福州降水穩(wěn)定同位素對ENSO事件的響應(yīng)機(jī)制

張曉東, 郭政昇

(1.重慶旅游職業(yè)學(xué)院, 重慶 409099; 2.山西師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾 041004)

大氣降水作為水循環(huán)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，是各種水體的重要補(bǔ)給來源，水循環(huán)在時間和空間上不斷地發(fā)生變化，影響著一個地區(qū)生態(tài)環(huán)境的平衡，也是地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要影響因素。18O和D是水分子中所蘊(yùn)含的天然同位素，隨水分子的運(yùn)移廣泛參與到自然界水循環(huán)中[1]。由于水汽所經(jīng)過不同區(qū)域自然條件的差異，溫度、降水量、海拔等環(huán)境因素將導(dǎo)致水汽中的穩(wěn)定同位素發(fā)生相應(yīng)的分餾，之后的蒸發(fā)、不同水體間的局地水循環(huán)則會引起同位素的二次分餾，表現(xiàn)為水體中穩(wěn)定同位素濃度與自然環(huán)境條件之間的相關(guān)性[2]，是目前追蹤大氣降水水汽來源及大氣環(huán)流過程的主要手段。近年來諸多學(xué)者的研究表明，水汽源區(qū)的變化與大尺度對流過程制約著降水穩(wěn)定同位素的特征[3]，而ENSO(El Nio-Southern Oscillation)事件作為全球海氣耦合的最強(qiáng)信號之一，對東亞季風(fēng)區(qū)降水穩(wěn)定同位素的年際波動有著極大的影響[4]。

目前國內(nèi)外對水汽源區(qū)變化/ENSO與降水穩(wěn)定同位素之間遙相關(guān)關(guān)系的研究尚處于起步階段。Vimeux等[5]、Tremoy等[6]、Kurita[7]證明了水汽源區(qū)變化與降水δ18O之間存在顯著相關(guān)性，并對其內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行了初步探索；Gao等[8]、He等[9]對青藏地區(qū)降水中的氫氧同位素與北印度洋對流活動之間的關(guān)系進(jìn)行了研究；我國學(xué)者對珠江三角洲地區(qū)[10]、洞庭湖流域[11]、上海[12]降水中同位素組成與分布特征與ENSO事件的關(guān)系進(jìn)行初步探索，證明了ENSO事件對降水穩(wěn)定同位素的影響，但ENSO事件對季風(fēng)區(qū)的影響是否具有同一性仍待明確。向外長波福射OLR(Outgoing Longwave Radiation)是從大氣層外觀測到的地氣系統(tǒng)的對外輻射，是熱帶對流指示量，也是熱帶環(huán)流異常的重要表征[13]。相比于傳統(tǒng)方法，OLR技術(shù)能夠更精確地反映水汽源區(qū)熱帶輻合帶(Intertropical Convergence Zone,ITCZ)的位置與強(qiáng)度變化，并廣泛的應(yīng)用于海氣相互作用等方面的研究。因OLR對ENSO事件的過程有著極為敏感響應(yīng)，美國國家環(huán)境預(yù)報中心與日本氣象廳等機(jī)構(gòu)均將OLR技術(shù)用于ENSO事件的監(jiān)測工作中[14]。目前對于OLR資料的應(yīng)用主要集中于氣象領(lǐng)域，Tang等[15]將OLR技術(shù)應(yīng)用于同位素水文學(xué)研究中，對2012—2014年南京降水穩(wěn)定同位素與水源區(qū)ITCZ位置與強(qiáng)度變化之間的相關(guān)性進(jìn)行了探索。然而目前對水源區(qū)變化/ENSO事件與δ18O相關(guān)機(jī)制的研究剛剛起步，尚不明確ENSO事件對不同區(qū)域降水穩(wěn)定同位素的影響程度及特征，也需要用新的方法深入對水汽源區(qū)變化過程的探索，提高指示精度，完善對ENSO事件發(fā)展過程的示蹤。

