商州區(qū)大氣降水氫氧同位素與溫度和降水量相關(guān)性分析

(云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院 云南 昆明 650092)

一、引言

大氣降水是水循環(huán)過程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是各種水體系統(tǒng)的重要補(bǔ)給來源，其大氣降水同位素含量及變化大小與產(chǎn)生降水的氣象過程、水蒸汽來源區(qū)的初始狀態(tài)以及水蒸汽輸送方式等密切相關(guān)[1]。穩(wěn)定同位素是自然水體的重要組成，不同來源的水體往往具有不同的同位素特征，在自然界水循環(huán)的每一個(gè)環(huán)節(jié)中，同位素都以不同的比值分配到兩種物質(zhì)或物相中產(chǎn)生同位素分餾現(xiàn)象，并且具有廣泛的時(shí)空分布異質(zhì)性，非常敏感地響應(yīng)環(huán)境的變化[2]。本文通過對(duì)商州區(qū)大氣降水情況進(jìn)行分析以及對(duì)相關(guān)氣象資料進(jìn)行了解，研究該地域大氣降水同位素含量及變化特點(diǎn)，據(jù)此可以研究水汽的來源、地表水的蒸發(fā)與混合、土壤水入滲與消耗、地下水利用與補(bǔ)給、河流與湖泊或水庫的混合作用等；進(jìn)而有助于對(duì)商洛地區(qū)水循環(huán)和氣候變化做出深入了解。

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)和國(guó)際氣象組織(WMO)合作建立起了全球同位素監(jiān)測(cè)網(wǎng)(GNIP)，對(duì)全球大氣降水的氫氧同位素含量及其變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。氫氧同位素具有穩(wěn)定性，因此成為一種有力的診斷工具，已在在水文學(xué)、氣候?qū)W、生態(tài)學(xué)、地質(zhì)學(xué)等學(xué)科的研究中得到廣泛應(yīng)用[3]。

二、研究區(qū)域概況

本文以商州區(qū)(32°33′59″N，109°52′11″E)作為研究區(qū)，商州區(qū)是陜西省商洛市轄區(qū)的建制。商州區(qū)位于以中山地貌為主體的東秦嶺地區(qū),秦嶺是我國(guó)800mm降水量分界線，濕潤(rùn)區(qū)與半濕潤(rùn)區(qū)的分界線，一月0℃等溫線以及亞熱帶與暖溫帶分界線。降水垂直差異較為顯著，高山降水明顯多于低山，并且時(shí)空分布差異大，降雨主要集中在6-9月，約占年降雨量的48%左右，由南向北降雨量逐漸減少，由山地向河谷，降雨量隨海拔高度的降低而降低，降水量年均710-930mm。

三、樣品采集與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(一)樣品采集

降水發(fā)生時(shí)，以d為時(shí)間單位在陜西省商洛市商州區(qū)(33°51′N ，109°57′E)對(duì)大氣降水進(jìn)行樣本采集，采樣時(shí)間為2015年全年。采集樣本前對(duì)雨量筒及量筒等用蒸餾水進(jìn)行清洗，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及實(shí)驗(yàn)的精確度。對(duì)體積、pH值和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，然后將原樣裝入100mL塑料瓶中，注明采樣時(shí)間、體積、PH值以及電導(dǎo)率等。對(duì)于同位素?cái)?shù)據(jù)，帶回后用Picarro-2120i同位素分析儀進(jìn)行測(cè)定，該儀器具有杰出的溫度和壓力控制系統(tǒng)，能確保同位素?cái)?shù)據(jù)的精確度和準(zhǔn)確度不受外界環(huán)境變化的干擾；對(duì)于δ18O：確保精度<0.2‰，δD：確保精度<1.0‰。

(二)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1.大氣降水線分析

發(fā)生降水時(shí)對(duì)同位素分餾過程產(chǎn)生影響的因素有很多，因此降水中的同位素比率變化對(duì)于研究地域降水特征有著重要意義。由于降水過程在本質(zhì)上是建立在冷凝和蒸發(fā)之間的平衡條件下，因此，大氣降水中的δD和δ18O值呈現(xiàn)著線性關(guān)系，即稱為雨水線。其關(guān)系為：

