蔡健榕，許 濤，楊云月，姜修洋

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

2.南京大學 地理與海洋科學學院，南京 210023

大氣降水是全球水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，氫、氧穩(wěn)定同位素作為水分子的重要組成成分，對環(huán)境變化的響應十分敏感，常用于水文循環(huán)（Dansgaard，1964；Tian et al，2003；Cai et al，2017，2019）、古 氣 候 重 建（Thompson et al，2000；Wang et al，2001）等研究中。華南地區(qū)的日降水δ18O特征顯示出雨季較低、旱季較高的特征（Xie et al，2011；Ruan et al，2019），但臺風作為天氣尺度下典型的極端事件，目前對其降水同位素特征的研究還不多。Lawrence et al（2002）發(fā)現(xiàn)，熱帶氣旋在降水時會留下獨特的同位素特征，可能提供有關(guān)熱帶氣旋的演化和結(jié)構(gòu)信息。過去許多基于季節(jié)尺度的研究指出，降水量與δ18O之間具有反相關(guān)性，即雨量效應，然而最近的研究指出熱帶地區(qū)日降水δ18O與降水量之間的相關(guān)性很弱（Konecky et al，2019）。除雨量效應外，水汽源位置的不同在控制降水δ18O方面十分重要（Peng et al，2010；Xie et al，2011），水分源的位置決定了水蒸汽必須經(jīng)過的距離，從而影響了降水δ18O。中國東南地區(qū)受臺風活動影響強烈，臺風常常為本地區(qū)帶來極端降水，臺風降水占比最高超過全年降水總量的40%（Zhang et al，2018），且臺風降水δ18O具有不同于一般大氣降水δ18O的特征（孫曉雙等，2016），使得東南地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素變化更加復雜。

當前關(guān)于臺風降水穩(wěn)定同位素已有少量研究。許濤等（2018）分析了臺風“杜鵑”的降水穩(wěn)定同位素變化特征及影響因素；孫曉雙等（2018）研究了臺風“燦鴻”在中國東部沿海北上四個城市降水同位素的時空變化特征及沖刷效應。Xu et al（2019）研究指出，臺風降水δ18O值的極端偏負是受到“云雨區(qū)效應”的影響：即云雨區(qū)大規(guī)模對流，高冷凝效率和同位素耗竭蒸汽的再循環(huán)作用三個因素組合導致了臺風期間降水δ18O值的極端偏負。但臺風登陸東南沿海向內(nèi)陸移動時，隨著臺風能量的削弱，降水減弱并混合當?shù)氐乃?，使得?nèi)陸的降水δ18O變化更為復雜。因此，沿臺風登陸沿海并向內(nèi)陸移動的路徑，設(shè)置研究監(jiān)測點有助于加強臺風對區(qū)域降雨穩(wěn)定同位素影響機制的認識。

當前，關(guān)于東南地區(qū)降水同位素的研究主要為月和日分辨率的大氣降水研究（Xie et al，2011；Ruan et al，2019）。但臺風的影響往往僅持續(xù)1 — 2天，已有的月降水和日降水數(shù)據(jù)不適于對臺風降水穩(wěn)定同位素的內(nèi)部變化特征進行深入研究。本文通過對2018年第8號臺風“瑪莉亞”在2018年7月11日影響沿海福州和內(nèi)陸將樂兩地小時分辨率的降水同位素數(shù)據(jù)的分析及氣象數(shù)據(jù)收集，結(jié)合水汽輸送通量，探究臺風移動過程中對區(qū)域降水穩(wěn)定同位素的影響機制。

1 臺風概況

2018年第8號臺風“瑪莉亞”（Maria）（圖1，路徑數(shù)據(jù)來源于中央氣象臺臺風網(wǎng)，http://typhoon.nmc.cn/web.html），于7月4日20∶00（北京時間，下同）在美國關(guān)島以東洋面生成，之后向西偏北方向移動并逐漸增強；于11日09∶10在福建省連江黃岐半島沿海登陸，登陸時為強臺風級，中心附近最大風力為14級（42 m ? s?1），中心最低氣壓約為960 hPa。登陸后向西北偏西移動，強度逐漸減弱，于20∶00在江西境內(nèi)減弱為熱帶低壓（圖1）。臺風“瑪莉亞”具有登陸早、強度大、減弱快、位置北等特點，是1949年以來于7月登陸福建的臺風中，強度最強、位置最北的，其結(jié)構(gòu)緊實，最強降水及大風區(qū)集中在臺風中心附近（孫劭等，2018）。

