劉 筱，張福平，雷聲劍，燕玉超

(陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710062)

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西安大氣降水穩(wěn)定同位素變化規(guī)律及影響因素分析

劉 筱，張福平*，雷聲劍，燕玉超

(陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710062)

摘要：利用全球大氣降水同位素觀測網(wǎng)(GPIN)西安站點(diǎn)大氣降水穩(wěn)定同位素資料、部分氣象資料，對西安大氣降水穩(wěn)定氫氧同位素組成以及影響因素進(jìn)行了分析。研究表明：西安大氣降水同位素組成隨季節(jié)變化而發(fā)生變化，春季為大氣降水同位素富集時(shí)期，冬季為貧化時(shí)期。多年降水氘盈余(d值)與世界大部分地區(qū)降水d值(10‰)比較接近，d值有夏低冬高的特點(diǎn)。該區(qū)大氣降水δ18O與月均溫之間并不存在正相關(guān)關(guān)系，沒有溫度效應(yīng)；與降雨量之間存在負(fù)相關(guān)，表現(xiàn)出雨量效應(yīng)，尤其是夏季，雨量效應(yīng)尤為明顯。不同季節(jié)的水汽來源是影響西安地區(qū)降水同位素變化的主要因素。

關(guān)鍵詞：大氣降水；穩(wěn)定同位素；西安

大氣降水是水文循環(huán)的重要一環(huán)，氣候和地理環(huán)境等復(fù)雜因素的綜合作用使不同地區(qū)降水氫氧同位素的組成不同，同位素對環(huán)境的變化非常敏感。因此，通過研究同位素組成特征及變化規(guī)律，可以了解降水水汽來源及運(yùn)動(dòng)軌跡，也能反映大氣水循環(huán)的歷史信息。對降水同位素的研究，最早開始于20世紀(jì)50年代的Dansgaard[1]。1961年國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)與世紀(jì)氣象組織(WMO)合作，建立了全球大氣降水同位素監(jiān)測網(wǎng)(GNIP)，到目前已在全球建立了100多個(gè)觀測站點(diǎn)，積累了豐富的同位素基礎(chǔ)資料。從2004年起，我國開始建立中國大氣降水同位素網(wǎng)絡(luò)(CHNIP)，在全國各地建立臺(tái)站，開始了對我國同位素的系統(tǒng)觀測[2]。目前，已對我國黃河流域[3]、長江流域[4]、黑河流域[5]、青海湖流域[6]及一些小流域進(jìn)行了河水和流域降水穩(wěn)定同位素分析；此外，烏魯木齊[7]、天津[8]、桂林[9]、香港[10]及西北干旱區(qū)[11]、東部季風(fēng)區(qū)[12]、青藏高原[13]等區(qū)域進(jìn)行了大氣降水同位素分析。

秦嶺是我國重要的南北分界線，也是亞熱帶與暖溫帶濕潤與半濕潤氣候的分界線，對水汽輸送有較大影響。西安地處秦嶺以北，特殊的地理位置使其具有不同于其他地區(qū)的同位素組成特征，目前關(guān)于西安降水同位素變化及影響因素的分析比較少。因此，本研究根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)和世界氣象組織(WMO)提供的西安站點(diǎn)觀測資料，探究了該區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素變化特征及其水汽來源，并分析了影響穩(wěn)定同位素組成的因素，以期為進(jìn)一步了解西安地區(qū)水循環(huán)機(jī)制和該地水資源合理開發(fā)利用提供參考和依據(jù)。

1研究區(qū)概況

西安市位于黃河流域關(guān)中平原中部，東經(jīng)107°40′～109°49′、北緯33°39′～34°45′之間，北臨渭河和黃土高原，南鄰秦嶺，處于中國大陸中心，南北方分界線的北側(cè)。地勢東南高，西北低，平均海拔約410 m。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫14.1 ℃，最冷月(1月)平均氣溫0.3 ℃，最熱月(7月)平均氣溫27.0 ℃。年平均降水量約561 mm，降雨主要集中在夏季。

