阿爾泰山降水氫氧穩(wěn)定同位素特征及水汽來源分析

段麗洪， 王圣杰， 張明軍， 王力福

（1.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省綠洲資源環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；3.阿勒泰市氣象局，新疆 阿勒泰 836500）

大氣降水是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)和地表水資源輸入的主要形式［1-2］，利用降水中的氫氧穩(wěn)定同位素作為示蹤劑可以深入揭示包括蒸發(fā)、凝結(jié)和水汽輸送等在內(nèi)的水循環(huán)過程［3-4］。在亞洲中部干旱區(qū)，山區(qū)降水是區(qū)域水資源的重要來源［5-6］，也是氫氧穩(wěn)定同位素監(jiān)測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［7-8］。其中，天山和祁連山一帶的長期監(jiān)測研究表明，該區(qū)域降水同位素比率的冬夏季節(jié)差異明顯［9-11］，而強烈的云下二次蒸發(fā)作用進一步強化了同位素的季節(jié)差異［12-13］，除了西風(fēng)環(huán)流和季風(fēng)環(huán)流可能對這些山區(qū)的降水存在貢獻外［14-16］，局地水汽再循環(huán)對降水的貢獻也不可忽略［17］。這些降水同位素監(jiān)測研究為認識亞洲中部山區(qū)的水循環(huán)過程提供了重要的基礎(chǔ)。

在亞洲中部山區(qū)中，緯度相對較高的阿爾泰山常年受到西風(fēng)環(huán)流與極地氣團的影響，冬春季節(jié)降水較多，具有明顯的區(qū)域特色［18］。在過去的幾十年中，阿爾泰山呈現(xiàn)出明顯的升溫趨勢，但南北兩側(cè)降水的變化幅度存在差異［19］。相較于天山和祁連山而言，在阿爾泰山開展的現(xiàn)代大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素監(jiān)測仍比較有限［20-21］。就我國境內(nèi)的阿爾泰山南坡而言，僅在阿勒泰城區(qū)［22］有降水同位素的監(jiān)測報道，其余多為臨時性的短期采樣［23］。阿爾泰山東西綿延較長，不同區(qū)域受西風(fēng)環(huán)流和極地氣團的影響程度也不同，目前尚缺乏對其不同區(qū)域降水同位素的對比研究。

基于此，本文選取阿爾泰山地區(qū)4個站點，分析了大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素的年內(nèi)變化特征及大氣降水線方程，探討了降水同位素的溫度效應(yīng)，并結(jié)合后向軌跡分析了該區(qū)域的水汽來源，旨在明確阿爾泰山地區(qū)氫氧穩(wěn)定同位素反映的水文氣候信息，為現(xiàn)代大氣水循環(huán)過程以及古氣候環(huán)境記錄研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 降水同位素實測數(shù)據(jù)阿爾泰山位于亞歐大陸中部中國、哈薩克斯坦、俄羅斯和蒙古四國交界之處，山脈呈西北—東南走向，東西綿延近2000 km，大陸性氣候明顯。本文選用了阿爾泰山地區(qū)以往研究中4個站點的大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù)（表1和圖1），自南向北依次為蒙古的Takhin Tal［24］、中國的阿勒泰［22］、俄羅斯的Zonalnoe［25］和Novosibirsk［26］。本文主要關(guān)注降水同位素年內(nèi)變化與空間分布，分析各站點多年平均的各月降水氫氧穩(wěn)定同位素，同位素比率用相對于維也納平均標準大洋水（Vienna standard mean ocean water，VSMOW）的千分差來表示。

表1 阿爾泰山各站點相關(guān)信息Tab.1 Information about each site in the Altay Mountains

圖1 各站點在阿爾泰山的分布位置Fig.1 Locations of each site in the Altay Mountains

1.1.2 降水同位素模擬數(shù)據(jù)為了認識以往全球降水同位素模擬產(chǎn)品在研究區(qū)的適用性，本文還利用了OIPC（Online isotopes in precipitation calculator）和RCWIP（Regionalized cluster based water isotope prediction）降水同位素景觀圖譜產(chǎn)品。上述產(chǎn)品都包含多年平均的各月降水δ2H 和δ18O，其中OIPC 數(shù)據(jù)［27］3.2 版由美國猶他大學(xué)發(fā)布，空間分辨率為5′×5′，RCWIP 數(shù)據(jù)［28］1.0 版由國際原子能機構(gòu)發(fā)布，空間分辨率為10′×10′。

