在澳大利亞的降水穩(wěn)定同位素(共41頁(yè))

1、在澳大利亞(o d l y)的降水穩(wěn)定同位素Jianrong Liu,1,2Guobin Fu,1,3Xianfang Song,1Stephen P. Charles,1,3Yinghua Zhang,1Dongmei Han,1and Shiqin Wang12010年4月22日收到；2010年7月修訂；2010年8月被接受(jishu)；2010年12月7日出版1 在1962到2002的降水(jingshu)從全球降水同位素觀測(cè)網(wǎng)（GNIP）的七家澳大利亞站點(diǎn)得到穩(wěn)定氘 (D)和18同位素?cái)?shù)據(jù)被用來研究同位素特征包括時(shí)間和空間在澳大利亞不同地區(qū)的分布。在1534個(gè)樣本的基礎(chǔ)上，當(dāng)?shù)卣军c(diǎn)降

2、水線(LMWL)被確定為D=7.1018+8.21.18顯示a depletion trend from north and south to central Australia (a continental effect) and從北向中部和南部澳大利亞（大陸效應(yīng)）和從西到東耗盡的趨勢(shì)。降水量一般大于溫度的影響的影響，二次或?qū)?shù)相關(guān)描述D / T和DP比線性關(guān)系。非線性逐步回歸確定每個(gè)站控制的氣象因子，解釋50%或更多18的變化。地理因素和D控制18的關(guān)系：18（）0.005緯度或0.034經(jīng)度（）-0.003高度（米）-4.753，進(jìn)而表現(xiàn)出特別的降水形成條件主要有四個(gè)季節(jié)性降雨區(qū)。最后，

3、證實(shí)18小波相干（WTC）和SOI之間的ENSO影響了從東到西和北澳大利亞。 引用: Liu, J., G. Fu, X. Song, S. P. Charles, Y. Zhang, D. Han, and S. Wang (2010), Stable isotopic compositions inAustralian precipitation, J. Geophys. Res. , 115, D23307, doi:10.1029/2010JD014403. 1.引言 2用穩(wěn)定氘和氧18降水同位素來探測(cè)水汽源Celle Jeanton et al. , 2004; Iqbal, 200

4、8, 地下水補(bǔ)給 Tsujimura et al., 2007a和地表水和地下水之間的相互作用 Singleton et al., 2005; Songet al., 2006是很有用的。系統(tǒng)調(diào)查降水同位素精度這樣的應(yīng)用程序是一個(gè)先決條件，降水是最重要的輸入水文系統(tǒng)和氣候系統(tǒng)的主要因素之一Harvey and Welker, 2000。為了在全球范圍內(nèi)獲得系統(tǒng)和連續(xù)穩(wěn)定的同位素?cái)?shù)據(jù)，1961年，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)和世界氣象組織(WMO)聯(lián)合推出了全球降水同位素觀測(cè)網(wǎng)(GNIP)。Dansgaard首先回顧GNIP數(shù)據(jù),有關(guān)觀測(cè)降水同位素組成的環(huán)境參數(shù)（如表面空氣溫度,降水,緯度、海拔高

5、度和距離海岸）。一系列后續(xù)的研究 e.g ., Yu rtsever and Gat, 1981; Rozanski et al., 1993; Aragus -Araguset al., 2000一般確認(rèn)了這些實(shí)證結(jié)果。目前，GNIP項(xiàng)目已經(jīng)從44個(gè)國(guó)家的大約100站擴(kuò)展到800個(gè)國(guó)家超過800個(gè)站。一些國(guó)家把多個(gè)站,形成一個(gè)全國(guó)性的降水同位素網(wǎng)絡(luò)e.g.,Welker, 2000; Kralik et al. , 2003; Schrch et al., 2003;Liu et al., 2010; P. Fritz et al., 降水和地下水同位素組成在加拿大,論文發(fā)表在國(guó)際研討會(huì)，1

6、987收集到的數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用在各種不同的水文和氣象研究。美國(guó)的一些研究調(diào)查同位素的變化包括降水 e.g., Wel ker , 2000; Harvey and Welker , 2000; Iqbal, 2008, 地表水Kendall and Coplen , 2001; Gosselin et al., 1997; Lachniet and Patterson,2009, 和土壤水分 Roberts on and Gazis, 2006。在中國(guó),18 O在東部季風(fēng)區(qū)降水季節(jié)性變化 Posmentier et al. , 2004，降雨帶傳輸,并在臺(tái)風(fēng)和熱帶風(fēng)暴路徑變化 liu et al

7、.,2008,2010。在蒙古，分析18 O和大氣濕度和降水D含量 Tsujimura et al. , 2007b已經(jīng)被用來描述大氣水圈生物圈Yamanaka et al. , 2007的相互作用 Sugita et al. ,2007。一個(gè)同位素運(yùn)輸模型還被應(yīng)用于水源的識(shí)別 Sato et al., 2007。 3在澳大利亞(o d l y)Treble et al。2005檢查天氣之間的關(guān)系模式(msh)和降水18 O使用(shyng)5年日常事件數(shù)據(jù)集從塔斯馬尼亞,澳大利亞南部。他們的研究結(jié)果表明18 O和沉淀量成反比,只有與網(wǎng)站表面溫度的弱關(guān)系。在1994 - 2002年Barras

8、 and Simmonds2008調(diào)查事件記錄的降水18 O在塔斯馬尼亞馬爾蓋特通過分析三維拉格朗日軌跡和復(fù)合材料ERA40 850 hpa位勢(shì)高度。軌跡分析發(fā)現(xiàn)夾帶水分發(fā)生48小時(shí)期間到來之前所有的氣團(tuán)。此類研究捕獲信息輔助至天天氣變化,不存在月度樣本。4綜合分析長(zhǎng)期記錄的降水同位素在澳大利亞還沒有文獻(xiàn)報(bào)道,在澳大利亞是南半球的一個(gè)重要源古氣候記錄。澳大利亞同位素?cái)?shù)據(jù)的分析將有助于更好地理解分餾機(jī)制影響較低的緯度和中緯度沿海地區(qū)。此外,經(jīng)過近4年的數(shù)據(jù)收集是驗(yàn)證是否感興趣的同位素分餾的物理機(jī)制Dansgaard1964的早期發(fā)現(xiàn)是符合澳大利亞GNIP站。因此本研究的目標(biāo)是(1)確定在降水穩(wěn)定