圖1 2018年第8號臺風“瑪莉亞”路徑圖Fig. 1 The path of No.8 typhoon “Maria” in 2018

受臺風“瑪莉亞”的影響，福建沿海地區(qū)出現(xiàn)10 — 13級陣風、沿海島嶼14 — 16級，9個縣（市）極大風速突破有氣象記錄以來7月極值（柳龍生等，2019）。福建省東北部和中部出現(xiàn)大到暴雨、局地大暴雨，部分地區(qū)累計降水量50 — 150 mm，局部地區(qū)達200 — 250 mm，其中福州64.9 mm，將樂44.3 mm。

2 研究區(qū)、數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)

本研究采樣點分別位于福州和將樂。福州 地 處 福 建 東 北 部，位 于25°15′ — 26°39′N、118°08′ — 120°31′E，屬于典型的中亞熱帶海洋性季風氣候。全年平均氣溫為19 — 22℃，最熱月平均氣溫在27 — 29℃，最冷月10 — 13℃，氣溫年較差大。平均相對濕度76% — 80%，年平均降水量為900 — 2100 mm，7 — 9月是臺風活動期，平均每年直接登陸市境的臺風約有2次，年平均臺風降水量約為350 — 550 mm，約占總降水的25% — 60%（林小紅等，2008）。將樂縣地處中亞熱帶南部，武夷山脈東南麓，屬濕潤亞熱帶季風氣候。近60 a來氣象站（永安，距將樂縣約100 km）資料統(tǒng)計，年平均氣溫19℃，1月平均氣溫9℃，7月平均氣溫28℃，年平均降水量約為1600 mm，集中于4 — 9月，約占全年的70%（姜修洋等，2012）。

2.2 數(shù)據(jù)

本研究采樣點分別位于福建師范大學倉山校區(qū) 地 理 科 學 學 院（119°19′E、26°03′ N，31 m）的開闊樓頂和將樂玉華洞（117°30′E、26°42′ N，300 m）空曠地面，于2018年7月11日臺風“瑪莉亞”影響期間，以0.5 — 2 h不等的時間間隔對臺風降水進行樣品收集，共獲取降水樣品30組，其中福州13組，將樂17組。采樣時使用干凈的2 L燒杯接取雨水，每個樣品采樣結(jié)束后立即倒入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°C冰箱冷藏保存。降水穩(wěn)定同位素測試在福建師范大學地理科學學院穩(wěn)定同位素中心完成，測試儀器為Picarro-L2140-i型同位素分析儀。δ2H和δ18O測試精度分別優(yōu)于0.5‰和0.08‰，測試結(jié)果用相對于維也納標準平均海水（V-SMOW）的千分差表示如下：

式中：R為2H / H或18O /16O。文中δ18O及d的平均值為降雨量加權(quán)平均數(shù)，計算公式為：

式中：δ18Oa為降雨量加權(quán)平均δ18O值，xn為降水δ18O值，da為降雨量加權(quán)平均d值，pn為降水量。

2.3 水汽通量

水汽通量又稱水汽輸送量，指單位時間內(nèi)流經(jīng)與速度矢正交的某一單位截面積的水汽質(zhì)量（北京大學地球物理系氣象教研室，1976），它表征了水汽輸送的強度和方向，可用于反映暴雨過程的水汽來源，以及這種水汽輸送和某些天氣系統(tǒng)的關(guān)系（文寶安，1980）。水汽通量散度，指單位時間內(nèi)單位體積中水汽的凈流失量，為正則有水汽流失，為負則有水汽積聚，它表征輸送來的水汽的集中程度，可用于探究暴雨出現(xiàn)在何處，雨量大小等（文寶安，1980）。

