近日，西北师范大学地理与环境科学学院干旱区同位素水循环课题组张明军教授、王圣杰副教授等与国内外学者合作，在亚洲东部水汽同位素观测模拟与应用方面取得进展，首次对同位素大气环流模式在刻画亚洲东部日尺度水汽同位素中的表现进行了大规模的评估，并利用同位素反演模型和微物理模型对不同气候条件下雨滴云下蒸发程度进行了量化，成果发表在地学国际主流杂志《Global and Planetary Change》和《Journal of Hydrology》上。
大气环流模式已经被广泛运用于降水和水汽同位素的模拟，但是对模拟结果的科学理解仍需要观测值的支持。以往绝大部分的大空间尺度模型验证工作都基于月尺度的降水同位素，这使得对日尺度或者天气尺度的模拟效果认识不够准确，也影响了对不同时间尺度同位素气候意义差异的理解。研究团队基于亚洲东部17个站点的日尺度近地面水汽同位素观测资料开展，除日本外，还涵盖了我国新疆、甘肃、陕西、内蒙古、北京、河北、江苏、江西、台湾、广东、青海、西藏等12个省级行政区，选用了日本东京大学开发的IsoGSM模式和法国气象动力实验室开发的LMDZ模式共五种不同分辨率产品，这是首次利用大规模原位实测数据对整个亚洲东部地区近地面水汽同位素的日变化进行系统评估。
图1 亚洲东部17个水汽同位素站点分布
研究指出，同位素大气环流模式能够模拟出亚洲东部近地面水汽同位素的基本规律。在日尺度上也有较好的表现，随着模式空间分辨率的提高，模拟效果也有所增强，夏季分辨率提升带来的改进比冬季更为显著。从云下过程的角度对模拟偏差产生的原因进行分析，无论是考虑西风还是季风水汽输送，对云下雨滴蒸发和局地内循环的优化都至关重要。研究还分别对日尺度和年尺度近地面水汽同位素与大尺度大气环流的关系进行了空间比较，指出日尺度观测模拟的必要性，明确不同时间尺度的机制差异。研究结果有助于了解同位素模式在不同气候区的适用性，为改进同位素大气环流模式提供了基于实测资料的依据，并促进了对日尺度同位素模拟应用价值的理解。
图2 夏季日尺度水汽同位素和东南季风、西南季风和西风关键区风速之间相关系数的空间分布
气候变暖导致全球水循环加剧，蒸发过程越发复杂。与近地面相比，云底发生的蒸发更难量化，然而云底的蒸发过程显著影响着潜热变化和地表水热收支，因此通过合理的方法定量评估雨滴的云下蒸发剩余比显得尤为重要。研究团队根据近地表水汽和降水同位素观测资料，构建了同位素反演模型和微物理模型的五种方案，比较了蒸发引起的雨滴剩余比，明确了同位素反演模型和微物理模型在不同气候条件下的适用性。分析不同模型对输入气象参数的敏感性发现，同位素反演模型对温度和相对湿度变化的敏感性低于微物理模型，具有较好的推广价值。研究还明确了同位素反演模型的适用范围，指出不同气象输入条件下的有效解范围。这些发现有助于理解云下气象过程，以及各种量化云下蒸发方法的可比性。
论文信息：
Shengjie Wang (王圣杰), Yuqing Qian (钱雨晴), Kei Yoshimura (芳村圭/日本东京大学), Hayoung Bong (奉夏瑛/日本东京大学), Camille Risi (法国气象动力实验室), Zhongwang Wei (魏忠旺/中山大学), Hongxi Pang (庞洪喜/南京大学), Wei Xiao (肖薇/南京信息工程大学), Shijun Lei (雷世军), Meng Xing (邢萌/中国科学院地球环境研究所), Pei Zhao (赵培/商洛学院), Huawu Wu (吴华武/中国科学院南京地理与湖泊研究所), Yudong Shi (石玉东), Di Wang (王荻/云南大学), Mingjun Zhang* (张明军). Skill of isotope-enabled climate models for daily surface water vapour in East Asia. Global and Planetary Change, 2024, 239: 104502. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2024.104502.
Shengjie Wang (王圣杰), Yudong Shi (石玉东), Meng Xing (邢萌/中国科学院地球环境研究所), Shijun Lei (雷世军), Huawu Wu (吴华武/中国科学院南京地理与湖泊研究所), Hongxi Pang (庞洪喜/南京大学), Liwei Wang (王立伟/中国科学院西北生态环境资源研究院), Mingjun Zhang* (张明军). Quantifying the below-cloud evaporation of raindrops using near-surface water vapour isotopes: applications in humid and arid climates in East Asia. Journal of Hydrology, 2024, 638: 131561. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2024.131561.