2數(shù)據(jù)與方法

降水同位素?cái)?shù)據(jù)資料(1985～1993年)來自全球降水同位素觀測網(wǎng)GPIN(Global Network of Isotope in Precipitation)觀測站點(diǎn)觀測項(xiàng)目，包括 δD、δ18O、3H，溫度、降水量以及水汽壓，所有觀測項(xiàng)目數(shù)據(jù)記錄均為月值，穩(wěn)定同位素的數(shù)據(jù)記錄日期為每月15日。因此，穩(wěn)定同位素比率的月值實(shí)際上代表上個(gè)月16日到本月15日的平均值。數(shù)據(jù)可以通過國際互聯(lián)網(wǎng)(http://isohis.iaea.org)直接下載。由于部分氣象數(shù)據(jù)缺失，又根據(jù)中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)西安站點(diǎn)資料進(jìn)行了補(bǔ)充。

大氣降水中氫、氧穩(wěn)定同位素制樣分別采用金屬鈾法和 CO2-H2O 平衡法，并采用英國MM903質(zhì)譜儀進(jìn)行同位素分析，精度為 CO2<1.25‰、H/D<±1.00‰。文中的δ值均以標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水SMOW(Standard Mean Ocean Water)為標(biāo)準(zhǔn)，單位為‰。降水氫氧同位素含量表示為：

δ(‰)=(RS/RSMOW-1) ×1000

(1)

式中：RS為樣品中D/H或18O/16O值；RSMOW為SMOW中D/H或18O/16O值。

降水中同位素的加權(quán)平均值為：

(2)

公式(2)中：δw為大氣降水同位素的加權(quán)平均值；Pi為月降水量；δi為月降水氫(氧)同位素濃度。

同位素瑞利分餾模型為：

δ降水=(f?-1-1)×1000

(3)

公式(3)中，δ降水為降水中氫氧同位素值；f為云團(tuán)中剩余蒸汽百分比，?為降水在冷凝溫度時(shí)的分餾系數(shù)，常溫下?>1。

3結(jié)果與分析

3.1西安大氣降水穩(wěn)定同位素季節(jié)變化特征

由1985～1993年西安大氣降水同位素組成(圖1)可以看出，西安降水同位素值有較大的變化幅度：δD從0.8‰到-122.7‰，δ18O從-1.1‰到-17.02‰。而據(jù)資料顯示，全球降水平均穩(wěn)定同位素組成δD在+50‰～-350‰之間，δ18O在+10‰～-50‰之間[14]，我國大氣降水中δD含量為+20‰～-210‰， δ18O為+2.0‰～-24‰[15]。由此可見，西安大氣降水的氫氧同位素含量均落在我國與全球的大氣降水同位素變化范圍之內(nèi)。

大氣降水中氫氧同位素的變化與產(chǎn)生降水的物理過程密切相關(guān)，其水循環(huán)過程的蒸發(fā)和凝結(jié)對δ18O的影響最顯著[16]。由大氣降水δ18O的季節(jié)變化圖(圖2)可見，西安地區(qū)春季大氣降水同位素δ18O變化范圍為-11.93‰～-2.02‰，平均值-5.36‰；δD為-79.9‰～-13.9‰，平均值為-33.14‰。夏季δ18O變化范圍為-12.08‰～-1.1‰，平均值-7.05‰；δD為-85.2‰～0.8‰，平均值-46.5‰。秋季δ18O變化范圍為-14.27‰～-5.05‰，平均值為-8.51‰；δD為-101.5‰～-31.4‰，平均值為-59.75‰。冬季大氣降水同位素δ18O的變化范圍為-17.02‰～-4.97‰，平均值為-9.47‰；δD為-21.7‰～-122.7‰，平均值為-62.94‰。由此可知，西安大氣降水同位素組成隨季節(jié)變化而發(fā)生變化，春夏季δ18O較高，冬季δ18O較低，即春季為大氣降水同位素富集時(shí)期，冬季為貧化時(shí)期。

