詹瀘成,趙 娜,陳建生

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

霧被定義為是一種水平能見度小于1km的地面接觸云[1]?？諝庵休^小的霧滴被植被林冠截獲后形成大水滴, 并滴落至地面, 也稱為“水平降水”[2]。在世界上一些森林、草地、沙漠、濕地等系統(tǒng)中,霧水具有重要的生態(tài)水文學(xué)意義,不僅能為植物生長(zhǎng)提供額外的水分和養(yǎng)分[3-4],甚至還會(huì)大量參與徑流過程[5-6]。氫(2H)氧(18O)穩(wěn)定同位素可以有效識(shí)別水分來源、定量分析水體混合情況[7-9]。學(xué)者在對(duì)霧水進(jìn)行氫氧穩(wěn)定同位素分析時(shí)發(fā)現(xiàn),與同一時(shí)段的降水相比,霧水中更加富集重同位素[10-13]。這一同位素組成差異為進(jìn)一步定量研究霧水對(duì)植被、土壤、徑流系統(tǒng)的貢獻(xiàn)提供了有效方法[14-16]。例如:Ingraham等[17]基于霧水和降水的氫氧穩(wěn)定同位素差異,發(fā)現(xiàn)美國(guó)加利福尼亞州針葉林對(duì)霧水的依賴性;Liu等[3,18-19]系統(tǒng)研究了中國(guó)西雙版納地區(qū)霧水對(duì)熱帶雨林的重要貢獻(xiàn);基于霧水和降水的同位素組成差異,發(fā)現(xiàn)在中國(guó)西南赤水森林區(qū),被林冠截留的霧水對(duì)徑流系統(tǒng)存在大量補(bǔ)給,從而維系了當(dāng)?shù)睾导镜钠俨季坝^[5-6]。利用同位素技術(shù)定量研究霧水的水文生態(tài)效應(yīng),需要依賴霧水和降水的同位素組成差異,將二者看作同位素特征不同的混合端元。然而,受到水汽來源和復(fù)雜環(huán)境的影響,不同地區(qū)的霧水與降水同位素的差異特點(diǎn)不同,從而影響著同位素混合模型的適用性和準(zhǔn)確性。

由此可見,系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)霧水和降水同位素組成的差異及其影響因素,具有十分重要的意義。雖然人們?cè)谑澜缟虾芏嗟貐^(qū)都發(fā)現(xiàn)了霧水中氫氧穩(wěn)定同位素更加富集的現(xiàn)象,對(duì)于其成因也作出了合理解釋[10,17,20-22],但是目前仍然缺少全球尺度下的規(guī)律總結(jié)和系統(tǒng)性的影響因素分析。本文搜集了全球現(xiàn)有的關(guān)于霧水同位素的研究,建立了霧水氫氧穩(wěn)定同位素組成δ2H和δ18O的數(shù)據(jù)庫,結(jié)合lc-excess值計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析,系統(tǒng)總結(jié)了霧水和降水氫氧穩(wěn)定同位素的差異規(guī)律,并探討了其主要影響因素以及與不同霧發(fā)生類型的關(guān)系。

1 研究方法

本文從全球已有文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)附件或圖表中搜集了霧水和同一時(shí)段降水的同位素?cái)?shù)據(jù),均以相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)海水的千分偏差δ2H和δ18O表示。這些文獻(xiàn)中霧水來自對(duì)應(yīng)研究區(qū)內(nèi)林冠截留霧水(高度一般小于2m),采樣持續(xù)時(shí)長(zhǎng)從數(shù)月到數(shù)年不等,降水同位素?cái)?shù)據(jù)來源于水樣采集分析或附近的全球降水同位素監(jiān)測(cè)站點(diǎn)(GNIP, global network of isotopes in precipitation, http://nucleus.iaea.org/wiser)。對(duì)于文獻(xiàn)中未直接給出降水同位素?cái)?shù)據(jù)的情況,用GNIP附近站點(diǎn)的數(shù)據(jù)補(bǔ)充。本文搜集的霧水同位素?cái)?shù)據(jù)(δ2H和δ18O)共932組,降水?dāng)?shù)據(jù)共1203組,涉及16個(gè)研究區(qū),覆蓋了除南極洲之外的其他六大洲,對(duì)應(yīng)的研究區(qū)基本信息見表1。

