中國東部季風(fēng)區(qū)降水δ18O 與ENSO 事件的關(guān)系

段連強(qiáng)，劉風(fēng)華，蘇永軍，孔淑芹

（1.滄州水利勘測設(shè)計(jì)院，河北 滄州 061000；2.河北水利電力學(xué)院，河北 滄州 061001）

0 引 言

【研究意義】氫氧穩(wěn)定同位素是存在于自然水體中的同位素，因其分餾特征對(duì)環(huán)境變化有著極為敏感的響應(yīng)，目前廣泛應(yīng)用于大氣降水水汽來源及水循環(huán)過程的示蹤，被稱為水的“指紋”[1]，也是研究古氣候恢復(fù)與季風(fēng)環(huán)流反演的主要手段之一[2]。厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）事件是全球海氣耦合的最強(qiáng)信號(hào)之一，也反映著水汽源區(qū)對(duì)流過程的大尺度演變過程，對(duì)東亞季風(fēng)區(qū)乃至全球的氣候變化影響顯著[3]。

【研究進(jìn)展】目前對(duì)水汽源區(qū)變化/ENSO 事件與降水穩(wěn)定同位素之間響應(yīng)機(jī)制的研究尚處于起步階段。Kurita 等[4]、Tremoy 等[5]學(xué)者證明了水汽源區(qū)變化與降水δ18O 之間存在顯著相關(guān)性，并對(duì)其內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行了探索；陳中笑等[6]分析了中國降水穩(wěn)定同位素的時(shí)空分布特征及其影響因素，通過直接對(duì)比發(fā)現(xiàn)ENSO 事件與降水穩(wěn)定同位素特征之間有顯著的正相關(guān)，但不一定通過影響降水量來影響；柳鑒容等[7]首次將中國東部季風(fēng)區(qū)作為整體，分析了其降水中δ18O 的特征并利用不同站點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)水汽來源進(jìn)行了初步探索；譚明等[8]提出在中國季風(fēng)區(qū)存在著一種特殊的同位素效應(yīng)-環(huán)流效應(yīng)，并據(jù)此解釋了2012 年降水量效應(yīng)異常的原因；Gao 等[2]、He 等[9]對(duì)青藏地區(qū)降水中的氫氧同位素與北印度洋對(duì)流活動(dòng)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究；近年來，國內(nèi)學(xué)者對(duì)珠江三角洲[10]、洞庭湖流域[11]以及上海[12]等地區(qū)，通過計(jì)算水汽通量的方法對(duì)ENSO 事件與降水同位素組成與分布特征的關(guān)系進(jìn)行了研究，但未能將研究重點(diǎn)放在水汽源區(qū)的變化上。目前的研究很少考慮不同ENSO 事件年對(duì)降水穩(wěn)定同位素的影響，研究方法有待進(jìn)一步深入。向外長波輻射（Outgoing Longwave Radiation，OLR）是從大氣層外觀測到的地氣系統(tǒng)的對(duì)外輻射，是熱帶對(duì)流指示量，也是熱帶環(huán)流異常的重要表征[13]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】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，并廣泛地應(yīng)用于海氣相互作用等方面的研究[14]。通過OLR 技術(shù)反演水汽源區(qū)變化，從而明確季風(fēng)區(qū)δ18O 年際年內(nèi)變動(dòng)的根本原因，明確其響應(yīng)機(jī)制。

【切入點(diǎn)】中國東部季風(fēng)區(qū)作為世界上最典型的季風(fēng)區(qū)-東亞季風(fēng)區(qū)的主體，降水特征的空間分布格局和季節(jié)分配特征都受季風(fēng)環(huán)流的直接影響[15]。本文依據(jù)中國東部季風(fēng)區(qū)60 個(gè)站點(diǎn)的降水穩(wěn)定同位素及相關(guān)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 事件與降水中同位素時(shí)空分布特征的響應(yīng)機(jī)制，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，有助于推進(jìn)對(duì)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 研究區(qū)概況

中國東部季風(fēng)區(qū)的范圍大致以105°E 為界，即沿大興安嶺-陰山-賀蘭山-烏鞘嶺-念青唐古拉山-橫斷山脈以東的廣大地區(qū)[7]，主體為第三階梯的平原丘陵地形。因北靠世界最大的歐亞大陸，面向最為遼闊的太平洋，因而季風(fēng)氣候極為顯著。多年平均地面溫度由南向北遞減，年降水量在200～2 200 mm，總體亦呈由東南沿海向內(nèi)陸遞減的趨勢[9]。本文對(duì)東部季風(fēng)區(qū)界線的劃分來自全球變化科學(xué)研究數(shù)據(jù)出版系統(tǒng)[16]，參照羅開富[17]對(duì)中國自然區(qū)域劃分方法，將東部季風(fēng)區(qū)劃分為東北區(qū)、華北區(qū)和南方區(qū)3 個(gè)子區(qū)域進(jìn)行討論。區(qū)內(nèi)站點(diǎn)分布較為均勻，能夠較好地反映整個(gè)區(qū)域的降水同位素狀況（圖1）。

