天津地區(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素特征及影響因素研究

徐濤, 劉國東, 邢冰

(四川大學水利水電學院, 成都 610065)

天津地區(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素特征及影響因素研究

徐濤, 劉國東, 邢冰

(四川大學水利水電學院, 成都 610065)

依據(jù)國際原子能機構(gòu)(IAEA)提供的天津地區(qū)1988～2001月降雨和同位素資料, 分析了該地區(qū)大氣降水的穩(wěn)定同位素的組成和變化以及主要影響因素. 天津大氣降水線與我國東部季風區(qū)的局地大氣降水線方程較為接近. 大氣降水同位素組成變化中的溫度和降水效應(yīng)較小, 主要受季風以及季節(jié)水汽來源不同的影響, 有顯著的季節(jié)效應(yīng).

大氣降水; 穩(wěn)定同位素; 水汽源

1 引言

研究大氣降水是水文學的重要組成內(nèi)容, 是研究水文循環(huán)過程的重要一環(huán). 水文循環(huán)中各變量之間存在著時空變異, 如何更好的確定循環(huán)過程中各因素與水分的遷移轉(zhuǎn)化關(guān)系也成為了研究的熱點. 上世紀50年代開始將同位素的技術(shù)運用于解決水文問題, 并形成了一門新興學科同位素水文學. 國內(nèi)外的研究顯示水體系在演化過程中其內(nèi)部的規(guī)律性變化一般可以通過其中共生的同位素得到表現(xiàn). 因此, 人們在利用同位素研究水文學問題的時候通常對“配對”的同位素進行分析, 一般常用的同位素組合有:D與的組合、與的組合、和的組合. 應(yīng)用最為廣泛的就是D與的組合.

國際原子能機構(gòu)(IAEA)與世界氣象組織(WMO)于1961年共同建立了全球降雨同位素監(jiān)測網(wǎng), 對全球不同地區(qū)大氣降水中的穩(wěn)定同位素進行了連續(xù)的監(jiān)測. 在長期監(jiān)測的基礎(chǔ)上提出了大氣降水穩(wěn)定同位素組成變化的5種效應(yīng): ①溫度效應(yīng), 即降水中δ值與其冷凝溫度的關(guān)系, 一般溫度減小,值也減小; ②緯度效應(yīng), 主要緯度升高, 溫度降低,使降水中值也呈降低的趨勢; ③大陸效應(yīng), 全球范圍內(nèi)的降水水汽主要來自于海水蒸發(fā), 距離海洋越遠的內(nèi)陸降水中值也會減小; ④高度效應(yīng), 即海拔增加值降低; ⑤降水量效應(yīng), 即降水中的值與降雨量呈負相關(guān). 在上述效應(yīng)的綜合作用下, 全球范圍內(nèi)不同地區(qū)的降水水中氫氧穩(wěn)定同位素組成會略有不同. 本文旨在分析天津地區(qū), 溫度、降水量、季節(jié)變化以及水汽來源、季風氣候與降水穩(wěn)定同位素的關(guān)系, 研究那種因素占主導(dǎo).

由于組成水分子的氫氧同位素具有不同的物理化學特征, 在降水時重同位素首先凝結(jié)降落, 而蒸發(fā)時則輕同位素優(yōu)先蒸發(fā), 使其分布在時空上呈現(xiàn)較大差異. 并呈現(xiàn)出3個主要的特征:①與呈線性關(guān)系; ②全球大氣降水的與值多呈負值; ③值隨著距離水汽源的距離的增加而變小.

2 研究區(qū)自然條件概況

天津市位于華北平原的東北部, 北依燕山, 東臨渤海, 屬于海河流域下游區(qū)域, 屬溫帶大陸性季風型氣候區(qū),

夏季炎熱多雨, 冬季寒冷干燥. 降水量由北向南遞減, 多年平均降水量550 ～ 800mm; 多年平均水面蒸發(fā)量1100mm. 監(jiān)測站位于北緯39°06′00″, 東經(jīng)117°10′00″, 海拔3米.

據(jù)胡蓓蓓［1］等人對天津市近50年來降水變化趨勢的研究結(jié)果,天津市降水量主要集中在夏季, 且呈現(xiàn)出逐年減少的趨勢; 區(qū)域內(nèi)的降水及年內(nèi)、年際分布不均.

