大洋表层海水氧稳定同位素比率研究进展.pdf

第 35 卷第 3 期 极地研究 Vol.35,No.3 2023 年 9 月 CHINESE JOURNAL OF POLAR RESEARCH September 2023 收稿日期 2022 年 3 月收到来稿,2022 年 9 月收到修改稿 基金项目 国家自然科学基金(42122047,42201151)和中国气象科学研究院基本科研业务费(2021Z006)资助 作者简介 衡福新,女,1997 年生。硕士研究生,主要从事自然地理学研究。E-mail: 通信作者 丁明虎,E-mail: 大洋表层海水氧稳定同位素比率研究进展 衡福新1,2 田彪2 孙维君1 吴雪梅1,2 丁明虎2(1山东师范大学地理与环境学院,山东 济南 250014;2中国气象科学研究院全球变化与极地研究所,北京 100081)摘要 大洋表层海水氧稳定同位素比率(18O)能够准确指示多种海洋循环过程,也可以用来重建古气候变化。随着近几十年采样范围的扩大和分析技术的提高,大洋表层海水 18O 研究取得了重要进展,其主要体现在 18O 的时空分布特征及归因等研究方向。但是,受到海洋调查范围的限制,现在仍存在对 18O 时空范围深入认知的不足。本文对大洋表层海水 18O 的相关研究方法和研究进展进行了梳理和归纳,以期为未来的深入研究提供参考。关键词 氧稳定同位素比率 盐度 大洋表层海水 doi:10.13679/j.jdyj.20220410 0 引言 海洋总面积约为 3.6108 km2,约占地球表面积的 71%,水储量约占地球总水量的 97%。海洋环流调节着全球热量和水分平衡,深刻影响着全球气候系统,尤其是长期气候变化。海水是一种处于不断运动过程中的流体,示踪物被用来识别该流体的运动1。自然界淡水的盐度为零(S=0),但在纬度效应、高程效应和局地环境等因素影响下,降水的18O 丰度不同2-4,一般而言,纬度越高,海拔越高,降水的18O 丰度就越低。海水盐度只能定性地说明海水与淡水的混合,而不能区分与海水混合过程中不同的淡水来源(如降水、河水等)。18O 因其稳定性好(不受海水中其他物质的干扰)、用量少和灵敏度高,成为海洋学的天然示踪物1。氧有 3 种稳定同位素形态,即16O、17O和18O,本文中只讨论16O和18O这两种氧稳定同位素,在实际应用中,通常使用 18O 表示海水的氧稳定同位素含量,由于水的18O 丰度比16O 丰度小得多,故氧稳定同位素比值(R=18O/16O)通常很小,进而18O 更小。为了书写方便,通常乘以 1000,用表示 18O5。18O 计算公式为:18161816181816(O/O)(O/O)O(O/O)样品标准标准1000(1)对于氢、氧稳定同位素,通常采用国际原子能机构配置的维也纳标准平均海水(Vienna-Standard Mean Ocean Water,V-SMOW)作为标准物质,当18O0,说明样品比标准物质18O 富集;反之,样品比标准物质18O 贫化。海水的物化性质随深度而异,根据海水物化性质和同位素含量随深度的变化情况,可将海水划分为表层、中间层和深层。深层海水水文性质稳定,但表层海水容易受到外界环境的干扰,发生相应的变化,因此可以根据稳定同位素含量示踪海水水文变化。依托走航观测平台,目前开展的海洋考察已在多个点位测量了海水的 18O,但只有少数点位测量了海水 D(氢稳定同位素比率)6。第 3 期 衡福新等:大洋表层海水氧稳定同位素比率研究进展 429 本文通过梳理国内外相关文献,筛选出 50 m以浅的数据作为表层海水的 18O,绘出表层海水18O 采样点的全球分布情况(图 1)。从图 1 可以看出,表层海水 18O 采样点几乎遍布全球,但分布不均匀。集中分布在北冰洋、北大西洋、印度洋 北部和大陆边缘海域,南大洋和印度洋东部相对较少7,在东南太平洋出现采样空白区。通过对表层海水 18O 的研究意义、空间分布特征及影响因素方面进行论述,以期指导未来表层海水 18O 研究工作。图 1 全球表层海水氧稳定同位素采样点分布 Fig.1.Distribution of sampling points of stable oxygen isotopes in the global surface seawater 1 表层海水氧稳定同位素比率的研究意义 海洋是全球能量和物质循环的关键环节,对人类社会和全球生态环境具有重要的影响作用。