3 結(jié)果

3.1 臺風大氣降水線方程

受同位素分餾效應的影響，大氣降水中氫氧同位素呈現(xiàn)線性相關(guān)的變化，被稱作大氣水線（meteoric water line，MWL），廣泛應用于大氣降水穩(wěn)定同位素研究中（章新平和姚檀棟，1996；田立德等，2001；柳鑒容等，2009）。臺風“瑪莉亞”降水δ2H和δ18O呈顯著線性相關(guān)關(guān)系，線性方程 為 福 州 市（MLY-Fuzhou）：δ2H = 7.30δ18O ? 3.51（R2= 0.95，N= 13）、將樂縣（MLY-Jiangle）：δ2H = 6.93δ18O ? 4.37（R2= 0.99，N= 17）（圖2）。兩地降水線的斜率和截距比較接近，但均偏離全球大氣水線（GMWL）：δ2H = 8δ18O + 10（Craig，1961）和東部季風區(qū)的局地大氣降水線方程（LMWL）：δ2H = 7.46δ18O + 0.90（柳鑒容等，2009）。

圖2 臺風“瑪莉亞”降水δ2H和δ18O的關(guān)系Fig. 2 Relationship between δ2H and δ18O in the precipitation of typhoon “Maria”

3.2 降水δ18O階段性變化特征

3.2.1 臺風“瑪莉亞”降水穩(wěn)定同位素時間變化特征

數(shù)據(jù)顯示（圖3），受臺風“瑪莉亞”影響，福州市采樣點于7月11日上午09∶00左右開始降水，7月11日晚22∶00左右停止，降水量為64.9 mm，最大降水量出現(xiàn)在11∶00左右（22.3 mm），氣溫在23 — 24°C，相對濕度在83% — 94%，風力3—7級。臺風降水期間，福州 降 水δ2H值 變 化 范 圍 為 ? 16.40‰ — ? 80.50‰，振幅為64.10‰；降水δ18O值變化范圍為 ? 2.72‰ — ? 10.52‰，振 幅 為7.80‰，降 水δ18O平 均 值為 ? 8.42‰，低于福州夏季多年降水δ18O平均值 ? 6.53‰（程中雙和張永波，2015）。臺風期間福州降水中δ18O值呈現(xiàn)倒U型變化特征（圖3），可將其劃分為3個階段。階段1（11日09∶00 — 10∶00）：降水δ18O值相對偏正，為 ? 4.83‰ — ? 7.04‰，平 均 值 為 ? 6.55‰。此階段降水量約19.3 mm，占降水期間總降雨量的29.7%。該階段氣溫基本平穩(wěn)，相對濕度迅速增加為90%；風力較強，為5 — 7級。此時臺風“瑪莉亞”中心距離采樣點位置約31.7 — 70.0 km，處于云墻對流區(qū)。研究表明（方勉等，2019），臺風登陸減弱時，外圍螺旋雨帶降水加強，削弱了云墻區(qū)對流的發(fā)展，使得這一階段臺風中心降水有所減弱。弱降水混合本地水汽導致該階段降水δ18O值相對偏正。階段2（11日10∶00 — 16∶00）：降水δ18O值顯著偏負，變化 范 圍 在 ? 8.45‰ — ? 10.52‰，振 幅 為2.07‰，平均值是? 8.95‰。該階段降水量達45.1 mm，占臺風“瑪莉亞”總降水量的69.5%。此時“瑪莉亞”中心距離采樣點位置約24.9 — 175.2 km，受到臺風云雨區(qū)影響。11日13∶30，“瑪莉亞”中心距離采樣點83.9 km，降水δ18O值最為偏負，達? 10.52‰。該階段，氣溫保持在23 — 24°C，相對濕度達97%，風力為4 — 6級，蒸發(fā)引起的同位素分餾效應較弱。階段3（11日16∶00 — 22∶00）：降水δ18O相對偏正，為? 2.72‰，此時段無明顯降水，此時采樣點距離“瑪莉亞”中心220.5 km，處于“瑪莉亞”外圈區(qū)域。

圖3 7月11日臺風“瑪莉亞”期間福州及將樂采樣記錄Fig. 3 Sampling records in Fuzhou and Jiangle during the period of typhoon “Maria” in 11 July

