张芬等-GRL：基于氘盈余模型评估降水中再循环水汽比例
- 发表日期：2021-11-11 来源：【关闭】
全球变暖背景下，水循环增强，降水时空变化不均匀程度加剧，极端降水事件频发。明晰局地降水的主要水汽来源是理解降水变化的重要基础。形成局地降水的水汽一部分来自外部水汽输送，另一部分则由本地蒸发、蒸腾等过程贡献。求解降水再循环率，定量分析水汽源-汇之间的关系，区分水汽源地对区域降水的贡献，有助于理解影响降水变化的物理过程和机制。
氘盈余（d-excess=δ2H-8δ18O）作为一种灵敏的综合性示踪剂，被广泛用于评估降水中再循环水汽的比例。然而现有的氘盈余模型只包括局地蒸发作用，忽略了植被蒸腾的水汽贡献，导致本地再循环水汽对降水的贡献被低估。
针对上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程院重点实验室博士研究生张芬与导师黄天明副研究员、庞忠和研究员、中国科学院大气物理研究所满文敏副研究员、清华大学胡宏昌博士等人，建立了考虑蒸腾水汽贡献的新模型。该模型通过集成外来平流水汽、局地蒸发水汽和蒸腾水汽三个端元，实现了更为全面的降水水汽源地追踪方法（图1）。
图1 基于氘盈余三端元计算降水再循环比例概念模型（左图：P、Pc分别表示地面降水、云底降水；d、dc分别表示地面降水氘盈余值、云底降水氘盈余值；fi表示降水各水汽源占降水总水汽比例，adv、ev、tr角标分别表示外来平流水汽、蒸发水汽、蒸腾水汽；右图：GMWL、LMWL分别表示全球大气降水线、当地大气降水线；虚线三角形，强调降水水汽三端元组成；红色箭头代表云下蒸发过程）
该研究选取位于东亚季风边缘区的宁夏固原开展降水观测研究（图2）。研究表明，不考虑蒸腾水汽贡献得到的降水再循环率约为5%～21%，降水量加权年平均值为7.5%，夏季降水再循环率低于其他季节。将蒸腾水汽纳入d-excess模型后，该地区降水再循环率的全年变化幅度为7%～22%，降水量加权年平均值增加至14.8%（图3）。考虑蒸腾水汽贡献后降水再循环率增加一倍，说明局地蒸腾作用对该地区降水变化的贡献非常重要。
该研究进一步对当地大气降水线（即降水δ2H和δ18O关系）形成机理进行了探讨，指出除受外来水汽影响，再循环水汽使得降水氘盈余增加，而云下蒸发作用导致其减小，三者共同影响了当地大气降水线。
图2 研究区固原概况及降水主要水汽源示意图（a. 降水站位置；b. 中国降水水汽主要来源；c. 固原月降水量、气温变化图）
图3 模型修正前后固原降水再循环比（fre）月变化图
研究成果发表于Geophysical Research Letters（张芬, 黄天明*, 满文敏, 胡宏昌, 龙吟, 利振彬, 庞忠和. Contribution of recycled moisture to precipitation: A modified d-excess-based model[J]. Geophysical Research Letters, 2021, 48: e2021GL095909. DOI: 10.1029/2021GL095909）。