圖1 降水穩(wěn)定同位素站點(diǎn)位置及地形 Fig.1 Topography and distribution of stations

1.2 數(shù)據(jù)來源及方法

中國東部季風(fēng)區(qū)的60 個(gè)降水同位素站點(diǎn)主要包括：全球大氣降水同位素網(wǎng)絡(luò)（Global Network of Isotope in Precipitation，GNIP）23 站、中國大氣降水同位素網(wǎng)絡(luò)（Chinese Network of Isotopes in Precipitation，CHNIP）15 站，及近年來國內(nèi)學(xué)者所設(shè)立的降水同位素觀測點(diǎn)22 站，各站點(diǎn)分布如圖1所示，因東部季風(fēng)區(qū)內(nèi)部差異較為顯著，選取東北區(qū)（齊齊哈爾）、華北區(qū)（石家莊、天津）與南方區(qū)（桂林、南京）5 個(gè)代表站點(diǎn)進(jìn)行深入研究。

DEM 數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（http://www.gscloud.cn）所提供的SRTMDEMUTM 90 m 分辨率高程數(shù)據(jù)。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（VISSR）所處理的月均OLR 數(shù)據(jù)，空間分辨率為1°×1°。衛(wèi)星定位于105°E，能更好地反映我國及周邊區(qū)域的水熱狀況及ENSO 背景下水汽源區(qū)的演變過程。

1.3 ENSO 事件的劃分依據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)

本文用Ni?o3.4 區(qū)海洋尼諾指數(shù)（Oceanic Ni?o index，ONI），即海表溫度指數(shù)（SST）距平的3 個(gè)月滑動(dòng)平均值來定義ENSO 事件，參考南方濤動(dòng)指數(shù)（Southern Oscillation Index，SOI）計(jì)算海氣強(qiáng)度指數(shù)。將海氣綜合強(qiáng)度指數(shù)作為劃分ENSO 事件強(qiáng)度的依據(jù)，參照陳虹穎等[18]的分類方法，將ENSO 事件分為極強(qiáng)、強(qiáng)、中等、弱、極弱5 個(gè)等級(jí)。

2 中國東部季風(fēng)區(qū)降水同位素特征分析

相對(duì)于空間插值方法，利用模型對(duì)缺乏降水穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)的地區(qū)進(jìn)行模擬，以確定δ18O 的空間分布狀況更為準(zhǔn)確。2002 年Bowen 和Wilkinson[19]提出BW模型，對(duì)全球降水中氧穩(wěn)定同位素的空間分布進(jìn)行了模擬，證明這一方法能夠有效地對(duì)降水中穩(wěn)定同位素的空間分布進(jìn)行估算。因研究區(qū)內(nèi)海拔差異與南北跨度均較大，依據(jù)緯度與海拔采用非線性回歸方法進(jìn)行擬合，得到中國東部季風(fēng)區(qū)δ18O 預(yù)測模型：

式中：δ18O 為降水氧穩(wěn)定同位素的年均估計(jì)值；LAT為緯度；ALT 為海拔。

模型對(duì)我國東部季風(fēng)區(qū)降水中的模擬能夠總體上反映降水中δ18O 的空間分布狀況（δ18Omod=0.89δ18Omeas-0.66，R2=0.69）。根據(jù)模型測算結(jié)果，利用反距離加權(quán)插值法生成中國東部季風(fēng)區(qū)殘差格點(diǎn)圖，基于DEM 數(shù)據(jù)所提取的緯度與高程，運(yùn)用預(yù)測模型模擬出δ18O 的空間分布，然后將殘差格點(diǎn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果相加得到中國東部季風(fēng)區(qū)降水中δ18O 的空間分布圖（圖2），站點(diǎn)實(shí)測值與模型預(yù)測值的平均誤差為0.17‰，殘差變化在-4.5‰～2.8‰之間，這是由溫度效應(yīng)、降水量效應(yīng)、水汽輸送路徑等不能通過緯度與海拔進(jìn)行解釋的因素造成的。

