銀川地區(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素的變化特征及影響因素分析

劉宏偉，徐 明，管清浩

（1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，西安710054；2.陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局908水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，西安710600）

大氣降雨是全球水文循環(huán)的重要組成部分，雨水的蒸發(fā)和水汽的凝結(jié)同時(shí)也伴隨著氫氧穩(wěn)定同位素的分餾作用，這是由不同同位素間分子質(zhì)量差異造成的。在蒸發(fā)過程中，較輕同位素優(yōu)先分離到水汽中，而在凝結(jié)過程中，較重同位素優(yōu)先凝結(jié)到雨滴中降落到地面。因此，可以借助雨水中氫氧穩(wěn)定同位素變化特征，研究雨水形成過程中所經(jīng)歷的環(huán)境氣候條件及水汽來源的改變。在國內(nèi)外，雨水中穩(wěn)定同位素研究在水文學(xué)及氣候?qū)W等領(lǐng)域均已得到廣泛發(fā)展，如徐振等研究了四川臥龍地區(qū)降水穩(wěn)定同位素與季風(fēng)活動的關(guān)系［1］；章新平等研究了我國西南地區(qū)降水中過量氘與水汽來源的關(guān)系［2］；Liotta M等通過地中海中部降雨同位素組成研究了雨水起源標(biāo)志及其對山川降水的影響［3］；Merlivat L等用全球氣候解釋了降雨中氘和氧18之間的關(guān)系［4］。

國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）與世界氣象組織（WMO）自1961年起共同建立了全球降雨同位素觀測網(wǎng)，對全球降水中氫氧穩(wěn)定同位素進(jìn)行監(jiān)測，目前已經(jīng)積累了大量觀測資料［5］。本文所采用的數(shù)據(jù)均來自于銀川監(jiān)測站點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)位置為東經(jīng)106.217°，北緯38.4833°，監(jiān)測時(shí)間為1988—1992年，每月監(jiān)測1次，部分時(shí)段數(shù)據(jù)有所缺失。

1 研究區(qū)概況

銀川是寧夏回族自治區(qū)省會城市，地形上分為山地和平原兩大部分，西南部較高，北東部較低，平均海拔在1010～1150m。西部為賀蘭山，呈北偏東走向，長約150km，最高海拔為3556m，是阻擋西北冷空氣進(jìn)入銀川的天然屏障。銀川屬于中溫帶內(nèi)陸干旱氣候區(qū)，具有典型的大陸性氣候特征，冬季寒冷漫長，夏季短暫，日照充足，多年平均降雨量為183.59mm，主要集中在6—9月份，年平均蒸發(fā)量為1662.33mm［6］。

2 銀川地區(qū)大氣降水線

大氣降水線是某一地區(qū)δD與δ18O的線性變化關(guān)系。1961年，Harman Craig［5］根據(jù)世界各地的400例河流、湖泊和降水的水樣數(shù)據(jù)擬合出了全球大氣降水線方程（GMWL）δD＝δ18O＋10，該方程是全球局部和區(qū)域大氣降水線的平均值，但由于不同地理位置和氣候環(huán)境，局部區(qū)域的當(dāng)?shù)卮髿饨邓€（LMWL）均有所偏離，斜率和截距均不同。1982年，鄭淑慧等人［7］根據(jù)設(shè)立在北京、南京、廣州、昆明、武漢、西安、拉薩和烏魯木齊8個(gè)臺站的107個(gè)降水樣品同位素?cái)?shù)據(jù)，用最小二乘法求得了我國大氣降水線方程為δD＝7.9δ18O＋8.2。本文根據(jù)銀川同位素監(jiān)測站點(diǎn)獲得的1988—1992年的每月的降雨同位素?cái)?shù)據(jù)，得出了銀川的地區(qū)降水線方程為δD＝7.218δ18O＋5.505，相關(guān)系數(shù)為R2＝0.96，見圖1。

圖1 銀川地區(qū)大氣降水線LMWL

由圖1可以看出，銀川地區(qū)大氣降水線略微偏離了全球大氣降水線和我國大氣降水線，斜率和截距均偏小，降雨中δD的變化范圍是－14.77%～0.51%，δ18O的變化范圍是－1.997%～0.386%，變化幅度較大，且沒有明顯的聚集現(xiàn)象，說明銀川地區(qū)大氣降水中δD與δ18O值均較為敏感，很容易受氣候環(huán)境等易變因素的影響。諸多研究成果已經(jīng)表明，降水中穩(wěn)定同位素組成不僅與降雨地區(qū)的緯度、海拔、氣溫、相對濕度、降水量等因素有關(guān)［8］，還與形成降雨的水汽來源和輸送過程有關(guān)［9］，降水中穩(wěn)定同位素的組成和變化是這些因素共同作用，相互影響的結(jié)果。對某一個(gè)特定地區(qū)而言，緯度和海拔是固定的，因此，影響銀川地區(qū)穩(wěn)定同位素δ值變化的因素需要主要考慮氣溫、降水量、水汽來源與途徑、季節(jié)變化等，究竟哪種因素占主導(dǎo)地位，是我們所關(guān)心的重點(diǎn)問題。

