短時間尺度下降水中穩(wěn)定同位素變化特征及其意義

薛積彬， 鐘 巍*， 謝麗純， 馬巧紅， 曹家元

(1.華南師范大學地理科學學院，廣東廣州 510631；2.廣東商學院資源與環(huán)境學院， 廣東廣州 510320)

短時間尺度下降水中穩(wěn)定同位素變化特征及其意義

薛積彬1， 鐘 巍1*， 謝麗純2， 馬巧紅1， 曹家元1

(1.華南師范大學地理科學學院，廣東廣州 510631；2.廣東商學院資源與環(huán)境學院， 廣東廣州 510320)

根據2007年11月至2008年3月廣州降水中穩(wěn)定同位素和氣象資料，探討了短時間尺度下降水中穩(wěn)定同位素變化規(guī)律.采樣期間所得到的降水中穩(wěn)定同位素與氣溫在天氣尺度下呈顯著的正相關，可能與2008年初南方發(fā)生嚴重冰雪凍雨災害期間特殊的大氣環(huán)流形勢、水汽輸送等因素有關.在單次連續(xù)降水過程中，降水中穩(wěn)定同位素變化過程主要有2類，一類是隨著降水的持續(xù)，降水中穩(wěn)定同位素逐漸降低，另一類則是降水中穩(wěn)定同位素變化表現(xiàn)出“V”型結構，且降水中過量氘(d)的變化與同位素變化趨勢相近，這些不同類型的同位素組成變化趨勢可能跟水汽來源、鋒面活動、雨滴下落過程中所受到的蒸發(fā)分餾等有關.

降水中穩(wěn)定同位素； 短時間尺度； 水循環(huán)

大氣降水是自然界水體循環(huán)中的一個重要環(huán)節(jié)，對降水中穩(wěn)定同位素(18O/16O，2H/1H)的現(xiàn)代過程研究是進行古氣候定量重建和研究不同時空尺度水循環(huán)的基礎.到目前為止，對降水中同位素組成的基本原理和規(guī)律及各種區(qū)域性和全球性影響因素已有較深入的認識[1-2]，逐漸轉向對水循環(huán)過程(降水過程、水汽來源、水汽輸送等)中穩(wěn)定同位素細節(jié)變化的研究[3-5]，特別是同一連續(xù)降水過程中穩(wěn)定同位素的變化研究在國際上已有報道[6-8].我國對降水中穩(wěn)定同位素變化的研究起步較晚，主要集中在對青藏高原[9-11]和東南季風區(qū)[12-15]等地降水中同位素變化的研究，考慮到這些研究多限于天氣尺度、季節(jié)尺度乃至年尺度下同位素的變化規(guī)律，因此對季風影響下連續(xù)降水過程中穩(wěn)定同位素細節(jié)變化的研究值得深入.

廣州(23.13°N，113.32°E)地處華南沿海，夏季受東南季風影響，冬季盛行東北季風，年平均氣溫22.2 ℃，年平均降水量為1 723.5 mm.自2004年5月以來，作者逐步開展了對廣州降水(主要是夏季)中穩(wěn)定同位素的取樣分析[16-17].

本文通過對2007年11月至2008年3月間廣州多次降水過程中高密度地水樣采集和穩(wěn)定同位素測試，初步分析了在連續(xù)降水過程中穩(wěn)定同位素隨時間的變化特征及其可能的指示意義，以期對短時間尺度下降水中穩(wěn)定同位素的變化研究增添新材料，同時也有助于了解一些極端天氣過程對降水中穩(wěn)定同位素變化的影響及其機理.

