南海夏季风爆发水汽稳定同位素示踪研究

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南海夏季风是亚洲夏季风系统重要的组成部分之一,南海夏季风爆发早晚对东亚季风区天气与气候影响显著。目前为止,学界对确定南海夏季风爆发时间的统一标准还未达到共识,而一个统一的定义和爆发日期又是研究南海夏季风必须的。另外,南海夏季风在年际变化上存在季风爆发早晚年之分,而赤道MJO活动对南海夏季风的年际变化有重要影响。水汽作为水循环过程的纽带,水汽稳定同位素的变化可以很好示踪水汽来源以及水汽输送过程。水汽同位素手段是进行季风爆发示踪研究的一种手段,但是过去由于受采样分辨率的限制,过去利用高分辨率水汽同位素数据进行季风爆发方面的研究还比较少。本文通过对南海北部三亚地区采集的2017-2018年大气水汽样品进行稳定同位素分析,并结合对流层发射光谱仪(TES)水汽同位素HDO观测资料,尝试开展南海夏季风爆发的水汽稳定同位素示踪研究,得到主要如下初步结论:(1)南海夏季风爆发日期的确定。利用三亚大气水汽稳定同位素确定2017-2018年南海夏季风爆发时间分别为5月15日、6月4日,其中2017年南海夏季风爆发时间属正常年份,2018年南海夏季风爆发时间较常年偏晚。选取气象上四种季风爆发定义确定的2017年南海夏季风爆发时间分别为5月第4候、5月第4候、5月16日、5月16日;2018年南海夏季风爆发时间分别为6月第1候、6月第1候、6月1日、6月1日。进一步分析表明,2017年南海夏季风于5月15日在南海北部率先爆发,南海全域夏季风爆发时间为5月16日;2018年南海夏季风于6月1日在南海南部率先爆发,南海全域夏季风爆发时间为6月4日。需要指出的是,气象上多数方法确定的南海夏季风爆发日期为候,而三亚水汽同位素确定的季风爆发日期可以精确到日,这是水汽同位素确定季风爆发日期的优点所在。由于地理位置影响,结果表明三亚大气水汽稳定同位素确定的南海夏季风爆发时间仅表示南海北部地区夏季风的爆发,而南海全域夏季风爆发时间的确定还需要借助气象上方法。(2)对南海夏季风爆发前后水汽来源变化展开研究。首先,根据TES反演的南海夏季风爆发早晚年大气水汽δD空间分布特征,首次揭示了季风爆发偏早年爆发后的水汽来源主要来自孟加拉湾,而季风爆发偏晚年爆发后的水汽来源更多来自热带西太平洋。其次,利用2017-2018年三亚大气水汽稳定同位素对南海夏季风爆发前后不同水汽来源及输送过程进行示踪,结果表明:2017年南海夏季风爆发前,三亚地区的主要水汽来源来自热带西太平洋,同时南海北部地区的强对流活动对三亚地区大气水汽稳定同位素产生主要影响;2017年南海夏季风爆发后,三亚大气地区主要水汽来源是孟加拉湾地区,同时西太平洋副高西侧地区的强对流活动对三亚地区大气水汽稳定同位素产生主要影响;2018年南海夏季风爆发前,三亚大气水汽中过量氘示踪的主要水汽来源是印度半岛北部地区、热带西太平洋暖池区域,同时南海南部地区和孟加拉湾西南部区域的强对流活动对三亚地区大气水汽稳定同位素产生主要影响;2018年南海夏季风爆发后,三亚地区主要水汽来源是印度半岛西北部地区、西太平洋副高西侧地区,同时西太平洋副高西侧地区的强对流活动对三亚地区大气水汽稳定同位素产生主要影响。最后,采用气团后向轨迹模型(HYSPLIT)来追踪2017-2018年南海夏季风爆发前后三亚地区的水汽来源,模拟结果表明:2017年南海夏季风爆发前三亚地区的水汽来源主要来自西太平洋,季风爆发后的水汽来源主要来自孟加拉湾、西太平洋;2018年南海夏季风爆发前三亚地区的水汽来源主要来自西太平洋,季风爆发后的水汽来源主要来自孟加拉湾、南海跨赤道气流和西太平洋。需要注意的是,HYSPLIT模拟的水汽源区与水汽同位素方法示踪的水汽源区是存在差异的,主要是两者所采用的方法与原理不同导致的。HYSPLIT可以模拟出水汽来源大致方向,但模拟的水汽源区位置不够精确;水汽过量氘示踪方法优点在于可以准确确定水汽源区具体位置。虽然水汽过量氘主要受水汽源区相对湿度控制,但还受其它因素的影响;同时过量氘和相对湿度是两个变化相对较大的量,因此研究二者之间的关系具有一定难度,这些原因可能导致水汽同位素方法确定的水汽源区与气象上方法确定的水汽源区不一致。(3)南海夏季风爆发机制分析。赤道MJO活动影响南海夏季风爆发具体表现为:2017年5月赤道MJO显著活跃中心从热带西印度洋向东传播至东印度洋的速度与时间较常年正常,使得南海夏季风的爆发时间正常;2018年5月赤道MJO显著活跃中心从热带西印度洋向东传播至东印度洋则较常年偏慢、偏晚,使得南海夏季风的爆发时间偏晚。同时三亚水汽δ18O能很好反演热带南海MJO指数变化,表明三亚大气水汽稳定同位素能够很好示踪赤道MJO演化过程。
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