雙臺風“納沙”“海棠”期間福州降水δ18O特征及影響因素

蔡健榕，許濤，姜修洋,c*

(福建師范大學a.地理科學學院，b.濕潤亞熱帶生態(tài)地理過程教育部重點實驗室，c.地理研究所，福州 350007)

0 引言

大氣降水是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，在水循環(huán)過程研究中，降水的水汽來源一直是水文學家的關(guān)注熱點，對于了解水循環(huán)過程及其結(jié)構(gòu)特征具有重要意義[1]。環(huán)境同位素(D和18O)作為自然水體中的重要組成部分，對環(huán)境的變化響應(yīng)十分敏感[2]。因此，降水穩(wěn)定同位素可以作為水汽來源及其運動路徑的天然示蹤劑，對水循環(huán)及大氣環(huán)流過程研究具有重要意義[3]。前人對中國不同地區(qū)的降水穩(wěn)定同位素變化特征和水汽來源等進行了深入的研究，不同水汽來源的降水同位素變化特征差異明顯[4-6]。中國南方地區(qū)夏季季風降水的3個主要水汽來源為：體現(xiàn)南亞季風的西南水汽通道、體現(xiàn)南海季風的南海水汽通道以及體現(xiàn)副熱帶季風的東南水汽通道[7]。來自遠源的西南水汽通道上降水δ18O值相對偏輕，而相對近源的南海及東南水汽通道上降水δ18O值則相對偏重，水汽來源是夏季降水δ18O值變化的主要因素[8]。前人研究發(fā)現(xiàn)，中國東南地區(qū)大氣降水中氧同位素組成存在明顯的季節(jié)性差異，且深受臺風的影響[9-11]。當前，關(guān)于降水穩(wěn)定同位素的研究多基于月平均降水和日降水同位素數(shù)據(jù)，而臺風降水往往集中于一兩天，已有數(shù)據(jù)不能滿足研究需要。迄今為止對于這種極端降水事件穩(wěn)定同位素組成與水汽來源的關(guān)系仍鮮有報道。

臺風是中國夏秋季節(jié)常出現(xiàn)的一種特殊天氣系統(tǒng)，具有移動路徑長、突發(fā)性強、強度大、影響廣等特點，其生成源地主要來自西太平洋和南海地區(qū)[12]。福建省是中國東南受臺風影響極為頻繁的地區(qū)[13]。位于閩東地區(qū)的福州市年平均降水量為900～2 100 mm，7—9月是臺風活動期，年平均臺風降水量約為350～550 mm，約占年總降水的25%～60%[14]。登陸福州地區(qū)的臺風主要來自西太平洋，而來自南海的臺風相對較少。1945—2013年登陸福州的臺風共30個，其中來自西太平洋源地的臺風有28個，來自中國南海源地的臺風僅有2個。研究指出，臺風源地的不同會使其登陸強度、登陸時間及風雨強度等產(chǎn)生變化[15]。臺風降水δ18O值較一般大氣降水δ18O值顯著偏負，通常低4‰～10‰[16]。目前對于臺風的研究基本是以單臺風形式研究，孫曉雙等[17]基于臺風“麥德姆”福州降水δ18O數(shù)據(jù)，揭示出臺風降水“幾”字形的變化特征，臺風中端降水同位素值極端偏負，達-15.4‰。許濤[18]等進一步分析認為云雨區(qū)效應(yīng)是臺風中端降水δ18O值極端偏負的主要原因。然而，對于不同生成源地的臺風其對本地區(qū)降水同位素組成產(chǎn)生的影響及其機制還需要進一步展開探究。

以分別源自西太平洋和中國南海的2017年第9號臺風“納沙”和第10號臺風“海棠”為研究對象，2個臺風24小時內(nèi)先后登陸福州，可排除臺風登陸位置、局部地理因素對研究結(jié)果的干擾，通過對雙臺風期間福州降水同位素數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)的綜合分析，探究臺風降水同位素的變化特征和不同來源的臺風對于降水氧同位素特征的影響。

1 臺風概況

2017年登陸福州的臺風“納沙”(Nesat)、“海棠”(Haitang)，二者登陸時間接近，形成雙臺風(圖1)?！凹{沙”為2017年第9號臺風，于7月26日上午11:00在菲律賓以東洋面生成；30日6時在福建省福清市沿海登陸，登陸時為臺風級，中心附近最大風力為12級(33 m/s)，中心最低氣壓約為975 hPa。登陸后，“納沙”向西偏北轉(zhuǎn)偏北方向移動，強度逐漸減弱，于31日白天在福建境內(nèi)減弱為熱帶低壓?！昂Ｌ摹睘?017年第10號臺風，生成于中國南海，于2017年7月31日凌晨02時50分前后在福建省福清市沿海再次登陸，中心附近最大風力8級(18 m/s)，中心最低氣壓990 hPa，登陸后，其強度迅速減弱，31日白天與臺風“納沙”減弱后的殘余環(huán)流合并北上。