3 天津地區(qū)大氣降水線

圖1 天津大氣降水線方程Fig.1 Tianjin local meteoric water line

本文利用全球同位素監(jiān)測網(wǎng)天津站1988年1月—2001年12月的月評價穩(wěn)定氫氧同位素數(shù)據(jù), 采用最小二乘法求得天津大氣降水線方程為:= 6.5682+0. 3058 ( R2= 0.8829), 如圖1. 由此可知天津大氣降水線相對于全球大氣降水線和我國大氣降水線都有一定的偏移, 但與東部季風區(qū)的局地大氣降水線方程較為接近.降水中的變化范圍為－108.7‰～4.9‰,的變化范圍為－14.4‰～1.16‰, 變幅較大, 且有顯著的聚集現(xiàn)象, 可知大氣降水中和值均較為敏感, 易受到氣候環(huán)境等因素的影響. 監(jiān)測時段內(nèi)降水中與的平均值分別為-50.08‰, -7.66‰.

4 溫度效應(yīng)

據(jù)前述的同位素平衡分餾原理, 伴隨著溫度逐漸升高, 分餾作用則逐漸減弱, 水汽中D與成分增大, 使水汽所形成的降雨與成分也增加; 而當溫度較低時, 則相反. 根據(jù)Dansgaard[4]在大西洋沿岸濱海地區(qū)的

5 降雨效應(yīng)

Dansgaard［4］的研究成果認為理論上降雨量與與值應(yīng)呈現(xiàn)負的相關(guān)關(guān)系.

6 水汽來源及季節(jié)效應(yīng)

全球大氣降水中的穩(wěn)定同位素含量大都呈現(xiàn)出夏高冬低的季節(jié)性變化. 即季節(jié)效應(yīng). 季節(jié)效應(yīng)包含了水汽來源、降水量、氣溫等條件的綜合影響. 圖2-3是監(jiān)測時段內(nèi)逐月與值的變化柱狀圖, 可以看出與值在年內(nèi)都成顯著的季節(jié)性變化.

圖2逐月分布情況Fig.2 monthly distribution

圖3逐月分布情況Fig.3monthly distribution

根據(jù)氣象學季節(jié)劃分的標準, 將天津地區(qū)按照春季3到5月, 夏季6到8月, 秋季9到11月, 冬季12月到次年的2月進行劃分, 并將δD 與δ18O值及其與溫度和降水量的關(guān)系分季節(jié)繪制如圖4-7.

圖4與降水量季節(jié)分布特征Fig.4with seasonal distribution of precipitation

圖5與降水量季節(jié)分布特征Fig.5with seasonal distribution of precipitation

圖6與溫度季節(jié)分布?特征Fig.6 with seasonal distribution of temperature

圖7與溫度季節(jié)分布特征Fig.7 with seasonal distribution of temperature

表1與的季節(jié)變化Table.1 Seasonal distribution of δD and δ18O

表1與的季節(jié)變化Table.1 Seasonal distribution of δD and δ18O

*表示負相關(guān)

季節(jié) δD(‰)變化范圍δ18O(‰)變化范圍δD(‰)均值δ18O (‰)均值溫度(t/℃)均值降水量(p/mm)均值δD與溫度的相關(guān)系數(shù)δ18O與溫度的相關(guān)系數(shù)δD與降水量的相關(guān)系數(shù)δ18O與降水量的相關(guān)系數(shù)春季 -100.8～4.9 -13.47～1.16 -37.72 -5.28 15.48 23 0.2265 0.1579 0.0197 0.0009夏季 -76.6～-23 -10.57～-4.48 -50.69 -7.67 27.6 114 0.0244* 0.0654* 0.2526* 0.406*秋季 -54.1～-6.4 -9.56～-3.21 -35.76 -6.18 15.54 34 0.0043* 0.085 0.0858* 0.0303*冬季 -108.7～-59.6 -14.4～-8.03 -76.14 -11.52 -1.77 6 0.1461* 0.0493* 0.4326* 0.3957*

表1中根據(jù)圖示分季節(jié)對比了δD 與δ18O值的分布, 與溫度和降水的相關(guān)程度. 得出溫度、降水量與δD 與溫度較低的冬季穩(wěn)定同位素相對貧化; 而春秋季節(jié)值與溫度的關(guān)系要顯著優(yōu)于夏冬兩季.

