L2140-i 用于 17O-盈余測量與應用-相對濕度與17O-盈余

       早期的理論和實驗表明，降水中¹⁷O-盈余（即¹⁷O-excess）的變化源自水源區域相對濕度的變化。然而，隨后對極地和干旱地區降水¹⁷O-盈余的研究表明，其他分餾作用的重要性（如積雪形成以及雨滴再蒸發過程），降低了海洋水汽源區域的相對濕度。研究展示了位于東亞季風區一個海島上兩年的降水¹⁷O-盈余記錄，并重建了水汽源區域的相對濕度。結果表明，亞熱帶島嶼降水¹⁷O-盈余在很大程度上是由海洋蒸發過程中的擴散分餾決定。因此，測量熱帶/亞熱帶地區的降水¹⁷O-盈余，可以成為海洋水分源區域相對濕度表征的一種*定量示蹤方法。

^1、17O-盈余背景介紹

1964年，Dansgaard提出，降水中的氧和氫同位素比（分別為δ¹⁸O和δD）可用作水循環的示蹤方法。 這兩種同位素比率的組合產生了一個水分源參數，即氘-盈余（d-盈余 = δD - 8 δ¹⁸O），其源于蒸發過程中的擴散分餾，并表示為非零截距大氣水線（Craig，1961年）。同位素模型預測 d-盈余可以有效反映海洋水分源中的相對濕度和海面溫度，該理論得到了邊界層水汽觀測結果的支持。

科技進步讓我們可以使用一個稱為¹⁷O-excess 的新參數。同位素組成δ 表示（δ= R_sample / R_ref -1）以per mil（‰）表示，其中R是同位素比，R_sample和R_ref 分別是樣品和參考水的同位素比。 使用對數 δ 表示：

δ= ln（δ+1）= ln（R_sample / R_ref））

¹⁷O-盈余定義如下：

¹⁷O-盈余 = δ¹⁷O− 0.528×δ¹⁸O

其中per meg（= 1×10^-6）為¹⁷O-盈余的單位。

類似于d-盈余，¹⁷O-盈余是由海洋蒸發過程中擴散同位素分餾引起的。此外，理論和實驗都表明 ¹⁷O-盈余反映了海洋表面相對濕度的變化，且 ¹⁷O-盈余的溫度依賴性小于d-盈余的溫度依賴性。實際上，對海洋上空大氣水蒸汽的觀測表明，¹⁷O-盈余與相對濕度呈負相關。為了評估降水中¹⁷O-盈余能否作為海洋水分源區域相對濕度的替代指標，研究者測量了沖繩副熱帶島嶼上降水中的¹⁷O-盈余。該島上的降水是進行這種評估的理想樣本，因為（i）空氣中的高濕度使雨滴的再蒸發作用小化；（ii）強東亞季風導致整個熱帶地區相對濕度出現季節性變化。

2、  穩定同位素測量
配置了高精度氣化室的光腔衰蕩光譜儀 L2140-i，同時測量δ¹⁷O，δ¹⁸O和δD值。為了獲得足夠精度的¹⁷O-盈余，需要進行多次重復測量。因此，我們使用了一個350μL的樣品瓶，并用環氧樹脂密封了樣品瓶內壁和外壁之間的間隙，以防止蒸發。
每組測量包括20個樣品和兩個工作標準樣品。工作標品使用 VSMOW – SLAP 進行標定。每次進樣1μL，每個樣品進行10次進樣測量。使用平均值的標準誤差（1σ/√n；以下稱SE），估算不確定度分別為δ¹⁷O：0.007‰，δ¹⁸O：0.008‰ 以及 δD：0.05‰、¹⁷O-盈余和d-盈余分別為5 per meg和0.09‰。