受雙臺風“納沙”、“海棠”的影響，福建東部出現(xiàn)8～9級瞬時大風、東北部沿海風力達10～12級。福建省大范圍出現(xiàn)暴雨到大暴雨，大部分縣市降水量在50 mm以上，其中福州降水量達201 mm。

2 樣品采集及測試

本研究采樣點位于福建師范大學倉山校區(qū)地理科學學院(26.05°N、119.32°E，31 m)的開闊樓頂，于2017年7月29日至8月1日受雙臺風“納沙”、“海棠”影響降雨期間，以1～2 h的時間間隔對大氣降水進行樣品收集，共獲取降水樣品48組，其中“納沙”15組，“海棠”33組。采用干凈的2 L燒杯接取雨水，每個樣品采樣結(jié)束后立即分別倒入50 mL及2 mL的PP材質(zhì)無色塑料樣品瓶裝滿，并用Parafilm封口膜密封，置于4 ℃冰箱冷藏保存。降水穩(wěn)定同位素在中國科學院南京地理與湖泊研究所測試，測試儀器為美國LGR DLT-100液體水激光同位素分析儀，測試結(jié)果用相對于維也納標準平均海水(Vienna Standard Mean Ocean Water, V-SMOW)的千分差表示如下：

圖 1 2017年9號臺風“納沙”及10號臺風“海棠”路徑Figure 1 The paths of No.9 Typhoon “Nesat” and No.10 Typhoon “Haitang” in 2017

(1)

式(1)中：R為D/H或18O/16O。δD和δ18O測試精度分別優(yōu)于±1‰和±0.1‰，文中δD、δ18O及過量氘(d)的平均值為算術(shù)平均結(jié)果，采樣點氣象數(shù)據(jù)來自福州烏山國家氣象站(經(jīng)緯度：119°17′E，26°05′N，海拔84 m)。

3 結(jié)果與討論

3.1 臺風大氣降水線方程

降水δD和δ18O之間存在的顯著正相關(guān)關(guān)系，被稱作大氣水線(Meteoric Water Line, MWL)，應(yīng)用于許多大氣降水穩(wěn)定同位素研究中[18-19]。雙臺風“納沙”、“海棠”降水δD和δ18O呈顯著線性關(guān)系(圖2)，線性方程分別為“納沙”(NS-Fuzhou): δD=4.99δ18O-28.56(R2=0.84，N=15)和“海棠”(HT-Fuzhou): δD=7.20δ18O+0.54(R2=0.97，N=33)。2個臺風降水線的斜率和截距差別較大，均偏離全球大氣水線(GMWL): δD=8δ18O+10[20](R2=0.99，N=108)和福州市多年大氣水線(LMWL-Fuzhou): δD=8.84δ18O+16.49[21](R2=0.99，N=48)(圖2)。

圖 2 臺風“納沙”、“海棠”降水δD和δ18O的關(guān)系Figure 2 Relationship between δD and δ18O in the precipitationof Typhoon “Nesat” and Typhoon “Haitang”

注：灰色陰影條為2個臺風登陸時間，分別為7月30日06:00、7月31日03:00；虛線左右分別為臺風“納沙”、“海棠”降水階段。圖 3 臺風“納沙”、“海棠”期間福州采樣記錄Figure 3 Samplings records in Fuzhou during the period of Typhoon “Nesat” and Typhoon “Haitang”

