西南地區(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素特征與水汽來源

朱 磊，范 弢，郭 歡

(云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引言

大氣降水作為自然界中水氣循環(huán)的一個重要的環(huán)節(jié)，在各種時空間尺度下發(fā)生著變化[1]。降水中同位素中各元素豐度的變化與水汽源區(qū)的初始狀態(tài)、大尺度的天氣系統(tǒng)變化，以及產(chǎn)生降水的氣象過程存在密切的聯(lián)系[2，3]，并隨著時間和空間的變化而異。因此，對于降水的研究顯得極其重要[4]。降水中氫氧穩(wěn)定同位素可以作為水汽源區(qū)理想的自然示蹤劑或利用其變化來反演大氣過程，能在一定程度上反映區(qū)域的地理因素及氣候特征[5]。近年來，國內(nèi)不少學(xué)者對四川地區(qū)[6，7]、昆明[8，9]、桂林地區(qū)[10，11]、南方地區(qū)[12]等區(qū)域降水穩(wěn)定氫氧同位素都進行了深入探討，大多數(shù)對局部(或某些站點)進行研究，但對西南地區(qū)降水同位素的研究相對較少。西南地區(qū)地處溫帶季風(fēng)、亞熱帶季風(fēng)相互作用的區(qū)域，地形地貌復(fù)雜多樣，垂直氣候差異明顯，屬于典型的氣候區(qū)。因此，本文試圖利用全球降水同位素監(jiān)測網(wǎng)(GNIP)西南地區(qū)的昆明站、貴陽站、桂林站、成都站的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，研究西南地區(qū)主要氣象要素與大氣降水中氫氧同位素的變化特征的相關(guān)關(guān)系，并探討年際變化的特征及其水汽來源的關(guān)系，對西南地區(qū)的旱澇災(zāi)害有一定的指示作用，也對西南地區(qū)近幾年來氣候異常變化提供科學(xué)的依據(jù)，有助于對中國西南地區(qū)水汽循環(huán)有更深入的理解。

1 研究區(qū)概況

昆明位于云貴高原中部(24°23′～26°22′N，102°10′～103°40′E)，海拔約1 900m，屬于低緯度亞熱帶高原山地季風(fēng)氣候，由于受印度洋西南暖濕氣流的影響，年均溫和年降雨量分別為15 ℃、1 035mm。貴陽地處云貴高原東部(26°11′～26°55′N，106°27′～107°03′E)，海拔約1 070m，常年受西風(fēng)帶控制，屬于亞熱帶濕潤溫和性氣候，年均溫和降雨量分別為15.3 ℃、1 129.5mm。桂林地處低緯(24°15′～26°23′N，109°36′～111°29′E)，海拔約為150m，屬于中亞熱帶氣候，年均溫和年降雨量分別為17.8 ℃、1 949.5mm。成都位于成都平原中部(30°05′～31°26′N，102°54′～104°53′E)，海拔約500m，成都屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫和年降水量分別為16 ℃、1 000mm。

2 數(shù)據(jù)獲取與研究方法

本文采用GNIP西南地區(qū)的昆明站(1986～2003年)、貴陽站(1988～1992年)、桂林站(1983～1990年)、成都站(1986～1999年)的數(shù)據(jù)，由于重慶站的資料太少，所以這里就不再研究。所有同位素數(shù)據(jù)均來自全球降水同位素監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)GNIP(GlobalNetworkforIsotopesinPrecipitation)。大氣降水中氫、氧穩(wěn)定同位素分別采用金屬鈾法和CO2-H2O平衡法，采用英國的MM903質(zhì)譜儀進行同位素分析，精度為CO2<0.125‰、H/D<±1.0‰，文中的δ值均以V-SMOW為標(biāo)準(zhǔn)，單位為‰，表示為：

δ=(R樣品/RV-SMOW-1)×1000

(1)

式中：R樣品和RV-SMOW分別代表水樣中氫或氧的穩(wěn)定同位素比率和維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水中穩(wěn)定同位素比率。

大氣降水中δD和δ18O之間存在一個關(guān)系，其定義式為d=δD-8δ18O[13]。水汽蒸發(fā)源地狀況決定d值，且同一水汽團在輸送、冷凝不平衡過程中d不會發(fā)生任何變化，并能反映大氣中水汽團的同位素組成特征，因此，可根據(jù)d值的變化判斷水汽來源[14]。