1 材料與方法

取樣時間為2007年11月至2008年3月，水樣采集于華南師范大學地理科學學院樓頂開闊天臺上，距離地面高約25 m.采樣期間，對一些持續(xù)時間較長的降水過程大致按每10～20 min收集1個水樣(下文簡稱為“事件水樣”)，共收集了16次降水過程中的97個水樣，個別降水過程因發(fā)生在夜間或降水量太小而沒有采集到.將收集的水樣裝入清洗干凈的50 mL敞口聚乙烯塑料瓶內，收集后立用蠟密封，低溫保存.所有水樣的氫、氧穩(wěn)定同位素測試在中科院青藏高原研究所完成，測試儀器為MAT-253氣體穩(wěn)定同位素比質譜儀，結果用相對于維也納標準平均海水(V-SMOW)的千分差來表示，測得的δ18O精度為±0.1‰，δD精度為±2‰.氣象資料來自于廣州五山氣象站，包括逐日氣溫和降水量數(shù)據.取樣和同位素測試的基本情況列于表1.

表1 2007年11月—2008年3月期間日氣溫、降水量和穩(wěn)定同位素Table 1 Daily temperature, precipitation and precipitation isotopes during Nov.2007-Mar.2008

2 取樣期間的極端天氣背景

2008年1月中旬至2月初，我國南方地區(qū)遭遇了一場50年一遇(部分地區(qū)百年一遇)的范圍廣、強度大、持續(xù)時間長的雨雪和冰凍重大氣象災害，江南、江淮和西南等地氣溫比常年偏低4 ℃以上.這一時期的連續(xù)冰凍日數(shù)為自1952年有記錄以來冬季長江中下游及貴州地區(qū)最多的[18].研究[19]表明，導致這次低溫雨雪災害的原因是多種因素在同一時段、同一地區(qū)相互配合和迭加的結果，特別是孟加拉灣和南海地區(qū)暖濕氣流的北上是大范圍凍雨和降雪形成并維持在中國南方的必要條件.隨著近年來一些極端天氣氣候事件(如持續(xù)時間異常的大旱、大澇)的頻繁出現(xiàn)，加強對極端天氣氣候事件中水汽輸送過程與特征的研究將有助于深入理解中國降水及其異常的機理[20].有意義的是，作者采集到了這次冰凍雨雪災害期間的降水并對其進行了同位素分析，這對于逐步認識在這種歷史罕見的極端天氣過程中降水中同位素的變化特征是很有幫助的.

3 結果與討論

3.1 廣州局地降水線特征

同位素測試結果顯示，在事件水樣中，δ18O的變化范圍為-12.9‰～1.9‰，算術平均值(下文均簡稱為平均值)為-4.9‰(n=81)，變化幅度為14.8‰；δD的變化范圍為-96‰～10‰，平均值為-26‰(n=81)，變化幅度為106‰.在日降水樣中，δ18O的變化范圍為-9.7‰～1.9‰，平均值為-3.8‰(n=16)，變化幅度為11.6‰；δD的變化范圍為-66‰～10‰，平均值為-18‰(n=16)，變化幅度為76‰.在單次降水事件過程中，事件水樣的δ18O與δD最大變化幅度分別為5.9‰和55‰，均出現(xiàn)在2008年1月25日的降水過程中，且該日降水中的δ18O與δD也是整個采樣時段內的最低值，分別為-9.7‰和66‰，而日降水樣中δ18O與δD的最高值均出現(xiàn)在2007年11月25日，分別為1.9‰和10‰.

在全球尺度下，降水中δ18O與δD存在一種線性關系，CRAIG[21]把這種關系定義為全球大氣水線(Global Meteoric Water Line，即GMWL)：δD=8δ18O+10.然而，由于不同地區(qū)在氣候和地理等條件上存在較大差異，且受大尺度海洋、大氣環(huán)流條件的影響，使得不同地區(qū)通常都有各自的降水線方程，即局地大氣水線(Local Meteoric Water Line，即LMWL).根據實際測得的廣州事件水樣的δ18O與δD，可以建立其局地降水線方程(LMWL-GZ，圖1)：

δD=8.23×δ18O+14.8(r=0.99，n=81).