9、同位素組成特征及其空間演化在澳大利亞;(2)確定主要環(huán)境控制在18 O基于統(tǒng)計(jì)和小波分析,和(3)描述氘過量(簡(jiǎn)而言之,稱為d以后)模式對(duì)不同降雨區(qū)域和局部環(huán)流影響調(diào)查的影響。本研究的結(jié)果可以用于參考的相關(guān)同位素調(diào)查,特別是在南半球。2.數(shù)據(jù)(shj)和方法2.1穩(wěn)定同位素和氣象(qxing)數(shù)據(jù)59個(gè)分布(fnb)在澳大利亞的GNIP站點(diǎn)（圖1），代表四個(gè)主要?dú)夂騾^(qū) Sternet al., 2000。這些站點(diǎn)開始系統(tǒng)的收集月降水樣品在1962年，包括Darwin (12. 43 S, 1 30. 87 E) ，艾麗斯斯普林斯 (2 3.8 S, 133 .88 E)，Brisbane(27

10、.43S, 1 53.08 E) , Per th (31. 95S, 1 15 .97E),Adel ai de (34.93S, 138.58 E), and Melbourne (37.82S,144.97E). Cape Grim (Tasmania) (40.68S, 144.69E), and Pe rth C SIRO (3 1. 9 5 S, 1 1 5. 7 8 E)分別于1979年和1983年,開始他們的觀察。珀斯站由珀斯取代聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)站。這兩個(gè)站是位于非常接近對(duì)方,和他們的氣候條件是相似的，我們認(rèn)為他們是一個(gè)站在以后的討論(J. Turner,

11、個(gè)人溝通,2009)。因?yàn)闆]有D、18 OCampbeltown站的數(shù)據(jù)(34.4S、150N),只有1985年和1986年的氚數(shù)據(jù),它們不是用于這項(xiàng)研究。6所有的D and18O數(shù)據(jù)表示為：（）=1000*（R樣本-R標(biāo)準(zhǔn)溶液）/R標(biāo)準(zhǔn)溶液 （1）R指的是D / H 或18 O/ 16O比,也指的是維也納標(biāo)準(zhǔn)(biozhn)意味著海水(V-SMOW)。7消失(xiosh)的月度(yud)溫度、大量降水,這些站點(diǎn)取而代之的是蒸汽壓數(shù)據(jù)值由Lavery et al從澳大利亞高質(zhì)量數(shù)據(jù)集采集。1992這些站已經(jīng)通過了若干標(biāo)準(zhǔn),形成最可靠的數(shù)據(jù)集用于研究降雨特征在澳大利亞 Lavery et al.

12、,1992; Fu et al., 2010a。8基于加權(quán)d值(p)由每月平均降水?dāng)?shù)量,使用方程：9一個(gè)月大尺度氣候指數(shù)、南方濤動(dòng)指數(shù)(SOI)，用于解釋18O氣候和降水之間的關(guān)系。計(jì)算SOI每月或季節(jié)性氣壓塔希提島和達(dá)爾文的區(qū)別,澳大利亞北部。持續(xù)的消極或積極(jj)價(jià)值觀的SOI通常表明厄爾尼諾現(xiàn)象或拉尼娜事件,也伴隨著持續(xù)變暖或冷卻的中部(zhn b)和東部熱帶太平洋和減少或增加在太平洋信風(fēng)的力量 Fu et al., 2009。每月SOI從NOAA 獲得(hud)數(shù)據(jù)集 (/data/climateindices/list/)。2.2小波相干性分析10小波相干(WTC)分析方法用于診斷

13、d18O和氣象參數(shù)之間的相關(guān)性,如溫度、降水多,SOI,為了研究降水18O如何反映出這些信號(hào)在時(shí)間和頻率域。WTC是當(dāng)?shù)貎蓚€(gè)信號(hào)之間的相關(guān)性。Torrence and Compo,1998; Torrence and Webster, 1999; Grinsted et al. , 2004，特別有用在強(qiáng)調(diào)時(shí)間和頻率間隔兩種現(xiàn)象有一個(gè)互動(dòng) e.g.,Casty et a l . ,2007; Zhouand Chan, 2007; Mendoza et al.,2007; Rong et al., 2007。WTC被定義為：年代是一個(gè)平滑算子。WTC由兩個(gè)CWTs計(jì)算(連續(xù)小波轉(zhuǎn)換)。這里xn

14、(xn,n = 1,n)是一個(gè)時(shí)間序列以同樣的時(shí)間間隔t,CWT xn被定義為：在年代規(guī)模因素。我們使用Morlet 輸入法小波,因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)良好的平衡和頻率定位,而且它已經(jīng)在先前的水文氣象研究和驗(yàn)證使用在澳大利亞 Nakken, 1999;Kirkup et al., 2001; Beecham and Chowdhury, 2 00 8 , 20 09 ;Chowdhury and Beec ham, 2 010。它被定義為：在w0是無因次頻率(pnl)和是無因次時(shí)間。統(tǒng)計(jì)顯著性水平對(duì)紅色小波相干噪聲背景估計(jì)使用(shyng)蒙特卡羅方法1998。3結(jié)果(ji gu)與討論3.1D和1

15、8O的基本特征11每個(gè)站的基本信息是表1中列出。這里使用的p值比較,因?yàn)樵谀承┣闆r下,偶爾很稀少的降水,未加權(quán)的平均值可能是深受幾個(gè)月影響。在這種情況下,或多或少蒸發(fā)掉的程度下降導(dǎo)致極端的d值偏離正常Dansgaard, 196418O范圍從15.4115.41,和d范圍從111.2到64.7。除了艾麗斯斯普林斯(位于內(nèi)陸)，顯示相對(duì)較小的變化,這意味著島嶼和沿海地區(qū)的降水d值接近的海洋這些值通常是第一個(gè)從安靜的海洋水分冷凝 Arag usAr ag us et al., 2000同位素演化出消耗趨勢(shì)從沿海向內(nèi)陸 (大陸效應(yīng)) ，從西到東,按照主要風(fēng)暴跟蹤澳大利亞南部經(jīng)歷了。12降水之間的關(guān)系