3 結(jié)果與分析

3.1 大氣降水δ18O和δD的季節(jié)變化

西南地區(qū)大氣降水同位素的比值變化幅度較大。如圖1，昆明地區(qū)δ18O變化范圍是-1.04‰～-15.9‰，δD為-1.7‰～-114.2‰；貴陽地區(qū)δ18O變化范圍是-0.73‰～-16.70‰，δD為10.4‰～-121.2‰；桂林地區(qū)δ18O變化范圍是2.72‰～-11.82‰；成都地區(qū)δ18O變化范圍是0.81‰～-11.33‰。全球降水平均同位素的比值，δ18O介于10‰～-50‰，δD介于50‰～-350‰[15]。鄭淑慧等[16]分析了中國降水δ18O變化范圍是2.0‰～-24‰，δD為2‰～-210‰。通過統(tǒng)計降水，本文把每年的5～10月作為西南地區(qū)的雨季，11月至次年的4月則為旱季。西南地區(qū)5～10月代表夏半年，11～4月代表冬半年。

圖1 大氣降水δ18O的月均變化

從圖1可以看出，昆明和貴陽兩站的月均δ18O變化趨勢大致相同，1月份到4月份呈上升趨勢，且變化幅度很小，不超過-6‰，5月份到7月份呈直線下降的趨勢，8月份之后昆明呈緩慢上升趨勢，但是貴陽7月份之后呈短時間上升又直線下降，9月份之后才急劇上升。整個11月份到次年4月份δ18O在-8‰～-2‰，12月份較11月份大，均大于-8‰。該地區(qū)地處低緯度，δ18O同時受到降雨量和溫度的影響，在1月到4月，降水量稀少，隨著氣溫的升高，δ18O表現(xiàn)出逐漸富集。5月到7月降水逐漸增多，進入雨季，此時溫度也開始升高至最大，溫度效應(yīng)和降水量效應(yīng)的共同作用下，降水量效應(yīng)起主導(dǎo)作用，δ18O值表現(xiàn)出減少。7月到8月，貴陽站的月均δ18O與其它3個站的有所不同，表現(xiàn)為增加。貴陽地區(qū)受到局部地理因素的影響，所以，分析發(fā)現(xiàn)貴陽地區(qū)7月至8月δ18O值明顯增加，表現(xiàn)出反溫度效應(yīng)。

桂林月均δ18O變化趨勢是從1月至4月緩慢上升，但變化幅度不大，5月到11月，月均δ18O在-7‰上下波動，11月以后增加幅度大，δ18O值高于-6‰，表現(xiàn)出降水量效應(yīng)和溫度效應(yīng)。成都地區(qū)1月至2月δ18O值呈直線的上升趨勢，2月至5月δ18O在-3‰上下緩慢波動，6月至8月δ18O值呈急劇下降趨勢，9月至12月δ18O值波動幅度較大。通過分析發(fā)現(xiàn)，昆明、貴陽、桂林和成都4個站δ18O值呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化：夏半年偏負，冬半年偏正。這是因為雨季，來自海洋的暖濕氣流向該地區(qū)提供大量的水汽，降水量大，蒸發(fā)較弱，從而導(dǎo)致降水中δ18O值相對偏低的特點。旱季，受大陸性氣團的影響，空氣干燥，蒸發(fā)強，重同位素富集，所以δ18O值偏高。

3.2 降水線方程

大氣降水線方程能夠很好的反映一個區(qū)域某個時間段的δ18O和δD間的線性關(guān)系，對于研究一個區(qū)域的氣候變化有重要意義。根據(jù)IAEA/WMO/GNIP的降水同位素數(shù)據(jù)用線性回歸求得西南地區(qū)昆明、貴陽、桂林、成都大氣降水線方程：

昆明：δD=6.56δ18O-2.96 (R2=0.91)

貴陽：δD=8.82δ18O+22.07 (R2=0.98)

桂林：δD=8.38δ18O+16.76 (R2=0.98)

成都：δD=7.36δ18O+0.12 (R2=0.93)

通過對西南各地區(qū)大氣降水線方程與Craig[17]第一次提出的全球降水線方程δD=8δ18O+10，以及鄭淑慧等[18]分析的中國降水線方程δD=7.9δ18O+8.2相比較，昆明和成都地區(qū)斜率都小于8，大氣降水線方程的斜率和截距都相對偏低，明顯偏離了全國大氣降水線方程。說明昆明和成都兩地的降水過程都是在非瑞利條件下進行的。相反，貴陽地區(qū)和桂林地區(qū)大氣降水線方程的斜率和截距都比全球降水的大，說明貴陽和桂林地區(qū)在形成降水的過程中受到溫度、蒸發(fā)等因素的影響。當(dāng)形成降水的水汽經(jīng)過多次蒸發(fā)時，由于不同同位素間分子質(zhì)量數(shù)的差異、質(zhì)量數(shù)小的分子分餾、質(zhì)量數(shù)大的分子富集，氫同位素比氧同位素的分餾速度要快。因此，在其它條件相同的情況下，在運輸過程中經(jīng)過多次蒸發(fā)作用的水汽所形成的降水中δD的值相對偏重，導(dǎo)致該地區(qū)大氣降水的斜率和截距都偏大。