表层海水 18O 能有效反映洋面蒸发和降水情况以及示踪水团运动情况等,进而加深对海洋的认识。1.1 水循环示踪 水循环将水圈中的物质和能量联系在一起,维持着全球的水量平衡,是地球系统的重要组成部分。海洋水循环是水循环的主要形式,洋面上蒸发的水蒸汽有 90%以海洋降水的形式回到海洋,仅有 10%的水蒸汽被输送到陆地26,参与陆地的水循环。在水循环过程中,蒸发、降水和径流是水循环的 3 个主要环节。在太阳辐射作用下,海洋表层水受热蒸发,并以水蒸汽的形式扩散到自由大气中。在蒸发过程中,含轻同位素的水分子优先扩散到大气中,使剩余海水的重同位素含量逐渐富集,如地中海是全球表层海水 18O 最富集的海区27-28。然后,蒸发的水汽在大气中传输,当大气中的水汽达到饱和(或过饱和),温度降至露点温度以下时,云中的水汽逐渐冷凝聚集,在聚集到一定重量后,逐渐从云中降落到地表,形成降水。因为含重同位素水分子的标准蒸汽压低于含轻同位素水分子的标准蒸汽压,所以含重同位素的水分子优先冷凝并随降水降落。随着水汽在大气中传输和不断冷凝,云中剩余水蒸汽的18O 逐渐贫化,表现出降水的 18O 沿着降水路径逐渐贫化29,进而影响表层海水 18O。降水后,表层海水 18O 出现短暂的贫化现象,随后海水运动很快就会消除降水产生的影响。降水/蒸发比是影响表层海水18O富集程度的主要因素30,当降水量(P)高于蒸发量(E)(即 PE0)时,表层海水18O 贫化;而当降水量低于蒸发量(即 PE0)时,表层海水 18O 富集。研究发现,降水量与 18O-S 关系的斜率呈正相关关系,与截距呈负相关关系11,15,18(图 2)。因此,可以根据表层海水 18O-S 关系的斜率和截距值,判断出研究区域降水和蒸发的相对重要性。即当蒸发占优势时,表层海水 18O-S 关系的斜率低,反之,当降水占主导地位时,表层海水 18O-S 关系的斜率高。这是因为在蒸发强的海区,表层海水 18O 和 S 集中分布在高值区,变化范围小;而降水使表层海水 18O 和 S 有减小的趋势,表层海水 18O 和 S 分布较分散,故 18O-S关系具有高斜率。另外,表层海水 18O-S 呈正相 430 极地研究 第 35 卷 关关系11,16,24,尤其在区域尺度上两者的相关性最强。这是因为二者都因降水量(或河流径流量)的增加而减小,因蒸发量的增加而增加。Benetti等31将 30S55S 的大西洋海区划分为 10 个子区域,并分别计算每个区域表层海水 18O-S、D-S 和 18O-D 关系的斜率、截距和相关性,计算出的相关性强于整个研究区的相关性。图 2 印度年降水量与 18O-S 关系斜率和截距的对应关系15 Fig.2.Slopes and intercepts of the 18O-S relation of various data sets are plotted against the corresponding annual rainfall over India15 径流是水循环的另一个环节。受同位素分馏影响,降水中18O丰度低,由于河流径流主要来自降雨或降雪,因此河水的18O丰度贫于海水。如Rank等30在黑海的观测研究发现,由于多瑙河汇入黑海西侧,故其相较于东侧表层海水18O贫化。对表层海水18O有影响的是径流量,一般而言,径流量大的河流比径流量小的河流对近岸表层海水18O的影响程度大,使近岸表层海水的18O更贫化。随着河水向海水方向扩散并不断与海水混合,其对海水的影响将逐渐减小直至完全消失。如杜金秋等32根据长江口东北侧和东南侧断面海水18O的垂向分布情况,得出随着离岸距离的增大,夏季长江水在海水中的比例逐渐减小,以河水占海水的10%为河水的影响范围,得出长江水能到达济州岛西南部。1.2 水体来源识别 全球海洋是由不同水团组成,受地理位置和形成因素的影响,每种水团都具有独特的水文特征,相应的表层海水18O 丰度有明显的差别,因此可以用18O来揭示水体来源信息33。Fairbanks34根据 18O 确定出纽约湾和缅因湾陆架水和陆坡水的地理来源。