同位素水文气象学

同位素水文气象学研究 | Isotope Hydrology and Meteorology Research

同位素水文气象学研究

同位素水文气象学是研究水循环过程中同位素分馏、传输和混合的重要学科。通过追踪水分子中氢氧同位素的组成变化，我们能够深入理解水循环的物理机制、水分来源识别、以及气候变化对水循环的影响。我们的研究涵盖了从微观同位素分馏过程到全球尺度水循环模拟的多个层面。

核心研究方向

同位素分馏机制与过程

  • 蒸散发过程中的同位素分馏机制研究
  • 植物蒸腾与土壤蒸发的同位素区分
  • 云物理过程中的同位素分馏效应
  • 降水过程中的同位素分馏规律

同位素示踪技术应用

  • 利用同位素技术区分蒸散发组分（蒸腾vs蒸发）
  • 水分来源识别与路径追踪
  • 流域尺度水循环的同位素示踪
基于IsoHysplit所模拟的高分辨率水汽氧18同位素轨迹线。

同位素建模与模拟

  • 陆面模式中的同位素过程参数化
  • 大气边界层同位素传输模拟
  • 全球尺度同位素循环建模
基于耦合同位素的LES所模拟的高分辨率水汽氧18同位素模拟。

观测技术与方法

  • 高频同位素观测技术开发
  • 多尺度同位素观测网络建设
  • 同位素观测质量控制方法
  • 新型同位素观测仪器应用
高时间分辨率红外激光光谱测量的全球水蒸气同位素数据库。

技术特色

IsoLESC耦合建模系统

  • 大涡模拟(LES)与同位素传输的耦合
  • 陆面模式(LSM)中的同位素过程
  • 云微物理过程中的同位素分馏
  • 边界层同位素传输的高分辨率模拟

多尺度观测能力

  • 站点尺度高频同位素观测
  • 区域尺度同位素观测网络
  • 全球同位素数据库建设
  • 多平台同位素观测技术

理论创新与应用

  • 同位素分馏理论的新发展
  • 同位素在气候变化研究中的应用
  • 同位素在生态水文研究中的应用
  • 同位素在农业水文研究中的应用

应用领域

  • 气候变化研究：利用同位素记录重建古气候
  • 水文循环研究：识别水分来源和传输路径
  • 生态水文研究：研究植物水分利用策略
  • 农业水文研究：评估灌溉效率和水分利用
  • 环境监测：监测水污染和水质变化

开放研究课题

开放研究课题

同位素水文气象学研究为研究生和合作者提供了丰富的研究机会。以下是我们当前重点关注的研究课题：

同位素分馏机制的精细化研究：深入研究不同环境条件下的同位素分馏机制，提升同位素模型的精度。该课题将重点研究：开发更精确的同位素分馏参数化方案，考虑温度、湿度、风速等环境因子的影响；研究植物生理过程对同位素分馏的影响，包括气孔导度、叶面积指数等；构建土壤水分同位素传输模型，考虑土壤质地、孔隙度等因素；研究云物理过程中的同位素分馏效应，包括凝结、蒸发、降水等过程；开发同位素分馏的机器学习预测模型，提高预测精度和计算效率。
多尺度同位素观测数据集建设：构建从站点到全球的多尺度同位素观测网络，为同位素研究提供高质量数据支撑。研究内容包括：收集整理同位素观测数据，构建同位素观测数据的质量控制体系，确保数据可靠性；开发同位素观测数据的标准化处理方法；研究同位素观测数据的空间插值和时间序列分析方法。
同位素在气候变化研究中的应用：利用同位素技术研究气候变化对水循环的影响，为气候变化应对提供科学依据。该课题将着重研究：研究现代气候变化对同位素分馏的影响；构建同位素气候/陆面模型，预测未来气候变化；研究极端气候事件对同位素分馏的影响。
同位素在生态水文研究中的应用：利用同位素技术研究生态系统中的水分利用策略和水分循环过程。研究重点包括：研究不同植被类型的水分利用策略；构建植物水分来源的识别方法；研究生态系统水分利用效率的同位素评估；开发基于同位素的生态系统水分循环模型；研究同位素在农业水文研究中的应用；构建同位素在湿地生态系统研究中的应用框架。

欢迎对以上任何课题感兴趣的研究生和合作者联系我们，共同推进同位素水文气象学研究的创新发展！

部分相关发表文献(#为通讯作者)：

  • Wei, Z.#, Lee, X., Patton, E. G. (2018). IsoLESC: A coupled isotope-LSM-LES-cloud modeling system to investigate the water budget in the atmospheric boundary layer. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 10, 2589-2617.

  • Wei, Z.#, Yoshimura, K., Okazaki, A., Kim, W., Liu, Z., Yokoi, M. (2015). Partitioning of evapotranspiration using high-frequency water vapor isotopic measurement over a rice paddy field. Water Resources Research, 51(5), 3716-3729.

  • Wei, Z.#, Lee, X., Aemisegger, F., Benetti, M., Berkelhammer, M., Casado, M., Caylor, K., Christner, E., Dyroff, C., Garcia, O., González, Y., Griffis, T., Kurita, N., Liang, J., Liang, M.-C., Lin, G., Noone, D., Gribanov, K., Munksgaard, N., Schneider, M., Ritter, F., Steen-Larsen, H., Vallet Coulomb, C., Wen, X., Wright, J. S., Xiao, W., Yoshimura, K. (2019). A global database of water vapor isotopes measured with high temporal resolution infrared laser spectroscopy. Scientific Data, 6, 180302.

  • Xiao, W.#, Wei, Z.#, Wen, X. (2018). Evapotranspiration partitioning at the ecosystem scale using the stable isotope method - A review. Agricultural and Forest Meteorology, 263, 346-361.

  • Wei, Z.#, Lee, X., Xiao, W., Wen, X. (2018). Evapotranspiration partitioning for three agro-ecosystems with contrasting moisture conditions: a comparison of an isotope method and a two-source model calculation. Agricultural and Forest Meteorology, 252, 296-310.

  • Wei, Z.#, Lee, X., Seeboonruang, U., Koike, M., Yoshimura, K. (2018). Influences of large-scale convection and moisture source on monthly precipitation isotope ratios observed in Thailand, Southeast Asia. Earth and Planetary Science Letters, 488, 181-192.

  • Wei, Z.#, Lee, X. (2019). The utility of near-surface water vapor deuterium excess as an indicator of atmospheric moisture source. Journal of Hydrology, 577, 123923.

  • Wei, Z.#, Yoshimura, K., Okazaki, A., Ono, K., Kim, W., Yokoi, M., Lai, C.-T. (2016). Understanding the variability of water isotopologues in near-surface atmospheric moisture over a humid subtropical rice paddy in Tsukuba, Japan. Journal of Hydrology, 533, 91-102.

  • Wei, Z.#, Yoshimura, K., Okazaki, A., Kim, W., Liu, Z., Yokoi, M. (2014). INVESTIGATING VEGETATION-ATMOSPHERE WATER EXCHANGE BY USING HIGH FREQUENCY SPECTROSCOPY VAPOR ISOTOPE OBSERVATIONS. JSCE, 58, 181-186.

  • 更多相关研究成果陆续发表中…