南京與西安地區(qū)降水同位素的氘盈余和水汽壓分析

王興 李王成

摘 要：在全球大氣降水同位素觀測(cè)網(wǎng)（GNIP）西安和南京站點(diǎn)大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合2個(gè)地區(qū)實(shí)際氣象數(shù)據(jù)資料，研究分析了南京和西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素的組成，并建立了2個(gè)地區(qū)大氣降水線方程和氘盈余多年月平均變化曲線。通過對(duì)比分析，揭示了2個(gè)地區(qū)大氣降水線分布特征的差異性、氘盈余的變化趨勢(shì)、以及水汽壓對(duì)大氣降水穩(wěn)定同位素的影響。結(jié)果表明：南京地區(qū)氘盈余相對(duì)西安地區(qū)較平穩(wěn)，變化幅度相對(duì)較?。荒甓瘸叨壬?，西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素中δD與水汽壓成負(fù)相關(guān)，δ18O與水汽壓之間為正相關(guān)關(guān)系，而南京地區(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素與水汽壓皆為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：大氣降水線；氘盈余；降水同位素；水汽壓；南京；西安

中圖分類號(hào) P332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2018）21-0126-04

Analysis of the Influence Factors of Precipitation Isotopes in Nanjing and Xi'an based on Deuterium Surplus and Water Vapor Pressure

Wang Xing1 et al.

（1College of Civil and Hydraulic Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

Abstract：Based on the atmospheric precipitation hydrogen and oxygen stable isotope data of the global atmospheric precipitation isotope network（GNIP）xi'an and nanjing site，and combining the actual meteorological data of the two regions.The composition of atmospheric precipitation stable isotopes in nanjing and xi 'an is analyzed，and the curve of atmospheric precipitation line equation and the average change curve of deuterium in the two regions are established.Through comparative analysis，it reveals the differences of the distribution characteristics of the atmospheric precipitation lines in the two regions，the variation trend of deuterium surplus，and the influence of water vapor pressure on the stable isotope of atmospheric precipitation.The results show that the deuterium surplus in nanjing is relatively stable in xi'an area，and the variation range is relatively small；In the annual scale，the stable isotope δD of atmospheric precipitation in xi'an is negatively correlated with water vapor pressure，and there is a positive correlation between δ18O and water vapor pressure.However，the stable isotopes of atmospheric precipitation in nanjing area are negatively correlated with water vapor pressure.

Key words：Atmospheric precipitation line；Deuterium excess；Precipitation isotope；Vapor pressure；Xi'an；Nanjing

大氣降水主要是指覆蓋全球大部分的海洋、河流、湖泊等地表水，以及少部分的地下水，經(jīng)過蒸發(fā)、水汽輸送、冷凝等環(huán)節(jié)而降落的氣象循環(huán)水。大氣降水是大氣水文循環(huán)中的基本環(huán)節(jié)，是水量平衡方程中的基本參數(shù)。從閉合流域的年均降水量平衡方程P=R+E可得，大氣降水既是地表徑流的本源，又是地下水的主要補(bǔ)給來源。查明大氣降水中穩(wěn)定同位素的影響因素、分布特征，對(duì)水文循環(huán)過程研究和地下水起源、形成問題的研究具有深遠(yuǎn)的意義。

國外1929年開始對(duì)大氣降水中δD、δ18O進(jìn)行研究，如Giauque、Johnston使用光譜吸收發(fā)現(xiàn)了17O和18O；Johnston分析研究已發(fā)現(xiàn)的同位素，總結(jié)得出自然界中存在17O和18O；Dansgaard對(duì)水循環(huán)過程中穩(wěn)定同位素進(jìn)行研究[1]。國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）和世界氣象組織（WMO）1961年在全球范圍內(nèi)啟動(dòng)大氣降水同位素觀測(cè)計(jì)劃，開始在全球范圍內(nèi)調(diào)查環(huán)境同位素。通過對(duì)全球范圍內(nèi)800多個(gè)觀測(cè)站進(jìn)行不間斷地跟蹤監(jiān)測(cè)，確定全球、區(qū)域水循環(huán)機(jī)制和大氣環(huán)流型，為全球降水穩(wěn)定同位素的季節(jié)變化、影響因素、降水量效應(yīng)及溫度效應(yīng)提供了基礎(chǔ)的環(huán)境資料。

