淮河流域大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素變化規(guī)律及其氣候意義

張文杰，聶文婷，劉紀(jì)根，許文盛，韓素軍，黃金權(quán)

(1.長江科學(xué)院 水土保持研究所，武漢 430010； 2.水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010；3.中冶華亞建設(shè)集團(tuán)有限公司，武漢 460000)

1 研究背景

作為地表各圈層之間相互作用的紐帶，水循環(huán)在形態(tài)變化和太陽輻射的驅(qū)動下參與自然界的能量交換和物質(zhì)演化過程[1]。大氣降水是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，與水汽輸送一起聯(lián)系著海洋與陸地水庫，其蒸發(fā)、冷凝始終伴隨著氫氧穩(wěn)定同位素的交換。氫氧同位素比值是不同質(zhì)量核素相對豐度的體現(xiàn)，記錄了自然界不同載體之間的差異性特征，在其參與的絕大多數(shù)水文過程中表現(xiàn)出規(guī)律性的分餾變化，這些靈敏且具有辨識度的優(yōu)勢使得氫氧穩(wěn)定同位素成為水循環(huán)研究中記錄水體運(yùn)移軌跡和演化信息的良好指標(biāo)。自20世紀(jì)50年代以來，水循環(huán)過程中氫氧穩(wěn)定同位素的應(yīng)用逐漸受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注，全球范圍有組織的監(jiān)測和同位素分餾理論研究得到長足的發(fā)展[2-3]。國內(nèi)大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素的研究始于20世紀(jì)60年代的珠穆朗瑪峰科學(xué)考察[4]。半個(gè)多世紀(jì)以來在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)監(jiān)測、技術(shù)方法探索、成果創(chuàng)新與應(yīng)用等方面取得了極大的進(jìn)步，在研究區(qū)域上經(jīng)歷了從全國大尺度到地區(qū)小范圍的發(fā)展過程，甚至集中到某一城市，更加具體地反映不同城市在溫度平衡、二次蒸發(fā)、人為干預(yù)等方面的差異[5-10]。在研究內(nèi)容上從最初關(guān)注的同位素分布特征、變化規(guī)律逐漸深入到引起變化的影響因素及驅(qū)動機(jī)理，尤其是隨著測試精度的提高和理論的完善，水汽來源的數(shù)值模擬和同位素變化關(guān)系的定量化表達(dá)推動了研究從定性到定量的發(fā)展。

淮河流域地處我國南北氣候的過渡帶，雙向季風(fēng)作用下降水變化極不均勻，由此造成的洪旱災(zāi)害易發(fā)、多發(fā)[11]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1901—1948年的48 a期間，淮河流域共發(fā)生42次水災(zāi)；1949—1998年的50 a期間，先后出現(xiàn)了12次大旱，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)春旱連伏旱，伏旱接秋旱的嚴(yán)峻局面。因此，進(jìn)一步認(rèn)識淮河流域降水云團(tuán)運(yùn)移規(guī)律和水汽來源直接關(guān)系到流域水資源的變化，尤其是極端氣候條件下洪旱災(zāi)害的形成。然而，目前關(guān)于淮河流域降水氫氧同位素的研究極少，且集中于同位素組成變化與降水量、氣溫之間的關(guān)系，并未揭示降水云團(tuán)運(yùn)移規(guī)律和水汽來源[12]。因此，本文以淮河流域降水同位素監(jiān)測站點(diǎn)的多年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，討論降水δ2H和δ18O時(shí)空變化特征，揭示其與溫度、雨量、季風(fēng)等氣候信息之間的響應(yīng)關(guān)系。根據(jù)同位素分餾理論和降水氘盈余變化規(guī)律，結(jié)合拉格朗日混合單粒子軌道(Hybrid-Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory，HYSPLIT)模型模擬，探討雙向季風(fēng)作用下流域降水的水汽來源，以期深入認(rèn)識流域水循環(huán)，為水資源調(diào)度管理、極端氣候應(yīng)對決策等提供科學(xué)依據(jù)。