δ18O的空間分布總體上呈由東南向西北逐漸貧化的過程，受地形影響，海拔較高的山地高原貧化程度也越高，平原盆地則表現(xiàn)為δ18O 的富集狀態(tài)。東北區(qū)總體δ18O 值較低，特別是東北部長白山區(qū)，高緯度高海拔呈現(xiàn)δ18O 極低值，中部東北平原則相對(duì)較高，表現(xiàn)為與地形的高度相關(guān)。華北區(qū)過渡性特征強(qiáng)烈，呈條帶狀分布，華北平原區(qū)海拔低且距海較近，δ18O值較高，蒙古高原與黃土高原部分貧化顯著，高原上的山地則表現(xiàn)為高度貧化狀態(tài)。南方區(qū)總體δ18O處于高值，長江中下游與華南地區(qū)呈高值區(qū)，東南丘陵開始降低，云貴高原出現(xiàn)高度貧化。將5 個(gè)代表性站點(diǎn)的δ18O、降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)分別按厄爾尼諾年、正常年、拉尼娜年計(jì)算多年月平均值（圖3）。

圖2 降水中δ18O 的空間分布 Fig.2 Spatial distribution of precipitation of δ18O

圖3 大氣降水δ18O、降水量、溫度的變化 Fig.3 The variations of the monthly weighted mean δ18O, precipitation and temperature

總體而言，中國東部季風(fēng)區(qū)大部分站點(diǎn)δ18O 值的時(shí)間變化趨勢較為一致，表現(xiàn)為冬半年較高而夏半年較低的特征，齊齊哈爾站呈夏季略高于冬季的特點(diǎn)，但由石家莊站向南至桂林站，冬高夏低的特征逐漸凸顯，體現(xiàn)出由北向南季風(fēng)性漸強(qiáng)的特點(diǎn)。

具體來看，東北區(qū)齊齊哈爾站（圖3（a））在夏半年ENSO 事件的影響并不明顯，7 月以后拉尼娜年降水量較多，導(dǎo)致δ18O 相對(duì)較低，但在冬半年，厄爾尼諾年δ18O 較高，這與對(duì)應(yīng)的較高氣溫相一致，證明厄爾尼諾背景下在東北地區(qū)出現(xiàn)的暖冬強(qiáng)化了溫度效應(yīng)。圖3（b）與圖3（c）華北區(qū)2 站δ18O 的年內(nèi)變化特征表現(xiàn)為春秋高而冬夏低的特點(diǎn)，春季降水較少，δ18O 值隨氣溫升高。秋季降水量減少，但氣溫緩慢降低，降水量效應(yīng)的減退導(dǎo)致δ18O 值出現(xiàn)了一個(gè)升高的過程。但在夏、冬季，降水量最多或氣溫最低，從而δ18O 值表現(xiàn)為低值特征，證明華北區(qū)在不同季節(jié)有著不同的主導(dǎo)環(huán)境效應(yīng)。圖3（d）與圖3（e）南方2 站δ18O 值表現(xiàn)出先波動(dòng)下降再急劇上升的過程，不同的是，相對(duì)較北的南京站春季仍有升高的過程，而桂林站則表現(xiàn)為較明顯的海洋性特征。2 站點(diǎn)δ18O 值的水平在不同年份差異較大，特別是桂林站厄爾尼諾年明顯高于正常年，拉尼娜年則明顯低于正常年，證明降水中δ18O 值的水平敏感地反映了ENSO 事件對(duì)季風(fēng)氣候的影響。

需要指出的是，除東北區(qū)齊齊哈爾站外，華北區(qū)與南方區(qū)各站點(diǎn)δ18O 的值在4、5 月集中于-4‰左右，之后分散出較大的差異，表現(xiàn)為“啞鈴型”的季節(jié)變化模式。這一現(xiàn)象最早由程海等[20]報(bào)道，認(rèn)為這是由于“環(huán)流效應(yīng)”致使各站點(diǎn)春季水汽來源比較一致或遠(yuǎn)近源水汽比率較為一致造成的。

3 ENSO 事件對(duì)降水中δ18O 的影響

就水汽源區(qū)變化的影響而言，ENSO 事件無疑對(duì)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[21]，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。綜合考慮降水同位素與“風(fēng)云二E”氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的起止時(shí)間，因ENSO 事件的多為跨年度發(fā)生，且轉(zhuǎn)換時(shí)間一般為夏半年，依據(jù)陳虹穎等[18]的分類方法，分別選取3 個(gè)典型ENSO 事件年，制成2015—2016 年、2014—2015 年、2010—2011 年7、10、1、4 月OLR場圖，分別代表厄爾尼諾年、正常年與拉尼娜年水汽源區(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（圖4）。