Chen 等2根据台湾海峡西南部海区南海暖流的 18O 值,得出南海暖流并不是起源于海南岛东部,而是由黑潮次表层水入侵南海形成的陆坡流上涌偏转形成。不仅如此,根据表层海水 18O-S 关系也可以判断出水体的来源区域。一般情况下,表层海水18O-S 关系的斜率为正值,但在海冰区,18O-S 关系的斜率几乎为 0。这是因为海冰与海水的分馏系数很小,海冰融化和冻结对表层海水 18O 几乎没有影响,但对表层海水盐度有明显影响,即当海冰冻结时,海水排出多余的盐分,增加了剩余海水的盐度;而当海冰融化时,海冰融水流入海水中,降低了表层海水的盐度35。Tiwari 等19根据南大洋暖芯涡旋(warm-core eddy,位置 40S44S,56E59.5E)及其毗邻区表层海水 18O-S关系的斜率,发现暖芯涡旋内的海水来自以蒸发和降水为主的海域,而涡旋外毗邻海区的水来自以海冰作用为主的海域。1.3 水团移动路径确认 水团在离开形成区域流动过程中,与周围海水不断进行交换、混合,使原来水团的物理、化学性质以及表层水的18O丰度发生改变,因此,可以根据表层海水18O追踪水团运动情况。任建国和王先彬36根据氧、氦同位素比率等值线分布,得出南海水通过巴士海峡进入西太平洋。Wagner和Slowey4根据得克萨斯州-路易斯安那州大陆架表层海水18O水平分布情况,得出大陆架上的河水在丰水期和枯水期流动方向相反,在丰水期,河水由东向西流动,而在枯水期,河水由西向东流动。杜金秋等32根据长江口海水的18O和盐度随深度的垂向变化,得出长江水入海后主要向东北方向流动,到达济州岛西南部。Chen等2根据台湾海峡西北部海区表层海水18O-S关系在盐度为0时淡水端元的18O,推断出在东北季风的作用下,春季浙闽沿岸流能到达台湾堤岸。1.4 古气候重建 在地理学上,古气候对于了解气候变迁、现代气候形成和自然地理环境演变有重要意义。但过去可获取的观测资料有限,很难直接了解过去 第 3 期 衡福新等:大洋表层海水氧稳定同位素比率研究进展 431 气候变化情况。冰芯、树轮、化石沉积物等保存了过去气候的历史信息,因此可以利用这些代用指标来重建古气候。海水中最常用的代用指标是浮游生物、贝壳等碳酸盐沉积物的 18O。浮游生物在表层水中生活,死亡后下沉到水底,堆积形成沉积物,沉积物的 18O 能有效表示历史时期表层海水的 18O 信息。目前,根据碳酸盐18O指标重建海洋古温度、古盐度的方法已逐步完善。碳酸盐18O取决于当时海水的18O、海水温度和沉积物种。如果已知海水的18O,就可以根据碳酸盐18O重建海水的古温度。McCrea37首次提出海水温度与碳酸盐18O的经验公式。在此基础上,Epstein等38在消除贝壳中有机物的干扰后,确定了更为精确的“古温度”方程,即t()=16.54.3+0.142(t表示海水温度,为碳酸盐的氧同位素比率)。残余法是古盐度重建最常用的方法,即在消除碳酸盐18O的温度效应和物种种类影响后,得到历史时期海水的18O丰度,并假设海水的18O-S关系不随时间变化,根据当今海水的18O-S关系,推断出历史时期海水的盐度。如Holloway等39根据同位素耦合的大气环流模型,重建了晚全新世、末次冰期、末次间冰期的盐度,由于18O-S关系随时间和空间变化,高纬度海区无法得到真实的古盐度值。2 表层海水氧稳定同位素比率的研究 2.1 现场观测与研究 2.1.1 印度洋 由于海陆热力性质差异,印度洋北部主要受热带季风的影响。在北半球的冬季和夏季,受热带季风季节性偏转的影响,南亚次大陆降水量出现季节性差异,从而汇入北印度洋的河流径流量也呈现出明显的季节性差异。Delaygue 等40利用大气环流模型捕捉到孟加拉湾和阿拉伯海表层海水 18O-S 关系及其地理变化。结果显示,河流径流对阿拉伯海表层海水 18O 和 S 的空间分布及18O-S 关系的斜率影响小;而显著降低孟加拉湾表层海水的 18O 和 S,模拟出的 18O-S 关系的斜率更接近实测的斜率,说明河流径流对孟加拉湾表层海水 18O 有显著的影响。夏季风期间,孟加拉湾接收的河流径流量多;而夏季风前后,孟加拉湾接收的河流径流量少,以及季风后水团垂直混合,导致孟加拉湾表层海水 18O 和 S 最低值出现在夏季15。