研究表明，由于水汽源區(qū)或采樣點特殊的地理條件、氣象參數(shù)及降水過程，不同地區(qū)的局地降水線的斜率和截距偏離全球的平均水平8和10，說明該地區(qū)降水產(chǎn)生于非平衡分餾條件下[7]。本次福州地區(qū)2個臺風的大氣降水線斜率均小于8，表明降水過程歷經(jīng)了一定的蒸發(fā)作用。其中，“納沙”大氣降水線斜率偏離程度較“海棠”更大。研究發(fā)現(xiàn)，大氣降水的再蒸發(fā)程度與不同環(huán)境中的相對濕度條件及降水強度等可能存在一定關(guān)系[22]。分析認為，由于福州地區(qū)夏季受副熱帶高壓影響顯著，臺風中心登陸前的前端降水和遠離后的尾端降水相對較弱，溫度相對較高，相對濕度較低，降水過程中水汽受蒸發(fā)作用影響較強，導致水汽中較富集重同位素，因此臺風前端和尾端降水δ18O值相對偏正(>-8‰)，數(shù)據(jù)點主要落在GWML和LWML右下角(圖2)。而當臺風中心云雨區(qū)影響采樣點時，臺風帶來的降水量較大，溫度較低，相對濕度升高，因此該時期臺風降水δ18O值相對偏負(<-8‰)，數(shù)據(jù)點沿GWML和LWML分布(圖2)，表明該階段臺風降水受到較弱的蒸發(fā)作用影響。臺風“納沙”帶來的降水量遠小于“海棠”，同位素的非平衡分餾作用較“海棠”更強，進而使得“納沙”降水中部分δ18O值更為偏正，且導致其大氣降水線斜率和截距更加偏小。

3.2 雙臺風“納沙”、“海棠”降水δ18O值的階段性變化特征

觀測數(shù)據(jù)顯示(圖3)，受雙臺風“納沙”、“海棠”影響，福州市倉山區(qū)于7月29日下午14:00左右開始降水，8月1日晚19:00左右停止，最大值出現(xiàn)在31日22:00(降水14.2 mm·h-1)。此次雙臺風鄰近及登陸期間，福州市倉山區(qū)降水總量達201 mm，約占全年總降水量的12.2%。氣溫在24～30 ℃之間，相對濕度在63%～96%之間，相差大。采樣期間，采樣點降水δD值變化范圍為-37‰～-122‰，振幅為85‰；降水δ18O值變化范圍為-2.6‰～-17.0‰，振幅達14.4‰；降水δ18O平均值為-9.8‰，低于福州多年降水δ18O平均值-6.6‰[23]。在此期間，溫度總體呈下降趨勢；相對濕度波動上升，平均濕度達87%；存在2個降水較為集中的階段(30日5:00—12:00、31日8:00—24:00)，分別與2個臺風云雨區(qū)(臺風眼區(qū)周圍云墻和螺旋云帶，寬度由十幾千米到數(shù)百千米不等[24]。)降水相對應(yīng)，占采樣期間總降水量的17.2%和50.2%。

根據(jù)雙臺風“納沙”、“海棠”降水δ18O值的變化特征及氣象數(shù)據(jù)分析，2個臺風降水δ18O值的變化均呈現(xiàn)出類似“幾”字形的3個階段變化特征(圖3)。

臺風“納沙”：階段1(29日14:00—30日5:00)：降水δ18O值相對偏正，在-2.6‰～-9.3‰之間，變幅大，平均值是-7.5‰。此時段降水量約21.2 mm，占“納沙”降水期間總降雨量的38.0%。該階段氣溫下降6 ℃，相對濕度波動上升，波動幅度大，風力在1～3級波動。此時“納沙”中心距離采樣點位置約460～100 km，受臺風外圍環(huán)流的影響，形成臺風前端降水[7]。階段2(30日5:00—12:00)：降水δ18O值顯著偏負，變化范圍在-11.7‰～-15.5‰之間，振幅為3.8‰，平均值是-13.4‰。此時段降水量達34.6 mm，占“納沙”降水期間總降雨量的62.0%。30日5:00—6:00，δ18O值偏負，氣溫保持在26 ℃，相對濕度較大，風力平穩(wěn)。此時“納沙”中心距離采樣點位置約100～72 km，受到臺風云雨區(qū)影響，“納沙”攜帶降水主要發(fā)生在此區(qū)間，形成臺風中端降水。30日6:00—7:00臺風眼接近采樣點位置，降水減弱，風力為3～4級。30日7:00—12:00，采樣點再次受到“納沙”云雨區(qū)影響，降水強度快速增強，δ18O值達到“納沙”降水最偏負階段，變化范圍為-11.7‰～-15.5‰。9:00達到“納沙”降水的最偏負值-15.5‰。此階段平均溫度為25 ℃，平均濕度為88%，δ18O值的波動變化極小，可以排除蒸發(fā)引起的水汽中同位素分餾作用。階段3(30日12:00～17:00)：雨水δ18O值相對偏正，為～8.9‰，此時段無明顯降水，氣溫逐漸升高，相對濕度逐漸減小。此時采樣點處于“納沙”外圈區(qū)域，遠離“納沙”中心。