2 區(qū)域概況

研究區(qū)淮河流域地處我國東部，地理位置上位于111°55′E—121°25′E，30°55′N—36°36′N，流域面積為27萬km2(圖1)。流域中部為廣闊的平原，占流域總面積的2/3，西南和東北部為山丘區(qū)，占流域總面積的1/3[13]。

圖1 淮河流域位置與水系

氣候上淮河流域地處我國南北氣候過渡帶，以北屬于暖溫帶區(qū)，以南屬于北亞熱帶區(qū)。流域氣候溫和，年均氣溫為11～16 ℃，空間上呈現(xiàn)出由北向南、由沿海向內(nèi)陸遞增的規(guī)律，極端氣溫差高達(dá)68.6 ℃[14]。流域多年平均降水量約為920 mm，流域年平均水面蒸發(fā)量為900～1 500 mm，因跨越兩個(gè)氣候帶，流域內(nèi)降水量差別明顯，大別山區(qū)降水量超過1 400 mm，而北部地區(qū)降水量甚至不到700 mm。同時(shí)，降水量年際變化較大，年內(nèi)分配也極不均勻，汛期降水量占全年降水量的50%～80%。流域近地面風(fēng)向(約1 500 m高度以內(nèi))以東北風(fēng)為主，春季北風(fēng)偏多，且主導(dǎo)風(fēng)向不明顯。

3 數(shù)據(jù)與方法

淮河流域降水同位素δ18O和δ2H值、降雨量、平均氣溫等數(shù)據(jù)資料均來自GNIP。大氣降水的氫同位素比值(R=2H/1H)和氧同位素比值(R=18O/16O)采用傳統(tǒng)同位素比質(zhì)譜儀和激光吸收光譜進(jìn)行測試分析。其中，2H和1H在自然界中的平均豐度分別為99.984 4%和0.015 6%，18O和16O平均豐度分別為0.200%和99.762%。測量結(jié)果以樣品同位素比值相對標(biāo)準(zhǔn)樣品同位素比值的千分偏差來表示,即：

δ18O=[(18O/16O)樣品/(18O/16O)V-SMOW-1]×1 000‰；

(1)

δ2H=[(2H/1H)樣品/(2H/1H)V-SMOW-1]×1 000‰。

(2)

式中：(18O/16O)V-SMOW為維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水同位素值(Vienna Standard Mean Ocean Water)的氧同位素比值；(2H/1H)V-SMOW為相應(yīng)的氫同位素比值。(18O/16O)V-SMOW=(2 005.2±0.45)×10-6，(2H/1H)V-SMOW=155.76×10-6。(18O/16O)樣品為樣品的氧同位素比值；(2H/1H)樣品為樣品的氫同位素比值；δ2H和δ18O分別為氧、氫的千分偏差，δ2H和δ18O同位素測試精度分別為±0.8‰和±0.1‰[15-16]。

HYSPLIT模型由美國海洋大氣局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)設(shè)計(jì)，可用來追蹤氣流所攜帶的離子或氣流移動方向，也可用來識別水汽源區(qū)與遷移路徑[17-18]。該模型所使用的氣象資料來源于美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)的全球再分析資料。本文基于實(shí)際降雨事件和氣候參數(shù)，對淮河流域不同季節(jié)的典型連續(xù)降雨事件進(jìn)行后向軌跡回溯(Backwards Trajectory)，并選取海拔500、1 000、1 500 m的初始高度模擬該次降水發(fā)生前5 d的氣團(tuán)運(yùn)動軌跡。

