水同位素作为记录海洋降水来源的工具外文翻译资料

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水同位素作为记录海洋降水来源的工具

Jean Jouzel,¹ Gilles Delaygue,² Amaeuml;lle Landais,¹ Valeacute;rie Masson-Delmotte,¹ Camille Risi,³ and Franccedil;oise Vimeux^1,4

[1]降水的同位素组成：氘，氧18和氧17，取决于其起源的海洋地区的气候条件，主要是海面温度和空气的相对湿度。这种依赖不仅适用于当今降水，也适用于提取的过去记录，例如，极地冰芯。反过来，氘和氧18的同位素测量提供了检索关于现代降水的海洋起源的信息以及海面温度和空气相对湿度的过去变化的可能性。同位素测量的这种解释在很大程度上依赖于简单的瑞利同位素模型，并且通过水分源的拉格朗日回轨迹分析来补充。它现在由同位素通用循环模型（IGCM）补充，其可以标记降水的起源。我们将很快审查发布的记录了降水的海洋来源和它们的同位素组成之间的这种联系的结果。然后我们介绍用两个不同的IGCM，GISS模型II和LMDZ模型进行的实验。我们集中研究海洋水蒸气及其对南极洲和南美洲安第斯地区降水的贡献。我们将展示IGCM实验如何允许我们将降水海洋来源的气候条件与降水同位素组成联系起来。这种实验至少定性支持了当前关于用冰芯同位素数据解释海洋表面温度的变化。此外，我们最近的研究清楚地显示了氧17测量的附加价值。

引用: Jouzel, J., G. Delaygue, A. Landais, V. Masson-Delmotte, C. Risi, and F. Vimeux (2013), Water isotopes as tools to document oceanic sources of precipitation, Water Resour. Res., 49, 7469–7486, doi:10.1002/2013WR013508.

1. 引言

[2]天然水主要由H₂¹⁶ O（约99.7％）构成，但也存在其它稳定同位素分子如H ₂¹⁸O（2permil;），H₂¹⁷O（0.5permil;）和HD ¹⁶ O（0.3permil;），其中H和D（氘）等于 ¹H和²H。由于这些分馏过程发生在除了致密冰的升华和融化的水的每个相变过程。 因此，那些水的同位素分布在大气和降水中，进而在水圈和冰冻圈的各种储层中发生空间和时间上的变化。

[3]同位素浓度的一个标准如下：

delta;的单位用千分之一（分别为delta;D和delta;18O）表示。 在该定义中，R_sample和R_SMOW是样品和V-_SMOW（维也纳标准平均海水）的同位素比，D / H和¹⁸O / ¹⁶O原子比分别为155.76times;10^-6和2005.2times;10^-6 [Hageman等人，1970; Baertschi，1976; Gonfiantini，1978]。 如许多文章[例如Jouzel，2003]中所讨论的，水稳定同位素在气候学、云物理学、水文学和古气候学中的应用主要基于这样的事实：即它们在降水中的分布与气候参数密切相关。其中我们主要感兴趣的是在中高纬度观测到的在降水位置的delta;D和delta;18O的年值与年平均温度之间的线性关系。在热带和赤道地区没有这样的关系，其中delta;D和delta;¹⁸ O受降水量的影响更大。第二，delta;D和delta;¹⁸O沿着所谓的大气降水线（MWL）: delta;D = 8 times; delta;¹⁸ O 10permil; [Craig, 1961]彼此线性相关。从这个线性关系，Dansgaard定义了氘过量参数，以下称d-过量，d = delta;D - 8 times; delta;¹⁸ O ，对MWL数据的小偏差敏感。 H₂ ¹⁷O最近才被考虑，由于技术允许非常精确的测量[Barkan和Luz，2005; Landais等人，2006,2008]。