表1 霧水同位素研究區(qū)基本信息

利用SPSS 19.0軟件計(jì)算每個(gè)研究區(qū)霧水和降水的同位素組成(δ2H和δ18O)差異顯著性水平(若p<0.05,認(rèn)為二者存在顯著差異)。分地區(qū)畫出δ2H-δ18O關(guān)系圖,判斷不同地區(qū)霧水和降水同位素的相互關(guān)系。Landwehr等[33]于2006年提出了line-conditioned excess(lc-excess)的概念,用來表示陸地水體同位素組成相對(duì)于當(dāng)?shù)亟邓€(local meteoric water line,LMWL)的偏離程度。本文計(jì)算了不同地區(qū)霧水同位素的平均lc-excess值,以此量化霧水同位素點(diǎn)與對(duì)應(yīng)地區(qū)LMWL的相對(duì)位置關(guān)系。當(dāng)霧水lc-excess值近似為0時(shí),可以認(rèn)為形成霧水和降水的水汽來源相似;當(dāng)lc-excess值大于0時(shí),說明形成霧水的水汽受到了其他水汽的混合;當(dāng)lc-excess值小于0時(shí),說明霧水受到了蒸發(fā)作用的影響[34]。根據(jù)霧水和降水的同位素特征及l(fā)c-excess值,本文對(duì)不同地區(qū)霧水同位素特點(diǎn)進(jìn)行了分類,并進(jìn)一步討論了二者同位素組成差異的成因和主要影響因素。

需要說明的是,已有研究中的不同地區(qū)同位素?cái)?shù)據(jù)往往來自不同的研究年份和季節(jié)。由于同位素組成存在時(shí)空變異性,所以本研究沒有分析對(duì)比不同地區(qū)霧水和降水同位素的絕對(duì)差異程度,而是在保證二者來自同一時(shí)段的前提下,側(cè)重于分析不同地區(qū)二者同位素差異的宏觀特點(diǎn),分類討論二者差異的主要規(guī)律和影響因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 霧水和降水氫氧穩(wěn)定同位素整體特征

如圖1所示,霧水的δ2H和δ18O在-91‰～58‰和-13‰～11‰范圍內(nèi),平均值(±標(biāo)準(zhǔn)差)分別為(-10±19)‰和(-3±2.5)‰;降水的δ2H和δ18O值在-120‰～44‰和-17‰～6‰范圍內(nèi),平均值(±標(biāo)準(zhǔn)差)分別為(-18±26)‰和(-4±3.3)‰。霧水和降水氫氧穩(wěn)定同位素組成存在顯著性差異(p<0.05),與降水相比,霧水更加富集重同位素。根據(jù)霧水同位素?cái)?shù)據(jù),擬合得到全球霧水線(GFWL)δ2H = 7.14δ18O + 10.77(R2=0.88),其斜率小于全球降水線(GMWL)δ2H= 8δ18O + 10的斜率。

圖1 全球霧水和降水δ2H-δ18O關(guān)系

2.2 各研究區(qū)霧水和降水氫氧穩(wěn)定同位素特征

從表2可以看出,大多數(shù)地區(qū)的霧水同位素明顯比降水同位素更富集。例如:新西蘭Otago半島的霧水δ2H、δ18O平均值與降水相比,重同位素明顯富集,平均值差值分別為20‰、2.4‰;中國(guó)西雙版納雨林的霧水δ2H、δ18O平均值和降水分別相差17‰、1.5‰。兩處地區(qū)(波多黎各島Luquillo山和日本Alps山)存在霧水同位素略微比降水同位素貧化的現(xiàn)象。