臺風“海棠”：階段1(30日17:00—31日8：00)：雨水δ18O值相對偏正，在-5.8‰～-9.0‰之間，變幅較大，平均值是-6.8‰。此時段降水量約2.5 mm，占“海棠”降水總量的1.7%，氣溫在26～28 ℃之間波動，相對濕度在70%～95%之間波動，風力低且平穩(wěn)。階段2(31日8:00—24:00)：降水δ18O值顯著偏負，變化范圍在-9.1‰～-17.0‰之間，振幅為7.9‰，平均值是-12.4‰。此時段降水量達100.9 mm，占“海棠”降水期間總降雨量的69.6%。“海棠”中心雖逐步遠離采樣點，但其外圍云系吞并“納沙”殘留雨系使得采樣點形成強大的臺風中端降水，該時段降水成為此次雙臺風降水的主要部分，在22:00出現(xiàn)最大值為14.2 mm·h-1。降水δ18O值在31日17:00驟降，并在31日18:00達到“海棠”降水的最偏負值-17.0‰。氣溫在24～26 ℃之間波動，風力在2～3級波動，平均濕度為94%，水汽不易蒸發(fā)引起分餾。階段3(8月1日00:00—19:00)：降水δ18O值相對偏正，變化范圍在-5.3‰～-9.7‰之間，δ18O平均值是-7.0‰，此時段降水減弱，約41.6 mm，占“海棠”降水總量的28.7%，氣溫較低，相對濕度較高，風力逐漸減弱，“海棠”中心遠離采樣點，形成臺風尾端降水[7]。

3.3 臺風中端降水δ18O值極端偏負的“云雨區(qū)效應(yīng)”論證

3.3.1 水汽來源

過量氘(d-excess)，Dansgaard將其定義為d=δD-8δ18O，其大小主要取決于水汽源區(qū)大氣相對濕度，與源區(qū)海表溫度、風速等氣象因素密切相關(guān)[25]。臺風“納沙”降水期間，福州市d值變化范圍為-25.5‰～21.9‰，平均值為2.5‰；臺風“海棠”降水期間，福州市d值變化范圍為-2.05‰～14.47‰，平均值為8.2‰(圖3)。2個臺風的d值均小于全球大氣降水d平均值10‰和福州市大氣降水d平均值12.47‰[23]。研究表明[26]，水汽源在暖濕條件下，降水中d值較低，說明此次臺風降水主要受海洋暖濕氣團影響。2個臺風降水的d值變化范圍和均值相差很大，表明2個臺風降水的水汽源區(qū)不同。數(shù)據(jù)顯示，此次登陸福州的2個臺風中端降水δ18O值極端偏負，分別在-11.7‰～-15.5‰和-9.1‰～-17.0‰之間波動；變化范圍接近，說明2個臺風水汽源區(qū)的不同與其降水同位素值的變化特征關(guān)系較小。

3.3.2 水汽通道

觀察圖1，2個臺風降水的水汽通道不同。其中，“納沙”沿東南水汽通道登陸福州，移動路徑達1 600 km左右；“海棠”沿南海通道登陸福州，移動路徑達1 300 km左右。田紅[27]等指出，不同水汽通道輸送水汽的平均強度不同，表明水汽通道的不同對地區(qū)降水產(chǎn)生影響，進而引起降水同位素值的變化。而此次雙臺風“納沙”、“海棠”降水δ18O最偏負值-15.5‰與-17‰相近，且降水δ18O值變化特征相似，均呈現(xiàn)3個階段的變化特征，證明水汽通道的不同對2個臺風降水δ18O值的變化特征影響較小。

3.3.3 降水量

數(shù)據(jù)顯示，此次登陸福州的2個臺風中端降水δ18O值極端偏負，分別在-11.7‰～-15.5‰和-9.1‰～-17.0‰范圍內(nèi)，出現(xiàn)在30日5:00—12:00和31日8:00—24:00。2個臺風中端降水期間，福州地區(qū)溫度均維持在25 ℃左右；且臺風有強烈的氣旋性渦旋結(jié)構(gòu)，移動速度快，受外界溫度影響小。分析結(jié)果顯示，臺風“納沙”采樣期間的降水δ18O值與降水量相關(guān)性低(R納沙=-0.450，P納沙=0.093>0.05，n=15)，說明臺風“納沙”采樣期間的降水同位素值變化與降水量的相關(guān)關(guān)系不顯著。臺風“海棠”采樣期間整體降水δ18O值與降水量之間為顯著負相關(guān)(R海棠=-0.439，P海棠=0.011<0.05，n=33)，但對其進行分階段相關(guān)性分析得出：階段1(R1海棠=-0.606，P1海棠=0.394>0.05，n=4)、階段2(R2海棠=0.183，P2海棠=0.498>0.05，n=16)、階段3(R3海棠=-0.188，P3海棠=0.538>0.05，n=13)，說明降水量與δ18O值在各階段相關(guān)性并不顯著。從圖3也可看出，降水量峰值與δ18O值極端偏負出現(xiàn)的時間并不完全對應(yīng)。上述分析說明臺風“海棠”中端降水δ18O值受降水量效應(yīng)影響較小。