受河水扩散的影响,孟加拉湾表层海水 18O 空间分布特征与“纬度效应”相反,即由海湾顶部向南增加40。除河流径流外,洋面降水也是孟加拉湾不可忽视的因素,如 2016 年 12月孟加拉湾西南部海区表层海水 18O 和 S 的低值就与“Vardah”风暴带来的降水有关41。受西亚热带(亚热带)沙漠气候影响,入流河流少且流量小,阿拉伯海大部分海域表层海水18O 比孟加拉湾富集且变化小,均值为 0.540,夏季降雨的影响局限在印度西海岸11;春季融雪水仅对阿拉伯海东北近岸有影响15,用18O证明了阿拉伯海表层水的蒸发作用强。受蒸发强度差异的影响,阿拉伯海表层海水 18O 由赤道向北增加11。红海通过亚丁湾与阿拉伯海相连,不断进行水体交换,在红海北部蒸发强的年份,表层海水 18O 富集,表层海水由阿拉伯海流入红海42。由此可见,北印度洋孟加拉湾和阿拉伯海的水文性质相反。阿拉伯海表层海水 18O 主要受到蒸发过程的影响,而孟加拉湾表层海水 18O 主要受降水和河流径流的影响。2.1.2 太平洋 太平洋海域面积约占全球海洋的 46%,其海洋环流直接影响全球海洋特征和全球热量输送43。热带太平洋表层海水 18O 主要受蒸发和降水的共同作用,Conroy 等44发现厄尔尼诺现象引起的降水使热带太平洋表层海水 18O 偏低,但根据计算出的淡水端元的 18O,得出热带太平洋受到强烈的蒸发影响。Benway 和 Mix45根据箱模型计算出热带太平洋东部巴拿马湾淡水端元的18O,得出淡水端元中局地降水和加勒比海热带风暴带来的降水的比例为 11。而 Kodaira 等20根据降水、蒸发和河水的通量及相应的 18O,通过质量平衡方程估算日本对马暖流年均淡水端元的 18O,在忽略蒸发影响后,计算出淡水端元18O 大于实测 18O-S 关系的截距,得出蒸发是日本海的 1 个重要过程。太平洋北部纬度较高,蒸发和降水较弱,海冰季节性冻结和融化会明显改变表层海水的水文状况。Yamamoto 等46根据鄂霍次克海大陆架海水的 18O-S 关系,推断出冬季混合层中有 3%的 432 极地研究 第 35 卷 水冻结形成冰,剩余 97%的水形成密度高的陆架水。除海冰影响外,该纬度太平洋也接收大陆冰川融水。如Kipphut47根据Royer48的模型计算出,1983 年夏季冰川融水占阿拉斯加湾沿岸总淡水量的 42%。黑潮向北流动,为西太平洋带来高温、高盐、18O 富集的水体。杜金秋等32根据黄海和东海表层海水18O-S关系,推测出黑潮水18O在0.2 0.45 之间,基本与文献报告的黑潮水 18O 相符,说明黑潮水是黄海、东海表层水的盐水端。尽管黑潮对西太平洋有明显的影响,但其影响范围有限。Chen 等2根据海水 18O 的垂直分布,发现黑潮次表层水仅到达台湾海峡西南部的大陆坡。而杜金秋等32同样根据海水18O的垂直分布,发现夏季黑潮影响到台湾海峡东北部大陆架以外的海域。与黑潮相反,中国大陆河流径流为西太平洋提供低盐、18O 贫化的水体。吴世迎49根据表层海水 18O 和 S 等值线平面分布,发现黄海、渤海海区受大陆径流的影响,18O 和 S 的变化情况与河水流入关系密切,随着离岸距离的增大,18O趋于开放大洋的低负值。Chen 等2根据台湾海峡西北部海区海水 18O-S 关系推断出淡水端元的18O与纬度相对较高的中国东部河流径流的 18O值相符,说明东北季风驱动较高纬度的河水流入该海区。Ye 等50根据简单的模型模拟出河流径流对表层海水 18O 的影响,为了重现冬、夏两季表层海水 18O-S 关系斜率的实测值,所需的径流量分别是降水量的 1.6 倍和 2.3 倍,进一步证实了河流径流对西太平洋近岸水的显著影响。总体来说,蒸发和降水过程是造成太平洋开放大洋表层海水 18O 差异的主要影响因素。太平洋近岸海区表层海水 18O 受河流径流的影响很大,而在高纬度海区表层海水 18O 受海冰冻结和融化的影响显著。2.1.3 南大洋 根据国际水文地理组织的定义:南大洋是指60S 以南,环绕南极大陆的水域。南极底层水具有温度低、密度大的特征,密度大使其向北流入邻近的太平洋、印度洋和大西洋海盆,维持着全球的海温平衡。南大洋纬度高、气温低、蒸发弱、降水少,海 冰冻结和融化过程占主导地位14,51,海冰冻结和融化导致 18O-S 关系的斜率平缓。