福州位于我國東部季風(fēng)區(qū)的東南沿海，地貌為河口盆地，閩江由此入海，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候[16]。能夠避免水汽深入內(nèi)陸導(dǎo)致的同位素分餾及局地氣候帶來的影響，從而更為準(zhǔn)確的反映同位素特征對ENSO事件的響應(yīng)過程。本文依據(jù)福州站點(diǎn)的降水同位素與氣象數(shù)據(jù)，利用OLR技術(shù)進(jìn)一步探索水汽源區(qū)變化及ENSO事件對降水中同位素特征的影響，能夠深入了解我國季風(fēng)區(qū)水汽來源及降水過程的變化，有助于進(jìn)一步推進(jìn)對季風(fēng)區(qū)水循環(huán)機(jī)制的研究。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 數(shù)據(jù)與方法

本文所用的福州站點(diǎn)(26.08°N,119.28°E)月均降水穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù)來自全球大氣降水同位素網(wǎng)絡(luò)(Global Network of Isotope in Precipitation,GNIP)，數(shù)據(jù)起止時間為1985—1992年。同位素δ值均以維也納標(biāo)準(zhǔn)海洋水(V-SMOW)的千分差表示：

δ18O(orδD)=[(R水樣/RV-SMOW)-1]×1000‰

式中：R水樣、RV-SMOW分別為樣品與V-SMOW中的18O/16O及D/H比值。

福州站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，OLR數(shù)據(jù)源自國家衛(wèi)星氣象中心提供的風(fēng)云二E地球同步軌道氣象衛(wèi)星，可見光紅外自旋掃描輻射儀所處理的月均向外長波福射(OLR)數(shù)據(jù)，空間分辨率為1°×1°。衛(wèi)星定位于105°E，能更好的反映我國及周邊區(qū)域的水熱狀況及ENSO背景下水汽源區(qū)的演變過程。

1.2 ENSO事件的劃分依據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)

OSIn=Std(∑ONI)-Std(∑SOI)

將海氣綜合強(qiáng)度指數(shù)(OSI)作為劃分ENSO事件強(qiáng)度的依據(jù)，參照陳虹穎等[17]的分類方法，按表1標(biāo)準(zhǔn)將ENSO事件分為極強(qiáng)、強(qiáng)、中等、弱、極弱5個等級，字母E代表各階段厄爾尼諾事件，字母L代表各階段拉尼娜事件，1985—1992年共經(jīng)歷了2次厄爾尼諾事件和2次拉尼娜事件，劃分結(jié)果見表2。

表1 ENSO事件的海氣綜合強(qiáng)度指標(biāo)

表2 厄爾尼諾事件和拉尼娜事件統(tǒng)計

2 福州降水同位素特征分析

2.1 大氣降水δ18O的季節(jié)變化

對福州站的δ18O、降水、氣溫數(shù)據(jù)分別按厄爾尼諾年、正常年、拉尼娜年計算采樣時段內(nèi)多年月平均值，結(jié)果如圖1所示。

總體上，福州站δ18O值表現(xiàn)為夏半年較低冬半年較高的趨勢，由1月至12月表現(xiàn)為先波動下降再急劇上升的過程。由各事件年來看，δ18O值總體表現(xiàn)出厄爾尼諾年>正常年>拉尼娜年的特征，特別是在夏季，這一特征更為突出，證明降水中δ18O值的水平敏感的響應(yīng)著ENSO事件對季風(fēng)氣候的影響。由圖1可見，厄爾尼諾年、正常年、拉尼娜年的氣溫差異并不顯著，但各事件年降水的差異則十分明顯，與各事件年δ18O值的變化有著較好的對應(yīng)。依據(jù)各事件年降水量數(shù)據(jù)，計算雨季4—10月各事件年降水量所占比例(圖2)，可見在前期(4—7月)厄爾尼諾年降水量所占比例穩(wěn)定在40%左右，而在后期(8—10月)，特別是9—10月則是拉尼娜年降水比例顯著增多，因而厄爾尼諾年降水顯著集中于雨季前期，而拉尼娜年降水在雨季后期占主導(dǎo)地位。由此可見，ENSO事件對大氣降水δ18O的影響主要通過影響降水的年內(nèi)分布，特別是雨季降水的時間分布狀況而實(shí)現(xiàn)。