圖4 證明相同月份在不同ENSO 事件背景下，水汽源區(qū)狀況有著顯著差異，其OLR 值呈現(xiàn)出厄爾尼諾年>正常年>拉尼娜年的特征，這與圖2 中華北區(qū)與南方區(qū)站點(diǎn)在夏半年表現(xiàn)出厄爾尼諾年δ18O 值總體高于拉尼娜年的特征相一致，證明ENSO 事件背景下水汽源區(qū)的變化對(duì)δ18O 值的年際變化有著很大的影響。

4 討 論

不同時(shí)間水汽源區(qū)的變化與季風(fēng)區(qū)降水穩(wěn)定同位素的波動(dòng)有著一定的相關(guān)性。7 月代表的夏季是氣溫最高、降水較多的季節(jié)，此時(shí)厄爾尼諾年水汽源區(qū)的OLR 場表現(xiàn)為高值區(qū)域，水汽中心范圍極小，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，西太平洋低值區(qū)程度更深，水汽輻合更強(qiáng)，而拉尼娜年則相對(duì)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有著不同的主導(dǎo)水汽源區(qū)。由圖3 可見，這一時(shí)期東北區(qū)與華北區(qū)站點(diǎn)拉尼娜年降水顯著高于厄爾尼諾年，因東北區(qū)以溫度效應(yīng)為主導(dǎo)，因而δ18O 值差別不大，華北區(qū)2 站厄爾尼諾年δ18O 值顯著高于拉尼娜年。南方2站略有不同，桂林站降水量和δ18O 值的變化與華北區(qū)一致，但南京站在厄爾尼諾年降水量最高，這是由于雨帶偏南，集中于華南、華東地區(qū)，加之“類SPR 同位素現(xiàn)象”的影響，呈現(xiàn)出相反的趨勢。

10 月代表的秋季是氣溫與降水逐步降低的階段，此時(shí)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 減弱，而拉尼娜年則十分明顯。這一時(shí)期大部分站點(diǎn)拉尼娜年降水增多，除齊齊哈爾站δ18O 值隨溫度降低而下降外，由于拉尼娜年輻合帶范圍更廣、更偏北且程度更深，海溫相對(duì)較高且水汽運(yùn)移路線相對(duì)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，從而推高了δ18O 值。

1 月代表的冬季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。冬季水汽源區(qū)對(duì)季風(fēng)區(qū)的影響很小，因而這一時(shí)期各站點(diǎn)δ18O 值無明顯的規(guī)律。

4 月代表的春季是氣溫與降水逐步升高的階段，此時(shí)副高減弱，ITCZ 北移，厄爾尼諾年輻合中心尚不顯著，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(shí)期隨著孟加拉灣水汽源區(qū)的發(fā)展，華北區(qū)與南方區(qū)降水量效應(yīng)開始出現(xiàn)，δ18O 值水平開始轉(zhuǎn)換為厄爾尼諾年大于拉尼娜年的狀態(tài)。

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。圖4 的變化過程表明，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?。欢崮饶闕TCZ則在秋季達(dá)到一年中的峰值，總體偏北，范圍較大。而各站點(diǎn)δ18O 值的變化過程與各事件年中的ITCZ 發(fā)展過程基本上保持一致，這也與第2 節(jié)中的分析結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

圖4 水汽源區(qū)OLR 平均場圖(W/m2) Fig.4 Composite results for average OLR (W/m2)

5 結(jié) 論

1）δ18O 的空間分布總體上呈由東南向西北逐漸貧化的過程，受地形影響較為顯著，季節(jié)變化表現(xiàn)為冬半年較高而夏半年較低的特征，總體體現(xiàn)出由北向南季風(fēng)性漸強(qiáng)的特點(diǎn)；總體上ENSO 事件對(duì)溫度效應(yīng)影響顯著，拉尼娜年加強(qiáng)東北、華南二區(qū)δ18O 與溫度的關(guān)系，但對(duì)華北區(qū)影響微弱。

2）不同ENSO 事件背景下，水汽源區(qū)OLR 值呈厄爾尼諾年>正常年>拉尼娜年的特征，與δ18O 值的趨勢相一致，ITCZ 的變化與季風(fēng)區(qū)穩(wěn)定同位素特征有著較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但在不同區(qū)域受到了局地氣候的影響，東北區(qū)相關(guān)性并不顯著。