3 溫度效應(yīng)

溫度效應(yīng)主要是由于蒸發(fā)過程中的同位素分餾作用造成的。根據(jù)同位素平衡分餾原理，隨著溫度的升高，分餾作用逐漸減弱，海水蒸發(fā)所形成的水蒸氣中2H和18O含量就增大，這便使得由這種水蒸發(fā)所形成的降雨中的2H和18O含量隨之增大；而當(dāng)溫度較低時(shí)，較強(qiáng)的分餾作用使得水蒸氣中的2H和18O含量偏低，進(jìn)而由其所形成的降雨中2H和18O的含量也偏低。根據(jù)Dansgaard［8］的研究成果，在大西洋沿岸濱海地區(qū)，大氣降水中δD與δ18O值與氣溫之間存在如下線性關(guān)系：

根據(jù)鄭淑慧等人［7］的研究成果，在我國的京廣鐵路沿線及附近地區(qū)，大氣降水的δD和δ18O值與氣溫之間存在如下線性關(guān)系：

根據(jù)銀川地區(qū)降雨中δD、δ18O和氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制出其降雨穩(wěn)定同位素與氣溫的關(guān)系如圖2。從圖中可以看出，銀川地區(qū)降水存在明顯的溫度效應(yīng)，隨著溫度的升高，重同位素相對富集。根據(jù)最小二乘法原理得到的擬合方程為：

銀川地區(qū)δ值與溫度之間的線性相關(guān)關(guān)系與鄭淑慧等人［7］的研究成果類似，而與Dansgaard［8］的研究成果差距較大，其主要原因是銀川深處內(nèi)陸、遠(yuǎn)離海岸，海洋氣團(tuán)到達(dá)銀川地區(qū)需要經(jīng)過遠(yuǎn)距離的輸送，在此過程中水汽不斷凝結(jié)成降雨，導(dǎo)致剩余水蒸氣中重同位素不斷貧化，因此在相同的溫度和水汽來源情況下，銀川地區(qū)降水中重同位素含量應(yīng)比沿海地帶小得多，即δ值與溫度間的線性相關(guān)方程的斜率較沿海地區(qū)要小。盡管銀川地區(qū)降水中δD 和δ18O值與溫度t之間線性相關(guān)系數(shù)R2僅為0.381 和0.409，但不可否認(rèn)的是，溫度仍然是影響銀川地區(qū)降水中氫氧穩(wěn)定同位素含量變化的一個(gè)重要因素。造成降雨中δD 和δ18O 值與溫度t之間的線性相關(guān)性不好的原因是除溫度效應(yīng)之外，該地區(qū)降雨中穩(wěn)定同位素同時(shí)還受到其他環(huán)境氣候因素的共同影響。

圖2 銀川地區(qū)大氣降水中δ2H（上圖）、δ18O（下圖）與氣溫之間的變化關(guān)系

4 雨量效應(yīng)

Dansgaard［7］的研究成果表明，較低溫度下形成較大的降雨，同時(shí)，較低的溫度下，凝結(jié)過程中較強(qiáng)的瑞利分餾作用也使得后期水蒸氣形成的降雨中的重同位素逐漸貧化。因此，理論上認(rèn)為降雨量與δD和δ18O值應(yīng)呈現(xiàn)負(fù)的相關(guān)關(guān)系。

銀川地區(qū)δD及δ18O值與降雨量之間的變化情況如圖3。從圖3可以看出，銀川地區(qū)降雨量與同位素之間不僅線性相關(guān)性較差，而且與Dansgaard的“負(fù)相關(guān)性”結(jié)果剛好相反，說明銀川地區(qū)降雨穩(wěn)定同位素不符合雨量效應(yīng)。究其原因可能有以下情況：

（1）當(dāng)?shù)亟涤陼r(shí)的氣溫與降雨量之間的相關(guān)性不顯著。Dansgaard認(rèn)為較低的溫度下形成較大的降雨，而根據(jù)銀川當(dāng)?shù)貙?shí)際的氣象資料顯示，銀川地區(qū)1988—2000年最大月降雨量是94 mm，而該月是1992年7月，為夏季，月平均氣溫為22.7 ℃，但該地區(qū)多年平均氣溫卻只有9.42 ℃。因此，降雨量與溫度之間的不協(xié)調(diào)性就導(dǎo)致了降雨量與δD和δ18O值的不相關(guān)性。

（2）強(qiáng)烈的降雨云下二次蒸發(fā)作用抑制了雨量效應(yīng)［10］。銀川屬于內(nèi)陸干旱區(qū)，年蒸發(fā)量約為年降雨量的9～10倍，而較小的降雨量在下落到地面過程中經(jīng)歷了強(qiáng)烈的二次蒸發(fā)作用，使得重同位素不斷富集于當(dāng)?shù)亟涤曛校炅啃?yīng)被降雨在云下的二次蒸發(fā)作用所掩蓋。