一般來說，建立某地區(qū)的局地降水線方程要用該地月平均降水中穩(wěn)定同位素之間的關系來確定，由于GNIP中廣州站的監(jiān)測時間較短，且個別月份資料不全，因此利用距廣州近(直線距離約120km)的香港站降水同位素資料建立了香港的局地降水線方程(LMWL-HK，圖1)：

δD=8.22×δ18O+11.8(r=0.99，n=12).

從圖1發(fā)現(xiàn)，這2條降水線方程無論是斜率還是截距都非常接近，表明利用事件水樣的δ18O與δD建立的降水線方程對本地降水中δ18O與δD之間關系的確立也具有良好的代表性，在一定程度上反映出廣州、香港兩地在水汽來源、水循環(huán)方式等過程中可能不存在顯著的空間差異.

3.2 降水中穩(wěn)定同位素與氣溫、降水量的關系

在降水中穩(wěn)定同位素與眾多氣象因子構成的環(huán)境同位素效應中，溫度效應和降水量效應最受關注[1].一般來說，溫度效應主要出現(xiàn)在中高緯地區(qū)，而降水量效應則在中低緯海洋或季風區(qū)最為顯著.廣州日降水中穩(wěn)定同位素比率與氣溫之間表現(xiàn)出顯著的正相關關系，與降水量表現(xiàn)出顯著的負相關關系(圖2，表2).

圖1 廣州局地大氣水線方程

圖2 廣州日降水中穩(wěn)定同位素組成(A)與日氣溫、降水量(B)Figure 2 Variations of daily temperature, precipitation (B) and its isotopic composition (A)

需要注意地是，廣州日降水中δ18O與氣溫所表現(xiàn)出的正相關性與以往研究不同.有研究表明，在我國東部中低緯度沿海或季風地區(qū)，無論在天氣尺度還是季節(jié)尺度下，夏季降水中穩(wěn)定同位素比率與氣溫之間往往表現(xiàn)出一定的負相關或者相關性不明顯[13-14,17].圖3表明，在2004年5月—2005年6月和2007年11月—2008年3月兩個采樣監(jiān)測期間，廣州降水中δ18O與降水量之間均存在顯著的負相關關系，而δ18O與氣溫之間的相關性則不一致：在2004年5月—2005年6月，降水中δ18O與氣溫表現(xiàn)出顯著的負相關關系，而在2007年11月—2008年3月，兩者則為顯著的正相關關系.一般來說，在受季風影響地區(qū)，冬半年降水中穩(wěn)定同位素比率偏高，而夏半年降水中的穩(wěn)定同位素值偏低[12]，如圖3C中有2次降水事件的δ18O值較其他事件水樣的δ18O值顯著偏低(陰影所示)，分別達到 -9.6‰(2008年1月25日)和 -7.3‰(2008年1月26日)，而這2次降水事件恰好發(fā)生在2008年初我國南方雨雪最為嚴重的凍雨時段.相關性分析發(fā)現(xiàn)，若扣除掉這2次降水中較低的δ18O值，采樣期間其他14次日降水樣中δ18O與氣溫之間的相關性顯著減弱(r=0.43，且未通過P<0.05的置信度檢驗).初步分析認為，造成本次采樣期間廣州日降水中δ18O與氣溫呈顯著正相關的原因可能與該段時期所遭遇的極端冰雪凍雨災害有關，可能在于這段時期不同尋常的大氣環(huán)流形式、水汽來源及輸送過程等因素，機理尚待進一步研究.

表2 日降水中穩(wěn)定同位素、過量氘、氣溫、降水量間的相關關系

注：*，**分別表示顯著性水平達到95%，99%.

(A)、(B)為2004年5月至2005年6月數(shù)據，(C)、(D)為2007年11月至2008年3月數(shù)據.