16、d和18O控制主要由瑞利蒸餾冷凝過程相關(guān)，作為全球大氣水的值通常是沿著大氣降水線(GMWL)Craig, 196 1 。澳大利亞站臺(tái)D和18O之間的回歸建立：D = 7.1018O + 8.21(R2= 0.917, n = 1532).D量18O關(guān)系是一個(gè)有用的方法來研究當(dāng)?shù)氐耐凰財(cái)?shù)據(jù)與更大的模式及其關(guān)系在全球范圍內(nèi)(Dansgaard,1964)。更多細(xì)節(jié),山坡上為每個(gè)單獨(dú)的站也決定(表2)。斜坡達(dá)爾文熱帶(rdi)和亞熱帶的7.6和7.5布里斯班站,分別是接近世界平均水平水平(shupng)的8。這是第一階段的凝結(jié)海洋的水汽(shu q),因?yàn)楹?jiǎn)單的瑞利凝結(jié)過程在平衡條件下給予7.5是

17、最低的坡的溫度范圍20 t 20C。如果蒸汽組成偏離平衡組成一個(gè)等級(jí),平衡凝結(jié)的第一階段產(chǎn)生一個(gè)與坡度的關(guān)系 8Dansgaard,1964。墨爾本和阿德萊德有類似的斜坡7左右。至于墨爾本,大多數(shù)LMWL接近的值除秋的雨,而分散。僅僅由于降水變化無法解釋這一現(xiàn)象,因?yàn)樗植季鶆蛟诮衲?。點(diǎn)在圖2中的虛線圈主要是艾麗斯斯普林斯。分散分布的值代表其地理位置,相對(duì)濕度較低的沙漠包圍。最豐富值對(duì)應(yīng)的上層部分LMWL春季降水在艾麗斯斯普林斯。同樣的情況也出現(xiàn)在達(dá)爾文,主要由蒸發(fā)液滴下降在干燥的氣氛中e.g., Salati et al., 1979; Rozanski et al.,1993對(duì)于嚴(yán)峻的角,

18、所有(suyu)樣品比較接近,而不是沿著線分布。塔斯馬尼亞是一個(gè)海洋暴露重要環(huán)境,沉淀與陸地(ld)氣團(tuán)幾乎沒有互動(dòng)或高地形從源區(qū)到網(wǎng)站(wn zhn) Barras a nd Simmonds, 2008。因此關(guān)閉集群值普遍反映,積累的沉淀是第一個(gè)冷凝水分 Ga t,2005。珀斯,點(diǎn)也相對(duì)接近表明網(wǎng)站的接觸西方的海洋。斜率為6.3與大多數(shù)的夏季降水分布值低于LMWL可以從下降主要?dú)w因于快速蒸發(fā)下降主要由于干燥的大氣。13這里也做比較(表2)來檢測(cè)是否斜坡LMWL獲得使用目前的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)(例2)符合Dansgaard的早期調(diào)查(案例1)。墨爾本,似乎很少斜坡兩時(shí)間序列數(shù)據(jù)之間的差異,這可能由于

19、案例1的計(jì)算包括所有月度數(shù)據(jù)。然而,其他站在山坡上2偏離這些案件1。在愛麗斯泉和珀斯,緩坡(案例1)可以是由于排除(9月)和1月4月,respec-tively,當(dāng)d值高。計(jì)算扣除7月和1月布里斯班和阿德萊德,分別干幾個(gè)月耗盡d值(例1),導(dǎo)致更高的山坡上。此外,7.6的斜坡達(dá)爾文(例2)遠(yuǎn)高于案例1(3.51)。這可能是因?yàn)榘咐?計(jì)算錯(cuò)過了豐富值5 - 10月期間,當(dāng)它是最干燥的季節(jié)。所使用的數(shù)據(jù)集Dansgaard只有1962年,阿德萊德,艾麗斯斯普林斯,布里斯班沉淀量赤字相比,他們1962 - 2008年的平均水平。因?yàn)橹挥?年的同位素記錄可能并不總是正確地反映平均電導(dǎo)率在給定站過渡 R

20、ozansk i et al. , 1 993，因此,我們認(rèn)為目前的研究更能代表澳大利亞降水穩(wěn)定同位素組成的。3.2. 18O和環(huán)境參數(shù)之間的相關(guān)性3.2.1. 溫度(wnd)和18O效應(yīng)(xioyng)14從研究(ynji)Dansgaard1964,依賴對(duì)當(dāng)?shù)販囟群徒邓耐凰乇戎悼沙恋淼乃勘徽J(rèn)為是最大的意義。依賴的同位素在當(dāng)?shù)販囟然蚩沙恋淼暮旷枋亲钪匾膮?，同位素溫度關(guān)系的外推法是最簡(jiǎn)單的在高緯度地區(qū)，而對(duì)于海洋島嶼和沿海地區(qū),季節(jié)性溫度變化很小,沉淀量從嚴(yán)重的對(duì)流條件影響同位素模式Sonntag et al. , 1983; Frickeand O Neil, 1999。更明確

21、的了解18O與溫度和降水的關(guān)系對(duì)澳大利亞站將提供一個(gè)更好的理解在低的緯度和氣候控制中緯度沿海地區(qū)在南半球。15線性相關(guān)性的d / T和d / P(使用原始數(shù)據(jù)集)展示在表3。d / T和d / P關(guān)系明顯當(dāng)所有的澳大利亞網(wǎng)站被認(rèn)為是在一起。對(duì)于每一個(gè)站點(diǎn),18O出現(xiàn)強(qiáng)烈的逆相關(guān)高降水(圖3和7），即高沉淀量通常提供耗盡18O,反之亦然。相比之下,d / T的關(guān)系顯得較弱,這可能是由于強(qiáng)烈的對(duì)流過程控制溫度,因?yàn)榇蠖鄶?shù)的站位于沿海。額外的半年度組件18O是達(dá)爾文明顯(圖3),這反映了兩座山峰附近溫度每年赤道熱帶地區(qū)。d / T和d / P的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)這里通常是符合澳大利亞前的調(diào)查 Dansgaa