圖3 銀川地區(qū)大氣降水中δ2H（上圖）、δ18O（下圖）與降雨量之間的變化關(guān)系

5 季節(jié)效應(yīng)

地球上任何一個(gè)地區(qū)大氣降水中的同位素組成都存在季節(jié)性變化，夏季的δ值高，冬季低。這一現(xiàn)象稱之為季節(jié)效應(yīng)。季節(jié)性的變化同時(shí)也包含了氣溫、降水量、水汽來源等的季節(jié)性變化。

圖4 銀川地區(qū)降水δ18O值的季節(jié)變化

由圖4可以看出，銀川地區(qū)降雨δ18O值在多年降雨歷時(shí)情況下，12月至次年3月相對貧化，在5—9月相對富集，季節(jié)效應(yīng)顯著。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與銀川地區(qū)特殊的地理位置和氣候條件有關(guān)。銀川深處中國內(nèi)陸地區(qū)，由于受到青藏高原等高海拔山脈的阻隔，大氣環(huán)流不暢，且遠(yuǎn)離海岸，夏季海洋氣團(tuán)很難到達(dá)，因此降雨稀少，這少量的降雨主要來自于當(dāng)?shù)氐乇硭w的蒸發(fā)形成的水汽。由于干旱地區(qū)地表水體中δ18O值和δD值偏高［11］，同時(shí)夏季氣溫較高，分餾作用相對較弱，因此由其蒸發(fā)形成的水蒸氣中δ18O值和δD值也偏高，同時(shí)夏季干旱區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈，也進(jìn)一步使得當(dāng)?shù)叵募窘涤曛兄赝凰馗患?。銀川地區(qū)冬季降雨中δ18O和δD值相對較小，可能原因是冬季大氣降水水汽來源主要為北冰洋等高緯度地區(qū)［12］，因?yàn)榫暥仍礁?，氣溫相對越低，分餾作用相對較強(qiáng)，到達(dá)銀川地區(qū)的剩余水蒸氣中重同位素含量已十分貧化，因此由其形成的降雨也較為貧化重同位素。

6 結(jié)語

經(jīng)過以上分析認(rèn)為，銀川地區(qū)大氣降水線略微偏離全球大氣降水線和中國大氣降水線，這主要是由于局地特殊氣候及環(huán)境造成的。影響銀川地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素2H和18O組成的主要因素有溫度效應(yīng)和季節(jié)效應(yīng)，溫度與δD和δ18O值呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，是主要影響因子，雨量效應(yīng)可能被溫度效應(yīng)所掩蓋。夏季δD和δ18O值相對較高，冬季較小，主要原因是銀川深處中國內(nèi)陸，受周圍大山的阻隔，大氣環(huán)流不暢所造成。

［1］徐振，劉玉虹，王中生，等.臥龍降水穩(wěn)定同位素與季風(fēng)活動的關(guān)系［J］.環(huán)境科學(xué)，2008，29（4）：1007－1013.

［2］章新平，劉晶淼，中尾正義，等.我國西南地區(qū)降水中過量氚指示水汽來源［J］.冰川凍土，2009，31（4）：613－618.

［3］Liotta M，F(xiàn)avara R，Valenza M.Isotopic composition of the precipitations in the central Mediterranean：Origin marks and orographic precipitat ion effects［J］.Journal of Geophysical Research，2006，111，D19302，doi：10.1029/2005JD006818.

［4］Merlivat L，Jouzel J.Global climatic interp retation of the deuterium－oxygen－18 relationship for precipitation［J］.Journal of Geophysical Research，1979，84（C8）：5029－5033.

［5］錢會，馬致遠(yuǎn).水文地球化學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社，2005.

［6］張欽，張黎.銀川平原主要水環(huán)境問題及其對策［J］.地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，32（4）：393－397.

［7］鄭淑慧，侯發(fā)高，倪葆齡.我國大氣降水的氫氧穩(wěn)定同位素研究［J］.科學(xué)通報(bào)，1983，（13）：801－806.

［8］Dansgaard W.Stable isotopes in precipitation［J］.Tellus，1964，16（6）：436－468.

［9］柳鑒容，宋獻(xiàn)方，袁國富，等.我國南部夏季季風(fēng)降水水汽來源的穩(wěn)定同位素證據(jù)［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2007，22（6）：1004－1011.

［10］夢玉川，劉國東.長江流域降雨穩(wěn)定同位素的云下二次蒸發(fā)效應(yīng)［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2010，21（3）：327－334.

［11］李暉，蔣忠誠，王月，等.新疆地區(qū)大氣降水中穩(wěn)定同位素的變化特征［J］.水土保持研究，2009，16（5）：157－161.

［12］柳鑒容，宋獻(xiàn)方，袁國富，等.西北地區(qū)大氣降水δ18O的特征及水汽來源［J］.地理學(xué)報(bào)，2008，63（1）：12－22.