【導(dǎo)讀】ZHANGXinPing1?,WANGXiaoYun2,YANGZongLiang3,NIUGuoYue3&XieZiChu1

　　

【正文】 182 (1) 式中 w 代表水庫水，例如降水、徑流或水蒸氣等。 混合水庫的輸入有兩種可能的方式， “總體混合 ”和 “部分混合 ”: Rw(t) = [N1Rw (t ?1) + N2Rinputs (t)] N (2) 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文資料翻譯 13 N=N1 +N2 (3) 在總混合中， Roverflow（噸） = Rw（噸） (4) 在部分混合中， max（ N1） ≥N (5) Roverflow（噸） = Rinputs（噸） (6) 其中 Rinputs 是穩(wěn)定同位素比值的輸入量， Roverflow 是溢出的比率， N1 是超過水 水庫的最大存儲(chǔ)容量在水庫水中的質(zhì)量， N2 是輸入水的質(zhì)量， N 是混合后的總質(zhì)量，T 為時(shí)間。 由于相變產(chǎn)生，就出現(xiàn)穩(wěn)定同位素分餾的影響。蒸發(fā)水，在剩余的水的穩(wěn)定同位素比值為： afRwtRw 1)0()( ? (7) 其中 f = N1（噸） / N1（ 0）是水庫蒸發(fā)后一小部分殘余水， α=Rw/Rv 是液體和氣體之間穩(wěn)定同位素分餾系數(shù)， Rv 是蒸氣蒸發(fā)率。由于蒸汽 冷凝， Rd=αRa (8) 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文資料翻譯 14 在 Rd 和 Ra 是露水和大氣水汽的穩(wěn)定同位素比值，分別與穩(wěn)定的同位素分餾系數(shù) α計(jì)算了液體和氣相的分餾值。 眾所周知，植被蒸騰作用不會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定同位素分餾 ]6[ ，因此，穩(wěn)定同位素蒸騰的比值在植物根區(qū)， 即 Rtr = Rroot (9) 。 試驗(yàn)方案 為 iPILPS 第一階段的實(shí)驗(yàn)選定三種不同的地球物理和氣候條件的站點(diǎn)，分別是德國(guó)慕尼黑（ 度，東經(jīng) 度）、位于中緯度的 澳大利亞屯巴隆巴（ 176。， 176。E）和在 南美洲的熱帶雨林 的巴西馬瑙斯，（ 176。， 176。 w）。 馬瑙斯，氣候特點(diǎn)是有適宜的溫度和濕度，雨水充沛，坐落在亞馬孫中心巴西北部，位于大概 1450 公里大西洋內(nèi)陸。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，在馬瑙斯年平均降水量大約是 2109 毫米， 4 月是最大降雨的月份，平均降水量最 308 毫米，在 8 月平均降水量為 52 毫米，年平均溫度為 ℃ ，最高月平均溫度為 ℃ ， 3 月日和月最低平均溫度為 ℃ 。 調(diào)查顯示，在馬瑙斯月降水量和降水穩(wěn)定同位素比值數(shù)額與 降水存在負(fù)相關(guān)關(guān)系]7[ 。一些看法認(rèn)為馬瑙斯降水穩(wěn)定同位素變化特征可以根據(jù)季風(fēng)的可比性氣候在東亞的穩(wěn)定模擬實(shí)驗(yàn)水同位素在馬瑙斯進(jìn)行。 模擬要求必須包含巴西土壤類型基本參數(shù)、植被類型葉面積指數(shù)、植被覆蓋率、粘土常綠闊葉森林的同位素組成和大氣降水、水汽中的同位素組成的詳細(xì)資料，這就要求 iPILPS 第一階段數(shù)據(jù)完全是來源于 REMOiso（區(qū)域模型的同位素）在以 15 分鐘為理想的一年（ 360 天） ]11[ ，詳細(xì)數(shù)據(jù)見文獻(xiàn) ]12[ 。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，該模型以迭代 1年計(jì)算，直到最初和最后之間蓄水的差異減少低于 mm / a 和 素組成，該仿真年做為一個(gè)平衡年。 穩(wěn)定同位素平衡 利用水平衡計(jì)算水量是陸面模擬模型的基礎(chǔ)，同樣的，穩(wěn)定同位素的平衡是穩(wěn)定同位素模擬的基礎(chǔ)。 穩(wěn)定同位素比值的大小可以顯示水體的來源，例如來自大氣降水或蒸氣。通過計(jì)濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文資料翻譯 15 算 δ18O 在水塘中的組成情況，可以對(duì)水塘中的水在 15 分鐘時(shí)間內(nèi) ]11[ 預(yù)計(jì) δ18O 的日變化（圖 1）。 ， 圖 1 δ 18O 在巴西馬鹵斯降水輸入預(yù)測(cè)中調(diào)查的降水（ a）、水汽（ b）中的日變化 在圖 1 中，降水和水汽中穩(wěn)定同位素 δ18O 顯示了其具有明顯的季節(jié)性和典型的常綠熱帶森林同位素特征：大雨或 潮濕的環(huán)境（大 Q）通常是少有穩(wěn)定同位素的， 而小雨或干燥的環(huán)境里同位素（小 Q）通常富集穩(wěn)定同位素。相比與降水量，水汽中同位素的虧損很明顯。 與在這項(xiàng)研究中，巴西馬瑙斯土樣離散從 米至 米不同深度的垂直方向以十層進(jìn)行研究。