3.3 d值的變化

為了方便研究，Dansgaard[13]把d和δD的關(guān)系定義為d=δD-8δ18O。d值既能反映水汽源區(qū)水汽團形成時的水汽平衡條件和熱力條件，同時又能反映降水形成時的氣候條件及地理環(huán)境[18]。當(dāng)海水的蒸發(fā)速度比凝結(jié)速度快時，水汽之間處于不平衡狀態(tài)。整個蒸發(fā)分為動力蒸發(fā)和同位素交換兩個方面，受水分子分餾速度的影響，輕的同位素優(yōu)先蒸發(fā)和動力分餾效應(yīng)的共同作用，使得蒸發(fā)水汽中D和18O的分餾速度之比加快，這樣就出現(xiàn)了蒸發(fā)中δD相對于δ18O的富集，因而使得d值增大，即云團形成速度越快，d值越大[1]。d值越偏正，則反映蒸發(fā)速率越大。因此d值揭示了降水形成過程中的水汽團中同位素的組成及水循環(huán)方式的時空變換，含有形成水汽團源區(qū)的重要信息，包括蒸發(fā)過程的平衡或不平衡狀態(tài)及蒸發(fā)速率大小等信息[19]。

根據(jù)對西南地區(qū)各站點d的監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)(圖2)，桂林地區(qū)全年d值都大于10‰；貴陽地區(qū)除了8月的d值小于10‰外，其它的月份d值均大于10‰；昆明地區(qū)11月至6月d值均在0～10‰，最低值出現(xiàn)在3月份；成都與其它3個地區(qū)相比，全年d值在-11.7‰～14.6‰，波動幅度較大。成都地區(qū)的氘盈余很小，說明成都地區(qū)降水中凝聚與蒸發(fā)的不平衡現(xiàn)象比其它地區(qū)弱，反映了成都地區(qū)海洋性的氣候特征[20]。d值大于10‰的月份，表明該地降水水汽源地蒸發(fā)速率較大，d值表現(xiàn)出冬高夏低的季節(jié)性特點，這一特點在貴陽地區(qū)和桂林地區(qū)表現(xiàn)較為突出。而昆明地區(qū)和成都地區(qū)卻與此相反，d值冬半年比夏半年低，這與中國大部分地區(qū)的都不相同，如華北地區(qū)的天津、石家莊、包頭[21]和湖南的長沙[22]等地區(qū)的相反，但與塔里木的和田[23]、新疆的烏魯木齊[24]較為相似，這可能與西風(fēng)帶控制和下墊面的影響有關(guān)。昆明地區(qū)的降雨，除了受到東亞季風(fēng)、南亞季風(fēng)和青藏高原季風(fēng)的相互影響之外，還受到大陸性氣團的影響。

圖2 西南地區(qū)昆明、貴陽、桂林、成都大氣降水d的月均變化Fig.2 The seasonal variations of monthly weighted mean deuterium excess in southwest of China，Kunming，Guiyang，Guilin and Chengdu

3.4 大氣降水中的δ18O影響因素分析

3.4.1 降雨量效應(yīng)

從圖3可見，月均降水量與月均δ18O成負相關(guān)，與月均溫度變化一致。昆明地區(qū)和貴陽地區(qū)4 ～7月份，隨著降水量的增加，降水中δ18O的值降低；8 ～9月份，隨著降水量的減少，降水中δ18O的值增加。即在夏半年表現(xiàn)出一定的降雨量效應(yīng)。

圖3 西南地區(qū)昆明、貴陽、桂林和成都站點的月均降水、溫度和δ18O的變化Fig.3 The variations of the monthly weighted mean precipitation，δ18O and temperature in southwest of China，Kunming，Guiyang，Guilin and Chengdu

事實證明，降水中氫氧穩(wěn)定同位素和降水量的關(guān)系與整個水汽輸送路徑上的降水量有關(guān)，而不僅僅與觀測點上的降水量有關(guān)。所以，嚴格意義上的降雨量效應(yīng)是指同一水汽團發(fā)生的一次降水性事件，而GNIP的樣本數(shù)據(jù)采集是按月進行的。雖然如此，但是考慮到一定時間內(nèi)(月、季)水汽來源相對穩(wěn)定，分析站點降雨量效應(yīng)對降水穩(wěn)定同位素的分布乃至水汽團的信息有重要意義[21]。通過分析，西南地區(qū)昆明站降雨量效應(yīng)較為顯著，且相關(guān)性強，R2=0.648。從全年角度來看，受到弱溫度效應(yīng)的影響，貴陽、桂林和成都3站的降雨量效應(yīng)不顯著。昆明地區(qū)降水量效應(yīng)相對其他3個地區(qū)顯著，主要是由于昆明地區(qū)與其他3個地區(qū)相比距海較近；此外雨季，來自海洋的暖濕氣流向該地區(qū)提供大量的水汽，降水量大，蒸發(fā)較弱，從而導(dǎo)致降水中δ值相對偏低的特點。