3.3 連續(xù)降水中δ18O與δD的變化特征

考慮到部分降水事件中取得的水樣較少，因此僅將4次降水持續(xù)時間較長、取樣個數(shù)較多的事件水樣穩(wěn)定同位素隨時間的變化示于圖4中.在R3和R14降水過程中，降水中δ18O與δD均呈現(xiàn)出明顯的降低趨勢，而在R6和R9兩次降水過程中，降水中δ18O與δD則表現(xiàn)出先降后升的“V”型變化，且均在降水開始后30～45 min內達到整個降水過程的最低值，之后又表現(xiàn)出持續(xù)的上升趨勢.類似的變化特征在其他地區(qū)也有報道，并有研究認為這一變化趨勢可能與當時當?shù)氐拇髿猸h(huán)流形勢、水汽來源、水滴降落過程中受到的動力分餾作用等因素有關[8].

受季風影響地區(qū)，冬、夏季風期間降水的水汽來源、蒸發(fā)條件等均會有所不同.通常情況下，水汽在由源區(qū)蒸發(fā)后沿經向或緯向環(huán)流向內陸和高緯地區(qū)輸送，在此過程中，隨著云中水汽的不斷凝結、蒸發(fā)、形成降水落回地面，降水中δ18O與δD會不斷地貧化，特別是重同位素(D和18O)會優(yōu)先凝結、降落，從而使得降水中穩(wěn)定同位素比率逐漸變輕.因此，可以看到，在R3和R14降水過程中，隨著降水時間的持續(xù)，降水中穩(wěn)定同位素比率逐漸降低.此外，在R3降水事件中，δ18O與δD在下降的過程中出現(xiàn)短暫的上升態(tài)勢，推測其原因可能跟其他來源的新鮮水汽加入、并與原降水氣團發(fā)生混合所致，顯然，這些新加入的水汽不一定來自于局地蒸發(fā)，也可能來自距離更遠的水汽源區(qū).由于新水汽的加入，補充了原降水氣團中重同位素的含量，從而使得降水中穩(wěn)定同位素比率出現(xiàn)短暫地上升，但經過短暫地上升之后，降水中穩(wěn)定同位素比率仍將繼續(xù)降低.類似的變化過程在R14降水事件中雖也有體現(xiàn)，但是不及R3事件明顯.

圖4 4次連續(xù)降水過程中δ18O與δD隨時間的變化

降水中穩(wěn)定同位素比率“V”型變化結構可能跟鋒面降水活動具有重要關系[8].R6和R9事件均發(fā)生在2008年初的雨雪冰凍災害期間，有研究[22]認為，該次嚴重的凍雨天氣過程是多尺度環(huán)流系統(tǒng)綜合作用的結果，在行星尺度和天氣尺度系統(tǒng)的共同作用下，一條準靜止鋒長期穩(wěn)定并活躍在我國長江及其以南地區(qū).初步分析認為，R6和R9事件中的“V”型結構可能跟該時期盤踞在華南上空的這條準靜止鋒及其水汽來源具有密切聯(lián)系.來自海洋蒸發(fā)的暖濕氣流在經過長時間的運移之后被輸送到大陸，由于重同位素在水汽冷凝形成降水的過程中會優(yōu)先凝結、降落，使得在降水過程的初始階段降水中穩(wěn)定同位素迅速降低，而此時若暖濕氣流恰好遇到較強冷空氣的阻擋，在兩股冷、暖氣團之間就會形成一鋒面，由高層暖濕水汽冷凝形成的雨滴在降落時就會跟底層低溫水汽發(fā)生混合，而在冬季，來自于中高緯大陸內部的水汽其降水中穩(wěn)定同位素比率原本就比較高，使兩者共同作用形成的降水中穩(wěn)定同位素比率升高.另外，如果雨滴在下落過程中遭遇蒸發(fā)或者跟局地蒸發(fā)的水汽發(fā)生混合，同樣也會導致降水中穩(wěn)定同位素比率的升高.伴隨著冷暖氣團的相互對峙、交綏，降水中穩(wěn)定同位素比率會逐漸增大，直至降水過程結束，從而使得整個降水過程中同位素組成變化呈現(xiàn)出“V”型結構.