22、rd, 1964。16為了檢測(cè)是否這些d / T和d / P關(guān)系是由季節(jié)性周期,線性相關(guān)性與d / T和d / P決心使用延長(zhǎng)的銷售季節(jié)數(shù)據(jù)(表3)。18O的季節(jié)性周期、溫度和降水總量中減去長(zhǎng)期(1962 - 2002)除以每月的月度手段和標(biāo)準(zhǔn)偏差。結(jié)果表明,季節(jié)性周期被移除后,d / T和d / P姆角和珀斯相關(guān)性降低,表明相關(guān)性的很大一部分是由季節(jié)性周期。相比之下,提高d / T和d / P的相關(guān)性阿德萊德表明18O與溫度和降水?dāng)?shù)量之間的關(guān)系是獨(dú)立于季節(jié)性的。此外,相關(guān)性增加d / T和減少福特/ P達(dá)爾文和愛麗斯泉和減少增加d / T和d / P布里斯班和墨爾本,表明18O季節(jié)性周期依賴

23、于降水?dāng)?shù)量和溫度,分別。在達(dá)爾文,低緯向熱帶站，T只有4.6C,但P高(表1),這表明時(shí)期非常稀少的降水的發(fā)生導(dǎo)致18O降水的依賴。在中間緯度站臺(tái)布里斯班和墨爾本，缺乏明顯的濕和干燥的季節(jié)或多個(gè)均勻分布的全年降水可能負(fù)責(zé)d / P的相關(guān)性低,缺乏降水季節(jié)性周期量的依賴。8O非線性逐步回歸17從歸檔同位素記錄重建過去氣候變化需要足夠的知識(shí)轉(zhuǎn)移函數(shù)(hnsh)的有關(guān)氣候地區(qū)的同位素差異?；?jy)現(xiàn)在的天降水同位素之間的關(guān)系及相關(guān)氣候參數(shù)是這種理解的關(guān)鍵 Edwards, 199 3; Von Grafenstein et al., 1996。缺乏一個(gè)重要的關(guān)系(gun x)(在0

24、.05級(jí))站在那里18O與T呈正相關(guān)(3.2.1節(jié)中討論)表明,簡(jiǎn)單線性技術(shù)并不適合18O的解釋Lawrence an d White, 1 99 2; Gat and Matsui, 1991; Aggarwal et al .,2004, 2005; Villacs et al., 2008; Bowen , 2008。為了探索更復(fù)雜的關(guān)系,除了溫度(T)和降水?dāng)?shù)量(P),其他常見的氣象觀測(cè)變量 Lavery et al. , 1992，蒸汽壓(VP)、太陽(yáng)輻射(R)和蒸發(fā)(E)調(diào)查。18逐步回歸是用來選擇的子集預(yù)測(cè)降水18O有顯著影響的變量。Aregression模型,預(yù)測(cè)因變量為幾個(gè)獨(dú)

25、立變量的函數(shù)的一般形式：其中是預(yù)測(cè)因變量(18O)b0攔截量,b1到bp是回歸系數(shù),和x1 到xp是獨(dú)立的變量。幾個(gè)潛在的局部相關(guān)性,確定回歸模型之前,包括線性、對(duì)數(shù)、權(quán)力、二次,和指數(shù),18O和每個(gè)氣象變量之間的調(diào)查。結(jié)果表明,二次(通常)和對(duì)數(shù)相關(guān)性(有時(shí))最好描述的關(guān)系。因此使用二次非線性逐步回歸和獨(dú)立變量的對(duì)數(shù)函數(shù)。0.05或0.1顯著(xinzh)水平(F量分布概率論)用于選擇變量。19逐步回歸結(jié)果(ji gu)如表4所示。除了珀斯,只有選擇(xunz)溫度,降水總量的主要控制因素是18O。蒸發(fā)之間的正相關(guān)和18O達(dá)爾文和暗示強(qiáng)化蒸發(fā)濃縮18O有關(guān)三個(gè)站,布里斯班,達(dá)爾文,墨爾本,包

26、括太陽(yáng)輻射預(yù)測(cè)顯著。蒸汽壓有二次或負(fù)線性關(guān)系分別在阿德萊德和艾麗斯斯普林斯。逐步結(jié)果強(qiáng)調(diào)復(fù)雜多樣的物理過程影響降水18O在澳大利亞不同的站。超過70%的差異可以解釋為在艾麗斯斯普林斯18O選中的逐步回歸(R2 = 0.722)。達(dá)爾文,墨爾本,阿德萊德,和艾麗斯斯普林斯、模型捕獲超過一半的d18O變化。珀斯的變量選擇和布里斯班不強(qiáng)預(yù)測(cè)因子,捕捉不到50%的18O變化。8O地理因素20氣團(tuán)失去水從熱帶到中間時(shí),高緯度地區(qū)(“緯度效應(yīng)”),從海洋到內(nèi)陸(“大陸效應(yīng)”),或從低到高海拔(“高原效應(yīng)”),導(dǎo)致降水的重同位素的不斷枯竭e.g.,Dansgaard,1964; Rozansk

27、i et al. , 1993; Gat, 2005。GNIP站在澳大利亞位于海拔從沿著海岸線不到100到546年中央大陸(艾麗斯斯普林斯)。每個(gè)站的獨(dú)特的地理形勢(shì)意味著不同的氣候影響誘導(dǎo)不同的同位素組成。緯度、經(jīng)度和海拔每站用于調(diào)查18O地理因素。多元線性回歸方程的所有站在一起是18O()=0。005經(jīng)度()0.034緯度()0.003高度(米)4.753(R2 = 0.785)。這證實(shí)了從西到東,從18O耗盡北和南澳大利亞中部。之間的相關(guān)性18O和緯度0.046/。3.2.4.WTC分析d / T和d / P21表面之間的明顯聯(lián)系當(dāng)?shù)貧鉁睾徒邓當(dāng)?shù)量和降水同位素吸引了太多的關(guān)注從一開始的同位

