西安地區(qū)降水穩(wěn)定同位素變化特征及影響因素

王興 李王成 董亞萍 劉學(xué)智 趙妍 李晨 王雙濤

摘要：在全球大氣降水同位素觀測(cè)網(wǎng)西安站的大氣降水同位素資料基礎(chǔ)上，結(jié)合該地區(qū)實(shí)際氣象數(shù)據(jù)資料，分析了西安地區(qū)大氣降水中穩(wěn)定同位素的組成，并建立了西安地區(qū)的大氣降水線方程，揭示了該地區(qū)大氣降水線分布特征的差異性和溫度、降水量及水汽壓對(duì)大氣降水穩(wěn)定同位素的不同影響。結(jié)果表明：年度尺度上，西安地區(qū)大氣降水中穩(wěn)定同位素與溫度成正相關(guān)，與降水量成負(fù)相關(guān).8D與水汽壓成負(fù)相關(guān)，8180與水汽壓成正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：大氣降水線;溫度;降水量;水汽壓;變化特征;8D;8is0;西安地區(qū)

中圖分類號(hào)：P426.6I;P597

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.01.016

大氣降水不僅是水量平衡方程中的基本參數(shù)，而且是水文循環(huán)中的最基本環(huán)節(jié)。通過(guò)閉合流域的年均降水量平衡方程（P=R+E，其中P、R、E分別為降水量、徑流量、蒸發(fā)量）可以看出，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(lái)源[1]。對(duì)大氣降水穩(wěn)定同位素進(jìn)行研究是利用同位素技術(shù)研究區(qū)域水循環(huán)的前提[2]。氫氧穩(wěn)定同位素作為自然水體的重要組成成分和一種示蹤元素，被廣泛應(yīng)用于水文循環(huán)研究[3-5]。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者對(duì)大氣降水中的氫氧穩(wěn)定同位素（簡(jiǎn)稱穩(wěn)定同位素）進(jìn)行了大量研究[6-10]，證明大氣降水中穩(wěn)定同位素受降雨量、溫度和水汽壓等多種因素的影響。因此，查明大氣降水中穩(wěn)定同位素的分布特征及其影響因素，對(duì)揭示水汽來(lái)源、反映地區(qū)大氣降水氣象條件、研究區(qū)域水文循環(huán)過(guò)程、深入了解地下水起源和形成具有深遠(yuǎn)的意義。

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）和世界氣象組織（WMO）在全球范圍內(nèi)啟動(dòng)了大氣降水同位素觀測(cè)計(jì)劃，建成了800多座觀測(cè)站，在全球范圍內(nèi)調(diào)查環(huán)境同位素[11]，通過(guò)連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，確定全球、區(qū)域水循環(huán)機(jī)制，為全球大氣降水中穩(wěn)定同位素的變化特征、影響因素提供基礎(chǔ)環(huán)境資料。本文根據(jù)全球大氣降水同位素觀測(cè)網(wǎng)（ GNIP）和全國(guó)大氣降水同位素觀測(cè)網(wǎng)的資料，并結(jié)合中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)中西安地區(qū)的氣象資料，繪制了西安地區(qū)降水穩(wěn)定同位素關(guān)系曲線，以及多年平均降水量、多年平均溫度及水汽壓與氫氧穩(wěn)定同位素的關(guān)系曲線，同時(shí)對(duì)西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素的季節(jié)變化特征和同位素效應(yīng)進(jìn)行了分析，并且對(duì)溫度、降水量、水汽壓等影響西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素的因素進(jìn)行了分析，以期為西安地區(qū)大氣循環(huán)機(jī)制的深入分析以及地下水研究奠定基礎(chǔ)。

1 西安地區(qū)地理、氣候特征及數(shù)據(jù)來(lái)源和方法

1.1 西安地區(qū)地理、氣候特征

西安位于黃河流域中部的關(guān)中盆地、關(guān)中平原以南地區(qū)，北部為沖積平原，南部地區(qū)為秦嶺山脈，海拔2 000-2 800 m。西安地處暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，全區(qū)降水量少、蒸發(fā)量大且降雨年際變化大，降水分配不均，年均降水量為530-700 mm，年內(nèi)降水量主要集中在7-9月，其降水量約占全年的45%，空間上分布不均，呈東多西少、南多北少的分布格局，蒸發(fā)量也呈現(xiàn)出相同的分布特點(diǎn)。印度洋的西南季風(fēng)和太平洋的東南季風(fēng)是夏季西安地區(qū)以及所在關(guān)中盆地大氣降水水汽的主要來(lái)源。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