4 結(jié)果與討論

4.1 流域降水氫氧穩(wěn)定同位素時(shí)空變化特征

4.1.1 同位素特征及其氣候指示

淮河流域多年大氣降水氫、氧穩(wěn)定同位素值的變化范圍分別為-78.40‰～-31.81‰和-11.38‰～-3.16‰，最大值與最小值均出現(xiàn)在西北邊緣的鄭州市，而位于東北部煙臺的多年平均δ2H和δ18O變化相對較小(表1)。這一結(jié)果表明影響同位素組成變化幅度的驅(qū)動機(jī)制自東部沿海向西部內(nèi)陸地區(qū)逐漸復(fù)雜。與國內(nèi)其他大江大河流域相比，淮河流域的δ18O變化范圍較小，在海河流域(-30.94‰～ 2.36‰)[19]、黃河流域(-17.46‰～-1.13‰)[20]、長江流域(-13.1‰～-1.51‰)[21]的變化范圍內(nèi)。僅從氧同位素組成來看，淮河流域的δ18O變化范圍似乎接近于長江流域，但深入分析不同流域城市的降水同位素特征，則可以看出兩者在降雨量、氘盈余、大氣降水線方程方面差別明顯。

表1梳理了淮河流域及其周邊流域主要城市的降水氫氧同位素特征。對比分析不難發(fā)現(xiàn)，淮河流域降水同位素特征顯著區(qū)別于北方的海河流域以及南方的長江流域。主要城市地區(qū)的氘盈余、大氣降水線斜率和截距均表明高空云團(tuán)的降水環(huán)境由南向北逐漸從暖濕轉(zhuǎn)變?yōu)楦衫?，也就是說淮河流域處于南北氣候的過渡帶。這一點(diǎn)也可以從圖2中城市尺度的氧同位素當(dāng)量(同位素值與實(shí)際降雨量的乘積)反映出來。南北城市明顯呈條帶狀分布：淮河以南的武漢、南京地區(qū)具有低氧同位素值高雨量的特征，屬于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候；淮河以北的鄭州、石家莊、煙臺、天津地區(qū)的氧同位素和降雨量表現(xiàn)出相對適中的特征，屬于暖溫帶亞濕潤季風(fēng)氣候；而西北部的銀川明顯具有高同位素值低雨量的特征，屬于典型的中溫帶干旱大陸氣候。

另外，雖然淮河流域處于南北氣候過渡帶，但從大氣降水的氫氧穩(wěn)定同位素特征來看，更加符合北方地區(qū)氣候類型。具體來講，淮河流域的鄭州、煙臺與黃河流域的太原以及長江流域的武漢均具有相近的氘盈余(表1)。但前三者與后者在同位素組成和大氣降水線方面差別較大，武漢因當(dāng)?shù)亟邓h(huán)境偏濕熱造成氫同位素分餾速率快于氧同位素，表現(xiàn)出相對較高的同位素值、降水線斜率和正向截距。而煙臺、鄭州、太原處于干冷的降水環(huán)境，更利于氧同位素的分餾，表現(xiàn)出較低的同位素值、降水線斜率和負(fù)向截距。不過，在具體的氣候因素方面，淮河流域又與更偏北的海河流域有所區(qū)別，例如，煙臺、鄭州地區(qū)的氘盈余和降水線特征明顯不同于天津、石家莊地區(qū)。后者地理位置更偏北，但在圖2中反而位于前者的下方，究其原因是因?yàn)橄募緰|北季風(fēng)主導(dǎo)的極地海洋氣團(tuán)與東南季風(fēng)主導(dǎo)的熱帶海洋氣團(tuán)在北太行山東部相遇，形成的降雨極鋒給7月份的石家莊、天津帶來更多的降雨量(149.3～153.2 mm)。