1.1.3 氣候格點數(shù)據(jù)多年平均氣候資料采用英國東英格利亞大學(xué)氣候研究所（Climatic Research Unit，CRU）提供的全球月平均地表氣候要素數(shù)據(jù)［29］4.05 版，分辨率為0.5°×0.5°，主要包括氣溫和降水量。

1.2 研究方法

本文利用美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）大氣資源實驗室（Air Resources Laboratory，ARL）開發(fā)的混合單粒子拉格朗日積分軌跡模式（Hybrid single-particle lagrangian integrated trajectory，HYSPLIT）進行水汽來源的軌跡計算［30］。本文選取每日世界協(xié)調(diào)時00:00、06:00、12:00 和18:00 作為起算時刻，采用5 d［31］作為水汽回溯時長，以所選站點位置作為氣團回溯起點，選擇500 m［32］作為降水高度計算。同時采用美國國家環(huán)境預(yù)報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）運行的全球數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（Global data assimilation system，GDAS）數(shù)據(jù)［33］作為回溯的輸入?yún)?shù)，其空間分辨率為1°×1°，分別選取采樣年份1、4、7 月和10 月計算各站點的后向軌跡，并將每個月的軌跡進行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水同位素年內(nèi)變化

Takhin Tal、阿勒泰、Zonalnoe和Novosibirsk的降水δ18O 變化范圍（圖2a）分別介于-28.7‰～-7.6‰、-24.2‰～-5.3‰、-22.4‰～-5.6‰和-25.4‰～-11.1‰之間，降水量加權(quán)平均值分別為-20.01‰、-13.35‰、-13.63‰和-15.96‰。各站點的降水δ18O都表現(xiàn)出明顯的年內(nèi)變化，夏季偏高，冬季偏低，并且南側(cè)站點Takhin Tal 和阿勒泰的年較差要比北側(cè)的Zonalnoe 和Novosibirsk 大。在各站點中，除1 月和2 月外，阿勒泰的逐月δ18O 普遍高于其他站點。相比之下，除7月和8月外，Takhin Tal的逐月δ18O普遍為各站點中最低，這可能與海拔因素有關(guān)，其海拔在1700 m 以上，為各點中最高，加之又位于亞洲中部荒漠地帶，受山脈的阻擋，水汽在長距離的輸送過程中同位素不斷被貧化。降水δ2H的加權(quán)平均值分別為-134.19‰、-97.35‰、-97.75‰、-106.42‰，年內(nèi)變化特征與δ18O類似（圖2b）。

圖2 阿爾泰山各站點降水δ18O、δ2H和d的年內(nèi)變化Fig.2 Intra-annual variations of δ18O,δ2H and d in precipitation at each site in the Altay Mountains

氘盈余（d=δ2H- 8δ18O）常用來指示降水過程受蒸發(fā)的影響程度［34］，除Novosibirsk 外大部分站點的降水d均表現(xiàn)出夏低冬高的特征（圖2c）。從空間分布來看，Takhin Tal 降水d為各站點中最低，介于-24.8‰～-5‰之間，平均值為-11.05‰，該站點位于蒙古高原西部邊緣荒漠地帶極端干旱區(qū)，降水過程中可能受云下二次蒸發(fā)影響最為強烈；阿勒泰降水d介于2.2‰～15.5‰之間，平均值（9.45‰）稍低于全球平均值（10‰）；Zonalnoe 降水d介于-2.4‰～10.5‰，平均值為3.89‰，相對于全球平均值也偏低；Novosibirsk 降水d介于-7.6‰～25.8‰之間，平均值（11.83‰）為各站點中最高，并且秋高冬低的特點也與其他站點不同。各站點降水中d的年內(nèi)差異普遍比較大，這可能在一定程度上反映了阿爾泰山降水水汽來源地及蒸發(fā)條件在不同季節(jié)上存在很大差異。阿爾泰山大多數(shù)站點降水氫氧穩(wěn)定同位素比率的年內(nèi)變化特征與以往在亞洲中部一些高山區(qū)域的認識較為一致，但相較于天山［8］、祁連山［11］偏低，尤其是Takhin Tal降水d為-11.05‰，遠低于其他站點的值，這在以往的研究中也很少出現(xiàn)。

