银川地区大气降水中氢氧稳定同位素的变化特征及影响因素分析

刘宏伟，徐 明，管清浩

（1.长安大学 环境科学与工程学院，西安710054；2.陕西省地质矿产勘查开发局908水文地质工程地质大队，西安710600）

大气降雨是全球水文循环的重要组成部分，雨水的蒸发和水汽的凝结同时也伴随着氢氧稳定同位素的分馏作用，这是由不同同位素间分子质量差异造成的。在蒸发过程中，较轻同位素优先分离到水汽中，而在凝结过程中，较重同位素优先凝结到雨滴中降落到地面。因此，可以借助雨水中氢氧稳定同位素变化特征，研究雨水形成过程中所经历的环境气候条件及水汽来源的改变。在国内外，雨水中稳定同位素研究在水文学及气候学等领域均已得到广泛发展，如徐振等研究了四川卧龙地区降水稳定同位素与季风活动的关系［1］；章新平等研究了我国西南地区降水中过量氘与水汽来源的关系［2］；Liotta M等通过地中海中部降雨同位素组成研究了雨水起源标志及其对山川降水的影响［3］；Merlivat L等用全球气候解释了降雨中氘和氧18之间的关系［4］。

国际原子能机构（IAEA）与世界气象组织（WMO）自1961年起共同建立了全球降雨同位素观测网，对全球降水中氢氧稳定同位素进行监测，目前已经积累了大量观测资料［5］。本文所采用的数据均来自于银川监测站点，监测点位置为东经106.217°，北纬38.4833°，监测时间为1988—1992年，每月监测1次，部分时段数据有所缺失。

1 研究区概况

银川是宁夏回族自治区省会城市，地形上分为山地和平原两大部分，西南部较高，北东部较低，平均海拔在1010～1150m。西部为贺兰山，呈北偏东走向，长约150km，最高海拔为3556m，是阻挡西北冷空气进入银川的天然屏障。银川属于中温带内陆干旱气候区，具有典型的大陆性气候特征，冬季寒冷漫长，夏季短暂，日照充足，多年平均降雨量为183.59mm，主要集中在6—9月份，年平均蒸发量为1662.33mm［6］。

2 银川地区大气降水线

大气降水线是某一地区δD与δ18O的线性变化关系。1961年，Harman Craig［5］根据世界各地的400例河流、湖泊和降水的水样数据拟合出了全球大气降水线方程（GMWL）δD＝δ18O＋10，该方程是全球局部和区域大气降水线的平均值，但由于不同地理位置和气候环境，局部区域的当地大气降水线（LMWL）均有所偏离，斜率和截距均不同。1982年，郑淑慧等人［7］根据设立在北京、南京、广州、昆明、武汉、西安、拉萨和乌鲁木齐8个台站的107个降水样品同位素数据，用最小二乘法求得了我国大气降水线方程为δD＝7.9δ18O＋8.2。本文根据银川同位素监测站点获得的1988—1992年的每月的降雨同位素数据，得出了银川的地区降水线方程为δD＝7.218δ18O＋5.505，相关系数为R2＝0.96，见图1。

图1 银川地区大气降水线LMWL

由图1可以看出，银川地区大气降水线略微偏离了全球大气降水线和我国大气降水线，斜率和截距均偏小，降雨中δD的变化范围是－14.77%～0.51%，δ18O的变化范围是－1.997%～0.386%，变化幅度较大，且没有明显的聚集现象，说明银川地区大气降水中δD与δ18O值均较为敏感，很容易受气候环境等易变因素的影响。诸多研究成果已经表明，降水中稳定同位素组成不仅与降雨地区的纬度、海拔、气温、相对湿度、降水量等因素有关［8］，还与形成降雨的水汽来源和输送过程有关［9］，降水中稳定同位素的组成和变化是这些因素共同作用，相互影响的结果。对某一个特定地区而言，纬度和海拔是固定的，因此，影响银川地区稳定同位素δ值变化的因素需要主要考虑气温、降水量、水汽来源与途径、季节变化等，究竟哪种因素占主导地位，是我们所关心的重点问题。