表1 淮河流域及周邊流域的主要城市地區(qū)大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素特征

圖2 淮河流域及周邊城市大氣降水中氧同位素當(dāng)量變化

4.1.2 同位素時(shí)空變化及驅(qū)動因素

淮河流域降水δ2H和δ18O隨時(shí)間變化具有一定的周期性。圖3顯示出不同月份大氣降水中氫、氧穩(wěn)定同位素的變化關(guān)系。整體上，春季δ2H和δ18O變化呈現(xiàn)出單一式的增長，降水中重同位素的相對含量逐漸增加，至4月份達(dá)到最高值。同步升高的月平均溫度和降雨量表明春季降水的δ2H和δ18O增加與溫度相關(guān)，而雨量效應(yīng)表現(xiàn)不明顯。進(jìn)入夏季，降水中的重同位素占比急劇降低，最低值出現(xiàn)在夏末秋初，此階段的同位素組成與降水量、溫度均具有較好的線性相關(guān)性(圖4、圖5)。只是同位素的降低伴隨著溫度的升高，不符合溫度效應(yīng)的同位素分餾結(jié)果[32]。因此，隨著東南季風(fēng)的盛行以及向內(nèi)陸輸送水汽量的增加，淮河流域夏季降水的同位素雨量效應(yīng)越來越占主導(dǎo)地位。雨量效應(yīng)的影響一直持續(xù)到秋初，但是從8月份開始，降雨量與溫度開始降低，δ2H和δ18O短暫升高后維持在小范圍內(nèi)波動。這種重同位素的富集與季風(fēng)演進(jìn)交替有關(guān)，來自北方寒冷水汽的加入短時(shí)間內(nèi)造成δ2H和δ18O的轉(zhuǎn)折性變化，東南海洋水汽拉鋸式的進(jìn)退也導(dǎo)致整個(gè)秋季降水同位素組成表現(xiàn)出均衡的特征。隨著溫度的降低和東南水汽的后撤，這一平衡在冬季被打破，δ2H和δ18O快速降低，12月份的降水即出現(xiàn)極小值。與降雨量增大導(dǎo)致同位素偏負(fù)相比，冬季的極值更傾向于溫度降低帶來的偏輕同位素的富集，隨后冬季的同位素組成表現(xiàn)出連續(xù)升高的趨勢，與次年的春季變化保持連續(xù)(圖3)。

圖3 淮河流域降水氫氧穩(wěn)定同位素組成的月度變化

圖4 淮河流域鄭州地區(qū)降水氫氧同位素組成與降水量的變化關(guān)系

圖5 淮河流域鄭州地區(qū)降水量與大氣溫度變化關(guān)系

從流域內(nèi)大氣降水氫氧同位素在空間上的變化來看，西部鄭州地區(qū)變化范圍(δ2H：-78.40‰～-31.81‰，δ18O：-11.38‰～-3.16‰)明顯大于東部的煙臺地區(qū)(δ2H：-55.87‰～-35.45‰，δ18O：-9.13‰～-5.62‰)。自西向東多年平均降水同位素組成相對趨于穩(wěn)定，這與不同地區(qū)的地理位置和氣候差異有關(guān)。以冬半年主導(dǎo)降水氣團(tuán)的變化為例，東北部煙臺位于沿海地帶，雖然同樣屬溫帶季風(fēng)氣候，但冬季主要受控于蒙古-西伯利亞高壓極地大陸氣團(tuán)，而西北部的鄭州則位于流域的內(nèi)陸邊緣，其降水除了受蒙古-西伯利亞高壓極地大陸氣團(tuán)的影響外，大致從太行山脈和秦嶺中間輸送過來的西風(fēng)急流也會給當(dāng)?shù)貛砻黠@的降水。例如，同樣位于西風(fēng)急流帶的西安地區(qū)，其月降雨量甚至存在7月份和9月份兩個(gè)峰值。另外，流域內(nèi)蒸發(fā)水汽對同位素的貢獻(xiàn)有限，一方面，華北地區(qū)與世界上其它同緯度的地區(qū)相比，本身就屬于低降水強(qiáng)區(qū)域；另一方面，太原地區(qū)降水同位素的研究已證明地表水體的蒸發(fā)對大氣降水同位素組成幾乎不產(chǎn)生影響[26]。因此，淮河流域的大氣降水氫氧同位素組成的空間變化主要與不同季節(jié)的水汽來源有關(guān)。

