长沙地区水体蒸发中稳定同位素分馏的实验和模拟分析

摘要

蒸发是水循环过程中重要的过程之一，蒸发过程深刻影响着水体与大气稳定同位素的分馏交换。而水体蒸发过程中稳定同位素的变化又和蒸发时气象状况、水体蒸发程度紧密相关。长沙地区冬夏分明，全年温度变化范围近40℃。受季风影响，全年湿度变化也很大。在此气候背景下做的水体蒸发实验，能较全面地了解不同气象背景下的水体稳定同位素分馏情况，了解蒸发分馏对大气水汽同位素的贡献，检验现有的水体蒸发分馏理论。
　　本文通过对2013年7月到2014年4月的六次蒸发皿蒸发实验取样观测，分析了蒸发皿蒸发剩余水体中稳定同位素值的变化特征，探讨了蒸发剩余水体中稳定同位素值变化与空气相对湿度的关系。利用平衡分馏公式与动力分馏公式对剩余水体稳定同位素值变化和蒸发线进行模拟并与实测值进行对比，并在2014年10月同步观测了蒸发水体和大气水汽中稳定同位素的变化。初步得到以下结论:
　　(1)剩余水体稳定同位素比率随着剩余水体质量减少总体呈上升趋势，但在有降水发生的时段会出现下降趋势。剩余水体稳定同位素比率变化与空气相对湿度变化呈现负相关关系。可能是由于蒸发水体与大气水汽之间稳定同位素交换的影响。同位素分馏速度上表现为夏季高，冬季低。
　　(2)平衡分馏模式模拟的剩余水体稳定同位素比率变化结果在蒸发初段与实测结果拟合较好，但是蒸发中后期开始偏离实际测量值，并且不能反映剩余水体稳定同位素比率受相对湿度变化影响而出现的下降的过程。而动力分馏模式模拟结果不仅全程与实测结果拟合较好，而且能很好地模拟剩余水体稳定同位素比率波动的过程。
　　(3)实测剩余水体蒸发线斜率冬春两季大于动力模拟蒸发线，夏秋两季反之。说明在夏秋两季实际蒸发作用更明显，冬春两季水体蒸发受到温度条件限制。平衡模式模拟的蒸发线斜率高于实测蒸发线和动力模拟蒸发线斜率，与大气降水线接近，拟合程度不理想。动力模拟蒸发线斜率与实测蒸发线斜率接近，夏秋季前者高于后者，冬春季反之。
　　(4)六组实验蒸发水体中过量氘d值随蒸发总体呈下降趋势，但在出现降水时段过量氘d值会出现回升。从过量氘d值的下降平均速度来看，夏季下降速度最高，秋季其次。冬春季过量氘d值下降速度较慢。
　　(5)大气水汽中δ2H和蒸发剩余水体中δ2H在降水时间出现同步下降，证明了蒸发剩余水体中稳定同位素在降水时段受到大气水汽中稳定同位素变化的影响。

目录

摘要

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

2 研究区概况

3 实验设计与样品分析

3．1 实验设计

3．2 数据来源和样品分析

4 蒸发皿剩余水体稳定同位素变化特征

4．1 蒸发水体稳定同位素与h的变化

4．1．1 夏季剩余水稳定同位素与h的变化

4．1．2 秋季剩余水稳定同位素与h的变化

4．1．3 冬季剩余水稳定同位素与h的变化

4．1．4 春季剩余水稳定同位素与h的变化

4．2 蒸发水体中稳定同位素与模拟对比

4．2．1 平衡分馏模式介绍

4．2．2 动力分馏模式介绍

4．2．3 夏季水体稳定同位素与模拟对比

4．2．4 秋季水体稳定同位素与模拟对比

4．2．5 冬季水体稳定同位素与模拟对比

4．2．6 春季水体稳定同位素与模拟对比

4．3 讨论

4．4 稳定同位素分馏速度与温度

5 四季水体蒸发线特征和模拟

5．1 夏季蒸发线

5．2 秋季蒸发线

5．3 冬季蒸发线

5．4 春季蒸发线

5．5 讨论

6 蒸发水体中过量氘的变化

6．1 过量氘简介

6．2 蒸发剩余水体中过量氘变化

7 大气水汽中稳定同位素与蒸发水体中稳定同位素关系

8 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢

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