3.3.4 云雨區(qū)效應(yīng)

從經(jīng)典的大氣降水瑞利分餾模式可知[28]，降水δ18O值受溫度效應(yīng)、降雨量效應(yīng)、緯度效應(yīng)及大陸效應(yīng)等綜合因素影響，從沿海到內(nèi)陸，降水δ18O值逐漸偏負(初始值約為-3‰，而后越來越偏負)。研究指出[29]，中國東南地區(qū)多年降水δ18O平均值約為-5‰～-7‰，符合此模式。而在2個臺風影響期間福州中端降水δ18O值極其偏負，分別在-11.7‰～-15.5‰(納沙)和-9.1‰～-17.0‰(海棠)范圍內(nèi)。許濤等[18]指出臺風中端降水δ18O值的極端偏負是受到“云雨區(qū)效應(yīng)”的影響：云雨區(qū)對流強烈，水汽快速凝結(jié)降落，降水δ18O值極其偏負。臺風形成初期，潮濕空氣被迫強烈上升，大量富集輕同位素的水汽形成初始δ18O值偏負的云墻結(jié)構(gòu)，與太平洋上空水汽的δ18O值范圍-10.5‰～-14‰接近[30]。由于福州地區(qū)夏季受副熱帶高壓影響顯著，當臺風外圍環(huán)流影響采樣點時，受強烈的蒸發(fā)效應(yīng)影響，初始階段降水δ18O值偏正，變化大，變化范圍為-2.6‰～-9.3‰(納沙)和-5.8‰～-9.0‰(海棠)。當臺風云雨區(qū)向采樣點移動時，云雨區(qū)對流旺盛，水汽迅速凝結(jié)降落，受蒸發(fā)效應(yīng)影響極小，降水中δ18O值逐漸偏負。隨著臺風登陸，海上水汽來源切斷，水汽中18O持續(xù)貧化。當云雨區(qū)影響采樣點時，降水δ18O值極端偏負：-15.5‰(納沙)和-17.0‰(海棠)，變化范圍為-11.7‰～-15.5‰(納沙)和-9.1‰～-17.0‰(海棠)。隨著臺風深入大陸，外圍環(huán)流水汽重新影響采樣點，受到蒸發(fā)作用和局地水汽混合影響，降水δ18O值再次偏正，變化范圍為-8.9‰(納沙)和-5.3‰～-9.7‰(海棠)。此次雙臺風氣象條件相似，登陸緯度位置相同，且水汽來源、水汽通道以及降水量的變化對降水δ18O值影響較弱，表明臺風中端降水期間福州降水δ18O值極端偏負主要受“云雨區(qū)效應(yīng)”的影響。

4 結(jié)論與展望

通過對雙臺風“納沙”、“海棠”影響期間福州降水δ18O值及相關(guān)氣象數(shù)據(jù)分析，主要得到以下結(jié)論：

(1)臺風“納沙”和“海棠”大氣降水線方程分別為δD=4.99δ18O-28.56(R2=0.84，N=15)和δD=7.20δ18O+0.54(R2=0.97，N=33)，臺風前端和尾端降水受蒸發(fā)效應(yīng)影響顯著，引起較強的同位素非平衡分餾，使得降水δ18O值偏正，導致大氣降水線斜率和截距較小。

(2)臺風“納沙”和“海棠”中端降水δ18O值極端偏負，平均值為-13.4‰和-12.4‰，遠低于福州夏季降水δ18O平均值。我們認為，臺風中端降水δ18O值與水汽來源、水汽通道及降水量的變化等關(guān)系較小，主要受“云雨區(qū)效應(yīng)”的影響。

本研究基于福州單一站點研究臺風降水對本地區(qū)降水δ18O的影響，研究僅局限于點的層面，結(jié)論尚顯單薄，未來可線狀延伸與內(nèi)陸(如三明等)地區(qū)進行對比研究，最終擴展至面狀層面進行多站點研究，豐富研究區(qū)域，得出更扎實的結(jié)論。