圖1 福州大氣降水δ18 O、降水量、溫度的多年平均變化

圖2 雨季各事件年平均降水量對比

2.2 大氣降水線方程的差異

大氣降水中δD和δ18O之間的線性關(guān)系被稱作大氣降水線方程。因降水中的同位素分餾狀況及比率變化受降水區(qū)自然環(huán)境要素的影響，大氣降水線方程代表著穩(wěn)定同位素與地理特征之間的獨(dú)特關(guān)系，深刻的反映著不同地域獨(dú)特的降水特征[18]。依據(jù)78組月均數(shù)據(jù)，得到福州站厄爾尼諾年、正常年、拉尼娜年大氣降水線方程為：

厄爾尼諾年：δD=8.03δ18O+12.87(R2=0.89)

正常年：δD=8.21δ18O+10.38 (R2=0.92)

拉尼娜年：δD=8.68δ18O+16.80 (R2=0.98)

圖3為福州δD-δ18O間的線性關(guān)系，可見厄爾尼諾年的斜率小于正常年，拉尼娜年的斜率與截距均大于正常年，表明ENSO事件對降水中穩(wěn)定同位素的分餾狀況有著規(guī)律性的影響，造成這一差異的原因可能是由于ENSO事件改變了福州降水的年內(nèi)分配狀況。厄爾尼諾年降水集中于雨季前期，是旱季向雨季轉(zhuǎn)換的季節(jié)，蒸發(fā)旺盛，雨水在降落過程中受到了二次蒸發(fā)，局地再循環(huán)水汽在降水中所占比例也較高，從而使厄爾尼諾年的斜率與截距降低。拉尼娜年降水集中于雨季后期，水汽蒸發(fā)趨緩，局地再循環(huán)水汽在降水中的比例也隨之下降，從而推高了拉尼娜年的斜率與截距。但這一結(jié)論與上海[12]站的大氣降水線方程不同，其厄爾尼諾年的斜率與截距在數(shù)值上大于非厄爾尼諾年。由此可見，ENSO事件對大氣環(huán)流的影響極為復(fù)雜，其對大氣降水線方程的影響因地區(qū)而異，這一規(guī)律還有待于進(jìn)一步研究。與Yurtsever等[19]獲得的全球大氣降水線方程(δD=8.17δ18O+10.56)相比，正常年斜率與截距與之極為相近，非正常年斜率與截距則發(fā)生輕微的反向變化；與Liu等[20]提出的中國降水線方程(δD=7.48δ18O+1.01)、柳鑒容等[21]所報道的中國東部季風(fēng)區(qū)降水線方程(δD=7.46δ18O+0.90)相比，斜率與截距均較高，與珠江流域大氣降水線方程(δD=8.08δ18O+11.00)相近[18]。綜合來看，與全球、珠江流域大氣降水線方程相近，而較中國各地大氣降水線方程顯著較高的斜率與截距，體現(xiàn)出暖濕性的氣候特征。

圖3 福州大氣降水線方程

2.3 大氣降水δ18O的與局地環(huán)境的關(guān)系

在我國季風(fēng)區(qū)，降水同位素組成受環(huán)境因素的制約，在不同季節(jié)形成不同的氫氧穩(wěn)定同位素特征[22]，其中溫度與降水量對同位素分餾比率的影響最為顯著。因全年尺度下的環(huán)境效應(yīng)并不顯著，依據(jù)福州站月均數(shù)據(jù)，分別計算各事件年旱雨兩季的降水量效應(yīng)與溫度效應(yīng)(表3)。

表3 福州大氣降水δ18 O與氣溫、降水的關(guān)系

3 ENSO事件對降水中δ18 O的影響

3.1 ENSO事件與降水中δ18 O年內(nèi)變化的關(guān)系

在影響降水穩(wěn)定同位素特征的諸多因素中，水汽源區(qū)變化首先影響著穩(wěn)定同位素的分餾狀況，水汽團(tuán)運(yùn)移過程與降水區(qū)環(huán)境特征都是在其基礎(chǔ)上，對降水中的穩(wěn)定同位素特征進(jìn)行再塑造[23]。就水汽源區(qū)變化的影響而言，ENSO事件無疑是最為顯著的因子，對水汽源區(qū)的季節(jié)性演變、區(qū)域乃至全球的降水、氣溫等氣候要素的異常有著密切關(guān)系[24]，并直接影響著水循環(huán)中穩(wěn)定同位素的分餾狀況與特征。由于降水同位素的水平及特征在一個較長的時期內(nèi)都處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，綜合考慮降水同位素與氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的起止時間，因ENSO事件的多為跨年度發(fā)生，且轉(zhuǎn)換時間一般為夏半年，選定2015—2016年、2014—2015年、2010—2011年作為厄爾尼諾年、正常年與拉尼娜年的分析時間，以7月、10月、1月、4月OLR場圖代表水汽源區(qū)的年內(nèi)變化狀況。需要說明的是，2015—2016年厄爾尼諾事件為極強(qiáng)，其OLR場表現(xiàn)較拉尼娜年更為極端，但也更加凸顯其變化規(guī)律，結(jié)果如附圖1所示。