如 Tiwari等19根据南大洋极地区域海水 18O-S 关系的斜率低于其他采样海区的斜率,推断出该区域海冰冻结和融化作用是表层海水 18O 的主要影响因素。Jia 等52根据盐度和 18O 的三端元混合模型,计算出海冰融水的比例(fSIM)在普里兹湾外为正值,而在大陆架水域为负值,说明大陆架水体受到海冰冻结的影响,公海海水受海冰融水的影响。受纬度效应的影响,南大洋表层海水 18O 贫于邻近的太平洋、印度洋和大西洋,在南非到南极洲断面上,南极表层海水 18O 在0.45左右53,伊丽莎白公主海槽表层海水 18O 为0.3954。在靠近南极大陆架的海域,表层海水 18O 受大陆冰雪融水的影响14,16。Meredith 等55根据 2002 年和 2003 年不同月份玛格丽特湾表层海水 18O 和S 的变化情况,得出大气水汽和海冰融水是玛格丽特湾的淡水来源,但不同时间的淡水来源及贡献比例不同,并根据质量平衡方程量化玛格丽特湾淡水来源的组分,得出大气水汽的比例总是高于海冰融水的比例,说明玛格丽特湾大气水汽是主要的淡水来源,然后根据区域大气模型估算出玛格丽特湾的降水低于该区域大气水汽的总量,说明冰川融水是主要的淡水来源。输送到极地的水汽经过反复蒸发和冷凝,发生同位素分馏,故极地区域降水的 18O 比海水的 18O 要贫化56。需要注意的是,由于气候寒冷,极地区域的降水主要以降雪的形式降落到地表,故南半球夏季近岸海域表层海水 18O 更贫化,如普里兹湾表层海水 18O 平均值为1.4116,罗斯海陆架附近表层海水 18O 值为0.7157。因此,可以根据表层海水 18O 将海冰融水和冰雪融水区分开来。由此可见,南大洋表层海水 18O 受降水和蒸发的影响较小,海冰冻结和融化过程占主导地位。同时,在南半球夏季,南大洋近岸海区表层海水 18O 还明显受到大陆冰川融水的影响。2.1.4 大西洋 大西洋东西两侧狭窄,且被大陆包围,较其他大洋蒸发强,尤其是亚热带海域。Benetti 等31根据亚热带大西洋东部表层海水 18O-S 关系及海表的 E(蒸发通量的同位素组成)和 mw(淡水源的 第 3 期 衡福新等:大洋表层海水氧稳定同位素比率研究进展 433 同位素组成),得出亚热带大西洋东部蒸发占主导地位,并用简单的箱模型定量评估出亚热带大西洋东部蒸发量是淡水量的 2 倍(Emw=2)。在地中海东部,夏季和冬季蒸发/淡水比分别为 1.83和 1.2 58。地中海通过直布罗陀海峡与大西洋相连,通过高 18O 将其与大西洋水区分开来59。近岸海水会受到河流流量“数量效应”影响。Wagner 和 Slowey 4根据德克萨斯州-路易斯安那州大陆架表层海水 18O-S 关系,得出在河流流量最高时,密西西比河和阿查法拉亚河都是墨西哥湾北部海水的淡水来源;但在河水流量最低时,阿查法拉亚河是主要的淡水来源。除了大型河流,墨西哥湾也接收其他小型河流,但影响范围小。如 Hyeong 和 Lawrence60在德克萨斯州圣伯纳德-布拉索斯河口,根据线性混合模型确定出该区域 4 条河流仅在特定范围内作用明显。在亚热带海区,大西洋表层海水 18O 受到蒸发的强烈影响。同时,大西洋近岸海区的表层海水 18O 受河流径流的影响十分明显。2.1.5 北冰洋 北冰洋被亚欧大陆和北美大陆包围,接收向北流动的大陆河水。在河水和海冰的共同影响下,北冰洋是全球表层海水 18O 最贫化的海域。stlund 和 Hut61认为北冰洋水是由北大西洋水、海冰融水和河水这 3 种组分组成,但 Dubinina等9根据修正的混合模型,得出上述 3 种组分混合模型显著高估了河水的贡献。北冰洋水主要来自北大西洋62,Dubinina 等6根据新地岛东北部巴伦支海海水的 18O、D 和 S 值,对比北大西洋水特征,说明这些水体是典型的北大西洋水。太平洋水通过白令海峡进入北冰洋,主要流入加拿大盆地63,故北冰洋东侧海区表层海水18O比西侧贫化。河水是北冰洋主要的淡水来源,其对北冰洋的海洋环流有重要影响。尤其是近年来,全球气候变暖导致北冰洋淡水增加,抑制了水团的对流混合,使北冰洋酸化加强。Dubinina 等64根据新地岛水域表层海水 18O 的测量值,得出鄂毕河的河水是新地岛的主要淡水来源。