全球大氣降水同位素觀測(cè)網(wǎng)西安站的數(shù)據(jù)記錄時(shí)段為1985-1993年。西安地區(qū)溫度、降水量和水汽壓等氣象數(shù)據(jù)資料來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素δD、δ180以及溫度、降水量和水汽壓等數(shù)據(jù)均為月平均值，樣品的收集、運(yùn)輸程序和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)由IAEA嚴(yán)格制定。其中，環(huán)境同位素的表示方法用千分差來(lái)表示[12]，即

δ=R樣/ R標(biāo)準(zhǔn) -1 （1）式中：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;R樣品為樣品中180與160的比值;R標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)際通用的同位素標(biāo)準(zhǔn)。

本文利用Excel軟件對(duì)西安地區(qū)大氣降水同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析降水量效應(yīng)、溫度效應(yīng)及其與水汽壓之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 西安地區(qū)大氣降水線

在全球水文循環(huán)中氫氧同位素之間協(xié)變性最突出的特點(diǎn)就是Harman Craig提出的全球大氣降水線（ GMWL）[13]，表示為8D= 88180+10，它是一條斜率為8、截距為10的直線。斜率反映出蒸汽和凝聚是大氣降水同位素的主要影響因素，截距表示全球大氣降水的平均值，截距大于10表示該降水云氣形成過(guò)程中氣、液兩相同位素分餾不平衡程度偏大，小于10則意味著在降水過(guò)程中存在蒸發(fā)作用的影響。全球大氣降水線被證明是用來(lái)解釋年平均降水同位素組成變化的一種有用的參考線。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者根據(jù)IAEA同位素全球觀測(cè)網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫(kù)提供的數(shù)據(jù)資料，對(duì)我國(guó)的降水同位素分布特征進(jìn)行了研究。1980年，鄭淑蕙等14]在南京.北京、昆明等地的8個(gè)臺(tái)站收集了107個(gè)降水樣品，并對(duì)其中101個(gè)樣品的8D和6180進(jìn)行了分析，利用最小二乘法求得我國(guó)大氣降水穩(wěn)定同位素“雨水線”方程為8D= 7.98180+8.2。本文根據(jù)西安站1985-1993年實(shí)測(cè)大氣降水穩(wěn)定同位素的數(shù)據(jù)資料以及該站的雨水樣品分析結(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8D= 7.4888180+6.126，其判定系數(shù)R2= 0.92.見(jiàn)圖1。

由圖1可以看出，西安地區(qū)大氣降水線與全球大氣降水線和我國(guó)大氣降水線很接近，但受氣象條件、地理位置、水汽來(lái)源等因素的影響，斜率和截距都相對(duì)偏小。西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素值的變化范圍分別為：8D，- 122.7‰-0.8‰，平均值為- 48. 287‰; δ18O，- 17.02‰ - -1.1‰，平均值為-7. 267‰，變幅較大，但變化范圍均處在我國(guó)以及全球大氣穩(wěn)定降水同位素的變化范圍內(nèi)。

Dansgaard W[is]根據(jù)GNIP 1962-1983年收集的數(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，并且依據(jù)瑞利模型概括了全球大氣降水氫氧同位素的溫度效應(yīng)、降水量效應(yīng)等。國(guó)內(nèi)學(xué)者根據(jù)全球大氣降水同位素觀測(cè)數(shù)據(jù)和中國(guó)大氣降水同位素觀測(cè)數(shù)據(jù)，也論證了氫氧穩(wěn)定同位素的溫度效應(yīng)和降水量效應(yīng)。此外，水汽壓的大小以及水汽源地的初始狀態(tài)、水汽輸送方式、云中液態(tài)水含量等第二類（通常將影響大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素的主要因素分為兩類，第一類是緯度效應(yīng)、溫度效應(yīng)、降水量效應(yīng)等，除此之外的影響因素則歸為第二類）因素同樣對(duì)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素的大小有重要影響。概括來(lái)講，大氣降水穩(wěn)定同位素組成的主要影響因素有：①區(qū)域氣候的氣象環(huán)境，例如水汽由產(chǎn)生到傳送到形成降水的全過(guò)程中D、O穩(wěn)定同位素發(fā)生的變化和降水氣團(tuán)的性質(zhì)、來(lái)源等;②區(qū)域局部的地理特征，包括降水時(shí)的溫度、降水量和水汽壓等各種氣象要素以及海拔等。大氣降水穩(wěn)定同位素的組成和變化是這些因素相互作用的結(jié)果，對(duì)于某一個(gè)特定地區(qū)，其緯度和海拔是固定的，因此影響西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素變化的因素主要考慮氣溫、降水量、水汽壓、季節(jié)變化等。

