西南地区大气降水中氢氧稳定同位素特征与水汽来源

朱 磊，范 弢，郭 欢

(云南师范大学 旅游与地理科学学院，云南 昆明 650500)

0 引言

大气降水作为自然界中水气循环的一个重要的环节，在各种时空间尺度下发生着变化[1]。降水中同位素中各元素丰度的变化与水汽源区的初始状态、大尺度的天气系统变化，以及产生降水的气象过程存在密切的联系[2，3]，并随着时间和空间的变化而异。因此，对于降水的研究显得极其重要[4]。降水中氢氧稳定同位素可以作为水汽源区理想的自然示踪剂或利用其变化来反演大气过程，能在一定程度上反映区域的地理因素及气候特征[5]。近年来，国内不少学者对四川地区[6，7]、昆明[8，9]、桂林地区[10，11]、南方地区[12]等区域降水稳定氢氧同位素都进行了深入探讨，大多数对局部(或某些站点)进行研究，但对西南地区降水同位素的研究相对较少。西南地区地处温带季风、亚热带季风相互作用的区域，地形地貌复杂多样，垂直气候差异明显，属于典型的气候区。因此，本文试图利用全球降水同位素监测网(GNIP)西南地区的昆明站、贵阳站、桂林站、成都站的数据为基础资料，研究西南地区主要气象要素与大气降水中氢氧同位素的变化特征的相关关系，并探讨年际变化的特征及其水汽来源的关系，对西南地区的旱涝灾害有一定的指示作用，也对西南地区近几年来气候异常变化提供科学的依据，有助于对中国西南地区水汽循环有更深入的理解。

1 研究区概况

昆明位于云贵高原中部(24°23′～26°22′N，102°10′～103°40′E)，海拔约1 900m，属于低纬度亚热带高原山地季风气候，由于受印度洋西南暖湿气流的影响，年均温和年降雨量分别为15 ℃、1 035mm。贵阳地处云贵高原东部(26°11′～26°55′N，106°27′～107°03′E)，海拔约1 070m，常年受西风带控制，属于亚热带湿润温和性气候，年均温和降雨量分别为15.3 ℃、1 129.5mm。桂林地处低纬(24°15′～26°23′N，109°36′～111°29′E)，海拔约为150m，属于中亚热带气候，年均温和年降雨量分别为17.8 ℃、1 949.5mm。成都位于成都平原中部(30°05′～31°26′N，102°54′～104°53′E)，海拔约500m，成都属于亚热带季风气候，年均温和年降水量分别为16 ℃、1 000mm。

2 数据获取与研究方法

本文采用GNIP西南地区的昆明站(1986～2003年)、贵阳站(1988～1992年)、桂林站(1983～1990年)、成都站(1986～1999年)的数据，由于重庆站的资料太少，所以这里就不再研究。所有同位素数据均来自全球降水同位素监测网络GNIP(GlobalNetworkforIsotopesinPrecipitation)。大气降水中氢、氧稳定同位素分别采用金属铀法和CO2-H2O平衡法，采用英国的MM903质谱仪进行同位素分析，精度为CO2<0.125‰、H/D<±1.0‰，文中的δ值均以V-SMOW为标准，单位为‰，表示为：

δ=(R样品/RV-SMOW-1)×1000

(1)

式中：R样品和RV-SMOW分别代表水样中氢或氧的稳定同位素比率和维也纳标准平均海洋水中稳定同位素比率。

大气降水中δD和δ18O之间存在一个关系，其定义式为d=δD-8δ18O[13]。水汽蒸发源地状况决定d值，且同一水汽团在输送、冷凝不平衡过程中d不会发生任何变化，并能反映大气中水汽团的同位素组成特征，因此，可根据d值的变化判断水汽来源[14]。