在一些不易實現(xiàn)長期觀測的區(qū)域，常使用全球降水同位素景觀圖譜產(chǎn)品中相應(yīng)位置的同位素比率代替，這里基于實測數(shù)據(jù)對兩種常見產(chǎn)品OIPC和RCWIP的適用性進行分析（表2）。根據(jù)各站點的決定系數(shù)（Determination coefficient，R2）、平均絕對誤差（Mean absolute error，MAE）、平均偏置誤差（Mean bias error，MBE）和均方根誤差（Root mean square error，RMSE），δ18O 的模擬效果整體上優(yōu)于d，兩種產(chǎn)品均是如此；在Takhin Tal，OIPC 的模擬效果優(yōu)于RCWIP，而在阿勒泰、Zonalnoe 和Novosibirsk 則是RCWIP的模擬效果更好。各站點中，在阿勒泰的模擬效果總體上優(yōu)于其他3 個站點，而在最為干旱的Takhin Tal模擬效果最差。

表2 OIPC和RCWIP降水δ18O和d在阿爾泰山各站點的模擬效果比較Tab.2 Comparison of simulated δ18O and d in precipitation of OIPC and RCWIP at each site in the Altay Mountains

2.2 大氣降水線

利用降水氫氧穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù)，分別得到各站點的大氣降水線（圖3），即：Takhin Tal 為δ2H=7.40 δ18O-13.57‰（R2=0.93，n=10，P＜0.01）；阿勒泰為δ2H=7.74δ18O+5.94‰（R2=0.98，n=12，P＜0.01）；Zonalnoe為δ2H=7.37δ18O-4.07‰（R2=0.99，n=10，P＜0.01）；Novosibirsk 為δ2H=8.76δ18O+24.1‰（R2=0.97，n=12，P＜0.01）。

圖3 阿爾泰山各站點大氣降水線Fig.3 Meteoric water lines at each site of the Altay Mountains

大氣降水線的斜率可以較好地反映蒸發(fā)狀況，全球大氣降水線方程為δ2H=8δ18O+10‰［35］，如果局地大氣降水線的斜率低于全球平均值8，表明降水區(qū)氣候干旱，降水受蒸發(fā)因素影響較大。Takhin Tal、阿勒泰和Zonalnoe大氣降水線的斜率低于全球平均值，其降水過程已經(jīng)受到云下二次蒸發(fā)的明顯影響，蒸發(fā)作用引起同位素非平衡分餾。Novosibirsk大氣降水線斜率高于全球平均值，其緯度為各點中最高，氣溫較低，降水過程中受蒸發(fā)作用影響較小。孫從建等［11］整理了天山、昆侖山和祁連山的大氣降水線，分別為δ2H=7.51δ18O+0.54‰、δ2H=8.09δ18O+13.35‰和δ2H=7.77δ18O+13.03‰，其斜率也普遍接近或低于全球平均值，這與本研究的結(jié)論類似，在一定程度上反映出亞洲中部干旱區(qū)總體的氣候背景。

2.3 降水同位素溫度效應(yīng)

阿爾泰山各站點降水δ18O與氣溫存在明顯的正相關(guān)關(guān)系（圖4），這種同位素比率與氣溫之間的關(guān)系在同位素水文學(xué)中也被稱為溫度效應(yīng)［4,34］。一般來說，在年內(nèi)尺度上，降水同位素的溫度效應(yīng)主要存在于中高緯度，而在空間尺度上則全球普遍存在溫度效應(yīng)。結(jié)合圖2 的降水同位素季節(jié)變化來看，夏季氣溫最高，降水同位素最高值也都出現(xiàn)在夏季，冬季則相反，氣溫低對應(yīng)著降水同位素比率低。從空間上來看，東南側(cè)的Takhin Tal 由于海拔在1700 m 以上，年均氣溫最低，對應(yīng)的降水δ18O 也最低；其他3個站點氣溫隨著緯度的升高逐漸降低，相對偏南的阿勒泰年均氣溫最高，降水δ18O 也為4個點中最高。從上述分析可以得出，在阿爾泰山降水同位素的溫度效應(yīng)既體現(xiàn)在季節(jié)變化上，也體現(xiàn)在空間分布上。

圖4 阿爾泰山各站點降水δ18O與氣溫的關(guān)系Fig.4 Correlation between precipitation δ18O and air temperature at each site in the Altay Mountains