流入北冰洋的河水向北扩散,Dubinina 等6,65根据 18O 质量平衡方程,得出喀拉海水柱中河水组分占 5%10%,而在喀拉海中部表层水中,河水比例达到60%。马更些河是加拿大盆地的主要河流,在其影响下,波弗特海近岸表层海水 18O 贫化66。Yamamoto-Kawai 等67在麦肯齐河附近,根据质量平衡方程计算出海冰融水占淡水总量的 65%以上。Dubinina 等6根据拉普捷夫海 18O-S 关系推断出海冰冻结对 18O 的影响。但海冰冻结和融化仅发生在海洋表层,影响程度有限,随着水深增加,海冰影响逐渐减小直至消失。综上可以看出,北冰洋表层海水 18O 受海冰冻结和融化的影响显著,且近岸表层海水 18O 还会受到河流径流的影响。2.2 模型模拟与研究 目前,大洋表层海水 18O 实测数据主要是根据走航采样及观测获得,数据量十分有限。为了更好地利用已有的数据进行大范围研究,Bigg 和Rohling7首次把 37 个不同来源的 6000 多个 18O数据集合成 1 个新的全球海水 18O 数据集,并描述该数据集的时空特征。然后 LeGrande 和Schmidt68根据 18O 实测值和根据 18O-S 关系得到的数据稀疏区域的 18O,创建了三维 11年均18O网格数据集,得出全球表层海水18O空间分布特征,并将该 18O 的网格数据集应用于GISS modelE 的边界条件,得到与降水同位素组成最真实的模拟。Breitkreuz 等28在 LeGrande 和Schmidt68的基础上,考虑到季节变化,根据19502011 年全球月均 18O,得出全球月均 18O网格数据集,整体上,模拟值与观测值最大的偏差出现在北冰洋;在季节尺度上,全球表层海水18O 出现明显的季节差异,其中孟加拉湾西部、阿拉伯海东南部和美国东北部表层海水 18O 季节差异最大(图 3)。大气环流模型(Atmospheric General Circula-tion Model,GCM)目前被广泛应用于模拟当前全球的气候条件,并取得了相当大的成功。将同位素耦合到大气环流模型中,即将与水有关的相变过程考虑到水分子中氢、氧元素相应的同位素分馏,模拟出当今气候背景下的表层海水 18O 空间分布特征。广泛应用的是 NASA Goddard Institute for Space Studie(GISS)的海洋-大气完全耦合的GCM 模型,它满足质量和示踪剂守恒规律,水平 434 极地研究 第 35 卷 图 3 全球表层海水 18O 的分布28。a)表层(050 m)18Osw模拟值和 50 m 以浅 18Osw测量值;b)18Osw模拟值和观测值的差异 Fig.3.Distribution of 18Osw in global surface waters28.a)18Osw surface field(050 m)and assimilated obser-vational 18Osw data above 50 m;b)respective model-data difference 分辨率为 45,由海洋模型和大气模型组成。如Schmidt69应用 GISS 海洋-大气完全耦合的 GCM模型,并运行 5059 年,得到表层海水 18O 的全球分布特征,其中模拟出的 18O 与观测值最大的偏差出现在北大西洋北部(模拟值2000 年),模拟出的表层海水 18O 空间分布特征与观测值很好地吻合,即副热带海区表层海水 18O 富集,高纬度海区表层海水 18O 贫化。Schmidt 等72使用 GISS ModelE-R 模型,模拟出全球表层海水 18O 的空间分布特征,整体模拟效果很好,最大的偏差出现在地中海和大西洋副热带海域。LeGrande 和Schmidt73同样根据 GISS ModelE-R 模型,将全新世划分为 8 个时间片段,每个时间片段运行500 年,模拟出全新世 18O 的时间变化,得出不同海区 18O 变化趋势不同。Xu 等27将水同位素H218O和 HDO作为被动示踪剂应用到海洋循环模型 MPI-OM 中,模拟出全球表层海水 18O 和 D的空间分布特征。