3 结果与分析

3.1 大气降水δ18O和δD的季节变化

西南地区大气降水同位素的比值变化幅度较大。如图1，昆明地区δ18O变化范围是-1.04‰～-15.9‰，δD为-1.7‰～-114.2‰；贵阳地区δ18O变化范围是-0.73‰～-16.70‰，δD为10.4‰～-121.2‰；桂林地区δ18O变化范围是2.72‰～-11.82‰；成都地区δ18O变化范围是0.81‰～-11.33‰。全球降水平均同位素的比值，δ18O介于10‰～-50‰，δD介于50‰～-350‰[15]。郑淑慧等[16]分析了中国降水δ18O变化范围是2.0‰～-24‰，δD为2‰～-210‰。通过统计降水，本文把每年的5～10月作为西南地区的雨季，11月至次年的4月则为旱季。西南地区5～10月代表夏半年，11～4月代表冬半年。

图1 大气降水δ18O的月均变化

从图1可以看出，昆明和贵阳两站的月均δ18O变化趋势大致相同，1月份到4月份呈上升趋势，且变化幅度很小，不超过-6‰，5月份到7月份呈直线下降的趋势，8月份之后昆明呈缓慢上升趋势，但是贵阳7月份之后呈短时间上升又直线下降，9月份之后才急剧上升。整个11月份到次年4月份δ18O在-8‰～-2‰，12月份较11月份大，均大于-8‰。该地区地处低纬度，δ18O同时受到降雨量和温度的影响，在1月到4月，降水量稀少，随着气温的升高，δ18O表现出逐渐富集。5月到7月降水逐渐增多，进入雨季，此时温度也开始升高至最大，温度效应和降水量效应的共同作用下，降水量效应起主导作用，δ18O值表现出减少。7月到8月，贵阳站的月均δ18O与其它3个站的有所不同，表现为增加。贵阳地区受到局部地理因素的影响，所以，分析发现贵阳地区7月至8月δ18O值明显增加，表现出反温度效应。

桂林月均δ18O变化趋势是从1月至4月缓慢上升，但变化幅度不大，5月到11月，月均δ18O在-7‰上下波动，11月以后增加幅度大，δ18O值高于-6‰，表现出降水量效应和温度效应。成都地区1月至2月δ18O值呈直线的上升趋势，2月至5月δ18O在-3‰上下缓慢波动，6月至8月δ18O值呈急剧下降趋势，9月至12月δ18O值波动幅度较大。通过分析发现，昆明、贵阳、桂林和成都4个站δ18O值呈现出明显的季节变化：夏半年偏负，冬半年偏正。这是因为雨季，来自海洋的暖湿气流向该地区提供大量的水汽，降水量大，蒸发较弱，从而导致降水中δ18O值相对偏低的特点。旱季，受大陆性气团的影响，空气干燥，蒸发强，重同位素富集，所以δ18O值偏高。

3.2 降水线方程

大气降水线方程能够很好的反映一个区域某个时间段的δ18O和δD间的线性关系，对于研究一个区域的气候变化有重要意义。根据IAEA/WMO/GNIP的降水同位素数据用线性回归求得西南地区昆明、贵阳、桂林、成都大气降水线方程：

昆明：δD=6.56δ18O-2.96 (R2=0.91)

贵阳：δD=8.82δ18O+22.07 (R2=0.98)

桂林：δD=8.38δ18O+16.76 (R2=0.98)

成都：δD=7.36δ18O+0.12 (R2=0.93)

通过对西南各地区大气降水线方程与Craig[17]第一次提出的全球降水线方程δD=8δ18O+10，以及郑淑慧等[18]分析的中国降水线方程δD=7.9δ18O+8.2相比较，昆明和成都地区斜率都小于8，大气降水线方程的斜率和截距都相对偏低，明显偏离了全国大气降水线方程。说明昆明和成都两地的降水过程都是在非瑞利条件下进行的。相反，贵阳地区和桂林地区大气降水线方程的斜率和截距都比全球降水的大，说明贵阳和桂林地区在形成降水的过程中受到温度、蒸发等因素的影响。当形成降水的水汽经过多次蒸发时，由于不同同位素间分子质量数的差异、质量数小的分子分馏、质量数大的分子富集，氢同位素比氧同位素的分馏速度要快。因此，在其它条件相同的情况下，在运输过程中经过多次蒸发作用的水汽所形成的降水中δD的值相对偏重，导致该地区大气降水的斜率和截距都偏大。