2.2 西安地區(qū)大氣降水同位素的降水量效應(yīng)

降水量效應(yīng)指的是8D和δ18O隨月均降水量的變化而發(fā)生的變化，這一效應(yīng)在我國(guó)多發(fā)生在降水比較豐富的低緯度地區(qū)以及東部沿海地帶，這種現(xiàn)象主要可能是雨滴下降過(guò)程中的蒸發(fā)濃縮作用引起的。Ya-manaka T等[16]研究表明，受季風(fēng)活動(dòng)的影響，我國(guó)東部地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素具有顯著的降水量效應(yīng)。大氣降水中穩(wěn)定同位素組成和空氣濕度存在相關(guān)關(guān)系，所以降水的平均同位素即8D和6180值與降水量也存在著某種函數(shù)關(guān)系。西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素8D和δ180與降水量之間的關(guān)系見(jiàn)圖2。

由圖2可知.δ180、δD與降水量關(guān)系曲線的斜率均為負(fù)值，且判定系數(shù)很小，說(shuō)明在年尺度上，西安地區(qū)大氣降水中穩(wěn)定同位素的組成并沒(méi)有隨著大氣降水量的變化呈現(xiàn)很大的貧化現(xiàn)象，即西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素在年度尺度上不存在降水量效應(yīng)，這與降水的復(fù)雜性和水汽來(lái)源有很大關(guān)系，局部氣候的年際變化會(huì)改變大氣降水中穩(wěn)定同位素的數(shù)值，西安地區(qū)的這種現(xiàn)象與經(jīng)典同位素理論中的降水量效應(yīng)相一致，即穩(wěn)定同位素的降水量效應(yīng)主要發(fā)生在中低緯度沿海地區(qū)，在我國(guó)內(nèi)陸區(qū)通常表現(xiàn)不顯著，并且它的產(chǎn)生與大氣強(qiáng)烈對(duì)流現(xiàn)象相關(guān)。

西安地區(qū)降水同位素的上限值隨著降水強(qiáng)度的增大而明顯降低，降水量和降水同位素在夏季的擬合關(guān)系為δ180= -0.039P-4.339。這說(shuō)明西安地區(qū)大氣降水同位素的降水量效應(yīng)雖然在年尺度上不顯著，但是在夏季該效應(yīng)還是很明顯的，必須加以考慮，不能忽視。

2.3 西安地區(qū)大氣降水同位素的溫度效應(yīng)

章新平等[17]利用動(dòng)力分餾模型模擬了產(chǎn)生在混合云（積云與層云的混合產(chǎn)物）中的穩(wěn)定同位素效應(yīng)。認(rèn)為水汽云團(tuán)的冷凝溫度與降水穩(wěn)定同位素8D和δ18O的相關(guān)關(guān)系比地面溫度更為直接，同時(shí)得出了在月尺度、年尺度下降水同位素的溫度效應(yīng)和降水量效應(yīng)。溫度效應(yīng)指的是δ值隨月均氣溫的變化情況，在高緯度地區(qū)溫度是影響大氣降水中穩(wěn)定同位素變化的主要因素，在南北兩極表現(xiàn)得尤其明顯，且越深入大陸內(nèi)部，其正相關(guān)性越強(qiáng)[18]，這種現(xiàn)象在我國(guó)主要表現(xiàn)在季節(jié)溫度變化比較大的地區(qū)，如我國(guó)西北地區(qū)的西安、烏魯木齊、蘭州等。

受海水濃縮蒸發(fā)、水汽團(tuán)濃縮和降水分布的影響，降水穩(wěn)定同位素會(huì)產(chǎn)生分餾現(xiàn)象，從而造成時(shí)空分布的差異性。Craig H提出的瑞利蒸餾方程可以描述這種分餾現(xiàn)象：