國內(nèi)對(duì)于大氣降水同位素的研究始于珠穆朗瑪峰的科學(xué)考察[2]。鄭淑蕙等對(duì)我國多個(gè)地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素進(jìn)行研究分析，總結(jié)得出中國大氣降水線方程即δD-δ18O雨水線方程[3]。中國地質(zhì)科學(xué)院1985年開始在銀川、天津、拉薩、長沙、貴陽、南京、?？凇⒐鹆?、西安等地區(qū)建立起約30個(gè)長期觀測(cè)站，構(gòu)成全國大氣降水同位素觀測(cè)網(wǎng)，收集各個(gè)站點(diǎn)水樣，研究分析我國大氣降水穩(wěn)定同位素的分布特征、溫度效應(yīng)和同位素效應(yīng)等的變化規(guī)律和機(jī)制。

本文對(duì)全國大氣降水穩(wěn)定同位素的分布特征、影響因素進(jìn)行了總結(jié)，根據(jù)全球大氣降水同位素觀測(cè)網(wǎng)西安站、南京站的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，并結(jié)合全國降水同位素觀測(cè)網(wǎng)，繪制了2個(gè)地區(qū)大氣降水曲線比較圖和氘盈余的多年月平均變化曲線，水汽壓與大氣降水同位素的關(guān)系圖，對(duì)比分析了南京和西安地區(qū)大氣降水同位素的季節(jié)變化特征和同位素效應(yīng)，并且對(duì)水汽壓影響南京和西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素的因素進(jìn)行了對(duì)比分析，為進(jìn)一步研究南京與西安地區(qū)大氣循環(huán)機(jī)制和地下水奠定了基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)與方法

西安與南京地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素的數(shù)據(jù)來自國際原子能機(jī)構(gòu)同位素全球檢測(cè)網(wǎng)（GNIP），觀測(cè)網(wǎng)中2個(gè)站點(diǎn)觀測(cè)的項(xiàng)目包括δD、δ18O，以及2個(gè)地區(qū)的溫度、降水量和水汽壓，這些觀測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)記錄均為月平均值。環(huán)境同位素表示方法用千分差來表示[4]，是相對(duì)于維也納平均海水V-SMOW的千分差，用下式表示為：

[δ=R樣品R標(biāo)準(zhǔn)-1] （1）

式中：R樣品為樣品中的18O/16O比值；δ為穩(wěn)定同位素的比值相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)同位素比值的千分差。

研究分析國際原子能機(jī)構(gòu)全球降水同位素觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中西安和南京站點(diǎn)的大氣降水穩(wěn)定同位素與氣象數(shù)據(jù)，全球降水同位素觀測(cè)網(wǎng)西安和南京站點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄時(shí)間為1985—1993年。