表2 霧水和降水的氫氧穩(wěn)定同位素組成

由圖2可知,霧水氫氧穩(wěn)定同位素分布與LMWL關(guān)系主要存在3種情況:霧水點(diǎn)分布在LMWL的95%置信區(qū)間內(nèi)(如新西蘭Otago半島),霧水點(diǎn)分布在LMWL上方(如中國(guó)赤水森林),霧水點(diǎn)分布在LMWL下方(如納米比亞Namib沙漠)。從擬合線斜率看,部分地區(qū)的霧水同位素?cái)M合線LFWL的斜率小于LMWL,表明霧水受到了一定程度的動(dòng)力分餾作用,納米比亞Namib沙漠地區(qū)尤其明顯。而在中國(guó)西雙版納雨林、肯尼亞Chalbi沙漠等地,LFWL的斜率明顯大于LMWL。

圖2 各研究區(qū)霧水和降水同位素δ2H-δ18O關(guān)系

3 討 論

3.1 霧水和降水同位素差異特征及分類

16個(gè)研究區(qū)中的新西蘭Otago半島、捷克山區(qū)、美國(guó)Point Reyes半島等10個(gè)研究區(qū)的霧水和降水同位素組成存在顯著性差異(表3),δ2H的差異在10‰～60‰之間,δ18O的差異在1.2‰～5.5‰之間。同一地區(qū)用δ2H、δ18O分別計(jì)算的霧水和降水同位素差異顯著性水平一致。

表3 各研究區(qū)霧水和降水同位素差異及分類

根據(jù)各研究區(qū)霧水和降水同位素組成以及霧水同位素的lc-excess值,可以將16個(gè)研究區(qū)的霧水和降水同位素差異特征分為以下3類情況(表3):①第1類,包含新西蘭Otago半島、捷克山區(qū)和美國(guó)Point Reyes半島3個(gè)研究區(qū)以及霧水和降水同位素?zé)o顯著性差異的6個(gè)研究區(qū),霧水同位素點(diǎn)分布在LMWL的95%的置信區(qū)間之內(nèi),lc-excess平均值大都接近于0。對(duì)于這類情況,霧水和降水來自相同的水汽,二者的差異取決于同位素分餾程度。其中法國(guó)研究區(qū)雖然lc-excess值小于 0,但無顯著性差異,暫歸為此類。②第2類,包含肯尼亞Chalbi沙漠、中國(guó)(西雙版納雨林、洞庭湖濕地、赤水森林)在內(nèi)的4個(gè)研究區(qū),霧水顯著比降水富集重同位素,霧水同位素點(diǎn)主要分布在LMWL上方,lc-excess平均值大于0。在這些地區(qū),霧水同位素組成暗示著形成霧水和降水的主要水汽來源存在差異。較高的lc-excess值表明形成霧水的水汽中存在大量的二次循環(huán)水[3]。③第3類,霧水顯著比降水富集重同位素,但霧水同位素點(diǎn)主要分布在LMWL下方,lc-excess平均值小于0,主要發(fā)現(xiàn)于美國(guó)Santa Cruz島、智利El Romeral盆地和納米比亞Namib沙漠的3個(gè)研究區(qū),同時(shí)這些地區(qū)的霧水線LFWL斜率明顯小于LMWL。這類現(xiàn)象與霧水所處的特殊環(huán)境條件有關(guān),例如在地面相對(duì)濕度較低的環(huán)境影響下,霧水形成后將受到蒸發(fā)等過程的影響。

3.2 不同類別同位素特征差異的主要影響因素

Ingraham 等[20]認(rèn)為造成非洲肯尼亞沙漠地區(qū)霧水和降水的同位素差異主要有兩個(gè)原因:①相對(duì)于降水,霧水形成時(shí)的環(huán)境溫度相對(duì)較高,凝結(jié)過程中的同位素分餾程度小;②霧水來自于水汽團(tuán)的初期凝結(jié)過程,凝結(jié)水量小,凝結(jié)水中重同位素占比高?？偠灾?霧水和降水同位素特征的差異主要來自于二者不同的冷凝條件和冷凝過程。根據(jù)本文搜集的全球已有的霧水和降水同位素?cái)?shù)據(jù),在第3.1節(jié)中分類結(jié)果的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步討論不同類別情況下的主要影響因素。