28、素研究 e.g., Dansgaard, 1964; Merlivat and Jouzel ,1979; Yurtsever and Gat , 1981.這種興趣主要是由潛在的刺激的同位素是古氣候指標(biāo)的重要性。在澳大利亞,重建過去氣候的變化已經(jīng)由同位素記錄保存在石筍的解釋e.g., Xia e t al. ,2001; Fischer and Treble , 2008。22部分原因(yunyn)是分析記錄的長(zhǎng)度很短的早期研究中,溫度和數(shù)量影響與降水18O通常(tngchng)表示為線性相關(guān)性e.g.,Dansgaard, 1964; Yurtseve r and Gat ,1981?，F(xiàn)在

29、,更長(zhǎng)時(shí)間的同位素和氣象數(shù)據(jù)可用于記錄GNIP站的數(shù)量,在一些情況(qngkung)下超過四十年,時(shí)間尺度比較占主導(dǎo)地位的自然氣候變化的周期。因此研究感興趣的這些記錄的長(zhǎng)期趨勢(shì)特征。小波分析在先前的水文氣象研究在澳大利亞被發(fā)現(xiàn)有用對(duì)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)系列 Beec hamand Chowd hury , 2008, 2009; Chowdhury an d Beecham ,2010; Fu et al., 2010b，生產(chǎn)的理解,不能通過使用簡(jiǎn)單的線性相關(guān)性分析。圖4平方(pngfng)小波相干之間18O布里斯班(a)和溫度(wnd)(b)墨爾本,(c)角嚴(yán)峻,(d)艾麗斯斯普林斯(e)達(dá)爾文(f)珀

30、斯。厚厚的黑色輪廓指定5%顯著性水平對(duì)紅噪音。影響錐(COI),邊緣效應(yīng)可能(knng)扭曲了圖片顯示為淺色。X軸對(duì)應(yīng)的物理時(shí)間幾個(gè)月安迪軸對(duì)應(yīng)尺度。兩個(gè)時(shí)間序列與箭頭指向正確的階段(可以解釋為正相關(guān)),反相顯示左(負(fù)相關(guān))的階段指出向上或向下(非線性相關(guān)性)23WTC是一個(gè)有用的方法來診斷兩個(gè)信號(hào)之間的相關(guān)性,特別是強(qiáng)調(diào)了時(shí)間和頻率間隔兩個(gè)現(xiàn)象有強(qiáng)烈的相互作用 Girardin et al., 2006; Valds Galicia andVelasco, 2008。圖4和圖5顯示的平方小波相干的 / T和 / P,分別基于Morlet小波在不同尺度。箭頭的方向和意義的WTC的結(jié)果顯示兩個(gè)時(shí)

31、間序列是如何相關(guān)的。圖5?；?jy)6月(一年兩次的周期性;達(dá)爾文),12月應(yīng)承擔(dān)(年度周期性;達(dá)爾文和布里斯班),和64年公/月(年際周期;布里斯班)組件18O和溫度(wnd)fromb小波相干性分析。箭頭指向直左/右(階段)表示線性正面/負(fù)面關(guān)系(gun x),而箭指出向上/向下(階段)表示的非線性關(guān)系 Grinsted et al. , 2004。厚厚的黑色輪廓指定a= 5%顯著性水平對(duì)紅噪音。錐形邊緣效應(yīng)的影響,可能會(huì)扭曲圖片顯示為一個(gè)比較淺的陰影。X軸對(duì)應(yīng)的物理時(shí)間和Y軸對(duì)應(yīng)周期尺度上幾個(gè)月。24在一年一度的規(guī)模,有廣泛的意義在整個(gè)觀測(cè)期間,指示一個(gè)占主導(dǎo)地位的12月周期性(圖4)

32、。然而,不是積極的線性關(guān)系箭頭指向直右(在 / T線性相關(guān)）箭一般指向45或90(階段),表示非線性18O和溫度之間的關(guān)系。這一現(xiàn)象支持二次和對(duì)數(shù)相關(guān)性描述 / T關(guān)系(墨爾本、珀斯等)如3.2.2節(jié)中給出。25不同18O的周期性成分和溫度。在達(dá)爾文,直接右箭頭指向6月周期性應(yīng)承擔(dān)(圖4 e)顯示溫度和18O積極共變(圖5a)近下箭頭指向12節(jié)月規(guī)模(年度周期性)像兩者之間/4和滯后表明非線性相關(guān)性。在布里斯班,大量不連續(xù)的12月系數(shù)帶可能是因?yàn)?8O和溫度信號(hào)之間的共變不是常數(shù)。在1973 - 1983年的間隔,1986 -1990,和1998 - 2002年,消極或積極、滯后或領(lǐng)導(dǎo)的/4沒

33、有規(guī)律或/8相關(guān)備用(圖5 b)。26除了季節(jié)性周期(12月周期)應(yīng)承擔(dān)(chngdn)年際尺度(約32節(jié)月米埃爾伯恩,艾麗斯斯普林斯1970年代和1970年代以后(yhu)的珀斯;64月在珀斯,布里斯班1990年代后,和1990年代之前)和年代際(128月在墨爾本)周期元素也被俘。這些相關(guān)峰值的影響可能是由于更大的海洋列車大氣遠(yuǎn)程并置對(duì)比,如厄爾尼諾南方濤動(dòng)(ENSO)應(yīng)承擔(dān)，下面討論氣候的變化指數(shù)通常有深遠(yuǎn)的影響在全球范圍內(nèi)對(duì)溫度(wnd)和降水的天氣氣候模式的變化Hurrell , 1995。27類似的協(xié)變性是WTC18O和沉淀量之間(圖6)向上或者向下箭頭指向的年度規(guī)模在布里斯班,艾麗