圖1　1985～1993年西安市大氣降水穩(wěn)定同位素組成

圖2　1985～1993年大氣降水 δ18O的季節(jié)變化

3.2大氣降水氘盈余(d)的變化特征

大氣降水線即某地一段時(shí)期內(nèi)降水δ18O和δD之間的線性關(guān)系，對研究水循環(huán)過程中穩(wěn)定同位素的變化具有重要的意義，可以更好了解一地區(qū)氣候變遷及水汽來源。Craig[17]首次提出了全球大氣降水線方程(δD=8δ18O+10)。根據(jù)實(shí)測δD和δ18O數(shù)據(jù)，用最小二乘法求得西安地區(qū)大氣降水線方程，如圖3所示，方程為δD=7.49δ18O+6.13，相關(guān)系數(shù)R2=0.918。該結(jié)果與Yurtsever[18]的全球降水線方程δD=8.1δ18O+10.56，以及鄭淑蕙等[15]提出的中國降水線方程δD=7.9δ18O+8.2相比較，總體相差不大，但斜率和截距稍有偏低。主要由于西安處于干旱半干旱地區(qū)，受盆地氣候和水汽源地影響，在降雨過程中受到強(qiáng)蒸發(fā)作用的影響；遠(yuǎn)離海洋，深居內(nèi)陸，受東亞季風(fēng)和大陸性氣團(tuán)影響，造成了斜率與截距的差異。

圖3　西安地區(qū)大氣降水線

氘盈余(d)，由Dansgarrd[1]首次提出，是指由于自然條件的差異，水在蒸發(fā)過程中因動(dòng)力分餾作用使得氫氧同位素的平衡分餾遭到破壞，大氣降水中 δD和δ18O出現(xiàn)一個(gè)差值，并定義為d=δD-8δ18O。d反映了海水蒸發(fā)形成云氣團(tuán)時(shí)的熱力條件和水汽平衡條件，同時(shí)也反映降水形成時(shí)的地理環(huán)境和氣候條件[19]。d值越大，則表明蒸發(fā)速率越大。圖4顯示，d值較高的月份出現(xiàn)在 1～3月，較低的月份出現(xiàn)在 4～7月，最低值出現(xiàn)在5月份，有冬季高、夏季低的特點(diǎn)。

根據(jù)IEEA西安站點(diǎn)數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，西安多年降水d值介于-8.52‰～26.04‰，平均值為9.85‰，與世界大部分地區(qū)降水d值(10‰)[20]比較接近。

3.3大氣降水δ18O與溫度、降雨量的關(guān)系(溫度效應(yīng)、雨量效應(yīng))

IEEA建立全球降雨同位素監(jiān)測網(wǎng)，并對全球大氣降水中的穩(wěn)定同位素進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測，提出了大氣降水穩(wěn)定同位素組成變化的5種效應(yīng)：溫度效應(yīng)、緯度效應(yīng)、大陸效應(yīng)、高度效應(yīng)、降水量效應(yīng)。其中，溫度效應(yīng)和降水量效應(yīng)最受關(guān)注。

圖4　西安地區(qū)大氣降水氘盈余(d)變化特征

溫度效應(yīng)指同位素的組成成分與溫度成正相關(guān)關(guān)系。氣溫對降水中穩(wěn)定同位素作用機(jī)制為，地表溫度在某種程度上與大氣中降水氣團(tuán)的冷凝溫度有關(guān)，又因冷凝溫度與降水同位素值直接相關(guān)，所以地表溫度對降水穩(wěn)定同位素有影響[21]。雨量效應(yīng)則指同位素的組成成分與降水量成負(fù)相關(guān)關(guān)系。大氣降水同位素組成與空氣濕度相關(guān)，其組成差別主要是由云團(tuán)冷凝時(shí)遵循瑞利分餾過程造成的[1]，故大氣降水穩(wěn)定同位素的組成與當(dāng)?shù)亟邓看嬖谀撤N關(guān)系。

由西安地區(qū)大氣月降水加權(quán)δ18O與月均溫關(guān)系圖(圖5a)可見，西安地區(qū)δ18O與月均溫之間并不存在正相關(guān)關(guān)系。由西安地區(qū)大氣降水月加權(quán)δ18O與月平均降雨量關(guān)系圖(圖5b)可見，月加權(quán)平均δ18O與月均降雨量之間存在負(fù)相關(guān)，表明降雨對δ18O有影響，存在雨量效應(yīng)，但相關(guān)性并不顯著。