穩(wěn)定水同位素的變化及其與水有關(guān)的預(yù) 算在表面（ 米，在 CLM 的第一層）、根區(qū)（ 米，在 CLM 的第 2 層至第 10 層）。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文資料翻譯 16 2 CLM 的模擬結(jié)果 18O 的季節(jié)變化和水的預(yù)算 在地表水庫模型中的月降水量在特定的濕度和地表徑流中顯示了氣候特點(diǎn)即赤道效應(yīng)，具有明顯的雙峰季節(jié)（圖 2）。主要的最大和最小降水量分別出現(xiàn)在 4 月和 7 月，它們的差額為 528mm ，而次一級(jí)最大和最小降水量 分別在 12 月和 1 月份， 差額為 170 毫米，只有前數(shù)量的 1 / 3 的，時(shí)間相差僅一月份，這可能與濱海熱帶輻合帶的快速移動(dòng)有關(guān) ]7[ 。相應(yīng)地，水庫的 δ18O 的還顯示了雙峰季節(jié)性，其中降水中 δ18O 的變化和地表徑流的相似方面為：他們的兩個(gè)最大值出現(xiàn)在一月和七月和兩個(gè)最低四月及十月的，穩(wěn)定同位素比率與水預(yù)算呈負(fù)相關(guān)關(guān)系 。此外，在水汽中兩個(gè)最大值 δ18O 值出現(xiàn)在一月和八月，最低的 δ18O在 四月和十一月。次一級(jí)的極值不低于該地區(qū)的降水徑流中。這樣的結(jié)果表明，對(duì)于穩(wěn)定同位素一個(gè)特定的度數(shù)，水庫和蒸氣不影響時(shí)只有通過大規(guī)模的氣候條件，例如太陽輻射和大氣環(huán)流，或者還有水汽的來源 ]5[ 。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文資料翻譯 17 圖 2 在巴西馬瑙斯相應(yīng)的水預(yù)測(cè)δ 18O 的月變化：降水（ 1）蒸氣（ 2），地表徑流（ 3），表面露水（ 4）和表面蒸發(fā)（ 5） 表面蒸發(fā)量的大小與大氣濕度有關(guān)。比較圖 2（ 5）與 2（ 2）項(xiàng)，蒸發(fā)量比較小的兩個(gè)月最大濕度在 4 月和 12 月，但相對(duì)具體濕度最小的在七月。與降水的特征不同，具體的濕度和冷凝、蒸發(fā)顯示了與 δ18O 蒸發(fā) 很小的相關(guān)性 水δ 18O 與季節(jié)變化 在土壤水庫地表水入滲預(yù)測(cè)中，水源主要來自大氣降水，與降水顯示了很好的一致性。因此，在降水中月 平均滲透水中 δ18O 呈正例，但在水量很少時(shí)與降水量相比很少滲透，由于蒸發(fā)作用顯著水的滲透同位素富集。表層土壤水分變化不僅影響滲透水量，而且通過物濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文資料翻譯 18 質(zhì)交換來影響根區(qū)的水分與地表水的蒸發(fā)。 土壤水分的調(diào)蓄和峰值衰減行為使地表土壤水分的季節(jié)效應(yīng)被削弱，相應(yīng)地，在地表水中 δ18O 組成的季節(jié)性標(biāo)記不清表示不出與土壤水的相關(guān)性。然而， 土壤水水庫取水與 表面蒸發(fā)水同位素保持了一致性 。 相對(duì)而言，蒸發(fā)水中的同位素匱乏。 地下徑流在旱季運(yùn)移比較遲緩，通常情況下，在梅雨季節(jié)，地下含水層徑流有較高的水位 。在干燥的季節(jié)，地下含水 層有一個(gè)低水位，徑流很弱。相應(yīng)地，水庫中的 δ18O 有很明顯 的季節(jié)變化。在梅雨季節(jié)，強(qiáng)降水產(chǎn)生強(qiáng)烈的滲透，影響了在根區(qū)水庫和在地下徑流中的 δ18O 使其 減少，例如在 4 月，但在干燥的季節(jié)降水在增加根區(qū)域的水庫和地下徑流滲透中對(duì) δ18O 的 影響不明顯。此外，還可以發(fā)現(xiàn)，地下徑流中 δ18O 是降水到該區(qū)的水，因?yàn)橐话闼膩碓粗饕墙邓? 水 δ 18O 與季節(jié)變化 植被蓄水主要來自降水，通過樹冠截留來少量貯存凝結(jié)水。因此，植被層的 δ18O與降水一致，顯示了其季節(jié)性變化。在植被層中， δ18O 與樹冠儲(chǔ)水量的關(guān)系成反 比或成正比：在雨季，樹冠蓄水對(duì)含有較低的 δ18O，在干燥的季節(jié)，在樹冠儲(chǔ)存水中 δ18O值較高。與降水相比，植被層中同位素是富集蒸發(fā)的。 由于植被蒸騰過程不產(chǎn)生同位素分餾，從根部水分到樹冠蒸騰時(shí) δ18O 的變化保持一致的。通過實(shí)驗(yàn)比較結(jié)果顯示，樹冠蒸騰與林冠蒸發(fā)作用相反。在旱季，水家具以林冠蒸發(fā)是降水少輕，但樹冠蒸騰多因干燥氛圍 。 在雨季，水到家具林冠蒸發(fā)量是降水量更重，但蒸騰較少由于潮濕的氣息。 3 CLM 的模擬比較 馬瑙斯是附著在全球的調(diào)查網(wǎng)絡(luò)即由國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)與世界氣象組織（ WMO）合作調(diào)查網(wǎng) 絡(luò)中的其中一個(gè)取樣站，已經(jīng)有 26 年的穩(wěn)定同位素的記錄，在馬瑙斯記錄了從 1965 年到 1990 年（ 1993 至 1995 年資料缺失）的數(shù)據(jù)。 