34、斯斯普林斯,珀斯建議滯后的1/418O降水相關(guān)變異。這也可能占非線性沉淀量回歸在達(dá)爾文(二次)和墨爾本(對(duì)數(shù))早些時(shí)候提出的。3.3.海底鉆井模式過度28過剩的定義是d = D-818O,這是一個(gè)衡量給定數(shù)據(jù)點(diǎn)的偏差與邊坡的8。表1顯示了所有的d值大于原來的均衡價(jià)值10?，F(xiàn)在的GNIP達(dá)爾文意味著d值的數(shù)據(jù)集不到10,這是不同,報(bào)告由Dansgaard 1年的數(shù)據(jù)集提供1964。29澳大利亞站的季節(jié)性d值高出一般在冬季和夏季較低。低維在南半球夏季對(duì)應(yīng)高相對(duì)濕度與海表面溫度(SST)的有關(guān)海洋源地區(qū)的空氣質(zhì)量。在冬天，海洋源區(qū)域的相對(duì)濕度較低,導(dǎo)致更高的d值Jouzel et al., 1997

35、?；旧嫌兴姆N不同類型的d澳大利亞GNIP站(圖7),對(duì)應(yīng)于四個(gè)主要的季節(jié)性降雨區(qū)域(低降雨區(qū)域,統(tǒng)一的降雨,夏季降雨,和冬季降雨量)。每個(gè)月有非常低的降雨類型和最大的波動(dòng)d,比如愛麗絲斯普林斯。類型兩種相對(duì)均勻分布的降雨和小維的變化,比如阿德萊德,墨爾本和布里斯班。類型3 d高在干燥季節(jié),達(dá)爾文等夏季降雨量占主導(dǎo)地位。類型4 d低在冬季降雨占主導(dǎo)地位的旱季,珀斯和角等嚴(yán)峻。30在艾麗斯斯普林斯,最低d發(fā)生在春天,而不是夏天。冬天是最干燥的季節(jié)每月少于20毫米降水。春天的開始,雖然有降水的增加,大氣中的云底下面仍然是干燥和飽和,所以蒸發(fā)發(fā)生在秋季雨水滴導(dǎo)致濃縮d D值和減少的殘留的雨水。這種蒸

36、發(fā)效應(yīng)逐漸減弱,隨著雨季的進(jìn)展(12月至3月),d穩(wěn)步上升。31在墨爾本,阿德萊德,布里斯班,類似的氣溫和降水量的微小變化導(dǎo)致(dozh)小波動(dòng)。小的季節(jié)性波動(dòng)(bdng)通常觀察到d在溫帶氣候區(qū),由于不同源地區(qū)(dq)的條件 Aragu sArag us e t al., 2000 。高d在布里斯班更可能是由于對(duì)流降水的統(tǒng)治地位,在雨在墨爾本更可能是層狀,較低的d Barrasand Simmonds , 2009。32在達(dá)爾文,獨(dú)特的雙峰值d模式反映了半年度峰值等表面溫度在熱帶地區(qū)。它上升下降(圖3)和d還指示的重同位素蒸發(fā)濃縮的小水滴不斷下降降水極端干旱時(shí)期。d值較少的變量在濕季(12月

37、至3月)。33嚴(yán)峻的角和珀斯,高d值在潮濕的冬天是由于直接暴露在南大洋. Barras and Simmonds, 2008和海洋。珀斯的高值主要?dú)w功于其獨(dú)特的氣候夏季炎熱和干燥,潮濕的冬天。雨季后相對(duì)較低的d值與雨滴的快速蒸發(fā)。34這些獨(dú)特的季節(jié)性變化在澳大利亞的d值在不同地區(qū)也可以用來確定工廠是否使用冬季或夏季降水增長(zhǎng)時(shí)期 Dodd et al., 1998; Alstad et al. ,1999。3.4.影響ENSO 18O35澳大利亞降雨量表現(xiàn)出高度的空間和時(shí)間的變化。知識(shí)和理解的降雨變化及其影響因素對(duì)水資源管理很重要 Chowd hury and Be echam ,2010; K

38、irono et al., 2010; Fu et al., 2010b。許多澳大利亞氣候變化影響因素,包括ENSO,太平洋和印度洋海溫資料,副熱帶高壓脊,環(huán)形模式(SAM)南部,馬登-朱利安震蕩(MJO) McBride and Nicholls, 1983;Nicholls and Wong , 1990; Smith et al. , 2000; Drosdowsky ,2005; Donald et al., 2006; He ndon et al., 2007; Meneghiniet al., 2007。ENSO已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有最大的影響 Chowdhury and Beecham, 2

39、010。ENSO和降水之間的關(guān)系可能是一個(gè)固有的信號(hào)在同位素,它們隨溫度和降水而變化。此外,高或低之間的ENSO振蕩有關(guān)太平洋中部和東部熱帶太平洋和弱或強(qiáng)太平洋信風(fēng) Ropelewski and Jones , 1987。圖6。平方(pngfng)小波相干18O和沉淀(chndin)量之間,布里斯班(a)(b)梅爾伯恩(c)角嚴(yán)峻,艾麗斯斯普林斯(d)達(dá)爾文(e)和珀斯(f)。太平洋和信風(fēng)強(qiáng)度的變化肯定會(huì)影響蒸發(fā)條件,水蒸氣運(yùn)輸(ynsh)和凝結(jié),導(dǎo)致降水的同位素的分餾Lachniet, 2009。36SOI,厄爾尼諾和拉尼娜事件的一個(gè)索引,在這里用來代表ENSO。圖8顯示了降水18O和SOI