[4] 1965年，Harmon Craig和Louis I Gordon [Craig和Gordon，1965]发表了一篇题为“海洋和海洋大气中的氘和氧18”的非常全面的研究，可以被认为是连接降水的同位素含量及其海洋来源的现状的起点。这项工作的巨大改进是考虑到蒸发时的动力学同位素分馏，其取决于温度和相对湿度。早期研究[Epstein和Mayeda，1953; Dansgaard，1954]假设这种同位素分馏处于平衡状态，因此蒸汽的同位素组成仅仅（和弱）取决于温度。在相变如蒸发期间，水的不同同位素形式（主要是H ₂ O，HDO和H ₂ ¹⁸ O）在不同相中不是相同的比例，这称为同位素分馏的过程。分馏的平衡部分取决于水分子的饱和蒸汽压力，而动力学部分取决于它们在空气中的分子扩散率。

[5]这种动力学分馏直接影响海洋表面上方蒸气的扩散，并且部分地沿着蒸气运行轨迹传播到降水中。Merlivat和Jouzel [1979]利用改进的蒸发理论[Brutsaert，1975]和在风洞中进行的实验[Merlivat和Coantic，1975]提出了观察到的线性氘 - 氧18关系（MWL）的气候解释。 Merlivat和Jouzel [1979]通过假设海洋表面水分蒸发的稳态方案和随后形成的降水，得出结论，至少对于降水，观察到的delta;D- delta;¹⁸O关系主要取决于物理特性，即海表面温度（SST）和相对湿度（h）。这一对MWL的全球解释由更多的区域研究[例如Gat，1980]补充，为使用大陆降水的水同位素重建其海洋源的特性奠定了基础。

[6]这种可能性首先在地中海地区进行降水研究，其特征是高的d-过量值，这归因于源地区的低相对湿度值[Gat和Carmi，1970]。 这种旨在识别海洋源特征的研究在该地区仍然活跃[Rindsberger et al。，1983; Gat等人，2003; Pfahl等人，2008]，并且在世界其他地区发展[例如Yamanaka等人，2002; Tian等人，2007; Vachon等人，2010; Guan等，2013; Pfahl和Sodemann，2013年]。

[7]这种同位素工具也已广泛应用于从水档案重建过去的海洋条件。开拓性研究涉及在撒哈拉地下水测量的更新世资料，显示由于海洋源的高相对湿度造成的d-过量赤字[Sonntag等，1978; Merlivat和Jouzel，1979]，以及来自散斑岩的流体夹杂[Harmon and Schwarcz，1981]。从那时起，许多出版物讨论了在南极和格陵兰冰芯中测量的delta;D和delta;¹⁸O剖面的解释，这些解释提供了获得连续和非常详细的d-过量剖面信息的可能性。

[8]由于首次对南极Dome C冰芯（Jouzel et al，1982）和格陵兰岛Dye 3冰芯进行了研究[Dansgaard et al，1989; Johnsen等人，1989]，已经沿着极冰芯系统地测量了delta;D和delta;18O以便估计d-过量。第一步，delta;D或者delta;18O测量通常用于导出关于在钻井现场的局部（极）温度变化的定量或定性信息。第二步，它们与d-过量的比较已广泛用于获得关于在海洋表面主导的气候条件的信息，这种重建由两个过程复杂化，这两个过程在其轨迹期间改变蒸汽的初始同位素组成。这两个过程都受到中高纬度之间发生的冷却的影响，其中极地降水作为冰存档。首先，由于同位素分馏的温度依赖性，delta;D / delta;18O斜率逐渐偏离其全球值8。第二，由于蒸气相对于冰晶的过饱和，在固体冷凝过程中发生动力学分馏。此外，后一个沉积过程一旦降落到冰原表面可能改变雪层的原始同位素组成：雪变质涉及雪层内的升华和冷凝，并且风再分布（“冲刷”）可改变它们地层中的岩石组成。虽然众所周知，这些后沉积效应可以平滑初始降水同位素组成[约翰森，1977]，它们对d过量的影响仍然很少被记录和解释。

[9]近来，光谱测定法的技术改进使得记录delta;¹⁷O和delta;¹⁸O在全球降水中的线性关系成为可能[Meijer和Li，1998]。 这导致定义了一个新的同位素参数称为¹⁷O-过量[Barkan and Luz，2005; Landais等人，2006]，且提供了更多的由于影响¹⁸O和¹⁷O的动力学效应不同而导致的海洋源信息[Landais et al。，2008，2012; Winkler等，2012]。 虽然¹⁷O-过量已经通过与d-过量定义的类比来定义，但它使用对数系统[Miller，2002; Angert等人，2004]，其中¹⁷O-excess = ln [1 delta;17O] - 0.528 times; ln [1 delta;18O] [Barkan和Luz，2007; Landais等，2008]。