大氣降水穩(wěn)定同位素δ18O的加權(quán)平均值為[5]：

[δ均值=PiδiPi] （2）

式中：Pi為月降水量，mm；δi為月降水的18O濃度，TU。

2 結(jié)果與分析

2.1 南京與西安地區(qū)降水同位素分布特征和季節(jié)變化

2.1.1 南京與西安地區(qū)降水同位素分布特征 根據(jù)實(shí)測(cè)大氣降水氫氧同位素西安站點(diǎn)1985—1993年數(shù)據(jù)資料和雨水樣品分析結(jié)果，用最小二乘法擬合得到西安地區(qū)大氣降水線方程為：δD=7.49δ18O+6.13，其中R2=0.918。同樣根據(jù)南京站點(diǎn)1987—1992年大氣降水氫氧同位素?cái)?shù)據(jù)資料和雨水樣品分析結(jié)果，采用線性回歸的方法建立了南京地區(qū)的大氣降水線方程為：δD=8.49δ18O+17.71，其中R2=0.967，如圖1所示。通過圖1可以發(fā)現(xiàn)，西安與南京地區(qū)的大氣降水線很接近，但因受地理位置、水汽來源、氣象條件等因素的影響，在斜率和截距上均存在一定的差異。即南京地區(qū)的大氣降水線斜率和截距都高于西安地區(qū)；在截距方面，南京地區(qū)是西安地區(qū)的兩倍多，這是因?yàn)槲靼驳貐^(qū)位于關(guān)中盆地內(nèi)陸，屬于干旱半干旱、暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，相比南京地區(qū)氣候干燥且濕度低，年均降水量小且蒸發(fā)強(qiáng)烈，蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量，大氣降水穩(wěn)定同位素在降水過程中受到蒸發(fā)的強(qiáng)烈作用。相反，南京地區(qū)的降水量遠(yuǎn)大于西安地區(qū)，濕度比西安地區(qū)大，濕度是氘盈余的主要影響因素，濕度越大氘盈余越大，即大氣降水線截距越大。因此，西安與南京地區(qū)大氣降水線的斜率與截距存在顯著差異。

2.1.2 南京與西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素的季節(jié)變化 通過分析全球大氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)南京站點(diǎn)1987—1992年和西安站點(diǎn)1985—1993年氫氧同位素?cái)?shù)據(jù)資料，得出大氣降水同位素中δ18O和δD隨著季節(jié)變化而發(fā)生變化。南京地區(qū)大氣降水中氫氧同位素值的變化范圍：δD為-83.5‰～17.9‰，平均值-44.834‰；δ18O為-11.83‰～-0.09‰，平均值為-7.363‰。西安地區(qū)降水同位素值的變化范圍：δD為-122.7‰～0.8‰，平均值-48.287‰；δ18O為-17.02‰～-1.1‰，平均值-7.267‰。通過對(duì)以上2個(gè)地區(qū)的比較可以看出，南京地區(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素δD和δ18O的變化范圍和平均值都偏高于西安地區(qū)，但兩地區(qū)氫氧穩(wěn)定同位素值的變化范圍均處在中國與全球的大氣降水同位素變化之中。

2月份大氣降水中δ18O和δD值偏低，但隨著溫度的升高蒸發(fā)量隨之增大，降水中δ18O和δD值也隨之升高，5月份δ18O和δD值達(dá)到最高。降水中氫氧穩(wěn)定同位素的值在5—8月呈現(xiàn)小的波動(dòng)，8月之后開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，9月份達(dá)到最低值。在不同年δ18O和δD值會(huì)呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，但峰值一般多出現(xiàn)在5—8月份，而低值會(huì)在9、10月份出現(xiàn)。造成這種現(xiàn)象的主要原因是地區(qū)氣溫的季節(jié)性變化，冬、夏氣溫相差大，在4、5月份溫度較高，地區(qū)降水量相對(duì)偏小而蒸發(fā)強(qiáng)烈，濕度增大，因此大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素值偏大。

隨著四季的變化，西安地區(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素組成發(fā)生著顯著變化：夏季為大氣降水同位素貧化時(shí)期，春季則為富集時(shí)期；夏半年降水同位素貧化偏負(fù)，冬半年降水同位素富集偏正。