3.1、 GISP水中的¹⁷O-盈余

對于原子能機構（IAEA）提供的格陵蘭冰蓋降水（GISP）的δ¹⁸O和δD測量值分別為-24.774±0.033（±1σ）和-189.39±0.30 ‰?？紤]到測量次數，基于標準誤差的不確定度對于δ¹⁸O為±0.007‰，對于δD為±0.07‰。為了進行比較，IAEA推薦的δ¹⁸O值為-24.76±0.01‰，而δD的推薦值為-189.5±0.2‰。測量結果表明，δ¹⁸O和δD在誤差范圍內且與推薦值高度吻合，研究所采用的校準方法與測量方法都是可信的。

在這項研究中，GISP水的¹⁷O-盈余值為33±12 per meg（±1σ）。這些¹⁷O-盈余數據表現出正態頻率分布，表明系統誤差可忽略不計。將重復測量次數計入標準誤差，我們對GISP水的¹⁷O-盈余測量值為33±2 per meg。為了進行比較驗證，可以參考近年使用不同測量方法報告的結果：OFF-ICOS：23±2 per meg，IRMS：28±4 per meg，CRDS：27±4 per meg。 將這些結果經過 VSMOW-SLAP 歸一化，不同測量方法平均值為27±11 per meg（±1σ），表明本次測量數據與多種方法測量結果在誤差范圍內是一致的。

3.2 、降水¹⁷O-盈余
沖繩島上的降水同位素組成和氣象數據見圖2。通過降水加權平均值計算每月同位素比。在溫度和相對濕度方面觀察到明顯的季節性周期，二者在夏季均較高，而在冬季均較低。在雨季和夏季（4-9月），降水量呈不規則規律，但通常較大。¹⁷O-盈余同樣反映出明顯的季節性，夏季偏低（5–25 permeg），冬季較高（25–50 permeg）。

圖2. 沖繩降水氧同位素比和氣象數據的關系圖：

（a）月降水δ¹⁸O和δ¹⁷O加權平均值

（b）細線為每周降水¹⁷O-盈余，粗線為每月降水¹⁷O-盈余的加權平均值

（c）氣象站記錄的每月相對濕度

（d）氣象站記錄每月降水量（藍線）和氣溫（紅線）。

3.3 、相對濕度濕度與¹⁷O-盈余
沖繩島降水¹⁷O-盈余與相對濕度呈負相關關系（圖3），這與對海洋蒸發模型的預測相符。由于沖繩島被海洋所包圍，因此那霸氣象站（距海岸3公里）的濕度主要受海洋相對濕度變化的影響。與此相反，在西非的降水¹⁷O-盈余觀察到明顯的雨滴再蒸發效應：在較低濕度條件下觀測到的¹⁷O-盈余值較低，可歸因為雨滴再蒸發所致，降水¹⁷O-盈余值與相對濕度呈正相關（圖3）。在雨滴再蒸發模型中，高相對濕度下的再蒸發量很低，雨滴和周圍的水蒸氣接近同位素平衡。由于沖繩島濕度較高，雨滴再蒸發的影響可以忽略不計。因此，研究中觀測到的¹⁷O-盈余與相對濕度之間的負相關也表明，雨滴蒸發過程的影響微不足道。

圖3. ¹⁷O-盈余與采樣點的相對濕度圖，包括：

紅色圓點：那霸氣象站相對濕度與降水¹⁷O-盈余的關系；

藍色正方形：南部海域的水汽¹⁷O-盈余與相對濕度的關系；

三角形：西非降水¹⁷O-盈余與相對濕度的關系

虛線：每個數據集的線性回歸。

4 、總結
沖繩島上¹⁷O-盈余表現出明顯的季節因素。根據降水¹⁷O-盈余，使用簡單的蒸發模型，即可重建海洋水氣源區域中經海表溫度歸一化的相對濕度，與觀測到的相對濕度表現出很好的一致性。這些結果表明，通過擴散同位素分餾強度的變化，沖繩島上降水中的¹⁷O-盈余主要受水氣源區域影響的相對濕度的控制。因此，在潮濕的熱帶和亞熱帶地區，¹⁷O-盈余是調查過去和現在的水文地質循環的重要而*的示蹤方法。

以上內容出自琉球大學化學生物和海洋科學系上野優名與上村龍教授的研究報告。

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