此外,GISS 的 GCM 模型还能模拟出表层海水 18O-S 斜率和过量氘的空间分布特征。如 Delaygue 等71模拟出表层海水 18O-S斜率随纬度增加,Xu 等27模拟出过量氘的空间分布特征是:在 80S55N,过量氘变化小,而55N 以北,过量氘急剧减小。总体而言,大气环流模型模拟的 18O 值与测量值不一致,但能有效地表示表层海水 18O 的空间分布趋势。随着模型参数的改进,模型的模拟效果会更好。除18O空间分布特征外,也可以使用18O得出研究区海水的混合情况,通常根据质量、盐度和 18O 平衡方程计算出研究区海水中各组分的比例,该方程表示为:fa+fb+fc=1 (2)faSa+fbSb+fcSc=S (3)fa18Oa+fb18Ob+fc18Oc=18O (4)其中,a、b、c 分别表示水柱中水体组分名称,S和 18O 分别为研究区表层海水的盐度和氧稳定同位素比率,Sa、Sb、Sc为相应组分的盐度,18Oa、18Ob、18Oc为相应组分的氧稳定同位素比率。Khatiwala 等74根据该模型,以拉布拉多大陆坡水(Labrador Slope Water,拉布拉多大陆坡水深400500 m 以浅的盐度最高的水体)、北极水(Arctic River Water,包括高纬度大气水汽以及流入巴芬湾和哈德逊湾的径流)和海冰融水作为末端组分,计算出来自北极的水大约占拉布拉多大陆架水体的 8%,说明来自北极的水体向南流动并影响到拉布拉多大陆架。借助该平衡方程能定量了解海水的混合比例情况,但前提需要先假定研究区海水末端组分及相应的 18O 和盐度。假定末端组分的 18O 和盐度值不同,最终计算出的各组分比例就会出现差异。而且该模型仅适用于 3种水团混合的情况,对于假定有 4 种及 4 种以上组分的混合情况,需要增加其他示踪物,如硅酸盐浓度,以得到准确的结果。第 3 期 衡福新等:大洋表层海水氧稳定同位素比率研究进展 435 在海洋和大陆共同作用下,近岸水文有其独特的特征。用线性混合模型识别近岸水体的淡水来源,其原理是根据表层海水18O-S关系,得到盐度为0时淡水组分的18O,然后用该18OS=0与已知河水或降水的18O进行比较,以确定海水的淡水来源。Khim和Krantz 75根据该模型,得出流入特拉华湾的河水是特拉华沿岸流主要的淡水来源。Price等76根据局地降水18O(2.83)接近Whipray盆地表层海水在S=0时的18O(2.14),得出局地降水是佛罗里达湾西侧的主要淡水来源。这是根据18O确定淡水来源最常用的方法,但这种模型仅适用于淡水与海水混合的情况,使用范围有限。总体而言,降水、蒸发、海冰冻结和融化、河流径流、河水与海水混合、上升流和平流等过程都会影响表层海水18O。其中,近岸明显受到大陆河流径流的影响,表层海水18O贫化,随河流流量而发生季节性变化。在非极地海区,降水和蒸发是表层海水18O的主要影响因素,海冰冻结和融化对表层海水18O的影响仅发生在高纬度海区。在全球海洋中,大西洋和印度洋表层海水18O最富集,太平洋和南大洋次之,北冰洋最贫化。3 存在问题与建议 从以上国内外表层海水 18O 研究进展可以看出,目前表层海水 18O 研究已取得了较为系统的认识。近年来同位素分析技术的发展,为机理研究提供了更多的数据基础。但目前的研究主要还集中在基于实测数据进行水文机理、水团混合 等方面上,理论模拟研究较少。由于全球大洋面积广袤,科学考察范围有限,表层海水 18O 的实测研究分布在大陆沿岸和常规航路上,深远海地区和南北极地区可用数据匮乏,使得各海区表层海水 18O 研究水平具有显著差异。同时,与国外相比,我国相关研究起步晚、成果较少,理论模拟研究几乎为空白。因此,对于未来表层海水 18O研究,建议重点开展以下几个方面工作。1.充分利用远洋航行采集样品并推动数据共享。观测数据是科学研究的基础。与陆地观测站点不同,表层海水采样站点不固定,无法获得某一点位长期数据,尤其是海况恶劣的海区,采样点更少,存在着数据空白。我国是全球公认的航运大国,国内多个高校、研究院所均定期开展远洋考察,应充分利用此优势,采集表层海水带回实验室分析,补充相关数据空白。可能的话,在特定站位进行长期采样,以获得表层海水 18O 时间变化特征。同时,加强数据共享,形成覆盖全球关键海区的表层海水 18O 数据集。