2.2 南京與西安地區(qū)降水氘盈余、水汽壓影響 Dansgaard[6]根據(jù)全球大氣降水同位素觀測(cè)網(wǎng)（GNIP）1962—1983年間收集的數(shù)據(jù)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，研究發(fā)現(xiàn)水汽團(tuán)的性質(zhì)和其來源影響著降水中同位素的變化，由于降水發(fā)生的物質(zhì)前提是大氣中的水汽團(tuán)，因此水汽中的氫、氧穩(wěn)定同位素組成對(duì)于大氣降水中穩(wěn)定同位素的組成具有顯著的影響。另外，水汽壓的大小，水汽源地初始狀態(tài)、水汽輸送方式、云中飽和狀態(tài)和云中液態(tài)水含量等因素也對(duì)降水穩(wěn)定同位素的大小有重要影響[7]。此外，王永森對(duì)大氣降雨過程的穩(wěn)定同位素組成變化建立微分方程模型，通過數(shù)值來進(jìn)行模擬[8]。Ya-manaka的研究表明，受季風(fēng)活動(dòng)的影響，我國東部降水穩(wěn)定同位素具有顯著的降水量效應(yīng)[9]?？偟膩碇v，大氣降水中穩(wěn)定同位素組成的影響因素主要有：（1）區(qū)域氣候環(huán)境。包括降水時(shí)的各種氣象要素：降水量、溫度和水汽壓等；（2）局部地理特征。比如如海拔高度。大氣降水中D、O同位素的時(shí)空變化是以上相關(guān)要素相互影響、綜合作用的結(jié)果。因此討論氘盈余、水汽壓等對(duì)我國降水穩(wěn)定同位素組成的時(shí)空分布，對(duì)揭示南京與西安地區(qū)區(qū)域間的差異有重要意義。

2.2.1 南京和西安地區(qū)降水氘盈余 區(qū)域大氣降水線與全球大氣降水線在斜率和截距上都有不同程度的偏移，以及各地降水形成時(shí)水汽來源和運(yùn)移過程中受自然地理環(huán)境變化影響所導(dǎo)致的汽、液兩相氫氧穩(wěn)定同位素分餾不平衡程度的差異，為了量化這種差異，Dansgaard引入了氘盈余（或氘過量參數(shù)，用d表示）的概念：d=[δD-8δ]18O。Craig最先提出全球氘盈余的平均值10。d值通常不等于0，并且由于蒸發(fā)效應(yīng)及動(dòng)力效應(yīng)的影響，水的蒸發(fā)通常是在不平衡條件下進(jìn)行的，并且濕度、風(fēng)速和最初蒸發(fā)時(shí)海洋表面溫度的變化都會(huì)引起d值的地區(qū)性變化。d值越大，表明海水蒸發(fā)的速率越大。因此氘盈余不僅可以反映海水蒸發(fā)形成云氣時(shí)水汽平衡條件，同時(shí)又可以反映該地區(qū)大氣降水形成時(shí)的氣象條件和地理環(huán)境。從圖3可以看出，南京地區(qū)氘盈余相對(duì)西安地區(qū)較平穩(wěn)，變化幅度相對(duì)較小。4—7月份和9—11月份南京地區(qū)降水氘盈余數(shù)值較西安地區(qū)高。南京地區(qū)夏半年水汽主要來自于低緯度的西太平洋地區(qū)和南海方向，而冬季則源于空氣濕度較低干燥地區(qū)；4—5月份，溫度較高，該地區(qū)降水量相對(duì)偏小而蒸發(fā)強(qiáng)烈，因此降水氘盈余大，表現(xiàn)為濕度大。而西安地區(qū)夏季降水水汽源主要來自印度洋的西南季風(fēng)和太平洋的東南季風(fēng)，氣候比南京地區(qū)干燥且濕度低，因而降水氘盈余?。辉诙竞痛杭靖髟拢▊€(gè)別月份除外），氘盈余加大，反映出降水同位素影響因素主要是降水量效應(yīng)。

2.2.2 大氣降水與δ18O水汽壓相關(guān)關(guān)系 在全球大氣水循環(huán)過程中，水汽既作為載體，又作為相變的主體，因此降水中同位素的含量必會(huì)隨之發(fā)生變化，水汽壓對(duì)大氣降水中穩(wěn)定同位素的組成有著重要的影響。

從圖4可以看出，南京地區(qū)大氣降水中δ18O與水汽壓呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，而西安地區(qū)表現(xiàn)為正的相關(guān)關(guān)系。并且由兩地區(qū)降水中δ18O與水汽壓擬合得到的曲線斜率絕對(duì)值的大小可以得到，南京地區(qū)大氣降水中穩(wěn)定同位素與水汽壓的相關(guān)性很強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于西安地區(qū)的相關(guān)性。

