王興 李王成 董亞萍 劉學智 趙妍 李晨 王雙濤

摘要：在全球大氣降水同位素觀測網西安站的大氣降水同位素資料基礎上，結合該地區(qū)實際氣象數據資料，分析了西安地區(qū)大氣降水中穩(wěn)定同位素的組成，并建立了西安地區(qū)的大氣降水線方程，揭示了該地區(qū)大氣降水線分布特征的差異性和溫度、降水量及水汽壓對大氣降水穩(wěn)定同位素的不同影響。結果表明：年度尺度上，西安地區(qū)大氣降水中穩(wěn)定同位素與溫度成正相關，與降水量成負相關.8D與水汽壓成負相關，8180與水汽壓成正相關。

關鍵詞：大氣降水線;溫度;降水量;水汽壓;變化特征;8D;8is0;西安地區(qū)

中圖分類號：P426.6I;P597

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.01.016

大氣降水不僅是水量平衡方程中的基本參數，而且是水文循環(huán)中的最基本環(huán)節(jié)。通過閉合流域的年均降水量平衡方程（P=R+E，其中P、R、E分別為降水量、徑流量、蒸發(fā)量）可以看出，大氣降水既是地表徑流的本源，又是地下水的主要補給來源[1]。對大氣降水穩(wěn)定同位素進行研究是利用同位素技術研究區(qū)域水循環(huán)的前提[2]。氫氧穩(wěn)定同位素作為自然水體的重要組成成分和一種示蹤元素，被廣泛應用于水文循環(huán)研究[3-5]。近年來，我國學者對大氣降水中的氫氧穩(wěn)定同位素（簡稱穩(wěn)定同位素）進行了大量研究[6-10]，證明大氣降水中穩(wěn)定同位素受降雨量、溫度和水汽壓等多種因素的影響。因此，查明大氣降水中穩(wěn)定同位素的分布特征及其影響因素，對揭示水汽來源、反映地區(qū)大氣降水氣象條件、研究區(qū)域水文循環(huán)過程、深入了解地下水起源和形成具有深遠的意義。

國際原子能機構（IAEA）和世界氣象組織（WMO）在全球范圍內啟動了大氣降水同位素觀測計劃，建成了800多座觀測站，在全球范圍內調查環(huán)境同位素[11]，通過連續(xù)跟蹤監(jiān)測，確定全球、區(qū)域水循環(huán)機制，為全球大氣降水中穩(wěn)定同位素的變化特征、影響因素提供基礎環(huán)境資料。本文根據全球大氣降水同位素觀測網（ GNIP）和全國大氣降水同位素觀測網的資料，并結合中國氣象數據網中西安地區(qū)的氣象資料，繪制了西安地區(qū)降水穩(wěn)定同位素關系曲線，以及多年平均降水量、多年平均溫度及水汽壓與氫氧穩(wěn)定同位素的關系曲線，同時對西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素的季節(jié)變化特征和同位素效應進行了分析，并且對溫度、降水量、水汽壓等影響西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素的因素進行了分析，以期為西安地區(qū)大氣循環(huán)機制的深入分析以及地下水研究奠定基礎。

1 西安地區(qū)地理、氣候特征及數據來源和方法

1.1 西安地區(qū)地理、氣候特征

西安位于黃河流域中部的關中盆地、關中平原以南地區(qū)，北部為沖積平原，南部地區(qū)為秦嶺山脈，海拔2 000-2 800 m。西安地處暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，全區(qū)降水量少、蒸發(fā)量大且降雨年際變化大，降水分配不均，年均降水量為530-700 mm，年內降水量主要集中在7-9月，其降水量約占全年的45%，空間上分布不均，呈東多西少、南多北少的分布格局，蒸發(fā)量也呈現出相同的分布特點。印度洋的西南季風和太平洋的東南季風是夏季西安地區(qū)以及所在關中盆地大氣降水水汽的主要來源。

1.2 數據來源與方法

全球大氣降水同位素觀測網西安站的數據記錄時段為1985-1993年。西安地區(qū)溫度、降水量和水汽壓等氣象數據資料來源于中國氣象數據網。大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素δD、δ180以及溫度、降水量和水汽壓等數據均為月平均值，樣品的收集、運輸程序和標準數據由IAEA嚴格制定。其中，環(huán)境同位素的表示方法用千分差來表示[12]，即

δ=R樣/ R標準 -1 （1）式中：δ為穩(wěn)定同位素的比值相對標準同位素比值的千分差;R樣品為樣品中180與160的比值;R標準為國際通用的同位素標準。