R_v/R_o=f（a-l）式中：Rv為剩余蒸汽的比值;Ro為原始水蒸汽的比值;f為蒸汽剩余部分;a為同位素的分餾系數(shù)[19]。

從瑞利蒸餾方程可以看出，溫度是影響蒸發(fā)水體中穩(wěn)定同位素分餾的主要因素，平衡分餾的進(jìn)程完全取決于溫度，瑞利蒸餾方程中剩余水中8D和δ18O的數(shù)值隨溫度變化而變化，因此大氣降水中穩(wěn)定同位素的組成有很強(qiáng)的溫度效應(yīng)。西安地區(qū)8D和δ18O與溫度之間的關(guān)系見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素與溫度均成正相關(guān)關(guān)系。綜合各種統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，降水穩(wěn)定同位素與溫度的相關(guān)性很低，然而實(shí)際上卻不是這樣，原因是溫度對(duì)于降水中同位素的分餾有重要作用，二者相關(guān)性很低主要是收集的資料序列較短造成的，若條件允許，則可以證明降水穩(wěn)定同位素與溫度存在良好的線性函數(shù)關(guān)系。國(guó)內(nèi)學(xué)者研究分析也表明，我國(guó)高緯度地區(qū)大氣降水中8D和δ18O與溫度成正相關(guān)關(guān)系，而低緯度地區(qū)則為負(fù)相關(guān)關(guān)系。但是，在季節(jié)尺度上，大氣降水穩(wěn)定同位素的溫度效應(yīng)很輕微，甚至不存在，西安地區(qū)大氣降水中8D和δ18O與溫度的相關(guān)關(guān)系與之相符。

2.4 西安地區(qū)大氣降水同位素的水汽壓影響因素

在全球大氣水循環(huán)過(guò)程中，水汽既是載體，同時(shí)又是相變的主體，因此大氣降水穩(wěn)定同位素的含量必會(huì)隨著水汽壓變化而變化。西安地區(qū)大氣降水中穩(wěn)定同位素與水汽壓的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，西安地區(qū)大氣降水中8D、δ18O與水汽壓均成負(fù)相關(guān)關(guān)系，且由該地區(qū)降水中8D與水汽壓擬合得到的曲線斜率的絕對(duì)值大小可以得到，大氣降水中穩(wěn)定同位素8D與水汽壓呈現(xiàn)較強(qiáng)（相對(duì)于δ18O）的相關(guān)性。同樣，大氣降水中穩(wěn)定同位素δ180與水汽壓也成負(fù)相關(guān)關(guān)系，但δ180與水汽壓的相關(guān)性較差.用最小二乘法擬合的曲線情況也比較差。西安地區(qū)夏季主要接受太平洋東部東南季風(fēng)以及印度洋西南季風(fēng)的水汽，然而由于夏季季風(fēng)所帶的水汽經(jīng)過(guò)多次降水過(guò)程才到達(dá)西北內(nèi)陸地區(qū)，因此穩(wěn)定同位素沿途虧損較為嚴(yán)重。

3 結(jié)語(yǔ)

受西安地區(qū)局地特殊氣候和地理環(huán)境的影響，大氣降水線方程與全球大氣降水線方程和中國(guó)大氣降水線方程稍微偏離。溫度效應(yīng)和季節(jié)效應(yīng)是影響西安地區(qū)大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素的主要因素。

季節(jié)尺度上，西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素組成同樣發(fā)生著顯著變化：夏季為大氣降水同位素貧化時(shí)期，富集時(shí)期為春季;年度變化上，夏半年（一般指春分日到秋分日）降水同位素貧化偏負(fù)，冬半年（一般指10月至次年3月中旬）降水同位素富集偏正。西安地區(qū)夏季降水的水汽源主要來(lái)自太平洋東部的東南季風(fēng)和印度洋的西南季風(fēng)，相比東部沿海和低緯度地區(qū)干燥且濕度低，年均降水量小且蒸發(fā)非常強(qiáng)烈，降水量遠(yuǎn)小于蒸發(fā)能力。西安地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素的溫度效應(yīng)比較明顯，造成這種現(xiàn)象的主要原因是在西安這種比較干旱的西北內(nèi)陸地區(qū)，溫度升高后大氣降水明顯受到蒸發(fā)的強(qiáng)烈作用。

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【責(zé)任編輯翟戌亮】

收稿日期：2018-07-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ 51569022）

作者簡(jiǎn)介：王興（1993-），男，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉技術(shù)與理論

通信作者：李王成（1974-），男，陜西勉縣人，副教授，主要研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉技術(shù)與理論、農(nóng)業(yè)水資源高效利用