南京地區(qū)夏季水汽主要來自于低緯度的西太平洋地區(qū)和南海方向，冬季南京受我國大陸冬季風(fēng)氣候的控制，其水汽來自于亞洲大陸內(nèi)部方向，與高緯度西風(fēng)帶輸送的水汽混合。不同的水汽來源引起大氣降水穩(wěn)定同位素的變化；而春、秋季節(jié)降水主要由南京周邊地區(qū)局地降水蒸發(fā)濃縮形成的。與南京地區(qū)不同，對(duì)于西安地區(qū)夏季主要接收來自于東部太平洋的東南季風(fēng)以及來自低緯度地區(qū)的印度洋西南季風(fēng)的水汽，然而由于夏季季風(fēng)所帶的水汽經(jīng)過多次降水過程才到達(dá)西安，水汽降水中穩(wěn)定同位素比值已經(jīng)十分虧損。

2.2.3 降水δ2D與水汽壓關(guān)系分析 大范圍地區(qū)的盛行風(fēng)隨季節(jié)而發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象稱為季風(fēng)。世界范圍內(nèi)季風(fēng)區(qū)域的分布非常廣，我國處于著名的東亞季風(fēng)區(qū)區(qū)域[10]。季風(fēng)是水汽輸送的載體，直接控制著降水的空間分布及季節(jié)分布特征，因此水汽壓對(duì)大氣降水中穩(wěn)定同位素的組成有著重要的影響。由圖5可以看出，南京地區(qū)大氣降水中δ2D與水汽壓相關(guān)性比西安地區(qū)要強(qiáng)很多，南京地區(qū)用最小二乘法擬合的曲線情況也比西安地區(qū)要好，但總的，兩地區(qū)降水中穩(wěn)定同位素δ2D與水汽壓均呈現(xiàn)負(fù)的相關(guān)關(guān)系。這是由于南京和西安地區(qū)所處緯度不同進(jìn)而導(dǎo)致水汽來源不同，不同的水汽來源會(huì)引起大氣降水穩(wěn)定同位素的變化。

3 結(jié)論

（1）季節(jié)尺度上，西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素組成發(fā)生著顯著變化：夏季為大氣降水同位素貧化時(shí)期，春季則為富集時(shí)期；夏半年降水同位素貧化偏負(fù)，冬半年降水同位素富集偏正。相比于西安地區(qū)，南京地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素組成也呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化。即，大氣降水中穩(wěn)定同位素最為富集的季節(jié)為春季，夏季降水中穩(wěn)定同位素最為貧化。

（2）南京地區(qū)的降水受到季風(fēng)系統(tǒng)通過影響水汽收支情況和大尺度水汽輸送的分布的強(qiáng)烈影響，全年降水水汽多變。夏半年水汽主要來自于低緯度的西太平洋地區(qū)和南海方向，冬半年降水水汽影響因素較多變；在4—5月份，溫度較高，降水量相對(duì)偏小而蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水氘盈余大，表現(xiàn)為濕度大，因此大氣降水中δ值偏大。而西安地區(qū)夏季降水水汽源主要來自印度洋的西南季風(fēng)和太平洋的東南季風(fēng)，氣候比南京地區(qū)干燥且濕度低，降水氘盈余偏小，年均降水量小并且蒸發(fā)非常強(qiáng)烈，降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量，在大氣降水過程中明顯受到蒸發(fā)作用的強(qiáng)烈作用。

（3）年度尺度上，西安地區(qū)大氣降水同位素D與水汽壓成負(fù)相關(guān)，O與水汽壓為正相關(guān)關(guān)系。而南京地區(qū)大氣降水中穩(wěn)定同位素與水汽壓均為負(fù)的相關(guān)性。

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（責(zé)編：張宏民）