對(duì)于第1類情況,霧水同位素點(diǎn)分布在LMWL的95%置信區(qū)間內(nèi),可以認(rèn)為霧水同位素點(diǎn)分布在LMWL上。新西蘭東南部的Otago半島屬于典型的山地草原地貌,霧水取自海拔1000m左右的草地,霧水和降水的水汽均來自海洋,且在相似的氣象條件下冷凝產(chǎn)生[10],因此霧水的lc-excess值接近于0。捷克北部的高山森林區(qū)也具有類似現(xiàn)象[32]。在美國(guó)Point Reyes半島研究發(fā)現(xiàn),霧是由海洋表面潮濕的空氣在陸地表面凝結(jié)而成,與形成降水的水汽相同[17]。所以在Otago半島、捷克山區(qū)和Point Reyes半島,水汽凝結(jié)時(shí)的環(huán)境溫度成為影響凝結(jié)水體同位素組成的關(guān)鍵因素。降水的形成一般發(fā)生在溫度更低的高空,而低空水汽在近地面達(dá)到露點(diǎn)溫度(大于0℃)即可形成液態(tài)霧滴,后者發(fā)生相變時(shí)的環(huán)境溫度相對(duì)較高,因此霧水常常比當(dāng)?shù)亟邓哂懈叩摩?H、δ18O值[10,32]。在第1類的其余6個(gè)地區(qū),霧水和降水同位素組成無顯著差異。由于同一云團(tuán)水汽達(dá)到過飽和狀態(tài)并形成降水的溫度條件在空間、時(shí)間上都是變化的[35],因此由溫度引起的霧水和降水同位素差異存在較大的時(shí)空變異性。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn),其余6個(gè)地區(qū)霧的發(fā)生形式以地形霧為主,這說明溫度的影響容易被局部特殊的水汽對(duì)流模式削弱。

對(duì)于第2類情況,霧水同位素點(diǎn)明顯偏離LMWL,分布在LMWL的上方。與高空降水不同,冷凝成近地面霧水的水汽中包含了大量來自陸地水系統(tǒng)(河流、湖泊等)蒸發(fā)產(chǎn)生的二次循環(huán)水成分[3,6,20,29],因而具有大于0的lc-excess值。研究表明,中國(guó)西南赤水云霧森林區(qū)的旱季水汽多來自當(dāng)?shù)卣羯l(fā)和四川盆地,造成該地區(qū)霧水中明顯較高的lc-excess值[6]。霧水和降水的水汽來源不同,導(dǎo)致了二者的同位素組成差異。

對(duì)于第3類情況,霧水同位素點(diǎn)明顯偏離LMWL,分布在LMWL的下方。此類情況下,環(huán)境濕度是導(dǎo)致霧水與降水同位素差異的主導(dǎo)因素。環(huán)境濕度影響著水汽凝結(jié)時(shí)的動(dòng)力分餾過程以及水汽凝結(jié)后受蒸發(fā)影響的程度,從而決定了凝結(jié)水δ2H-δ18O關(guān)系線的斜率和截距[36]。環(huán)境濕度的影響在一些干旱地區(qū)尤為明顯,如在納米比亞的Namib沙漠,LMWL斜率較小,且霧水lc-excess值為負(fù)值,LFWL斜率僅為4.81。同樣,在降水量?jī)H約100 mm的智利El Romeral盆地中北部沿海的山區(qū),LFWL斜率為4.89。在這些干旱地區(qū),年降水量遠(yuǎn)小于潛在蒸發(fā)量,環(huán)境濕度較低,水汽冷凝形成霧水和降水時(shí)會(huì)存在明顯的動(dòng)力分餾過程,且形成后會(huì)受到二次蒸發(fā)作用的影響,越接近地面的霧水受到二次蒸發(fā)的影響越大,從而導(dǎo)致霧水和降水同位素組成差異更加明顯。第3類情況的有些地區(qū)雖然不屬于干旱區(qū),但環(huán)境濕度的影響主要發(fā)生在旱季,如美國(guó)Santa Cruz島的森林區(qū),屬于典型的地中海氣候,采集于旱季的霧水同位素點(diǎn)同樣分布在LMWL下方(圖2(n)),表現(xiàn)出了明顯的動(dòng)力分餾特征。