進(jìn)一步對各季節(jié)降雨量與δ18O之間的關(guān)系進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖6所示：在季節(jié)尺度上，夏、秋、冬季表現(xiàn)出降雨量與δ18O負(fù)相關(guān)關(guān)系，但不顯著；而夏季表現(xiàn)出明顯的降雨量效應(yīng)，相關(guān)系數(shù)R2=0.4232 ，且顯著性水平達(dá)到0.01。

圖5　西安地區(qū)大氣降水月加權(quán)δ18O與月均溫(a)、月平均降雨量(b)關(guān)系

綜上所述，西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素在年際變化上不存在溫度效應(yīng)，存在雨量效應(yīng)但并不顯著；在季節(jié)變化上夏季雨量效應(yīng)顯著，主要由于西安地區(qū)降雨多集中在夏季，夏季降水對同位素影響顯著。

4結(jié)論與討論

本文研究了西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素組成和變化特征，并對降水δ18O值與溫度和降雨量的關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：西安大氣降水的氫氧同位素含量均落在我國與全球的大氣降水同位素變化范圍之內(nèi)。西安大氣降水同位素組成隨季節(jié)變化而發(fā)生變化，春季為大氣降水同位素富集時(shí)期，冬季相對貧化；西安多年降水d值與世界大部分地區(qū)降水d值(10‰)比較接近，具有冬季高、夏季低的特點(diǎn)；西安市大氣降水δ18O與月均溫之間并不存在正相關(guān)關(guān)系，沒有明顯的溫度效應(yīng)；月加權(quán)平均δ18O與月均降雨量之間存在負(fù)相關(guān)，表現(xiàn)出雨量效應(yīng)。

a:春季；b:夏季；c:秋季；d:冬季。

西安地區(qū)在不同季節(jié)受不同水汽來源的影響，使氫氧同位素值隨季節(jié)變化而變化。大氣降水中δ18O值的大小主要受凝結(jié)溫度的影響，由降水同位素瑞利分餾模型(公式3)可知，冷凝溫度越低，分餾系數(shù) 越大，而降水同位素的值就越小。在春季，西安地區(qū)主要受來自阿拉伯海、孟加拉灣、印度洋地區(qū)的水汽影響[22-23]，氣團(tuán)溫度高，使得在這一時(shí)期δ18O富集。此外，在降雨過程中，二次蒸發(fā)程度越大，δ18O同位素也越富集。西安地區(qū)春季溫度高于冬季，在這兩個(gè)季節(jié)降雨受到二次蒸發(fā)的影響程度，春季要大于冬季，所以春季δ18O同位素也更為富集。夏季是水汽最為充沛的時(shí)期，西安地區(qū)水汽主要來源于孟加拉灣、南海和西太平洋[23-24]。在夏季，水汽源地溫度高，同位素分餾程度低，降雨量充沛，使得該時(shí)期δ18O同位素也相對富集。冬季主要受源于西風(fēng)帶寒冷的北冰洋氣流[22]，又因氣流經(jīng)過遠(yuǎn)距離輸送，使得同位素更加貧化。因此，西安地區(qū)δ18O值有春夏季高、冬季低的特點(diǎn)，而章新平等[25]對我國大氣降水δ18O分布特點(diǎn)的研究表明：對于中高緯度地區(qū)，尤其是內(nèi)陸地區(qū)，長期受大陸氣團(tuán)控制，溫度季節(jié)差異大，δ18O在其影響下，表現(xiàn)出冬低夏高的特點(diǎn)。本研究結(jié)果與此結(jié)果具有一致性。