本文利用Excel軟件對西安地區(qū)大氣降水同位素數據進行處理，分析降水量效應、溫度效應及其與水汽壓之間的關系。

2 結果與分析

2.1 西安地區(qū)大氣降水線

在全球水文循環(huán)中氫氧同位素之間協(xié)變性最突出的特點就是Harman Craig提出的全球大氣降水線（ GMWL）[13]，表示為8D= 88180+10，它是一條斜率為8、截距為10的直線。斜率反映出蒸汽和凝聚是大氣降水同位素的主要影響因素，截距表示全球大氣降水的平均值，截距大于10表示該降水云氣形成過程中氣、液兩相同位素分餾不平衡程度偏大，小于10則意味著在降水過程中存在蒸發(fā)作用的影響。全球大氣降水線被證明是用來解釋年平均降水同位素組成變化的一種有用的參考線。國內諸多學者根據IAEA同位素全球觀測網站數據庫提供的數據資料，對我國的降水同位素分布特征進行了研究。1980年，鄭淑蕙等14]在南京.北京、昆明等地的8個臺站收集了107個降水樣品，并對其中101個樣品的8D和6180進行了分析，利用最小二乘法求得我國大氣降水穩(wěn)定同位素“雨水線”方程為8D= 7.98180+8.2。本文根據西安站1985-1993年實測大氣降水穩(wěn)定同位素的數據資料以及該站的雨水樣品分析結果，用最小二乘法擬合得到西安地區(qū)大氣降水線方程為8D= 7.4888180+6.126，其判定系數R2= 0.92.見圖1。

由圖1可以看出，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很接近，但受氣象條件、地理位置、水汽來源等因素的影響，斜率和截距都相對偏小。西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素值的變化范圍分別為：8D，- 122.7‰-0.8‰，平均值為- 48. 287‰; δ18O，- 17.02‰ - -1.1‰，平均值為-7. 267‰，變幅較大，但變化范圍均處在我國以及全球大氣穩(wěn)定降水同位素的變化范圍內。

Dansgaard W[is]根據GNIP 1962-1983年收集的數據資料，研究分析出影響全球大氣降水穩(wěn)定同位素組成的地理分布和季節(jié)分布因素，并且依據瑞利模型概括了全球大氣降水氫氧同位素的溫度效應、降水量效應等。國內學者根據全球大氣降水同位素觀測數據和中國大氣降水同位素觀測數據，也論證了氫氧穩(wěn)定同位素的溫度效應和降水量效應。此外，水汽壓的大小以及水汽源地的初始狀態(tài)、水汽輸送方式、云中液態(tài)水含量等第二類（通常將影響大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素的主要因素分為兩類，第一類是緯度效應、溫度效應、降水量效應等，除此之外的影響因素則歸為第二類）因素同樣對大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素的大小有重要影響。概括來講，大氣降水穩(wěn)定同位素組成的主要影響因素有：①區(qū)域氣候的氣象環(huán)境，例如水汽由產生到傳送到形成降水的全過程中D、O穩(wěn)定同位素發(fā)生的變化和降水氣團的性質、來源等;②區(qū)域局部的地理特征，包括降水時的溫度、降水量和水汽壓等各種氣象要素以及海拔等。大氣降水穩(wěn)定同位素的組成和變化是這些因素相互作用的結果，對于某一個特定地區(qū)，其緯度和海拔是固定的，因此影響西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素變化的因素主要考慮氣溫、降水量、水汽壓、季節(jié)變化等。

2.2 西安地區(qū)大氣降水同位素的降水量效應

降水量效應指的是8D和δ18O隨月均降水量的變化而發(fā)生的變化，這一效應在我國多發(fā)生在降水比較豐富的低緯度地區(qū)以及東部沿海地帶，這種現象主要可能是雨滴下降過程中的蒸發(fā)濃縮作用引起的。Ya-manaka T等[16]研究表明，受季風活動的影響，我國東部地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素具有顯著的降水量效應。大氣降水中穩(wěn)定同位素組成和空氣濕度存在相關關系，所以降水的平均同位素即8D和6180值與降水量也存在著某種函數關系。西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素8D和δ180與降水量之間的關系見圖2。

由圖2可知.δ180、δD與降水量關系曲線的斜率均為負值，且判定系數很小，說明在年尺度上，西安地區(qū)大氣降水中穩(wěn)定同位素的組成并沒有隨著大氣降水量的變化呈現很大的貧化現象，即西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素在年度尺度上不存在降水量效應，這與降水的復雜性和水汽來源有很大關系，局部氣候的年際變化會改變大氣降水中穩(wěn)定同位素的數值，西安地區(qū)的這種現象與經典同位素理論中的降水量效應相一致，即穩(wěn)定同位素的降水量效應主要發(fā)生在中低緯度沿海地區(qū)，在我國內陸區(qū)通常表現不顯著，并且它的產生與大氣強烈對流現象相關。

西安地區(qū)降水同位素的上限值隨著降水強度的增大而明顯降低，降水量和降水同位素在夏季的擬合關系為δ180= -0.039P-4.339。這說明西安地區(qū)大氣降水同位素的降水量效應雖然在年尺度上不顯著，但是在夏季該效應還是很明顯的，必須加以考慮，不能忽視。

