暴雨是东亚地区最严重的气象灾害之一，给人类生命安全和社会经济发展等带来了极大的威胁。通过对暴雨事件发生机制的研究进而准确的提供天气预报，不仅具有重要的科学意义，也具有重大的社会经济效益。丰沛的水汽供应及有利的天气系统是暴雨形成的两个重要条件。然而，由于对暴雨期间复杂的水汽来源及传输路径、不同尺度天气系统相互作用过程等认识不足，暴雨的准确预报仍面临巨大挑战。作为水循环的天然示踪剂，大气水汽稳定同位素对不同来源水汽及不同尺度天气系统具有较好的指示作用。但过去由于缺少长时间高分辨率水汽稳定同位素观测，利用水汽稳定同位素手段对暴雨过程的系统研究还未开展。
针对这一问题，庞洪喜教授课题组基于bwin地球系统区域过程综合观测试验基地（SORPES）长时间连续高分辨率水汽稳定同位素观测资料，结合地面气象观测、卫星观测资料、再分析资料等，系统分析了东亚地区暴雨过程中水汽同位素变化特征及其揭示的暴雨形成机制。研究发现，在不同天气系统的影响下，水汽稳定同位素值呈4种变化模式，包括缓慢下降型（台风与中高纬度系统相互作用，图1a）、W型（台风本体，图1b）、U型（冷涡，图1c）和L型（高空槽，图1d）。通过分析稳定同位素演化特征（图1）、后向轨迹模拟结果（图2）及瑞利分馏模型计算结果（图3），发现中国东部的暴雨事件主要由邻近海洋（包括南海和东海）和陆地环境的水汽维持，印度洋远源水汽的贡献相对较弱。基于稳定同位素演化特征（图4）、850hPa风场和相当黑体温度（图5）的综合分析，发现暴雨过程的间歇期对应了低层天气系统强度变化或整体转换导致的近海水汽输送改变。此外，本研究首次提出，分析大气水汽同位素水线斜率的变化可为暴雨事件预报提供前兆信号（图6）。上述认识对于深入理解东亚地区暴雨事件发生机理具有重要意义，为使用水汽稳定同位素示踪东亚暴雨过程提供了基准。
研究成果以“Monitoring Heavy Rainfall Events in East Asia Using High-Resolution Isotopic Observations”为题发表在Journal of Geophysical Research: Atmospheres上（https://doi.org/10.1029/2024JD041783）。论文的第一作者为bwin许涛助理研究员，庞洪喜教授为论文通讯作者。该项研究得到国家自然科学基金项目（42271019, 41830644, 42021001）、国家重点研发计划项目（2023YFF0805300）、bwin关键地球物质循环前沿科学中心项目（020914380103, 020914380117）及江苏省优势学科项目等联合资助。
图1 暴雨事件的水汽稳定同位素组成和气象要素的变化特征
图2 暴雨事件168小时后向轨迹模拟结果
图3 瑞利分馏过程中来自南海及印度洋的水汽稳定同位素值演化特征
图4 不同天气系统及其相互作用和水汽稳定同位素演化示意图
图5 暴雨间歇前后850 hPa风场（风向杆）及相当黑体温度（填色）
图6 正常天气、暴雨期间第一个降水峰值前和降水峰值时的大气水汽同位素水线斜率变化