4.2 大氣降水線對流域降水環(huán)境的指示意義

全球大氣降水線(Global Meteoric Water Line，GMWL)反映了水體在循環(huán)蒸發(fā)、凝結(jié)及降水過程中同位素分餾情況。Craig[15]將這種變化以線性方程的形式表達(dá)出來，即全球大氣降水線性方程：δ2H=8.0δ18O+10.0‰。但對于某一局部地區(qū)，受當(dāng)?shù)販囟?、濕度、海拔等環(huán)境因素的影響，當(dāng)?shù)卮髿饨邓€與全球大氣降水線有明顯偏差[33]。根據(jù)淮河流域主要觀測點(diǎn)的多年平均降水同位素組成，得出當(dāng)?shù)卮髿饨邓€方程為：δ2H=6.32δ18O-4.00‰(圖6)，其降水線斜率和截距均偏離全球的平均水平，與鄭淑慧等[34]報(bào)道的中國大氣降水線(δ2H=7.90×δ18O +8.20‰)和Liu等[35]提出的東部季風(fēng)區(qū)方程(δ2H=7.46δ18O+0.90‰)相比，其斜率和截距也相差較大。

根據(jù)同位素分餾效應(yīng)，較低的斜率一方面可能歸因于高空云團(tuán)具有較低溫度，在水汽冷凝過程中驅(qū)動能釋放更多熱量的重同位素優(yōu)先進(jìn)入雨滴，這似乎與淮河流域冬半年大氣降水線斜率(δ2H=5.81δ18O-5.15‰)明顯低于夏半年(δ2H=8.00δ18O+4.25‰)的實(shí)際情況相一致，但事實(shí)上無法解釋為何氣溫更低的海河流域和東北地區(qū)反而具有較高的斜率[22-23]。另一方面，也可能是降水過程受到了蒸發(fā)的影響(云下二次蒸發(fā))，雨滴在降落過程的蒸發(fā)作用越強(qiáng)烈，同位素分餾效應(yīng)越明顯[36-37]，如位于西北干旱區(qū)的德令哈地區(qū)，其大氣降水線斜率為5.86[38]，黑河流域大氣降水線斜率甚至達(dá)到4.14[39]。但淮河流域夏、春、秋、冬季蒸發(fā)量分別約占全年的40%、30%、20%、10%，也就是說蒸發(fā)量最大的夏季應(yīng)當(dāng)具有最低的斜率，這顯然與實(shí)際情況不符。實(shí)際上，降水水汽的初始同位素組成也深刻影響著當(dāng)?shù)亟邓耐凰靥卣?，只不過因其難以被直接觀測到而常常被忽略。對比區(qū)域尺度上降水氫氧同位素的空間變化，不難發(fā)現(xiàn)無論是由北向南(東北地區(qū)—海河流域—淮河流域)[40]還是由南向北(珠江流域—長江流域—淮河流域)[41]，當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的斜率依次降低，說明淮河流域上空降水的初始同位素組成本身具有較低的斜率。而且，這種斜率降低的趨勢與冬、夏季風(fēng)的行進(jìn)方向十分一致，即季風(fēng)輸送水汽的不斷消耗伴隨著當(dāng)?shù)卮髿饨邓€斜率的不斷降低，甚至當(dāng)冬、夏季風(fēng)相遇后造成長時(shí)間的“黃淮雨季”，并在同位素組成方面表現(xiàn)出均衡變化的特征[42]。因此，有理由推斷局地降水環(huán)境對淮河流域大氣降水線斜率變化的貢獻(xiàn)有限，水汽移動過程中的同位素分餾是低斜率的主要原因。

另外，當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的截距也能反映初始降水云團(tuán)氫氧同位素的組成?；春恿饔虼髿饨邓€具有較低的截距值-4.00，與長江流域的9.60和黃河流域的1.43差別較大，但是接近于季風(fēng)期海河流域的-4.63，表明流域水汽在移動過程中明顯發(fā)生了同位素分餾。這種分餾從當(dāng)?shù)亟邓€與全球降水線的交點(diǎn)來看更加明顯，因?yàn)榕c來源地水汽相比，交點(diǎn)從某種程度上可以反映未經(jīng)過明顯分餾的降水同位素組成。從圖6可以看出黃河流域、淮河流域與全球大氣降水線的交點(diǎn)十分接近，表明兩者應(yīng)當(dāng)具有相似的水汽來源，但兩者完全不同的降水線斜率和截距恰恰表明在后續(xù)的水汽運(yùn)移和降水過程中，差異性的局地氣候主導(dǎo)了降水同位素組成的分餾演化。