3 温度效应

温度效应主要是由于蒸发过程中的同位素分馏作用造成的。根据同位素平衡分馏原理，随着温度的升高，分馏作用逐渐减弱，海水蒸发所形成的水蒸气中2H和18O含量就增大，这便使得由这种水蒸发所形成的降雨中的2H和18O含量随之增大；而当温度较低时，较强的分馏作用使得水蒸气中的2H和18O含量偏低，进而由其所形成的降雨中2H和18O的含量也偏低。根据Dansgaard［8］的研究成果，在大西洋沿岸滨海地区，大气降水中δD与δ18O值与气温之间存在如下线性关系：

根据郑淑慧等人［7］的研究成果，在我国的京广铁路沿线及附近地区，大气降水的δD和δ18O值与气温之间存在如下线性关系：

根据银川地区降雨中δD、δ18O和气象监测数据，绘制出其降雨稳定同位素与气温的关系如图2。从图中可以看出，银川地区降水存在明显的温度效应，随着温度的升高，重同位素相对富集。根据最小二乘法原理得到的拟合方程为：

银川地区δ值与温度之间的线性相关关系与郑淑慧等人［7］的研究成果类似，而与Dansgaard［8］的研究成果差距较大，其主要原因是银川深处内陆、远离海岸，海洋气团到达银川地区需要经过远距离的输送，在此过程中水汽不断凝结成降雨，导致剩余水蒸气中重同位素不断贫化，因此在相同的温度和水汽来源情况下，银川地区降水中重同位素含量应比沿海地带小得多，即δ值与温度间的线性相关方程的斜率较沿海地区要小。尽管银川地区降水中δD 和δ18O值与温度t之间线性相关系数R2仅为0.381 和0.409，但不可否认的是，温度仍然是影响银川地区降水中氢氧稳定同位素含量变化的一个重要因素。造成降雨中δD 和δ18O 值与温度t之间的线性相关性不好的原因是除温度效应之外，该地区降雨中稳定同位素同时还受到其他环境气候因素的共同影响。

图2 银川地区大气降水中δ2H（上图）、δ18O（下图）与气温之间的变化关系

4 雨量效应

Dansgaard［7］的研究成果表明，较低温度下形成较大的降雨，同时，较低的温度下，凝结过程中较强的瑞利分馏作用也使得后期水蒸气形成的降雨中的重同位素逐渐贫化。因此，理论上认为降雨量与δD和δ18O值应呈现负的相关关系。

银川地区δD及δ18O值与降雨量之间的变化情况如图3。从图3可以看出，银川地区降雨量与同位素之间不仅线性相关性较差，而且与Dansgaard的“负相关性”结果刚好相反，说明银川地区降雨稳定同位素不符合雨量效应。究其原因可能有以下情况：

（1）当地降雨时的气温与降雨量之间的相关性不显著。Dansgaard认为较低的温度下形成较大的降雨，而根据银川当地实际的气象资料显示，银川地区1988—2000年最大月降雨量是94 mm，而该月是1992年7月，为夏季，月平均气温为22.7 ℃，但该地区多年平均气温却只有9.42 ℃。因此，降雨量与温度之间的不协调性就导致了降雨量与δD和δ18O值的不相关性。

（2）强烈的降雨云下二次蒸发作用抑制了雨量效应［10］。银川属于内陆干旱区，年蒸发量约为年降雨量的9～10倍，而较小的降雨量在下落到地面过程中经历了强烈的二次蒸发作用，使得重同位素不断富集于当地降雨中，雨量效应被降雨在云下的二次蒸发作用所掩盖。