[10]在雪中解释d-过量和¹⁷O-过量数据仍然在很大程度上依赖于简单的同位素模型，描述了蒸汽沿其从海洋原点到降水位置的轨迹的连续冷凝步骤[Merlivat和Jouzel，1979; Jouzel和Merlivat，1984; Johnsen等，1989; Ciais和Jouzel，1994; Landais等人，2008; Steen-Larsen等人，2011; Winkler等，2012]。 这种瑞利型模型不考虑大气中水分输送的复杂性，这是由大气通用循环模型（GCM）提供的一种可能性，特别是配备有水同位素（IGCM）的那些。 这种GCM方法特别适合于检查降水的蒸发起源及其与同位素含量之间的联系。从地球表面上限定的源区蒸发的水可以在GCM中被“标记”，并且被跟随直到它降落。Thistagging方法允许在模型世界中一致地量化几个蒸发源对给定区域的降水的相对贡献[Joussaume et al。，1986; Koster等人，1986; Delaygue，2000; Werner等，2001; Kelley，2003]。通过标记和跟踪水分，以及其同位素组分，可以确定源特征和降水的同位素含量之间的关系[Koster et al。，1992; Charles等人，1994; Delaygue等人，2000a; Lewis等，2010，2013; Risi等人，2010b，2013b]。

[11]最近的一个发展是从大气分析引入了大型风场的GCM模拟的出现，它提供了一个比较实时同位素数据和模拟结果的框架，而不仅仅是它们的时间平均[Yoshimura等人， 2008，Risi et al。，2010a; K.Gribanov等人开发了西西伯利亚参考站点，通过不同的技术（原位和遥感）获得对流层水汽同位素观察，提交给大气化学物理，2013年]。此外，水分源的拉格朗日分析补充了这种GCM方法[Dirmeyer和Brubaker，1999; Stohl和James，2004,2005; Gimeno等人，2010，Sodemann等人，2008; Sodemann和Stohl，2009]。

[12]在这篇文章中，我们首先总结了我们从简单同位素模型了解海洋源特征与降水中d超量之间的关系，然后说明如何使用这些信息来解释古数据（第2节）。随后简要回顾一下如何使用IGCM来检查这种联系（第3.1节）。第3节（第3.2-3.5节）专门介绍了我们使用两种不同的配备水同位素的GCM模型，GISS模型II和LMDZ。我们专门诊断海洋水汽中d-过量的驱动因素，并调查水分源分别在当前和过去的气候中对极地和低纬度降水的影响。我们最后指出结合d-过量和¹⁷O-过量数据提供的观点。

1. 来自简单同位素模型的海洋源特征

2.1 简单同位素模型

[13]Rayleigh型模型[Dansgaard，1964]描述了从海洋源向极区移动的隔离空气块的水分耗尽，以便计算其同位素组成。假定凝聚相与周围的蒸汽形成同位素平衡，并通过降水立即从空气块中除去。在简单假设下，降水的同位素含量是蒸汽的初始同位素含量delta;₀的独特函数，以及剩余蒸气质量与空气块内初始蒸气质量的比率F的独特函数。 事实上，测量显示降水的实际同位素含量delta;p（即，delta;D，delta;¹⁸ O，delta;¹⁷ O）非常好地近似为:

(1)

其中alpha;_m是分馏系数在轨迹上的平均值，alpha;_c是当冷凝发生时的值。空气块中水汽含量根据由温度和相（液体和/或冰）的函数决定的饱和蒸汽压力，以及空气压力而改变。因此，在这种简单模型中，降水的同位素含量可以表示为蒸气的初始同位素组成以及初始和最终冷凝温度和空气压力的函数。

[14]如果可以容易地定义轨迹中关于温度和压力的条件，则蒸汽的初始同位素组成则很少受到观察的约束。Merlivat和Jouzel [1979]表明，在某些简化的假设条件下，海洋上空气块中蒸汽的初始同位素含量delta;v0,可以表示为：

(2)

[15]

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