圖6 淮河流域大氣降水線

4.3 淮河流域大氣降水的水汽來源

4.3.1 氘盈余示蹤水汽來源

根據(jù)瑞利分餾理論，具有相同水汽來源的降水，其同位素組成隨著水汽運(yùn)輸和不斷消耗而發(fā)生變化，這種變化除了與降水過程中的氣溫、降雨量、二次蒸發(fā)等條件相關(guān)外，同時(shí)也受控于初始來源的同位素組成。初始水汽的來源信息可以在一定程度上由氘盈余(d)加以反映。這是由于氘盈余記錄了大氣降水因地理氣候因素偏離全球大氣降水線的程度，即水汽蒸發(fā)、凝結(jié)降水過程中同位素的分餾與變化。Dansgaard[43]將氘盈余定義為d=δ2H-8δ18O，其主要的影響因素是蒸發(fā)過程中氣溫、相對濕度、風(fēng)速、海洋表面粗糙度等[44]。

整體上淮河流域除了鄭州地區(qū)的6月份d<0以外，其余所有月份降水的d均>0(圖7)。從季節(jié)變化來看，春季大氣降水d分布范圍為5.2‰～13.9‰，其變化趨勢與冬季完全相反，從12月份的高d極值急轉(zhuǎn)直下，不斷降低，與之對應(yīng)的是淮河流域春季的溫度和降雨量(分別為4.80～20.60 ℃和91.60～136.40 mm)均高于冬季(分別為-0.70～2.50 ℃和36.70～45.40 mm)，而且春季降水中氫氧同位素值逐漸增加的趨勢也與冬季相反。考慮到10月份之后冬季淮河流域主要受北方蒙古-西伯利亞高壓極地大陸氣團(tuán)和沿秦嶺西風(fēng)急流的影響，并且春季1月份之后風(fēng)向逐漸以東風(fēng)和東南風(fēng)居多，推測水汽來源的改變是造成春季降水d值下降和同位素值升高的原因，這一點(diǎn)可以從圖7中2月份和4月份“倒春寒”引起的d短期升高加以驗(yàn)證。

圖7 淮河流域及周邊典型城市地區(qū)氘盈余的時(shí)間變化特征

夏季淮河流域降水d延續(xù)了春季的降低趨勢，直至達(dá)到全年的最小值(圖7)，如鄭州6月份降水的d甚至達(dá)到-1.5‰，這是因?yàn)殡S著夏季風(fēng)的盛行和北方大陸冬季風(fēng)的退出，海洋上副熱帶高氣壓西伸北進(jìn)，從北太平洋副熱帶高氣壓散發(fā)出來的東南季風(fēng)帶來豐沛的降水，而北半球夏季洋面高溫、濕潤的環(huán)境減緩了蒸發(fā)過程中氫氧元素之間的不平衡分餾，使得該時(shí)間段的來源水汽具有低d特征，也就是說淮河流域的夏季降水主要來源于夏季風(fēng)輸送的海洋氣團(tuán)。

秋季降水d繼續(xù)增加，鄭州降水d從夏季最低的-1.5‰增加到秋末的7.5‰(圖7)。多年氣象資料顯示秋季大雨、暴雨期間的風(fēng)向以西北風(fēng)和北風(fēng)為主，說明來自北方的高壓氣團(tuán)逐漸增加，并伴隨著東南海洋水汽的減弱，這種南進(jìn)北退的降水格局最終導(dǎo)致夏、秋兩季淮河流域的降水d變化出現(xiàn)明顯的“V”型特征。