將樂采樣點降水開始于11日11∶00左右，結(jié)束于20∶00左右，降水量為44.3 mm，最大降水量出現(xiàn)在11日16∶00左右（15.4 mm）。臺風影響期間，氣溫在24 — 26°C，相對濕度在88% — 98%，風力1 — 2級。與福州相比，將樂臺風降水穩(wěn)定同位素組成整體變化較大，整個過程降水δ18O值變化范圍為?1.70‰ — ?11.93‰，平均值為?10.06‰，振幅為10.23‰；降水δ2H值變化范圍為?19.86‰ — ?89.13‰，振幅為69.67‰。臺風期間將樂降水δ18O值呈現(xiàn)“廠”字型的變化特征，可將其劃分為2個階段。階段1（11日11∶00 —14∶00）：降水δ18O值相對偏正，為?1.70‰ — ?7.54‰，平 均 值 為?5.55‰。此時段降水量約5.2 mm，占降水期間總降雨量的12%。該階段氣溫基本穩(wěn)定于24 — 26°C；相對濕度波動較大，為88% — 96%；風力較弱，為1 — 2級。此時“瑪莉亞”中心距離采樣點位置約91.4 — 164.6 km，受當?shù)厮绊戄^大，降水δ18O值相對偏正，形成臺風前端降水。階段2（11日14∶00 — 20∶00）：降水δ18O值顯著偏負，變化范圍在 ? 8.42‰ — ? 11.93‰，振幅為3.51‰，平均值是? 10.66‰。該階段降水量為39.1 mm，占總降雨量的88%，“瑪莉亞”中心距離采樣點位置約35.2 — 76.2 km。11日18∶30降水δ18O值達到最偏負值? 11.93‰，距“瑪莉亞”中心50.1 km。該階段，氣溫保持在24 — 25°C，相對濕度大，空氣中水汽接近飽和狀態(tài)，風力平穩(wěn)為1 — 2級，由蒸發(fā)引起的同位素非平衡分餾效應弱。

3.2.2 降水δ18O值的空間變化特征

前人研究表明，降水δ18O值的變化特征與臺風中心到采樣點的距離具有很好的相關(guān)性（Lawrence and Gedzelman，1996；Ohsawa and Yusa，2000）。Jackisch et al（2019）在對多次臺風降水的研究中發(fā)現(xiàn)，臺風離采樣點越近，δ18O值越偏負。數(shù)據(jù)顯示（圖4），將樂采樣點臺風降水δ18O值整體上隨距離的減小而更為偏負，與前人研究相符。但福州采樣點的數(shù)據(jù)略有不同，這可能是由于采樣點降水過程主要集中在“瑪莉亞”登陸之后，降水初期臺風中心距離采樣點位置較近，但降水量較小，受蒸發(fā)作用影響強烈，降水δ18O值相對偏正。

圖4 臺風“瑪莉亞”降水δ18O和采樣點與臺風距離關(guān)系Fig. 4 Relationship between δ18O and distance (sampling points and typhoons) in the precipitation of typhoon “Maria”

4 討論

4.1 大氣水線

研究表明（章新平和姚檀棟，1998；田立德等，2001），氣候狀況不同會使當?shù)卮髿饨邓€的斜率和截距偏離全球平均水平8和10，表明該地區(qū)降水的不平衡條件，即降水產(chǎn)生于非瑞利條件下。福州、將樂兩地降水線的斜率均小于8，表明降水經(jīng)歷了一定的蒸發(fā)過程。降水的再蒸發(fā)程度可能與不同環(huán)境中的相對濕度條件有關(guān)（Lee and Fung，2008）。章新平等（2003）發(fā)現(xiàn)在未飽和大氣中的蒸發(fā)，水體中18O的富集程度一般要高于瑞利模式的結(jié)果，且相對而言，18O的富集速率比D快，從而造成實際蒸發(fā)中D/18O梯度的減小和常數(shù)項向負方向移動。由于福州、將樂夏季為副熱帶高壓影響顯著地區(qū)，臺風“瑪莉亞”登陸前后，降水較弱，采樣點的相對濕度較低，蒸發(fā)作用強烈，使得降水δ18O值偏正（＞?7‰），數(shù)據(jù)點主要集中于GMWL和LMWL右下方。當臺風云雨區(qū)影響采樣點時，降水明顯增強，相對濕度接近100%，大氣中的水汽接近飽和，接近于平衡分餾狀態(tài)。此時，臺風降水δ18O值顯著偏負（＜?7‰），數(shù)據(jù)點靠近LMWL分布（圖2），這表明在此期間降水的再蒸發(fā)比較微弱。降水期間，福州相對濕度明顯小于將樂，非平衡條件下的蒸發(fā)作用更為強烈，使得福州降水δ18O值更為偏正，數(shù)據(jù)點較將樂而言相對偏離GMWL和LMWL。

