鋒面雲系的水同位素含量

引用授權聯絡人: 蔡宜君 / ictsai@gate.sinica.edu.tw / (02) 2787-5935

關鍵字: 同位素(isotope)、雲微物理、WRF模式


[同位素是什麼?同位素告訴我們什麼?]

同位素是指具有相同的質子數、不同的中子數的元素,以氫為例,自然界約有99.989%為1H,有0.012%為氫的同位素2H(氘,Deuterium)。由於同位素質量數不同,當發生相態轉變時,較重的同位素會傾向留在液態/固態,導致同位素的比值改變,而當發生相變次數越多,此偏差會越明顯。利用這個特性,同位素比值(例如:2H/1H)在各地的差異,可應用於許多不同尺度的溯源研究中,包括地質考古跟水循環等。

[如何透過水同位素了解水循環?]

在數值模式部分,首先推導水同位素在各項雲微物理過程(凝結、蒸發、凝華、昇華等)與正常水的差異,並修改NCAR大氣模式WRF model,將整個水同位素的循環(與地表液態水的平衡、微物理過程等)加入。接著從水同位素的觀測資料中,挑選出鋒面個案,並以WRF模式模擬鋒面通過臺灣期間,同位素比值的變化情況,接著又進行敏感度實驗,討論不同因子包括同位素分餾(isotope fractionation)的假設、初始條件、邊界條件等對水同位素比值的影響。

[鋒面雲系裡的水同位素]

從觀測的氣態水同位素含量可以觀察到,隨著鋒面靠近,內陸水氣源區較低的同位素讓觀測的同位素含量降低;同時鋒面降水使較重的同位素透過雨水離開大氣,進而更降低氣態同位素比值,這兩個因子(水氣源區和降水過程)一起作用之下,氣態同位素含量比值在鋒面系統通過時降低約50 ‰ ,當鋒面通過後又會逐漸恢復。

除了模擬鋒面系統裡的水同位素變化情況,我們也做了敏感度測試,討論不同因子的影響程度。以同位素分餾的假設為例,傳統上使用熱力平衡法(thermal equilibrium)診斷在充足時間作用下,固-液-氣達平衡狀態的含量,但實際在雲內常常無法達到平衡狀態,因此必須用動力學的方式(two-stream Maxwellian kinetic equation)處理,讓HDO(半重水,約占1/3200的水分子),和H2O一樣進行所有的雲微物理過程,模擬的結果顯示,在降水事件時,使用熱力平衡法會高估液態中氘的含量 20‰左右。

綜合以上結果顯示,經由觀測和模擬水同位素含量的變化,可以了解水氣源區、水同位素分餾的方式及雲微物理過程對水同位素時空分布的影響,如同紀錄了水在大氣層三相變化、傳送等循環過程的歷史。

關鍵概念

  • 利用水同位素物理性質上的差異,可以瞭解水循環的過程
  • 鋒面過境時,水同位素比值差異可達 50 ‰
  • 傳統上熱力平衡法會造成水同位素比值高估的現象

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