綜上,霧水是近地面水汽的凝結(jié)物,而降水為高空水汽凝結(jié)物,因此二者同位素特征差異的主要影響因素為水汽來源、凝結(jié)溫度和環(huán)境濕度。水汽來源的異同決定了霧水同位素點(diǎn)與LMWL的相對(duì)位置關(guān)系,對(duì)二者的同位素特征差異起到?jīng)Q定性作用。霧水、降水凝結(jié)時(shí)的環(huán)境溫度也是影響二者同位素組成差異大小的關(guān)鍵因素,降水的形成發(fā)生在溫度較低的高空,而霧水的形成則發(fā)生在溫度較高的近地面,霧水相對(duì)富集重同位素。此外,環(huán)境濕度會(huì)影響同位素動(dòng)力分餾過程和水汽凝結(jié)后受二次蒸發(fā)影響的程度,從而加大了霧水和降水的同位素差異,在干旱地區(qū)或旱季尤為明顯。

3.3 不同霧類型對(duì)應(yīng)的霧水和降水同位素差異特征

本文搜集的霧水主要涉及地形霧、輻射霧和平流霧3種情況(表1)。不同地區(qū)霧的產(chǎn)生機(jī)制不同,對(duì)應(yīng)著不同的水汽條件和冷凝過程,而水汽冷凝過程中的同位素分餾又控制著霧水的同位素組成,因此不同地區(qū)的霧水同位素特征以及霧水和降水同位素差異便不同。

地形霧是由暖濕空氣團(tuán)沿山坡向上爬升時(shí)冷凝形成。新西蘭Otago半島東南部的沿海山區(qū)盛行東北風(fēng),在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)和地形控制下,海洋水汽從海岸線到Otago高地不斷爬升冷卻,逐漸在近地面形成地形霧,在高空形成降水。因此,與降水相比,霧水是同一水汽團(tuán)在近地面的前期冷凝物,所處的環(huán)境溫度相對(duì)較高,因凝結(jié)過程中的溫度效應(yīng),霧水中更富集重同位素。類似的,肯尼亞Chalbi沙漠盆地周圍山區(qū)的霧屬于盆地水汽沿山坡爬升時(shí)形成的地形霧[20],霧水同樣是水汽在近地面環(huán)境下的冷凝產(chǎn)物。在地形霧情況下,霧水和降水常常同時(shí)出現(xiàn),雖然二者發(fā)生的高度存在差異,但特殊的水汽對(duì)流模式導(dǎo)致水汽缺乏垂向延展,溫度分層也會(huì)被相應(yīng)削弱[35],因而很多時(shí)候霧水和降水的同位素組成存在較大的重疊區(qū)域(圖2(a)(k)),甚至不存在顯著性差異。比如,在坦桑尼亞Kilimanjaro山、哥斯達(dá)黎加Tilarn山、日本Alps山、波多黎各島Luquillo山等研究區(qū)都是以地形霧為主,霧水和降水的水汽來源、冷凝過程和條件均相似,導(dǎo)致這些地區(qū)的霧水和降水同位素組成沒有顯著性差異(表3)。