4.2 降雨量效應

福州和將樂的降水δ18O值變化范圍分別為?2.72‰ — ?10.52‰和?1.70‰ — ?11.93‰。在將樂的階段2中，降水δ18O值的變化范圍為?8.42‰ — ?11.93‰，平均值為?10.66‰，低于福州階段2降水δ18O的平均值（?8.95‰）。臺風“瑪莉亞”降水期間，福州總降水量（64.9 mm）高于將樂總降水量（44.3 mm），但福州降水δ18O值較將樂偏正，這顯然與降水量效應不符。前人研究表明（Xu et al，2019），當臺風登陸陸地，海洋表層蒸汽供應被切斷，同位素耗竭的蒸汽再循環(huán)隨之停止。當臺風向內(nèi)陸移動并形成降水時，在連續(xù)冷凝過程中重同位素的降落會導致從沿海到內(nèi)陸（福州到將樂）降水δ18O值的偏負。

4.3 云雨區(qū)效應

臺風影響期間，福州、將樂兩地階段2降水δ18O值相對偏負，分別為?8.45‰ — ?10.52‰和?8.42‰ — ?11.93‰。Xu et al（2019）指 出 臺風降水δ18O值的極端偏負是受到“云雨區(qū)效應”的影響：即云雨區(qū)大規(guī)模對流、高冷凝效率和同位素耗竭蒸汽的再循環(huán)作用三個因素組合導致了臺風期間降水δ18O值的極端偏負。如圖5所示，海水的δ18O值約為0，臺風形成過程中，海水蒸發(fā)，水汽中率先富集較輕的16O，形成初始δ18O值偏負、大量富集輕同位素的云墻結(jié)構(gòu)，水汽的δ18O值范圍接近?10.5‰ — ?14‰（楊杰東和徐士進，2007）。臺風逐步發(fā)展時，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，極高冷凝的效率，使得登陸前云體中的δ18O值始終保持較為偏負的狀態(tài)。臺風登陸后δ18O值較為偏負的降水通過耗竭蒸汽的再循環(huán)作用被臺風吸收，在沿路徑的內(nèi)陸地區(qū)降落時，使得降水δ18O值進一步偏負。由于福州、將樂兩地位于中國東南，夏季受副熱帶高壓影響顯著，前端降水受強烈蒸發(fā)效應影響，降水δ18O值相對偏正，變化范圍為?4.83‰ — ?7.04‰（福州）和?1.70‰ — ?7.54‰（將樂）。當臺風云雨區(qū)的大規(guī)模對流影響采樣點時，水汽迅速凝結(jié)降落，降水δ18O值偏負，變化范圍為?8.45‰ — ?10.52‰（福州）和?8.42‰ — ?11.93‰（將樂）。隨著臺風深入大陸，外圍環(huán)流水汽影響采樣點，受到蒸發(fā)作用和局地水汽混合影響，降水δ18O值再次偏正，結(jié)果為?2.72‰（福州）。

圖5 臺風降水中的氧同位素分餾Fig. 5 Oxygen isotopic fractionations in typhoon precipitation

4.4 高程效應

福建省地勢西高東低，海拔高度變化對降水同位素的影響不容忽視。降水過程中氫氧同位素存在明顯的高程效應，即大氣降水中δ18O和δ2H值隨海拔高度增加而下降，海拔高度越高，高程效應越顯著（顧慰祖，2011）。福州采樣點海拔高度為31 m，將樂采樣點海拔高度為300 m，福州降水δ18O平均值為?8.42‰，將樂為?10.06‰。Liu et al（2010）發(fā)現(xiàn)海拔是華南地區(qū)影響降水中δ18O的主要地理因子，其定量關(guān)系為?0.2‰ · (100 m)?1，即δ18O隨高度增加100 m而消耗0.2‰。因而，除云雨區(qū)效應外，高程效應也可能是導致將樂地區(qū)δ18O值更為偏負的原因。