3.4 降水中過量氘的變化與水汽輸送

降水中的氫、氧穩(wěn)定同位素組成除具有線性關系之外還存在一差值，即過量氘(d=δD-8δ18O)[1]，在全球尺度下，降水中d的平均值在10左右.d通常被用作指示水汽來源及源區(qū)大氣濕度和水汽蒸發(fā)時同位素非平衡分餾的指標，主要受水汽源地水體蒸發(fā)時周圍大氣相對濕度的影響，在相對干燥的條件下，蒸發(fā)速率越大、風速越大則d值越高[23].除此之外，d值還會受到云下雨滴再蒸發(fā)分餾作用的影響，如果雨滴在下落過程中蒸發(fā)作用強烈，也會使得降水中d值偏小.已知，在季節(jié)尺度下，北半球降水中d表現(xiàn)出冬高夏低的特征，而南半球降水中d則與之相反[24]，對于連續(xù)降水過程中d的變化過程不清楚.結合表1、圖5發(fā)現(xiàn)，廣州日降水中氧穩(wěn)定同位素與d值間存在顯著的負相關關系(r=-0.54，P<0.01)；在天氣尺度下，廣州降水中d值變化范圍為 -4.4‰～18‰，基本都是在10‰上下波動，平均值為12.2‰，表明水汽在源區(qū)蒸發(fā)速率較緩慢，幾次出現(xiàn)較低的d值可能反映了雨滴在降落過程中受到了一定程度的蒸發(fā)作用.

圖5 2007年11月—2008年3月歷次降水中d與δ18O的變化

在R6和R14兩次降水過程中，d值表現(xiàn)出較大幅度的波動，變化幅度分別為8‰和9.2‰，且d值的變化趨勢跟各自降水中同位素的波動非常相似.研究表明，如果水汽源區(qū)大氣的相對濕度增加10‰，那么降水中d值將會下降6‰[25]，且雨滴下落過程中受到的蒸發(fā)分餾作用同樣會使得降水中d值降低.在R14降水過程的初始階段，d值最高可達18.2‰，可能主要反映了其水汽源區(qū)在不平衡條件下的快速蒸發(fā)過程，而在該次降水過程的后半段d值顯著降低，一方面反映了水汽源區(qū)的大氣相對濕度有所增加，另一方面說明隨著降水的持續(xù)，降水氣團內相對濕度有所降低從而使得雨滴在下落過程中受到了一定程度的蒸發(fā)分餾作用，導致d值減小.對于R6降水事件來說，d值的變化可能主要反映了在連續(xù)降水過程中的水汽來源發(fā)生了變化.如前所述，R6事件降水中同位素組成的“V”型結構可能主要源于冷暖氣團交匯所形成的鋒面活動，d值的“V”型波動則進一步證實了產生該次降水過程的水汽可能來自于不同源地.

從前述事件水樣中穩(wěn)定同位素和d值的變化來看，在同一次降水過程中可能存在不同于初始降水氣團的其他來源水汽的補充、加入，即在同一次降水過程中可能存在多個不同的水汽源區(qū).為此，作者利用NOAA提供的HYSPLIT氣團軌跡運移模型結合GDAS氣象數(shù)據庫，對幾次典型降水事件發(fā)生前24 h內的水汽運移路徑進行了追蹤反演(圖6).從圖6可以看出，不同高度層上的水汽均有不同的來源，特別是3 500 m高空氣流在到達廣州產生降水之前均經歷了較長的輸送距離，使得其形成的降水中的重同位素不斷貧化，從而導致降水中穩(wěn)定同位素偏低.R3和R6事件中的低層大氣其水汽主要來自于北方，而高層氣流主要來自于海洋蒸發(fā)，而在R9和R14事件中，低層氣流主要來自于研究區(qū)周邊，局地蒸發(fā)的水汽可能占有較大比例.另外，從歷次降水過程中2 000 m和3 500 m高度層水汽的垂直運移路徑來看，水汽在由海洋向陸地運移的過程中不斷地被抬升，而500 m高層氣流的垂向運動并不明顯，反映了此時在我國南方地區(qū)的確存在一較大規(guī)模的鋒面(準靜止鋒).