在一個(gè)月的時(shí)間周期內(nèi) ， 調(diào)查結(jié)果與實(shí)際降水中 δ18O 值有明顯的影響，降水與調(diào)查結(jié)果可信度有 ，實(shí)際和模擬量的影響具有良好的一致性。 在大氣降水中 δD和 δ18O 值之間的關(guān)系被稱為大氣降水線（大氣水線）。由 Craig提出了全球大氣水線的線性關(guān)系，關(guān)系式為 δD =+ ]12[ 。斜率為 時(shí) 比較分餾率之間的 關(guān)系氘和氧 18 和 常數(shù)項(xiàng)可以分析是否偏離氘的平衡狀態(tài)。它們受到水體從汽相變化過程的蒸發(fā)到雨滴降落至地表的控制。 與全球大氣水線相比，在馬瑙斯當(dāng)?shù)卮髿馑€的斜率和常數(shù)項(xiàng)稍大，而造成斜率和常數(shù)項(xiàng)的微小偏離。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文資料翻譯 19 4 結(jié)論 （ 1）降水 δ18O 變化的模擬中在特定的濕度和地表徑流中相似， δ18O 的模擬在這些水庫還顯示了季節(jié)性效應(yīng)與相應(yīng)的水量明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。作者認(rèn)為 δ18O 的變化在露水中一致性非常好，因?yàn)槁端麃碓磫我?，直接從水蒸氣而來。表面蒸發(fā)量與大氣濕度有關(guān)。然而，在蒸發(fā)中 δ18O 與蒸發(fā)量有不明顯的相關(guān) 性。 （ 2）在水量豐富的季節(jié)水中 δ18O 的變化有很好的一致性，即由于水分主要源于大氣降水。由于土壤水運(yùn)移以及季節(jié)性差異，在表面和根區(qū)水庫的 δ18O 被減少。在地下徑流的 δ18O 等于在根區(qū)水中的 δ18O，因?yàn)樗垦a(bǔ)給主要來自根區(qū)的水。 （ 3）在植被層的 δ18O 的季節(jié)變化與降水一致。相比與降水，由于蒸發(fā)作用植被層的同位素富集。同樣的，在樹冠表面露水中的 δ18O 的季節(jié)變化與蒸氣一致。相較于蒸氣，在樹冠的露水的 δ18O的變化范圍雖然明顯變窄但是樹冠露水同位素量豐富。 （ 4）根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu) /世界氣象組織 現(xiàn)有數(shù)據(jù)，馬瑙斯的實(shí)際降水量和降水中 δ18O 的都有明顯的季節(jié)性。此外，月降水量中 δ18O 和模擬量，以及大氣降水線（大氣水線），都接近實(shí)際結(jié)果。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文資料翻譯 20 1 Aleinov I, Schmidt G A. Water isotopes in the GISS Model E land surface scheme. Glob Pla Change, 2021, 51(12): 108120 2 Yoshimura K, Miyazaki S, Kanae Sh, et al. IsoMATSIRO, a land surface model that incorporates stable water isotopes. Glob Pla Change, 2021, 51(12): 90107 3 Gat J R. Atmospheric water balance in the Amazon basin: an isotopic evapotranspiration model. J Geophys Res, 1991, 96: 1317913188 4 Hoffmann G, Werner M, Heimann M. Water isotope module of the ECHAM atmospheric general circulation model: a study on timescales from days to several years. J Geophys Res, 1998, 103: 1687116896 5 Yoshimura K, Oki T, Ohte N, et al. A quantitative analysis of δ18O variability with a Rayleightype isotope circulation shortterm model. J Geophys Res, 2021, 108(D20): doi: 6 Fischer M J. iCHASM, a flexible landsurface model that incorporates stable water isotopes. Glob Pla Change, 2021, 51(12): 121130 7 HendersonSellers A, MeGuffie K, Hang Z. Stable isotopes as validation tools for gl