40、之間的關(guān)系,無論是在時(shí)間和頻率域,使用WTC。相比之下,WTC在SOI和沉淀量(沒有顯示),d / SOI產(chǎn)生更廣泛的或更強(qiáng)的意義關(guān)系,這可能是由于降水的形成是一個(gè)情景的現(xiàn)象,在時(shí)間和空間有限,在降水同位素組成反映總體狀況的水蒸氣水庫(kù)降水形成的時(shí)候 Rozanski, 2005。非常強(qiáng)烈的厄爾尼諾事件的1982 - 1983和1983 - 1997生產(chǎn)普遍存在的干旱在同位素檢測(cè)記錄?；?2月周期,顯著布里斯班中心和墨爾本反映了明顯的降水減少1982 - 1983年期間在澳大利亞東部和南部。重要的中心在嚴(yán)峻的角和珀斯也反映了低于平均降水在塔斯馬尼亞和西南西澳大利亞。圖7。每月對(duì)降水(jings

41、hu)變化量在每個(gè)站點(diǎn)和過剩。右下角顯示(xinsh)了澳大利亞的主要季節(jié)性降雨區(qū)域(來自(li z)http:/ /.au/ lam/climate/ levelthree/ausclim/zones.htm)圖8。平方(pngfng)小波相干18O和我之間,布里斯班(a)墨爾本(b),角嚴(yán)峻(ynjn)(c),艾麗斯斯普林斯(d)達(dá)爾文(e)和珀斯(f)37WTC也表明(biomng)的影響ENSO 18O減少來自東部和澳大利亞北部,在統(tǒng)計(jì)上顯著的相關(guān)性被識(shí)別出來,幾乎沒有在西澳大利亞18O和SOI信號(hào)之間的關(guān)系。但重要的關(guān)系而是年度(12月）周期性被d / T和d / P,年際意義擴(kuò)展在

42、整個(gè)研究期間,64月烤制布里斯班和達(dá)爾文和32 - 64 -月艾麗斯斯普林斯和墨爾本。這意味著降水18O主要反映了ENSO周期的研究 Song et al., 2010。38負(fù)線性關(guān)系是看過布里斯班,達(dá)爾文,艾麗斯斯普林斯和墨爾本1977年以前(左箭頭點(diǎn)g)分別反映出相對(duì)高或低18O對(duì)應(yīng)厄爾尼諾和拉尼娜事件 Suppiah, 2 00 4。因此ENSO和18O支持之間的關(guān)系解釋,影響主導(dǎo)降水的同位素組成。39嚴(yán)峻的角,箭頭指向901990年代后顯示滯后約1/418O和SOI變化之間的信號(hào)。McBri de and Nicholls1983注意重要的滯后相關(guān)性之間的三個(gè)月ENSO指數(shù)和澳大利亞不

43、同地區(qū)的降雨。1/4或1/8 18O之間的滯后和降雨等部分第3.2.4對(duì)應(yīng)于確定滯后和結(jié)果在這些消極的線性相關(guān)性。4. 摘要(zhiyo)和結(jié)論40主要特征在降水(jingshu)穩(wěn)定同位素氘和氧18七GNIP站在澳大利亞進(jìn)行了分析。主要結(jié)論概括如下:411.同位素演化表明(biomng)d值消耗從北部和南部澳大利亞中部和從西到東。的基礎(chǔ)上1532組d d和d18O LMWL d = 7.10 18O + 8.21,參考地表水或地下水的起源,可以用于未來的研究。山坡上的偏差可以歸因于Dansgaard的早期研究使用的更長(zhǎng)和更能代表數(shù)據(jù)集。422.周期的研究和相關(guān)性研究通過使用小波相干方法(WT

44、C)在時(shí)間和頻率域表示滯后1/8或1/4 / T的變化或 / P。這支持二次回歸模型和相關(guān)性用來描述 / T或/ P關(guān)系而不是線性模型。大尺度大氣海洋應(yīng)承擔(dān)的影響周期的研究也被視為年際(32-,64 -月)和年代際(128)周期性的元素。433.使用非線性逐步回歸方法確定了氣候控制18O。結(jié)果表明18O復(fù)雜和多樣的物理過程的降水在澳大利亞網(wǎng)站調(diào)查了七個(gè)。所建立的方程可以解釋50%或更多的18O變化。444.18O的關(guān)系()=0.005經(jīng)度()0.034緯度()0.003高度(米)4.753強(qiáng)調(diào)地理影響18O,每增加1緯度,18O耗盡大約0.046。455.四種不同類型的d過度模式顯示特定地層條

45、件四大降水的季節(jié)性澳大利亞降雨區(qū)域。466.WTC18O和SOI證實(shí)ENSO對(duì)降水的減少影響從東和北到西澳大利亞。47由于降水是水循環(huán)的主要組件,結(jié)果的研究可能是有用的參考同位素的應(yīng)用進(jìn)行調(diào)查,如量化區(qū)域地下水補(bǔ)給，地表水和地下水的交互建模，重構(gòu)歷史記錄,核查和驗(yàn)證的環(huán)流模型低緯向和中緯度沿海地區(qū)在南半球。然而,目前的研究也存在著局限性。氣象控制18O檢測(cè)只是基于最經(jīng)常觀察到表面氣象變量。然而,中層和高層大氣參數(shù)可能更好的降水同位素含量預(yù)測(cè)指標(biāo),因?yàn)樗麄冇绊懡邓纬傻哪Y(jié)過程和雨滴體面的。d過剩的討論主要集中在當(dāng)?shù)亓魍ǖ挠绊?，雖然水源在氣象條件蒸發(fā)過程也重要,因?yàn)閐氣團(tuán)內(nèi)多余的水分主要是確定在

46、蒸發(fā)的水分來源 Craigand Gordon, 1 96 5;Merlivat and Jouzel, 1 97 9; Pfahl and Wernli , 2 00 8和保存在水蒸氣軌跡里。最后,確認(rèn)信號(hào)18O ENSO影響在不同地區(qū)的澳大利亞在時(shí)間和頻率域僅僅是第一步的穩(wěn)定同位素信號(hào)大非規(guī)模海洋大氣系統(tǒng)可變性。發(fā)表相關(guān)ENSO和澳大利亞的降水的知識(shí)的一致性,不過,提供有力的氣候動(dòng)力學(xué)控制的解釋降水的ENSO，更多的物理機(jī)制仍有待探討。正在進(jìn)行的研究是解決這些局限性,進(jìn)一步研究出版。48應(yīng)答(yngd):這項(xiàng)工作是由國(guó)家支持(zhch)的中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金的關(guān)鍵程序(chngx)(408