图3 银川地区大气降水中δ2H（上图）、δ18O（下图）与降雨量之间的变化关系

5 季节效应

地球上任何一个地区大气降水中的同位素组成都存在季节性变化，夏季的δ值高，冬季低。这一现象称之为季节效应。季节性的变化同时也包含了气温、降水量、水汽来源等的季节性变化。

图4 银川地区降水δ18O值的季节变化

由图4可以看出，银川地区降雨δ18O值在多年降雨历时情况下，12月至次年3月相对贫化，在5—9月相对富集，季节效应显著。出现这种现象的原因与银川地区特殊的地理位置和气候条件有关。银川深处中国内陆地区，由于受到青藏高原等高海拔山脉的阻隔，大气环流不畅，且远离海岸，夏季海洋气团很难到达，因此降雨稀少，这少量的降雨主要来自于当地地表水体的蒸发形成的水汽。由于干旱地区地表水体中δ18O值和δD值偏高［11］，同时夏季气温较高，分馏作用相对较弱，因此由其蒸发形成的水蒸气中δ18O值和δD值也偏高，同时夏季干旱区蒸发强烈，也进一步使得当地夏季降雨中重同位素富集。银川地区冬季降雨中δ18O和δD值相对较小，可能原因是冬季大气降水水汽来源主要为北冰洋等高纬度地区［12］，因为纬度越高，气温相对越低，分馏作用相对较强，到达银川地区的剩余水蒸气中重同位素含量已十分贫化，因此由其形成的降雨也较为贫化重同位素。

6 结语

经过以上分析认为，银川地区大气降水线略微偏离全球大气降水线和中国大气降水线，这主要是由于局地特殊气候及环境造成的。影响银川地区大气降水稳定同位素2H和18O组成的主要因素有温度效应和季节效应，温度与δD和δ18O值呈显著的正相关关系，是主要影响因子，雨量效应可能被温度效应所掩盖。夏季δD和δ18O值相对较高，冬季较小，主要原因是银川深处中国内陆，受周围大山的阻隔，大气环流不畅所造成。

［1］徐振，刘玉虹，王中生，等.卧龙降水稳定同位素与季风活动的关系［J］.环境科学，2008，29（4）：1007－1013.

［2］章新平，刘晶淼，中尾正义，等.我国西南地区降水中过量氚指示水汽来源［J］.冰川冻土，2009，31（4）：613－618.

［3］Liotta M，Favara R，Valenza M.Isotopic composition of the precipitations in the central Mediterranean：Origin marks and orographic precipitat ion effects［J］.Journal of Geophysical Research，2006，111，D19302，doi：10.1029/2005JD006818.

［4］Merlivat L，Jouzel J.Global climatic interp retation of the deuterium－oxygen－18 relationship for precipitation［J］.Journal of Geophysical Research，1979，84（C8）：5029－5033.

［5］钱会，马致远.水文地球化学［M］.北京：地质出版社，2005.

［6］张钦，张黎.银川平原主要水环境问题及其对策［J］.地球科学与环境学报，2010，32（4）：393－397.

［7］郑淑慧，侯发高，倪葆龄.我国大气降水的氢氧稳定同位素研究［J］.科学通报，1983，（13）：801－806.

［8］Dansgaard W.Stable isotopes in precipitation［J］.Tellus，1964，16（6）：436－468.

［9］柳鉴容，宋献方，袁国富，等.我国南部夏季季风降水水汽来源的稳定同位素证据［J］.自然资源学报，2007，22（6）：1004－1011.

［10］梦玉川，刘国东.长江流域降雨稳定同位素的云下二次蒸发效应［J］.水科学进展，2010，21（3）：327－334.

［11］李晖，蒋忠诚，王月，等.新疆地区大气降水中稳定同位素的变化特征［J］.水土保持研究，2009，16（5）：157－161.

［12］柳鉴容，宋献方，袁国富，等.西北地区大气降水δ18O的特征及水汽来源［J］.地理学报，2008，63（1）：12－22.