3.4.2 溫度效應(yīng)

影響降水中穩(wěn)定同位素的因素很多，但溫度是影響同位素分餾的重要因素[25]。從圖3可見，1～4月份隨著溫度的升高，降水中δ18O的值也隨著增加，冬半年δ18O與溫度成正相關(guān)關(guān)系。因此，在西南地區(qū)(成都地區(qū)除外)，冬半年表現(xiàn)出明顯的溫度效應(yīng)。成都地區(qū)的季風(fēng)氣候特征是雨熱同期，即：溫度越高，降雨量越大；溫度越低，降雨量較少。

圖4 西南地區(qū)昆明、貴陽、桂林、成都站大氣降水中月均降水量、溫度和δ18O的關(guān)系Fig.4 The variations of the monthly weighted mean precipitation，δ18O and temperature in southwest of China，Kunming，Guiyang，Guilin and Chengdu

利用北大西洋的觀測數(shù)據(jù)，Dansgaard[13]最先報道了溫度效應(yīng)，關(guān)系表達式為：δ18O=0.695t-13.6，Yurtsever[26]則利用GNIP站點的資料分析得到δD=(0.512±0.014)t-(14.96±0.21)。而根據(jù)現(xiàn)有的資料得出，從全年的角度來看，西南地區(qū)貴陽和桂林的溫度效應(yīng)強于降雨量效應(yīng)，且桂林的溫度效應(yīng)較為明顯，相關(guān)系數(shù)R2=0.743。為了減少降雨量效應(yīng)的影響，采用月加權(quán)平均的方法來分析δ18O與溫度關(guān)系(圖4)，即溫度效應(yīng)，得出δ18O與溫度的回歸方程：

昆明：δ18O=-0.487t+0.241 (R2=0.325)

貴陽：δ18O=-0.287t-2.330 (R2=0.495)

桂林：δ18O=-0.298t+0.097 (R2=0.743)

成都：δ18O=-0.038t-5.163 (R2=0.007)

由此可見，從全年的角度來看，西南地區(qū)的昆明主要受到降雨量效應(yīng)的影響，桂林主要受到溫度效應(yīng)的影響，貴陽和成都同時受到降雨量效應(yīng)和溫度效應(yīng)的影響程度相差不大；但是僅僅從冬半年(11～次年4月)來看，成都地區(qū)受到溫度效應(yīng)的影響明顯強于降雨量效應(yīng)，冬半年成都地區(qū)δ18O與溫度的回歸方程為：δ18O=-0.625t-11.220(R2=0.485)，而夏半年成都地區(qū)δ18O與降水量(P)的回歸方程為：δ18O=-0.014P-5.009(R2=0.165)。

4 結(jié)論

本文研究了西南地區(qū)大氣降水中氫、氧同位素組成特征及其水汽來源的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

(1)通過對西南地區(qū)降水中氫、氧同位素的研究可以看出：西南地區(qū)大氣降水中穩(wěn)定氫氧同位素值總體上均具有明顯的季節(jié)變化，夏半年δ18O值偏負，冬半年δ18O值年偏正，主要是夏半年水汽由海洋運移到陸地的過程中多次凝結(jié)降水，導(dǎo)致δ18O值偏負。

(2)初步建立了昆明、貴陽、桂林、成都4個地區(qū)大氣降水線方程：

昆明：δD=6.56δ18O-2.96 (R2=0.91)

貴陽：δD=8.82δ18O+22.07 (R2=0.98)

桂林：δD=8.38δ18O+16.76 (R2=0.98)

成都：δD=7.36δ18O+0.12 (R2=0.93)

(3)西南地區(qū)昆明大氣降水穩(wěn)定同位素組成體現(xiàn)出明顯的降水效應(yīng)，但是溫度效應(yīng)幾乎不存在。貴陽和桂林地區(qū)溫度效應(yīng)強于降水效應(yīng)，成都地區(qū)降水效應(yīng)強于溫度效應(yīng)，但是溫度效應(yīng)幾乎不存在。

(4)根據(jù)對西南各地區(qū)d值的監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，d值呈現(xiàn)出降水中過量氘水汽來源不同的特點，貴陽和桂林地區(qū)d值表現(xiàn)為冬高夏低的氣候特點，而昆明地區(qū)和成都地區(qū)卻與此相反，d值則表現(xiàn)為夏高冬低獨特的季節(jié)性特點。

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