δD=aδ18O+b

其中a為斜率，b為截距，a、b的變化受著多種因素的制約。

1961年Craig提出的全球雨水線公式為：

δD=8δ18O+10

從1961年起，國(guó)際原子能委員會(huì)(IAEA)在世界各地設(shè)立了114個(gè)臺(tái)站，系統(tǒng)收集和分析了每月降水的氫氧同位素組成，得出了如下雨水線公式：

δD=8.17δ18O+10.56

北京大學(xué)鄭淑惠教授等1980年在我國(guó)8個(gè)地區(qū)收集和實(shí)測(cè)了107個(gè)雨雪水樣品，得到全國(guó)范圍內(nèi)雨水線公式為[1]：

δD=7.9δ18O+8.2

對(duì)于商州區(qū)大氣降水中δD和δ18O的分析可以得出：δD值的變化范圍在-126.40‰～36.16‰之間，平均值為-33.57‰。δ18O值的變化范圍在-17.85‰～2.09‰之間，平均值為-6.75‰。IAEA/WMO給出的全球降水平均穩(wěn)定同位素組成[5]為：δD 在-350‰～+50‰之間；δ18O在-50‰～10‰之間，；我國(guó)大氣降水中δD和δ18O的變化范圍[5]分別為-210‰～+20‰，-24‰～+2‰。由此可以看出，商州區(qū)大氣降水同位素變化范圍處于全球的大氣降水同位素變化之中，但是與我國(guó)大氣降水同位素變化范圍相比，其變化上界超出16.16‰與0.09‰。因而，商州區(qū)δD和δ18O值有著極大的波動(dòng)。

根據(jù)商州區(qū)2015年的大氣降水的數(shù)據(jù)算出商州區(qū)的大氣降水線方程為：

δD=7.505δ18O+17.051(R2=0.960)

圖1 商州區(qū)2015年大氣降水線

經(jīng)過計(jì)算得出商州區(qū)的降水線方程為δD=7.505δ18O+17.051，該方程與Craig[8]提出的全球降水線方程δD=8δ18O+10，Yurtsever[4]獲得的全球降水線方程δD=8.17δ18O+10.56以及鄭淑慧等[1]給出的中國(guó)降水線方程δD=7.9δ18O+8.2相比較，其斜率稍有偏低，但截距較高。該方程與柳鑒容[5]等所報(bào)道的中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)降水線方程：δD=7.46δ18O+0.90相比，斜率接近，截距相差很大。與劉東生等[6]i桂林地區(qū)大氣降水的氫氧同位素研究中，所報(bào)道的桂林地區(qū)降水線方程：δD=8.9δ18O+20.0相比，較為接近。

表1 商洛地區(qū)雨水線與個(gè)別其他地區(qū)雨水線比較

商州區(qū)降水線方程與桂林地區(qū)降水線方程具有相似性，因此可以證明：商州區(qū)與該地區(qū)的大氣降水、季風(fēng)的類型、降水云團(tuán)的來源等因素相似。同時(shí)降水線方程也會(huì)受水汽凝結(jié)溫度、水蒸汽團(tuán)來源和輸送方式、降水的季節(jié)變化以及降水期間的空氣溫度和濕度等因素的影響，從而使該地區(qū)出現(xiàn)降水同位素?cái)?shù)值變化較大，并且有部分樣品同位素值較高。商洛地處我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)，氣候較為干燥，蒸發(fā)旺盛，由于受局地蒸發(fā)的作用，使產(chǎn)生降水的很大一部分水汽受到影響，使其氫氧同位素值偏高；同時(shí)，雨滴在降落過程中由于蒸發(fā)作用會(huì)產(chǎn)生重同位素的富集，導(dǎo)致降水中氫氧同位素值不斷升高。因此，這一特征體現(xiàn)了商洛地區(qū)雨水線與全球雨水線、全國(guó)雨水線(鄭淑惠等)相比較，稍有偏離，這可能受商洛地區(qū)的氣候條件、地形地貌特征、降雨云團(tuán)來源等因素影響。

2.溫度效應(yīng)和降水量效應(yīng)