冬季降水d變化與秋季增加趨勢一致，較高的d(變化范圍為5.60‰～22.00‰)表明水汽來源地具有干冷的特征(圖7)。事實(shí)上，10月份到來年2月份是北方大陸冬季風(fēng)的盛行時(shí)期，受西風(fēng)帶的影響，來自高緯度的大西洋、北冰洋冷濕氣流經(jīng)過亞洲西伯利亞高壓區(qū)時(shí)進(jìn)一步降低了水汽云團(tuán)的溫度[45]，造成淮河流域冬季降水具有較高的d?？傮w而言，淮河流域大氣降水d的季節(jié)性變化與水汽來源密切相關(guān)，和北方天津地區(qū)和南方南京地區(qū)的“U”型趨勢相比，其尖銳的“V”型特征表明淮河流域是我國冬季風(fēng)和夏季風(fēng)強(qiáng)烈的交替作用地區(qū)，加上大氣降水氫氧同位素的條帶性分布規(guī)律，充分證明淮河一線是我國南北氣候的分界線。

4.3.2 氣候模型模擬水汽來源

淮河流域大氣降水氘盈余從氫氧同位素分餾的角度反映了區(qū)域降水水汽來源，為了進(jìn)一步揭示氣團(tuán)移動路徑，本文采用HYSPLIT模型后向回溯不同季節(jié)的典型連續(xù)降雨軌跡(見圖8)。

圖8 淮河流域大氣降水軌跡模擬

如圖8所示，模擬結(jié)果與大氣降水氫氧同位素的分析結(jié)論一致，即，淮河流域從春季開始冬季風(fēng)逐漸減弱，蒙古-西伯利亞高壓極地氣團(tuán)的水汽輸送不再是流域降水的主導(dǎo)來源。2020年春季降雨量>20 mm的氣團(tuán)移動路徑也表明1 000～1 500 m高度的水汽來自氣溫偏暖的南方蒸發(fā)水汽或海洋水汽(圖8(a))。隨著冬季風(fēng)的北退，夏季淮河流域盛行東南季風(fēng)，5月份初東亞南支西風(fēng)急流消失并與北支合并，隨后來自南方和東南方海洋的濕潤水汽在江淮流域與冷空氣長時(shí)間相持，形成極具地域特色的“梅雨”(圖8(b))。夏末秋初，季風(fēng)帶來的降水云團(tuán)仍可以到達(dá)華北平原，但從北向南迅速推進(jìn)的冬季風(fēng)使得降水云團(tuán)發(fā)生明顯的折轉(zhuǎn)南退，9月份夏季風(fēng)開始從黃河以北退到長江流域，10月初到達(dá)華南(圖8(c))。10月中旬以后，東亞高空西風(fēng)急流開始增強(qiáng)，代表著冬季風(fēng)的盛行和爆發(fā)，蒙古-西伯利亞高壓極地大陸氣團(tuán)輸送的水汽構(gòu)成冬季淮河流域降水的主要水汽來源(圖8(d))。

5 結(jié) 論

(1)淮河流域多年大氣降水氫、氧穩(wěn)定同位素值的變化范圍分別為-78.40‰～-31.81‰和-11.38‰～-3.16‰。流域及周邊地區(qū)降水的氧同位素當(dāng)量呈條帶狀分布，與各自的氣候類型一致。流域內(nèi)主要城市地區(qū)的降水氘盈余、大氣降水線斜率和截距均指示其南北氣候過渡帶的特征。

(2)淮河流域大氣降水同位素組成在時(shí)間變化上表現(xiàn)出明顯的雨量效應(yīng)，在空間變化上自西向東趨于穩(wěn)定，其大氣降水線方程為：δ2H= 6.32δ18O-4.00‰。這種同位素變化格局及異常低的大氣降水線斜率、截距與局地降水環(huán)境關(guān)系不大，主要由差異性的水汽來源及降水氣團(tuán)在移動的過程中的同位素分餾造成。

(3)淮河流域大氣降水水汽來源及變化主要受季風(fēng)活動的控制。冬、夏季風(fēng)的交替進(jìn)退使得氘盈余變化區(qū)別于北方天津地區(qū)和南方南京地區(qū)的“U”型趨勢，具有明顯的“V”型特征。HYSPLIT模擬結(jié)果表明淮河流域夏半年的降水主要來自東南季風(fēng)輸送的海洋氣團(tuán)，冬半年降水主要由蒙古-西伯利亞高壓極地氣團(tuán)貢獻(xiàn)。