4.5 水汽源分析

圖5顯示了臺風“瑪莉亞”移動過程中整層水汽輸送通量的變化。由圖5可知，7月6日、9日、11日，臺風“瑪莉亞”由西北太平洋形成并向西北方向移動。7月6日“瑪莉亞”位于美國關(guān)島附近洋面菲律賓東部海域，攜帶大量西北太平洋水汽并逐漸增強至超強臺風級。9日保持超強臺風級向西北方向移動，水汽主要來自西北太平洋通道和印度洋通道。11日08∶00“瑪莉亞”移動到福建東部，水汽主要來自西北太平洋通道、南海通道和遠源的印度洋水汽通道。11日20∶00“瑪莉亞”在向內(nèi)陸移動過程中逐漸減弱，海上水汽源基本切斷，降水主要由當?shù)氐乃约芭_風殘留水汽提供?！艾斃騺啞币苿舆^程中最主要的水汽通道有三條：西北太平洋通道、印度洋通道及南海通道。

過量氘（d-excess），其定義為d=δ2H ? 8δ18O，受制于相變過程中2H和18O分餾速率的相對差異，大小取決于水汽源區(qū)的氣象因素（相對濕度、海表溫度、風速等）（章新平等，2009）。d值反映了形成降水水汽團的同位素組成，含有水汽源區(qū)蒸發(fā)性質(zhì)的重要信息，如蒸發(fā)過程的平衡或不平衡狀態(tài)及蒸發(fā)速率（衛(wèi)克勤和林瑞芬，1994）。整個降水期間，福州d值的加權(quán)平均值為2.64‰，將樂為6.79‰，二者均小于全球大氣降水d平均值10‰和福州市夏季多年平均降水d值10.42‰，表明此次臺風降水主要受海洋氣團影響，這與圖5所觀察到的結(jié)果一致。對其進行階段分析發(fā)現(xiàn)，臺風“瑪莉亞”降水期間，d值的變化與δ18O值十分相似。福州采樣點階段1的d值變化范圍為?10.30‰ — ?0.70‰，均值為?2.82‰；階段2的d值變化范圍為2.00‰ — 5.70‰，均值為3.96‰，階段3為5.40‰（只含一個數(shù)據(jù)）。將樂采樣點階段1的d值范圍為?6.24‰ — 5.93‰，均值為2.31‰；階段2變化范圍為?6.19‰ — 8.38‰，均值為7.39‰。但兩地d值的相同階段特征是否指示著一致的水汽源還有待進一步探究。

圖6 整層水汽輸送通量場及其散度場Fig. 6 Whole layer of water vapor transmission flux field and its dispersion field

5 結(jié)論

通過對臺風“瑪莉亞”影響期間福州、將樂兩地降水δ18O值及相關(guān)氣象數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)：

（1）臺風“瑪莉亞”大氣降水線方程為：福州（MLY-Fuzhou）：δ2H = 7.30δ18O ? 3.51（R2= 0.95，N= 13）、將樂（MLY-Jiangle）：δ2H = 6.93δ18O ? 4.37（R2= 0.99，N= 17）。兩地降水線的斜率和截距均偏離全球大氣水線（GMWL）。福州地區(qū)降雨量明顯小于將樂，非平衡條件下的蒸發(fā)作用更強，數(shù)據(jù)點較將樂更加偏離GMWL和LMWL。

（2）臺風“瑪莉亞”期間，福州降水δ18O的變化呈現(xiàn)出三個階段的倒U型變化特征，將樂降水δ18O的變化呈現(xiàn)出兩個階段的“廠”字型變化特征，第二階段臺風降水δ18O值的顯著偏負主要受“云雨區(qū)效應”的影響。臺風向內(nèi)陸移動并形成降水時，離登陸地較遠的地區(qū)（將樂）δ18O值比登陸地（福州）更加偏負。

（3）水汽來源分析結(jié)果顯示此次臺風降水主要受海洋氣團影響，臺風移動過程中水汽主要來自西北太平洋、印度洋和南海通道。