王濤[2]等討論了影響降水中同位素組成的季節(jié)和地理因素，依據(jù)瑞利模型，影響大氣降水氫氧同位素特征的因素有緯度效應(yīng)、溫度效應(yīng)、高度效應(yīng)、降水量效應(yīng)及大陸效應(yīng)。在諸多因素中，降水中穩(wěn)定同位素值的大小與變化與溫度、降水量之間的關(guān)系尤為密切。溫度效應(yīng)指同位素的組成成分與溫度之間存在正相關(guān)關(guān)系，降水量效應(yīng)則指同位素的組成成分與降水量之間存在反相關(guān)關(guān)系[7]。

降水δ18O與溫度的關(guān)系:

全年尺度下，對(duì)商州區(qū)降水δ18O與溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析(如圖)得出下式：

δ18O=-0.001T-6.729(R2=0.000)

圖2 商州區(qū)大氣降水δ18O與溫度的相關(guān)關(guān)系

在我國(guó)，溫度效應(yīng)主要出現(xiàn)在緯度較高的地區(qū)，距海越遠(yuǎn)，正相關(guān)關(guān)系越明顯。從圖2可得出商州區(qū)大氣降水中δ18O與溫度之間不存在相關(guān)關(guān)系，原因可能是由于夏季溫度較高，空氣濕度大，再蒸發(fā)作用使重同位素蒸發(fā)不明顯，從而無法體現(xiàn)溫度效應(yīng)的存在。這與王濤[2、7]等在對(duì)南京地區(qū)和鄭州地區(qū)的大氣降水穩(wěn)定同位素的溫度效應(yīng)研究中，發(fā)現(xiàn)全年尺度下δ18O與溫度并不存在正相關(guān)關(guān)系；黃錦忠[8]等研究證明，西安地區(qū)全年δ18O值和溫度效應(yīng)、雨量效應(yīng)之間并沒有明顯的規(guī)律等結(jié)論相比較，商州區(qū)δ18O與溫度的關(guān)系與上述研究結(jié)果相類似。

四、結(jié)論

(1)商州區(qū)的大氣降水曲線為δD=7.505δ18O+17.051，r2=0.960與全球降水曲線、中國(guó)降水線相比以及其他季風(fēng)地區(qū)相比，斜率較小，說明該地區(qū)蒸發(fā)作用旺盛；其截距較大，可能受商洛地區(qū)的氣候條件、地形地貌特征、降雨云團(tuán)來源等因素影響。

(2)在年內(nèi)尺度下，商州區(qū)δ18O值的降水量效應(yīng)與其他季風(fēng)區(qū)相比并不明顯，而溫度效應(yīng)幾乎不存在，這可能是由于夏季溫度較高，空氣濕度大，再蒸發(fā)作用使重同位素蒸發(fā)不明顯，從而無法體現(xiàn)溫度效應(yīng)的存在。

[1]鄭淑蕙,侯發(fā)高,倪葆齡.我國(guó)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.

[2]王濤,徐麗娜,劉笑.鄭州大氣降水氧同位素變化及水汽來源分析[A].中國(guó)氣象學(xué)會(huì).創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展提高氣象災(zāi)害防御能力——S9大氣成分與天氣氣候變化[C].中國(guó)氣象學(xué)會(huì):,2013:10.

[3]胡菡,王建力.重慶市2013年10-12月大氣降水中氫氧同位素特征及水汽來源分析[J].中國(guó)巖溶,2015,03:247-253.

[4]Yurtsever Y,Gat J R.Atmospheric waters.In:Gat J R,Gonfiantini R,eds.Stable Isotope Hydrology:Deuterium and Oxygen-18 in the WaterCycle.Vienna:International Atomic Energy Agency,1981.103—142

[5]柳鑒容,宋獻(xiàn)方,袁國(guó)富,孫曉敏,劉鑫,王仕琴.中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)大氣降水δ～(18)O的特征及水汽來源[J].科學(xué)通報(bào),2009,22:3521-3531.

[6]劉東生,陳正明,羅可文.桂林地區(qū)大氣降水的氫氧同位素研究[J].中國(guó)巖溶,1987,03:51-57.