3.3 d值的变化

为了方便研究，Dansgaard[13]把d和δD的关系定义为d=δD-8δ18O。d值既能反映水汽源区水汽团形成时的水汽平衡条件和热力条件，同时又能反映降水形成时的气候条件及地理环境[18]。当海水的蒸发速度比凝结速度快时，水汽之间处于不平衡状态。整个蒸发分为动力蒸发和同位素交换两个方面，受水分子分馏速度的影响，轻的同位素优先蒸发和动力分馏效应的共同作用，使得蒸发水汽中D和18O的分馏速度之比加快，这样就出现了蒸发中δD相对于δ18O的富集，因而使得d值增大，即云团形成速度越快，d值越大[1]。d值越偏正，则反映蒸发速率越大。因此d值揭示了降水形成过程中的水汽团中同位素的组成及水循环方式的时空变换，含有形成水汽团源区的重要信息，包括蒸发过程的平衡或不平衡状态及蒸发速率大小等信息[19]。

根据对西南地区各站点d的监测数据统计发现(图2)，桂林地区全年d值都大于10‰；贵阳地区除了8月的d值小于10‰外，其它的月份d值均大于10‰；昆明地区11月至6月d值均在0～10‰，最低值出现在3月份；成都与其它3个地区相比，全年d值在-11.7‰～14.6‰，波动幅度较大。成都地区的氘盈余很小，说明成都地区降水中凝聚与蒸发的不平衡现象比其它地区弱，反映了成都地区海洋性的气候特征[20]。d值大于10‰的月份，表明该地降水水汽源地蒸发速率较大，d值表现出冬高夏低的季节性特点，这一特点在贵阳地区和桂林地区表现较为突出。而昆明地区和成都地区却与此相反，d值冬半年比夏半年低，这与中国大部分地区的都不相同，如华北地区的天津、石家庄、包头[21]和湖南的长沙[22]等地区的相反，但与塔里木的和田[23]、新疆的乌鲁木齐[24]较为相似，这可能与西风带控制和下垫面的影响有关。昆明地区的降雨，除了受到东亚季风、南亚季风和青藏高原季风的相互影响之外，还受到大陆性气团的影响。

图2 西南地区昆明、贵阳、桂林、成都大气降水d的月均变化Fig.2 The seasonal variations of monthly weighted mean deuterium excess in southwest of China，Kunming，Guiyang，Guilin and Chengdu

3.4 大气降水中的δ18O影响因素分析

3.4.1 降雨量效应

从图3可见，月均降水量与月均δ18O成负相关，与月均温度变化一致。昆明地区和贵阳地区4 ～7月份，随着降水量的增加，降水中δ18O的值降低；8 ～9月份，随着降水量的减少，降水中δ18O的值增加。即在夏半年表现出一定的降雨量效应。

图3 西南地区昆明、贵阳、桂林和成都站点的月均降水、温度和δ18O的变化Fig.3 The variations of the monthly weighted mean precipitation，δ18O and temperature in southwest of China，Kunming，Guiyang，Guilin and Chengdu

事实证明，降水中氢氧稳定同位素和降水量的关系与整个水汽输送路径上的降水量有关，而不仅仅与观测点上的降水量有关。所以，严格意义上的降雨量效应是指同一水汽团发生的一次降水性事件，而GNIP的样本数据采集是按月进行的。虽然如此，但是考虑到一定时间内(月、季)水汽来源相对稳定，分析站点降雨量效应对降水稳定同位素的分布乃至水汽团的信息有重要意义[21]。通过分析，西南地区昆明站降雨量效应较为显著，且相关性强，R2=0.648。从全年角度来看，受到弱温度效应的影响，贵阳、桂林和成都3站的降雨量效应不显著。昆明地区降水量效应相对其他3个地区显著，主要是由于昆明地区与其他3个地区相比距海较近；此外雨季，来自海洋的暖湿气流向该地区提供大量的水汽，降水量大，蒸发较弱，从而导致降水中δ值相对偏低的特点。