2.4 水汽來源軌跡分析

圖5為阿爾泰山各站點在不同季節(jié)的氣流后向軌跡聚類分析結(jié)果，各月的最佳聚類數(shù)均為2?？梢钥闯?，影響阿爾泰山降水的氣團主要包括西風(fēng)輸送的海源及沿途補給水汽、極地北冰洋水汽以及局地再蒸發(fā)的近源水汽等。由于極地氣團攜帶的水汽較少，加之山脈的阻擋，其對阿爾泰山南側(cè)降水的影響相對較小，偏北站點可能受極地水汽路徑的影響更大。結(jié)合表3來看，1月阿勒泰和Zonalnoe降水中近源水汽路徑的貢獻率大于Takhin Tal 和Novosibirsk，其中，Takhin Tal 的海拔高，Novosibirsk 的緯度高，1 月氣溫都相對較低，近源水汽較少。4 月阿勒泰、Takhin Tal和Zonalnoe水汽來源主要為西風(fēng)攜帶的北海、波羅的海的水汽以及近源水汽，而Novosibirsk 同時還受北冰洋水汽的影響。7 月西風(fēng)輸送的水汽對各站點的影響都比較大，阿勒泰除了西風(fēng)水汽外更受近源水汽的影響，近源水汽路徑對阿勒泰的降水貢獻率達71%，而極地水汽對Novosibirsk的貢獻率達40%。10月西風(fēng)活動范圍南移，輸送的水汽減少，極地水汽對北側(cè)降水的影響較為明顯，近源水汽路徑對阿勒泰降水的貢獻仍比較明顯。

圖5 阿爾泰山各站點不同月份氣流后向軌跡聚類Fig.5 Cluster analysis of backward trajectory of aiy masses in different months at each site of the Altay Mountains

表3 阿爾泰山各站點不同月份主要水汽來源及所占比率Tab.3 Main water vapor sources and their proportion in different months at each site in the Altay Mountains

阿爾泰山各站點不同季節(jié)的后向軌跡分別代表了不同性質(zhì)的水汽及其輸送路徑，夏季氣溫高，大陸河湖蒸發(fā)水汽較多，西風(fēng)輸送的水汽中攜帶了大量的陸地蒸發(fā)水汽，其中可能富含重同位素，且雨滴在降落過程中易受到云下二次蒸發(fā)的影響，各站點夏季降水同位素比率都比較高；冬季氣溫低，陸地蒸發(fā)的水汽較少，水汽輸送過程中重同位素不斷被貧化，降水受云下二次蒸發(fā)影響也較小，同位素比率偏低。從空間上看，近源水汽路徑對阿勒泰全年降水貢獻率幾乎都在50%以上，阿勒泰降水同位素比率年均值相對其他站點較高；而偏北的Novosibirsk站點則更受極地水汽路徑的影響。

總體來看，西風(fēng)輸送的水汽路徑在阿爾泰山降水中占主導(dǎo)地位，各站點全年均受到西風(fēng)環(huán)流的影響，由于阿爾泰山東西綿延較長，對西風(fēng)和極地氣團都有一定的阻擋作用，南側(cè)及東側(cè)區(qū)域的降水明顯少于北側(cè)和西側(cè)，極地氣團對南側(cè)降水的影響甚微，近源水汽對偏北區(qū)域的貢獻也較小。與天山［14］、祁連山［15］等區(qū)域相比，阿爾泰山各區(qū)域降水幾乎不受季風(fēng)環(huán)流的影響。

3 結(jié)論

本文利用阿爾泰山4個站點的降水氫氧穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù)，研究了其降水同位素特征及水汽來源軌跡，得出以下結(jié)論：

（1）阿爾泰山各站點降水同位素比率年內(nèi)變化顯著，總體表現(xiàn)為夏高冬低的趨勢，南側(cè)站點的降水同位素季節(jié)差異比北側(cè)的季節(jié)變化大，除Novosibirsk外降水d在大多數(shù)站點表現(xiàn)為夏低冬高。

（2）除Novosibirsk 外，研究區(qū)大多數(shù)站點大氣降水線的斜率和截距都低于全球平均值，在干旱的氣候背景下降水過程受到云下二次蒸發(fā)的影響較大。阿爾泰山降水同位素溫度效應(yīng)明顯，體現(xiàn)在季節(jié)變化和空間分布上。

（3）根據(jù)后向軌跡分析，阿爾泰山各站點主要受到西風(fēng)水汽、極地水汽和近源水汽路徑的影響，而偏北站點降水更受極地水汽路徑的影響。