不同地區(qū)由于地理環(huán)境和氣候差異使得其大氣降水線斜率、截距有所不同，這也反映了不同地區(qū)大氣降水水汽來源、凝結(jié)、輸送過程存在差異。西安地區(qū)大氣降水線與全球大氣降水線和我國大氣降水線相比較，斜率、截距偏低，這主要由于西安位于關(guān)中盆地中部，處于干旱半干旱地區(qū)，受盆地氣候和水汽源地影響，在降雨過程中受到強(qiáng)蒸發(fā)作用的影響，同時(shí)，又遠(yuǎn)離海洋，受東亞季風(fēng)和大陸性氣團(tuán)影響，造成了斜率與截距的差異。

氘盈余值的大小主要與該地水汽源地氣象條件有關(guān)[26]。冬季d值高，反映西安地區(qū)冬季降水少，大氣降水水汽主要源于空氣濕度低的干燥氣團(tuán)；夏季d值低，表明夏季降水水汽源于空氣濕度高，季風(fēng)帶來的海洋氣團(tuán)，部分來源于局地水汽蒸發(fā)，但8月份d值高于10‰，主要由于這時(shí)西安氣溫高，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，降雨量少于夏季其他月份。

氣溫和降雨量是大氣降水穩(wěn)定同位素的主要影響因素。田立德等在對拉薩夏季降水同位素研究中發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)大氣降水中δ18O保持基本穩(wěn)定時(shí)，氣溫與降水中的δ18O才能表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系[27]。由圖5a可見，西安地區(qū)氣溫與δ18O并沒有呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。張琳等[28]研究表明：我國低緯度地區(qū)降水δ18O 與溫度呈負(fù)向相關(guān)關(guān)系，反映出在季節(jié)尺度上溫度效應(yīng)不明顯，甚至不存在。西安大氣降水δ18O與溫度的關(guān)系存在負(fù)相關(guān)，但西安位于中緯度地區(qū)，又因西安處于我國南北過渡地區(qū)，溫度效應(yīng)表現(xiàn)不顯著，說明溫度不是影響西安地區(qū)δ18O變化的主要因素。由圖5b可知，西安地區(qū)降水量與δ18O存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，存在雨量效應(yīng)，但相關(guān)性并不顯著，這也與“雨量效應(yīng)在內(nèi)陸區(qū)通常不顯著，而主要發(fā)生在中低緯度海岸和海島地區(qū)”這一經(jīng)典同位素理論相一致[29]。在季節(jié)上，均表現(xiàn)出雨量效應(yīng)，夏季尤為顯著。這主要由于西安地區(qū)降雨多集中在夏季，夏季降水對同位素影響顯著。同時(shí)這也與柳鑒榮等[30]得出的西北地區(qū)大氣降水δ18O 降雨量效應(yīng)結(jié)論“年內(nèi)降雨量效應(yīng)不顯著，夏季降雨量負(fù)相關(guān)效應(yīng)顯著”相一致。

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(責(zé)任編輯：許晶晶)

Analysis of Variation Rules of Stable Isotopes in Atmospheric Precipitation and Its Influencing Factors in Xi’an

LIU Xiao, ZHANG Fu-ping*, LEI Sheng-jian, YAN Yu-chao

(College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China)

Abstract：Using global precipitation isotope observation network (GPIN) in Xi’an site precipitation of stable isotope data, combined with meteorological data section of Xi’an stable hydrogen isotope composition of atmospheric precipitation and influencing factors were analyzed. The results showed that Xi’an isotopic composition of precipitation changes with the seasons, spring precipitation for isotopic enrichment period, the winter was relatively depleted. Years of precipitation deuterium (dvalues) closed to the value ofd(10‰) in most parts of the world,dvalues were low in summer and high in winter. There did not exist positive correlation in the area between the meteoric18O and monthly average temperature, there was no temperature effect, there existed negative correlation, showed the effect of rainfall, especially in summer, rainfall effect was particularly evident. The main factors affecting of the precipitation isotope composition of atmospheric precipitation in Xi’an was the origin of the air mass.

Key words：Atmospheric precipitation; Stable isotopes; Xi'an city

收稿日期：2015-11-10

作者簡介：劉筱(1991─)，女，山東濟(jì)寧人，碩士，主要從事生態(tài)水文學(xué)研究。*通訊作者：張福平。

中圖分類號：P339

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)06-0071-05