輻射霧是當(dāng)夜晚地面輻射冷卻形成逆溫層時(shí),空氣中的水蒸氣在近地面大量凝結(jié)并積聚而形成的。如,在中國(guó)西雙版納熱帶雨林的霧水主要發(fā)生在海拔小于1 000 m的低山[37],該地區(qū)地處瀾滄江流域,河流水系眾多,植被覆蓋度高,當(dāng)?shù)睾恿鳌⑼寥勒舭l(fā)和森林蒸散發(fā)產(chǎn)生豐富的水汽,當(dāng)夜晚地面溫度降低時(shí)便冷凝形成霧水[3]。此外,在中國(guó)洞庭湖濕地和赤水森林也常有輻射霧的發(fā)生。這類地區(qū)霧水和降水同位素特征和差異也存在相似性:首先,由于霧水的主要水汽來源是當(dāng)?shù)匕滋煺舭l(fā)產(chǎn)生的二次循環(huán)水,與降水的主要水汽來源不同,因此霧水同位素具有較高的lc-excess值;再加上近地面霧與高空降水形成時(shí)的溫度差異,導(dǎo)致霧水中重同位素明顯富集。在不同水汽來源和冷凝條件的共同作用下,輻射霧和降水同位素組成差異較大。由此可見,輻射霧與降水的同位素差異規(guī)律,與第3.2節(jié)中的第2類情況存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

平流霧是當(dāng)暖濕的空氣移動(dòng)到溫度較低的下墊面時(shí),在水汽下部冷卻形成,一般在海岸帶較為常見。例如,在智利El Romeral盆地中北部的沿海地區(qū),反氣旋活動(dòng)將水汽從海洋帶到陸地,遇到地面低溫冷凝形成平流霧[38]。在美國(guó)西海岸加利福尼亞州的Santa Cruz島,霧是從東太平洋海面被輸送到海岸帶的平流霧[26],暖空氣在溫度較低的海面上移動(dòng),水汽達(dá)到露點(diǎn)后凝結(jié)形成小水滴,隨后被輸送到陸地附著在植被上。而在Namib沙漠,霧的發(fā)生以平流霧和輻射霧混合為主[34]。在平流霧情況下,霧水直接來自海洋水汽的第一次凝結(jié),雖然往往與降水具有相似的水汽來源,但平流過程中水汽缺乏垂向的對(duì)流混合,所以二者同位素組成的重疊區(qū)域較小(圖2(n)(o)),霧水中的重同位素明顯更加富集?？梢钥吹?以環(huán)境濕度為主要影響因素的第3類的研究區(qū)大都以平流霧為主,說明在平流霧情況下,近地面水汽在水平行進(jìn)和冷凝過程中,同位素組成更容易受到地面濕度等氣象因素的影響而進(jìn)一步發(fā)生變化。

4 結(jié) 論

a.全球已有研究的霧水和降水同位素組成整體上存在顯著性差異,霧水比降水更加富集重同位素,全球數(shù)據(jù)擬合的霧水線為δ2H = 7.14δ18O + 10.77。不同地區(qū)的霧水和降水同位素差異特征可分為3類:①lc-excess值近似為0,霧水分布在LMWL的95%置信區(qū)間內(nèi);②lc-excess值大于0,霧水分布在LMWL上方;③lc-excess值小于0,霧水分布在LMWL下方。

b.影響霧水和降水同位素差異的主要因素包括水汽來源、水汽凝結(jié)溫度和環(huán)境濕度。水汽來源決定了霧水同位素組成與LMWL的相對(duì)位置關(guān)系。霧水和降水凝結(jié)時(shí)的溫度差異是導(dǎo)致多數(shù)地區(qū)的霧水比降水更加富集重同位素的關(guān)鍵原因,且溫度的影響也存在時(shí)空差異。環(huán)境濕度影響水汽凝結(jié)時(shí)的動(dòng)力分餾以及凝結(jié)后受蒸發(fā)影響的程度,在干旱區(qū)尤為顯著。

c.霧水和降水同位素差異特點(diǎn)與霧發(fā)生類型之間存在關(guān)聯(lián)性:地形霧情況下,霧水和降水的水汽來源、冷凝過程和條件均相似,二者同位素組成重疊較大,甚至沒有顯著差異;輻射霧情況下,地面二次循環(huán)水汽導(dǎo)致霧水較高的lc-excess值,與溫度影響疊加后二者的同位素存在較大差異;平流霧情況下,水汽來源相似,水汽分層明顯,二者同位素組成存在較小的重疊,但霧水易受到近地面氣象條件的影響而出現(xiàn)二次蒸發(fā)。