47、30636)，國(guó)家973項(xiàng)目 (2010CB428805)和“幾百人才計(jì)劃”的中國(guó)科學(xué)院。每月SOI在NOAA (http:/www.cdc.no /data/climateindices/list/)數(shù)據(jù)可用。作者要感謝HuiguoSun地質(zhì)與地球物理研究所、中國(guó)科學(xué)院和在東北大學(xué)共享他們的知識(shí)和小波變換編程和提供很多好的想法。我們也感謝Aslak Grinsted提供小波軟件。最后,真誠(chéng)的欣賞是鑒于CSIRO杰夫特納,澳大利亞的評(píng)論和建議大大有助于改善手稿。參考文獻(xiàn)：Aggarwal , P . K. , K. Fr hl ic h, K. M. Ku lk ar ni , a nd L

48、. L . Go ur cy (2 00 4) ,Stable isoto pe eviden ce for moisture sources in the asi an summer mon-soon under present and past climate regimes, Geophys. Res. Lett., 31,L08203, doi:10.1029/2004GL019911.Aggarwal, P. K., K. Frhlich, R. Gonfiantini, and J. R. Gat (2005), Isotopehydrology: A h istorical p

49、erspective from t he IAEA, inIsotope in theWater Cycle: Past, Pres ent and Future of a Develo ping Science, edi tedb y P . K. A gg ar wa l, J. R . Ga t, a nd K. F . O. F r h li ch , p p. 3 8, I nt . At .Energy Agency, Vienna.Alstad, K. P., J. M. Welker, S. A. Williams, and M. J. Trlica (1999), Car-b

50、on and water relations of Salix monticolain response to winter browsinga nd ch a ng e s in su rf ac e wa te r hy dr ol og y : An isotopic study usin g d13Cd18O, Oecologia, 120 , 375385.Aragu s Aragus, L., K. Froehl i ch, and K. Rozansk i ( 2000), De u teriu mand oxygen 18 isotope composition of prec

51、ipitation and atmosphericmoisture, Hydrol. Proce ss., 14, 1341 1355, doi:10.1002/1099-1085(20000615)14:83.0.CO;2-Z.Barras, V. J. I., and I. Simmonds (2008), Synoptic controls upon delta O18In southern Tasmanian precipitation, Geophys. Res . Lett., 35, L0270 7,doi:10.1029/2007GL031835.Barras , V., an

52、d I. Simmonds (2009 ), Observation and mode ling of stablewater isotopes as diagnostics of rainfall dynamics over southeastern Australia, J. Geophys. Res. , 114 , D23308, doi:10.1029/2009JD012132.Beecham, S ., and R . K. Chowdhury ( 2008 ), Statistical behavior of Ade -laide s rainfall: Is climate c

53、hanged etec table?, in Proceedings of the World Environmental an d Wate r Resources Congress , edited by R. W.Babcock, pp. 113, Am. Soc. Civ. Eng., Reston, Va。Rope lew ski, C . F., an d P. D. Jones (1 987 ), An ex tension of the TahitiDarwin Southern oscillation index, Mon. Weather Rev., 115, 2161 2

54、165,doi:10.1175/1520-0493(1987)1152.0.CO;2.Rozanski , K. ( 20 05 ), Isotopes in atmospheric moisture, in Isotope in theWater Cycle: Past, Present and Futur e of a Developing Science, editedby P. K. Agg arw al, J. R. Gat , an d K. F. O. Frhlich , pp. 29130 2, In t.At. Energy Agency, Vienna.Rozanski,

55、K., L. Aragus Aragus, and R. Gonfiantini (1993), Isotopic pat-terns in modern global precipitation, in Climate Change in Continental Isotopic Records , edited by P. K. Swart et al., pp. 1 37, AGU, Washington,D. C.Salati, E., A. Dall Olio, E. Matsui, and J. R. Gat (1979), Recycling of waterin the Ama

56、zon Ba s in: A n isotopic study, Water Resour. Res., 15(5 ),12501258, doi:10.1029/WR015i005p01250.Sato, T., M. Tsujimura, T. Yamanaka, H. Iwasaki, A. Sugimoto, M. Sugita,F. Kimura, G. Davaa, and D. Oyunbaatar (2007), Water sources in semiarid northeast Asia as revealed by field observations and isot

57、ope transportmodel, J. Geophys. Res. , 112 , D17112, doi:10.1029/2006JD008321.Schrch , M., R. Kozel, U. Schotterer , an d J. Tripet (20 03), Obser vationof is o to p es i n the water cycle the Swiss National Network ( NI S OT ) ,Environ. Geol., 45,1 11, doi:10.1007/s00254-003-0843-9.Singleton, M. J.

58、, K. N. Woods, M. E. Conrad, D. J. Depaolo, and P. E.Dre se l (20 05) , Tracking sources of unsaturated zone an d groundwaternitrate contaminat ion using nitrogen and oxygen stable isotopes at theHanford S ite, Washington, Environ. Sci. Technol. , 39, 3563 3570,doi:10.1021/es0481070.Sm it h, I. N. ,

59、 P. Mcintosh, T . J. An sell , C. J. C. Reason, an d K. Mcinnes(2000 ), Southwest wester n Australian winter rainfall and its associationWith Indian ocean climate variability ,In t. J. Climatol. , 20,1913 19 30 ,doi:10.1002/1097-0088(200012)20:153.0.CO;2-J.Song, X., X. Liu, J. Xia, J. Yu, and C. Tan

60、g (2006), A study of interactionbet ween surface water an d ground water using environmental isotope inHuaisha River basin,Sci. China Ser. D., 49(12), 12991310, doi:10.1007/s11430-006-1299-z.Song, X., J. Liu, G. Fu, Y. Zhang, D. Han, S. Wang, G. Yuan, and X. Sun(2010), Detection of information on cl