根據(jù)謝坤［6］、梁萍［7］等對華北地區(qū)夏季水汽來源的分析, 影響天津地區(qū)降水的主要水汽源有: 1.來自于孟加拉灣印度洋的水汽源, 在達到南海后轉(zhuǎn)向北上經(jīng)過東部內(nèi)陸到達天津地區(qū); 2.來自于日本東面的西太平洋的副熱帶高壓形成的氣流將西太平洋的水汽輸送至我國東部及沿海地區(qū)再轉(zhuǎn)向北與上述的水汽源一起輸送到天津,這兩個水汽源在輸送過程中, 隨著沿途水汽不斷地凝結(jié)降水、和蒸發(fā)作用, 水汽源中重同位素優(yōu)先凝結(jié), 大氣降?與不斷貧化, 水汽中的同位素含量特征體現(xiàn)緯度效應(yīng)的影響; 3.來自于中緯度西風帶的水汽自蒙古進入天津地區(qū), 由于來自于內(nèi)陸其水汽中的與本就較少, 使得到達天津的時期中與貧化,其水汽來源也體現(xiàn)了高度效應(yīng)的影響.

冬季受西伯利亞高壓控制海陸形成西北季風, 水汽源主要是來自內(nèi)陸地區(qū)的蒸發(fā)形成的, 這些水汽源主要是夏季季風所輸送進內(nèi)陸的, 原水汽中與偏低, 再經(jīng)過蒸發(fā)形成的水汽中與進一步降低,在輸送過程中隨著沿途降雨而斷貧化, 因此到達天津地區(qū)后水汽中與更貧乏. 春秋兩季屬于季風交替時期, 季風影響較小, 氣候較干燥, 降水主要由局地蒸發(fā)形成的水汽源, 干旱地區(qū)的水汽源中與偏高;加上天津是濱海城市, 海陸熱力差異形成的海陸風也可以將近海域形成的與值較高的水汽源從近海送到內(nèi)陸沿岸地區(qū), 加之雨滴在降落過程中受到干旱的氣候條件影響輕同位素蒸發(fā)使得重同位素出現(xiàn)富集, 可能是導(dǎo)致春秋季天津降水中與偏高的主要原因.值在季節(jié)上的分布是不同的, 而穩(wěn)定同位素含量也呈現(xiàn)出春秋兩季較為接近且較高, 而夏季次之, 冬季最少. 夏季和冬季穩(wěn)定同位素含量與降水量的相關(guān)關(guān)系要顯著優(yōu)于春秋兩季. 從季節(jié)的角度看溫度較高的夏季和

7 結(jié)語

經(jīng)過上述分析對比, 天津大氣降水線與我國東部季風區(qū)的局地大氣降水線方程較為接近. 大氣降水同位素組成變化中的溫度和降水效應(yīng)較小, 主要受季風北移南退以及水汽來源不同的影響, 有顯著的季節(jié)效應(yīng).

夏季隨著太平洋副熱帶高壓的北移, 暴雨較為集中,降水量最多, 與相對較高; 秋季隨著副熱帶高壓逐漸減弱南退, 降水量隨之逐漸減少, 近海蒸發(fā)水汽源占主導(dǎo), 與偏高; 冬季受內(nèi)陸高壓控制, 氣候干燥, 雨雪稀少, 內(nèi)陸季風輸送的水汽源與 經(jīng)過一路的降水值偏低; 春季較為干燥, 局地蒸發(fā)形成的水汽源與 相對偏高.與在季節(jié)上的分布變化特征較為明顯, 能夠在一定程度上反應(yīng)出其地理和氣候特征.

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Variation characteristics and influencing factors of hydrogen-oxygen stable isotope in precipitation of Tianjin area

XU Tao, LIU GUO-dong, XING Bing

(School of Water Resource & Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065, P.R.C.)

According to the isotope and precipitation data of 1988～2001 in Tianjin area from the IAEA, the composition and distribution in the area of stable isotopes of precipitation and the main factors were analyzed. The local meteoric water line was in line with the eastern monsoon region meteoric water line in China. The temperature and precipitation was not very striking by the changes of isotopic composition of precipitation, the monsoon and moisture from different sources in different season are the mainly factors, and seasonal factors are very significant.

precipitation; stable isotope; vapor source

P339

: A

: 1003-4271(2014)03-0421-07

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.03.18

2014-03-17

徐濤(1987-), 男, 云南人, 碩士研究生, 研究方向：水文學及水資源, E-mail: 59459646@qq.com; 劉國東(1962-), 男, 教授, 博士, 研究方向: 水資源開發(fā)利用與環(huán)境保護研究, E-mail: liugd988@163. com.