2.3 西安地區(qū)大氣降水同位素的溫度效應

章新平等[17]利用動力分餾模型模擬了產生在混合云（積云與層云的混合產物）中的穩(wěn)定同位素效應。認為水汽云團的冷凝溫度與降水穩(wěn)定同位素8D和δ18O的相關關系比地面溫度更為直接，同時得出了在月尺度、年尺度下降水同位素的溫度效應和降水量效應。溫度效應指的是δ值隨月均氣溫的變化情況，在高緯度地區(qū)溫度是影響大氣降水中穩(wěn)定同位素變化的主要因素，在南北兩極表現得尤其明顯，且越深入大陸內部，其正相關性越強[18]，這種現象在我國主要表現在季節(jié)溫度變化比較大的地區(qū)，如我國西北地區(qū)的西安、烏魯木齊、蘭州等。

受海水濃縮蒸發(fā)、水汽團濃縮和降水分布的影響，降水穩(wěn)定同位素會產生分餾現象，從而造成時空分布的差異性。Craig H提出的瑞利蒸餾方程可以描述這種分餾現象：

R_v/R_o=f（a-l）式中：Rv為剩余蒸汽的比值;Ro為原始水蒸汽的比值;f為蒸汽剩余部分;a為同位素的分餾系數[19]。

從瑞利蒸餾方程可以看出，溫度是影響蒸發(fā)水體中穩(wěn)定同位素分餾的主要因素，平衡分餾的進程完全取決于溫度，瑞利蒸餾方程中剩余水中8D和δ18O的數值隨溫度變化而變化，因此大氣降水中穩(wěn)定同位素的組成有很強的溫度效應。西安地區(qū)8D和δ18O與溫度之間的關系見圖3。

從圖3可以看出，西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素與溫度均成正相關關系。綜合各種統(tǒng)計結果來看，降水穩(wěn)定同位素與溫度的相關性很低，然而實際上卻不是這樣，原因是溫度對于降水中同位素的分餾有重要作用，二者相關性很低主要是收集的資料序列較短造成的，若條件允許，則可以證明降水穩(wěn)定同位素與溫度存在良好的線性函數關系。國內學者研究分析也表明，我國高緯度地區(qū)大氣降水中8D和δ18O與溫度成正相關關系，而低緯度地區(qū)則為負相關關系。但是，在季節(jié)尺度上，大氣降水穩(wěn)定同位素的溫度效應很輕微，甚至不存在，西安地區(qū)大氣降水中8D和δ18O與溫度的相關關系與之相符。

2.4 西安地區(qū)大氣降水同位素的水汽壓影響因素

在全球大氣水循環(huán)過程中，水汽既是載體，同時又是相變的主體，因此大氣降水穩(wěn)定同位素的含量必會隨著水汽壓變化而變化。西安地區(qū)大氣降水中穩(wěn)定同位素與水汽壓的相關關系見圖4。

從圖4可以看出，西安地區(qū)大氣降水中8D、δ18O與水汽壓均成負相關關系，且由該地區(qū)降水中8D與水汽壓擬合得到的曲線斜率的絕對值大小可以得到，大氣降水中穩(wěn)定同位素8D與水汽壓呈現較強（相對于δ18O）的相關性。同樣，大氣降水中穩(wěn)定同位素δ180與水汽壓也成負相關關系，但δ180與水汽壓的相關性較差.用最小二乘法擬合的曲線情況也比較差。西安地區(qū)夏季主要接受太平洋東部東南季風以及印度洋西南季風的水汽，然而由于夏季季風所帶的水汽經過多次降水過程才到達西北內陸地區(qū)，因此穩(wěn)定同位素沿途虧損較為嚴重。

3 結語

受西安地區(qū)局地特殊氣候和地理環(huán)境的影響，大氣降水線方程與全球大氣降水線方程和中國大氣降水線方程稍微偏離。溫度效應和季節(jié)效應是影響西安地區(qū)大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素的主要因素。

季節(jié)尺度上，西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素組成同樣發(fā)生著顯著變化：夏季為大氣降水同位素貧化時期，富集時期為春季;年度變化上，夏半年（一般指春分日到秋分日）降水同位素貧化偏負，冬半年（一般指10月至次年3月中旬）降水同位素富集偏正。西安地區(qū)夏季降水的水汽源主要來自太平洋東部的東南季風和印度洋的西南季風，相比東部沿海和低緯度地區(qū)干燥且濕度低，年均降水量小且蒸發(fā)非常強烈，降水量遠小于蒸發(fā)能力。西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素的溫度效應比較明顯，造成這種現象的主要原因是在西安這種比較干旱的西北內陸地區(qū)，溫度升高后大氣降水明顯受到蒸發(fā)的強烈作用。

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【責任編輯翟戌亮】

收稿日期：2018-07-20

基金項目：國家自然科學基金資助項目（ 51569022）

作者簡介：王興（1993-），男，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向為節(jié)水灌溉技術與理論

通信作者：李王成（1974-），男，陜西勉縣人，副教授，主要研究方向為節(jié)水灌溉技術與理論、農業(yè)水資源高效利用