2.加强稳定同位素比率模型研究。大洋表层海水 18O 的全球循环及其与大气、深海的交换,仍然是国际研究的难点。现有的模型只考虑降水、蒸发、河流径流这样明显的影响因素,忽略像上升流/平流这样的局地因素,导致模拟结果与实际观测值出现偏差。如果能基于微观过程试验,提出更精确的理论模型,并应用于全球循环模式,将是全球海洋水循环的重大创新。致谢 感谢山东师范大学地理与环境学院齐善忠教授对本文提出的宝贵意见。参考文献 1 洪阿实.海洋环境中氧同位素示踪物技术J.海洋环境科学,1995,14(4):16-20.2 CHEN D Y,LIAN E G,SHU Y Q,et al.Origin of the springtime South China Sea warm current in the southwestern Taiwan Strait:Evidence from seawater oxygen isotopeJ.Science China Earth Sciences,2020,63(10):1564-1576.3 PINTO E B,SLOWEY N C.Stable isotope evidence for the origins of waters in the Guayas estuary and Gulf of GuayaquilJ.Estuarine,Coastal and Shelf Science,2021,250:107151.4 WAGNER A J,SLOWEY N C.Oxygen isotopes in seawater from the Texas-Louisiana ShelfJ.Bulletin of Marine Science,2011,87(1):1-12.5 顾慰祖,庞忠和,王全九,等.同位素水文学M.北京:科学出版社,2011:58-59.436 极地研究 第 35 卷 6 DUBININA E O,KOSSOVA S A,MIROSHNIKOV A Y,et al.Isotope(D,18)systematics in waters of the Russian Arctic seasJ.Geochemistry International,2017,55(11):1022-1032.7 BIGG G R,ROHLING E J.An oxygen isotope data set for marine watersJ.Journal of Geophysical Research:Oceans,2000,105(C4):8527-8535.8 DMMER L K,DE NOOIJER L,VAN SEBILLE E,et al.Evaluation of oxygen isotopes and trace elements in planktonic foraminifera from the Mediterranean Sea as recorders of seawater oxygen isotopes and salinityJ.Climate of the Past,2020,16(6):2401-2414.9 DUBININA E O,MIROSHNIKOV A Y,KOSSOVA S A,et al.Modification of the Laptev Sea freshened shelf waters based on isotope and salinity relationsJ.Geochemistry International,2019,57(1):1-19.10 KARR J D,SHOWERS W J.Stable oxygen and hydrogen isotopic tracers in Amazon shelf waters during AmassedsJ.Oceanologica Acta,2002,25(2):71-78.11 DESHPANDE R D,MURALEEDHARAN P M,SINGH R L,et 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