同月份在不同ENSO事件背景下，水汽源區(qū)的狀況有著顯著差異，其OLR值總體上呈現(xiàn)出厄爾尼諾年>正常年>拉尼娜年的特征，這與圖2中各站點(diǎn)在不同年份背景下表現(xiàn)出的δ18O值水平差異相一致，證明ENSO事件背景下水汽源區(qū)的變化對δ18O值的年際變化有著很大的影響。

具體來看，7月代表的夏季是氣溫最高、降水較多的季節(jié)，此時厄爾尼諾年水汽源區(qū)的OLR場表現(xiàn)為高值區(qū)域，無明顯的水汽中心，而正常年與拉尼娜年則建立了明顯的ITCZ。正常年孟加拉灣與西太平洋水汽源連為一體，西太平洋OLR低值區(qū)程度更深，水汽輻合更強(qiáng)，而拉尼娜年則相對較弱，孟加拉灣低值區(qū)輻合更強(qiáng)，表明正常年與拉尼娜年水汽源區(qū)特征差異顯著。這一時期各站點(diǎn)正常年與拉尼娜年降水量總體大于厄爾尼諾年，由沿海向內(nèi)陸這一特點(diǎn)更趨明顯，圖1中的δ18O值同樣表現(xiàn)為正常年>拉尼娜年>厄爾尼諾年，與OLR場特征一致，這一時期也是OLR與δ18O值的差異表現(xiàn)最為顯著的時期。

10月代表的秋季是氣溫與降水逐步降低的階段，此時水汽源區(qū)已經(jīng)南移，副高已經(jīng)控制華南地區(qū)，厄爾尼諾年與正常年ITCZ顯著減弱，而拉尼娜年則十分明顯。這一時期降水顯著減少，δ18O值則出現(xiàn)了拉尼娜年與厄爾尼諾年先上升再下降的現(xiàn)象，特別是在11月演變?yōu)槔崮饶?正常年>厄爾尼諾年，與OLR場一致。此時拉尼娜年輻合帶范圍更廣、更偏北且程度更深，海溫相對較高且水汽運(yùn)移路線相對于正常年與厄爾尼諾年更短，穩(wěn)定同位素在水汽團(tuán)運(yùn)移過程中貧化程度更低，氣溫降低的同時δ18O值下降并不多。

1月代表的冬季是是氣溫與降水最低的季節(jié)，10°N地區(qū)由副高控制，ITCZ退至赤道地區(qū)，厄爾尼諾年輻合中心極為微弱，而正常年與拉尼娜年則較為明顯。這一時期拉尼娜年輻合帶保持著范圍更廣、更偏北且程度更深的特點(diǎn)，但這一時期福州主要受北方大陸氣團(tuán)影響，水汽源區(qū)的變化與δ18O的變化并不同步。

4月代表的春季是氣溫與降水逐步升高的階段，此時副高減弱，ITCZ北移，厄爾尼諾年輻合中心逐漸加強(qiáng)，正常年與拉尼娜年較為明顯，正常年ITCZ加深，厄爾尼諾年ITCZ至5月方才建立，降水也隨之增多。這一時期是厄爾尼諾年ITCZ最強(qiáng)的時期，隨著孟加拉灣水汽源區(qū)的發(fā)展，厄爾尼諾年δ18O值逐漸上升，這一時期δ18O值水平全部為厄爾尼諾年>正常年>拉尼娜年的狀態(tài)。

