解陆地-大气反馈机制提供了新视角。