水同位素（2H和18O）以及由其派生出的参数氘盈余（d-excess = δ2H-8*δ18O）是研究现代水文过程和恢复古气候的重要示踪剂，其分析测试的传统手段为同位素质谱分析技术（IRMS）。在2000年前后，水同位素红外光谱分析技术（IRIS）的诞生，大幅降低了测试成本，在保障较高精度的同时显著提高了测试效率（Lis et al., 2008）。最重要的是，它使得连续原位测量成为可能。
在IRIS技术推动之下，水汽同位素的研究如雨后春笋般增长，在全球不同区域如美国、欧洲和中国等地，均有水汽同位素连续观测的报道，并对开放水体蒸发和植被蒸腾乃至降水形成等机理有了新的认识。然而，受测量条件限制，一直未见有全球尺度的连续测量结果，对控制水汽同位素分馏尤其是氘盈余的主导因素除相对湿度和海洋表面温度外，是否包括风速争议不断。
近期，Nature Communications发表了德国亥姆霍兹极地海洋研究中心、挪威卑尔根大学和丹麦哥本哈根大学研究人员为时两年（2015年6月29日-2017年6月30日）的海洋水汽同位素数据集研究成果（Bonne et al., 2019）。研究人员在科考船上安装了IRIS水汽同位素连续测量装置，考察路径从北极到南极、穿越大西洋和北冰洋。在测量水汽同位素数据的同时，测试了海水同位素，并沿途观测了海水温度、风速、气温与相对湿度等数据，获得了全球尺度下第一批连续原位测量数据。全部数据可以到PANGAEA数据库下载。
图1全球不同纬度下的水汽同位素与氘盈余以及海冰覆盖比例、海水表面温度、海水同位素与氘盈余的连续变化（Bonne et al., 2019）
研究人员采用解析模型和数值模型（IsoGCM）指出控制水汽氘盈余变化的主导因素是相对湿度和海水表面温度，并不包括备受争议的因素——风速。他们进一步指出，在海冰覆盖的区域，采用IsoGCM模拟水汽同位素值时，若不考虑海冰表面的沉积雪发生升华的过程，模拟得到的数据与实际观测结果相差较大；但若考虑这一升华过程，则两者吻合较好。说明升华过程中的同位素分馏，对水汽同位素影响显著。这一结果要求在利用冰芯和石笋的氘盈余恢复古气候时，要将氘盈余作为相对湿度和海水表面温度的综合指标，在有海冰存在的区域，须考虑升华过程的影响。
基于IRIS技术进行连续原位测量，对应用水同位素开展全球尺度研究提供了强大的技术支持。值得一提的是，独立于水汽同位素测量的IRIS技术，另一支持全球尺度研究的水同位素分析手段——遥感反演技术也于近年来受到了广泛关注，其优点是可以同时获得全球不同位置的水汽同位素数据（Worden et al., 2007）；其缺点一是仅能获得氘同位素数据（2H），无法获得氧同位素数据（18O）；二是精度相对较差。总之，在新技术的推动之下，利用水同位素开展全球尺度下的水循环研究，成为了现代水文科学的显著特征。
主要参考文献
Lis G, Wassenaar L I, Hendry M J. High-precision laser spectroscopy D/H and 18O/16O measurements of microliter natural water samples[J]. Analytical Chemistry, 2008, 80(1): 287-293.（原文链接）
Bonne J L, Behrens M, Meyer H, et al. Resolving the controls of water vapour isotopes in the Atlantic sector[J]. Nature Communications, 2019, 10: 1632.（原文链接）
Worden J, Noone D, Bowman K, et al. Importance of rain evaporation and continental convection in the tropical water cycle[J]. Nature, 2007, 445(7127): 528.（原文链接）
（撰稿：孔彦龙/工程室）