3.2 水汽源區(qū)的年際差異

基于以上對OLR場各事件年內(nèi)變化規(guī)律的分析，為進(jìn)一步確證水汽源區(qū)的位置及其在不同ENSO背景下的總體變化狀況，依據(jù)各事件年12個月份的月均OLR場，得到各事件年的年均OLR場，并分別計算厄爾尼諾年/拉尼娜年與正常年的差值，結(jié)果見附圖2。

從ENSO事件的發(fā)展過程來看，與正常年相比，厄爾尼諾與拉尼娜年ITCZ的變化規(guī)律呈現(xiàn)出相反的趨勢。厄爾尼諾年ITCZ在4月開始建立并加深，至7月達(dá)到最盛，而10月則較弱；正常年在7月和4月左右是ITCZ程度最深的階段；拉尼娜年ITCZ則在10月達(dá)到最盛，1月仍保持著較大的范圍。因此，厄爾尼諾年ITCZ主要建立并加深在春夏季，且總體偏南，規(guī)模較??；而拉尼娜年ITCZ則在秋季達(dá)到一年中的峰值，總體偏北，范圍較大，不同事件年ITCZ的變化特征與福州站δ18O的環(huán)境效應(yīng)規(guī)律相吻合。厄爾尼諾年對降水和δ18O值的影響主要體現(xiàn)在雨季前期，而拉尼娜年主要體現(xiàn)在雨季的后期，這與2.1與2.3中的分析結(jié)果一致。

厄爾尼諾年與正常年的OLR差值主要體現(xiàn)在西太平洋，印度洋水汽源區(qū)差值與范圍相對較小，主要位于赤道附近地區(qū)，其OLR均值較正常年偏高10～15 W/m2。拉尼娜年OLR差值同樣體現(xiàn)在西太平洋水汽源區(qū)，且范圍更廣，強(qiáng)度更大，其OLR均值較正常年偏低20 W/m2左右，而印度洋水源區(qū)的波動范圍與強(qiáng)度相較于厄爾尼諾年都明顯減弱。拉尼娜年水源區(qū)位置要更靠北，接近10°N左右，西太平洋水汽源區(qū)的波動范圍與強(qiáng)度都遠(yuǎn)大于印度洋水源區(qū)，因此印度洋水源區(qū)較為穩(wěn)定，西太平洋水汽源區(qū)位置與對流強(qiáng)度的變化是ENSO事件年中影響研究區(qū)降水穩(wěn)定同位素變化的主要因子。

4 結(jié) 論

(1) ENSO事件背景下的水汽源區(qū)變化是影響穩(wěn)定同位素年際差異的主要因素，主要通過影響降水的年內(nèi)分配，特別是雨季降水的時間分配狀況而實(shí)現(xiàn)；ENSO事件對大氣降水線方程有著明顯規(guī)律性的影響，拉尼娜年凸顯出海洋性較強(qiáng)的氣候特征；厄爾尼諾年減弱雨季降水量效應(yīng)而增強(qiáng)旱季反溫度效應(yīng)，拉尼娜年則削弱旱季反溫度效應(yīng)。

(2) 水汽源區(qū)ITCZ的位置、對流活動強(qiáng)度及氣團(tuán)運(yùn)移過程顯著影響著穩(wěn)定同位素的特征，厄爾尼諾與拉尼娜年ITCZ的變化規(guī)律呈現(xiàn)出相反的趨勢，其OLR場的變化與研究區(qū)穩(wěn)定同位素特征有著較強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系；西太平洋水汽源區(qū)位置與對流強(qiáng)度的變化是ENSO事件年中影響研究區(qū)降水穩(wěn)定同位素變化的主要因子。

本文基于OLR技術(shù)初步研究了ENSO事件對福州降水中穩(wěn)定同位素的影響，由于ENSO事件的影響及水汽源區(qū)變化的過程極為復(fù)雜，降水穩(wěn)定同位素對ENSO事件的響應(yīng)機(jī)制仍需深入探索。福州大氣降水線方程在不同事件背景下的變化規(guī)律與上海相反，這說明ENSO事件對大氣水線方程的影響具有顯著的地域差異性，但目前尚無更多的資料說明ENSO事件對水線方程產(chǎn)生影響的規(guī)律；其次，目前對這一機(jī)制的研究尚處于起步階段，在今后的研究中有望通過大氣環(huán)流模型或其他技術(shù)手段進(jìn)一步做出定量化分析。