3.4.2 温度效应

影响降水中稳定同位素的因素很多，但温度是影响同位素分馏的重要因素[25]。从图3可见，1～4月份随着温度的升高，降水中δ18O的值也随着增加，冬半年δ18O与温度成正相关关系。因此，在西南地区(成都地区除外)，冬半年表现出明显的温度效应。成都地区的季风气候特征是雨热同期，即：温度越高，降雨量越大；温度越低，降雨量较少。

图4 西南地区昆明、贵阳、桂林、成都站大气降水中月均降水量、温度和δ18O的关系Fig.4 The variations of the monthly weighted mean precipitation，δ18O and temperature in southwest of China，Kunming，Guiyang，Guilin and Chengdu

利用北大西洋的观测数据，Dansgaard[13]最先报道了温度效应，关系表达式为：δ18O=0.695t-13.6，Yurtsever[26]则利用GNIP站点的资料分析得到δD=(0.512±0.014)t-(14.96±0.21)。而根据现有的资料得出，从全年的角度来看，西南地区贵阳和桂林的温度效应强于降雨量效应，且桂林的温度效应较为明显，相关系数R2=0.743。为了减少降雨量效应的影响，采用月加权平均的方法来分析δ18O与温度关系(图4)，即温度效应，得出δ18O与温度的回归方程：

昆明：δ18O=-0.487t+0.241 (R2=0.325)

贵阳：δ18O=-0.287t-2.330 (R2=0.495)

桂林：δ18O=-0.298t+0.097 (R2=0.743)

成都：δ18O=-0.038t-5.163 (R2=0.007)

由此可见，从全年的角度来看，西南地区的昆明主要受到降雨量效应的影响，桂林主要受到温度效应的影响，贵阳和成都同时受到降雨量效应和温度效应的影响程度相差不大；但是仅仅从冬半年(11～次年4月)来看，成都地区受到温度效应的影响明显强于降雨量效应，冬半年成都地区δ18O与温度的回归方程为：δ18O=-0.625t-11.220(R2=0.485)，而夏半年成都地区δ18O与降水量(P)的回归方程为：δ18O=-0.014P-5.009(R2=0.165)。

4 结论

本文研究了西南地区大气降水中氢、氧同位素组成特征及其水汽来源的关系，得出以下结论：

(1)通过对西南地区降水中氢、氧同位素的研究可以看出：西南地区大气降水中稳定氢氧同位素值总体上均具有明显的季节变化，夏半年δ18O值偏负，冬半年δ18O值年偏正，主要是夏半年水汽由海洋运移到陆地的过程中多次凝结降水，导致δ18O值偏负。

(2)初步建立了昆明、贵阳、桂林、成都4个地区大气降水线方程：

昆明：δD=6.56δ18O-2.96 (R2=0.91)

贵阳：δD=8.82δ18O+22.07 (R2=0.98)

桂林：δD=8.38δ18O+16.76 (R2=0.98)

成都：δD=7.36δ18O+0.12 (R2=0.93)

(3)西南地区昆明大气降水稳定同位素组成体现出明显的降水效应，但是温度效应几乎不存在。贵阳和桂林地区温度效应强于降水效应，成都地区降水效应强于温度效应，但是温度效应几乎不存在。

(4)根据对西南各地区d值的监测数据统计发现，d值呈现出降水中过量氘水汽来源不同的特点，贵阳和桂林地区d值表现为冬高夏低的气候特点，而昆明地区和成都地区却与此相反，d值则表现为夏高冬低独特的季节性特点。

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