圖6 4次降水過程的水汽運移路徑反演

4 結論

通過對2007年11月—2008年3月間廣州大氣降水中穩(wěn)定同位素的采樣分析，初步探討了短時間尺度下降水中穩(wěn)定同位素的變化特征及連續(xù)降水過程中同位素組成變化與水汽輸送的關系，大致可以得出以下幾點結論：

(1)連續(xù)降水過程中的δ18O與δD之間具有良好的線性關系，據此建立的廣州局地水線方程同香港局地水線方程以及全球大氣水線方程都很接近，表明利用事件水樣穩(wěn)定同位素所建立的降水線方程對本地降水中δ18O與δD間關系的確立具有較好的代表性.

(2)在采樣期間，廣州日降水中δ18O與氣溫在天氣尺度下呈顯著的正相關性，與降水量為顯著的負相關關系.日降水中δ18O與氣溫呈顯著正相關的原因可能與2008年初的極端冰雪凍雨災害事件有關.對冬半年期間季風區(qū)降水中同位素與氣溫的正相關性是否具有普遍性仍有待于進一步研究.

(3)在同一次連續(xù)降水過程中，降水中穩(wěn)定同位素的變化特征分成兩類，一類是隨著降水的持續(xù)，降水中穩(wěn)定同位素逐漸降低；另一類則是隨著降水持續(xù)，降水中穩(wěn)定同位素呈“V”型變化.降水中d的變化與同位素變化趨勢相近，且同一連續(xù)降水過程中d值也存在較大幅度的波動.

鑒于資料方面的限制，作者對連續(xù)降水過程中穩(wěn)定同位素變化的認識還很有限，對其演變特征及變化機理有待于進一步研究.

致謝：中國科學院青藏高原研究所康世昌研究員對同位素測試給予幫助.

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IsotopicVariationsofPrecipitationinGuangzhouandItsImplicationsatShort-TimeScales

XUE Jibin1, ZHONG Wei1*, XIE Lichun2, MA Qiaohong1, CAO Jiayuan1
(1. School of Geography, South China Normal University, Guangzhou 510631, China;2. School of Resources and Environments, Guangdong University of Business Studies, Guangzhou 510320, China)

Based on the stable isotope (δD, δ18O) in precipitation selected at Guangzhou from November 2007 to March 2008 and the meteorological data, the isotopic variations of precipitation at short-time scales was analyzed. On the daily time-scale, there is a significantly positive relation between the δ18O and δD in precipitation with the daily air temperature, and this could be correlated to the occurrence of the severe cold surge, ice-snow and frozen disasters in the south China at the beginning of 2008. We also find that there are mainly two kinds of the isotopic changing tendency during one single precipitation process. One kind is an obvious declining pattern during the continuance of the rainfall process, and another kind is a “V” pattern during the rainfall process, and it is quite similar with the variation of its d-excess. We concluded primarily that these different kinds of isotopic variation patterns were probably correlated to the water sources, frontal activities, evaporation, dephlegmation processes and etc.

2011-09-27

國家自然科學基金項目(41071137；41101185)；廣東省高層次人才項目、廣東省自然科學基金項目(S2011010003413;8151063101000044)；廣東省高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃項目(C10187)

*通訊作者，DL06@scnu.edu.cn

1000-5463(2012)03-0120-08

P426.61+2

A

10.6054/j.jscnun.2012.06.026

Keywords： isotope in precipitation; short-time scale; water recycle

【責任編輯 成 文】