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【案例分享】低降雨量的情況下,該選擇何種降水收集器?

更新時間:2024-12-05      點(diǎn)擊次數(shù):231
【案例分享】低降雨量的情況下,該選擇何種降水收集器?


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01.

降水在水循環(huán)中的重要性

降水是大氣過程的關(guān)鍵組成部分,也是水文循環(huán)的重要部分,其同位素組成是多數(shù)同位素應(yīng)用的起點(diǎn)。自 1961 年起,國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)與世界氣象組織(WMO)合作建立了全球降水同位素網(wǎng)絡(luò)(GNIP),用于收集降水樣本并測定其氧和氫的穩(wěn)定同位素組成,許多國家也建立了相應(yīng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。


02.

降水收集器的種類與問題

多種降水收集器被設(shè)計用于收集降水,其基本要素包括采樣瓶、漏斗、進(jìn)氣管和防蒸發(fā)系統(tǒng),因為蒸發(fā)會導(dǎo)致同位素分餾,影響降水樣本的同位素組成。油樣采樣器因防蒸發(fā)可靠性高、成本低和易維護(hù)而被廣泛使用,但存在油污染分析儀器的問題。約二十年前,IAEA 推出了無油收集器(Tube-dip-in-water collectors),雖已被一些同位素研究采用,但對其在低降水量下防蒸發(fā)和同位素分餾的有效性存在疑慮,且相關(guān)野外實(shí)驗較少。


【案例分享】低降雨量的情況下,該選擇何種降水收集器?

評估Tube-dip-in-water 收集器在*端條件下的可靠性:評估配備 Tube-dip-in-water 防蒸發(fā)系統(tǒng)的降水采樣器在防止極低降水量(采樣量極少)同位素分餾方面的可靠性。

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實(shí)驗地點(diǎn)與時間:2022年3月至7月在意大利比薩市(地中海地區(qū))地球科學(xué)系屋頂進(jìn)行,共四個周期,除最后一個周期約為16天外,其他周期約為一個月,以模擬月降水量收集。


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01.

收集器類型


包括油收集器(Oil collector)、Palmex Tube-dip-in 收集器、自制 Tube-dip-in 收集器(Home-made Tube-dip-in collector)和對照收集器(Control collector)。除Palmex收集器使用特定方形截面瓶外,其他收集器均使用10L圓柱形高密度聚乙烯(HDPE)瓶,壁厚約2mm(Palmex 瓶壁厚約3mm)。油收集器通過在收集瓶中添加約0.5cm厚的石蠟油層組裝;Palmex RS-2i 收集器配備特定尺寸的進(jìn)氣管和約15m長的通風(fēng)管,并裝在金屬外殼中;自制收集器由作者按照相關(guān)規(guī)定組裝,包含進(jìn)氣管、補(bǔ)償管,裝在有孔塑料盒中。


02.

樣本準(zhǔn)備


在每個周期開始時,用已知同位素組成的蒸餾水填充收集器。測試不同降水量對應(yīng)的收集器,其中四個收集器(對照、油、Palmex、自制10mm)模擬約10mm降水量(對應(yīng)填充體積約0.14L,填充百分比低于2%),另外兩個自制收集器(RH35和RH70)分別模擬約35mm和70mm降水量(對應(yīng)填充百分比約5%和10%)。


03.

數(shù)據(jù)測量


數(shù)據(jù)測量:在每個周期開始和結(jié)束時測量收集器內(nèi)水深、稱重(精確到±0.2g)以確定蒸發(fā)質(zhì)量損失,并從每個收集器中取樣進(jìn)行同位素分析(使用Picarro L2140-i分析儀),樣品轉(zhuǎn)移至12mL玻璃小瓶,在約+4°C儲存。對于油收集器中的水,使用分液漏斗分離油分。


【案例分享】低降雨量的情況下,該選擇何種降水收集器?

01.

油收集器性能最佳


油收集器在防止蒸發(fā)和同位素分餾方面表現(xiàn)可靠,蒸發(fā)質(zhì)量損失最小,同位素位移低,但在同位素分析時需注意激光光譜分析,并在分析前準(zhǔn)確去除油分。


02.

Tube-dip-in-water

收集器的可靠性與局限性

可靠性:無油 Tube-dip-in-water 收集器在多數(shù)同位素水文學(xué)研究中是可靠替代方案,但在采樣階段需謹(jǐn)慎選擇收集器設(shè)計,根據(jù)地區(qū)氣候特征和季節(jié)性調(diào)整漏斗大小和瓶體積,以最小化瓶內(nèi)氣水比。自制 Tube-dip-in 收集器可靠性高,是低成本替代方案。


局限性:Palmex 收集器在低降水量(<2%)下表現(xiàn)不佳,同位素位移較大,原因可能包括進(jìn)水管浸沒不足、瓶內(nèi)蒸發(fā) - 冷凝循環(huán)、瓶子形狀和外殼材料(金屬外殼可能導(dǎo)致過熱,增強(qiáng)溫度波動和氣體膨脹 - 收縮循環(huán),促進(jìn)蒸汽交換)等,但這只是假設(shè),需進(jìn)一步實(shí)驗驗證。在降水量極低(水深低于約2cm)時,使用 Tube-dip-in-water 收集器可能存在同位素分餾風(fēng)險,尤其在干旱和半干旱氣候及溫暖干燥季節(jié)。不過,對于高水量降水,自制收集器測試結(jié)果良好,證明了 Tube-dip-in-water 收集器在防止采樣后蒸發(fā)方面的有效性,適用于溫帶至半干旱氣候地區(qū),如地中海地區(qū),但在氣候季節(jié)性明顯地區(qū),研究人員需根據(jù)氣候分析調(diào)整收集器設(shè)計。

【案例分享】低降雨量的情況下,該選擇何種降水收集器?

文章使用Picarro L2140 - i 分析儀基于腔衰蕩光譜(CRDS)技術(shù)測定水同位素組成。進(jìn)樣量為 1.8µl,每個進(jìn)樣循環(huán)持續(xù) 9min,為減少記憶效應(yīng),每個樣品進(jìn)樣9次,舍棄前6 次,計算后3次的平均值。



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