商州区大气降水氢氧同位素与温度和降水量相关性分析

(云南师范大学旅游与地理科学学院 云南 昆明 650092)

一、引言

大气降水是水循环过程中的一个关键环节，是各种水体系统的重要补给来源，其大气降水同位素含量及变化大小与产生降水的气象过程、水蒸汽来源区的初始状态以及水蒸汽输送方式等密切相关[1]。稳定同位素是自然水体的重要组成，不同来源的水体往往具有不同的同位素特征，在自然界水循环的每一个环节中，同位素都以不同的比值分配到两种物质或物相中产生同位素分馏现象，并且具有广泛的时空分布异质性，非常敏感地响应环境的变化[2]。本文通过对商州区大气降水情况进行分析以及对相关气象资料进行了解，研究该地域大气降水同位素含量及变化特点，据此可以研究水汽的来源、地表水的蒸发与混合、土壤水入渗与消耗、地下水利用与补给、河流与湖泊或水库的混合作用等；进而有助于对商洛地区水循环和气候变化做出深入了解。

国际原子能机构(IAEA)和国际气象组织(WMO)合作建立起了全球同位素监测网(GNIP)，对全球大气降水的氢氧同位素含量及其变化进行监测。氢氧同位素具有稳定性，因此成为一种有力的诊断工具，已在在水文学、气候学、生态学、地质学等学科的研究中得到广泛应用[3]。

二、研究区域概况

本文以商州区(32°33′59″N，109°52′11″E)作为研究区，商州区是陕西省商洛市辖区的建制。商州区位于以中山地貌为主体的东秦岭地区,秦岭是我国800mm降水量分界线，湿润区与半湿润区的分界线，一月0℃等温线以及亚热带与暖温带分界线。降水垂直差异较为显著，高山降水明显多于低山，并且时空分布差异大，降雨主要集中在6-9月，约占年降雨量的48%左右，由南向北降雨量逐渐减少，由山地向河谷，降雨量随海拔高度的降低而降低，降水量年均710-930mm。

三、样品采集与实验结果

(一)样品采集

降水发生时，以d为时间单位在陕西省商洛市商州区(33°51′N ，109°57′E)对大气降水进行样本采集，采样时间为2015年全年。采集样本前对雨量筒及量筒等用蒸馏水进行清洗，以保证数据的准确性及实验的精确度。对体积、pH值和电导率数据进行现场测定，然后将原样装入100mL塑料瓶中，注明采样时间、体积、PH值以及电导率等。对于同位素数据，带回后用Picarro-2120i同位素分析仪进行测定，该仪器具有杰出的温度和压力控制系统，能确保同位素数据的精确度和准确度不受外界环境变化的干扰；对于δ18O：确保精度<0.2‰，δD：确保精度<1.0‰。

(二)实验结果与讨论

1.大气降水线分析

发生降水时对同位素分馏过程产生影响的因素有很多，因此降水中的同位素比率变化对于研究地域降水特征有着重要意义。由于降水过程在本质上是建立在冷凝和蒸发之间的平衡条件下，因此，大气降水中的δD和δ18O值呈现着线性关系，即称为雨水线。其关系为：

δD=aδ18O+b

其中a为斜率，b为截距，a、b的变化受着多种因素的制约。

1961年Craig提出的全球雨水线公式为：

δD=8δ18O+10

从1961年起，国际原子能委员会(IAEA)在世界各地设立了114个台站，系统收集和分析了每月降水的氢氧同位素组成，得出了如下雨水线公式：

δD=8.17δ18O+10.56

北京大学郑淑惠教授等1980年在我国8个地区收集和实测了107个雨雪水样品，得到全国范围内雨水线公式为[1]：

δD=7.9δ18O+8.2

对于商州区大气降水中δD和δ18O的分析可以得出：δD值的变化范围在-126.40‰～36.16‰之间，平均值为-33.57‰。δ18O值的变化范围在-17.85‰～2.09‰之间，平均值为-6.75‰。IAEA/WMO给出的全球降水平均稳定同位素组成[5]为：δD 在-350‰～+50‰之间；δ18O在-50‰～10‰之间，；我国大气降水中δD和δ18O的变化范围[5]分别为-210‰～+20‰，-24‰～+2‰。由此可以看出，商州区大气降水同位素变化范围处于全球的大气降水同位素变化之中，但是与我国大气降水同位素变化范围相比，其变化上界超出16.16‰与0.09‰。因而，商州区δD和δ18O值有着极大的波动。

根据商州区2015年的大气降水的数据算出商州区的大气降水线方程为：

δD=7.505δ18O+17.051(R2=0.960)

图1 商州区2015年大气降水线

经过计算得出商州区的降水线方程为δD=7.505δ18O+17.051，该方程与Craig[8]提出的全球降水线方程δD=8δ18O+10，Yurtsever[4]获得的全球降水线方程δD=8.17δ18O+10.56以及郑淑慧等[1]给出的中国降水线方程δD=7.9δ18O+8.2相比较，其斜率稍有偏低，但截距较高。该方程与柳鉴容[5]等所报道的中国东部季风区降水线方程：δD=7.46δ18O+0.90相比，斜率接近，截距相差很大。与刘东生等[6]i桂林地区大气降水的氢氧同位素研究中，所报道的桂林地区降水线方程：δD=8.9δ18O+20.0相比，较为接近。

表1 商洛地区雨水线与个别其他地区雨水线比较

商州区降水线方程与桂林地区降水线方程具有相似性，因此可以证明：商州区与该地区的大气降水、季风的类型、降水云团的来源等因素相似。同时降水线方程也会受水汽凝结温度、水蒸汽团来源和输送方式、降水的季节变化以及降水期间的空气温度和湿度等因素的影响，从而使该地区出现降水同位素数值变化较大，并且有部分样品同位素值较高。商洛地处我国内陆地区，气候较为干燥，蒸发旺盛，由于受局地蒸发的作用，使产生降水的很大一部分水汽受到影响，使其氢氧同位素值偏高；同时，雨滴在降落过程中由于蒸发作用会产生重同位素的富集，导致降水中氢氧同位素值不断升高。因此，这一特征体现了商洛地区雨水线与全球雨水线、全国雨水线(郑淑惠等)相比较，稍有偏离，这可能受商洛地区的气候条件、地形地貌特征、降雨云团来源等因素影响。

2.温度效应和降水量效应

王涛[2]等讨论了影响降水中同位素组成的季节和地理因素，依据瑞利模型，影响大气降水氢氧同位素特征的因素有纬度效应、温度效应、高度效应、降水量效应及大陆效应。在诸多因素中，降水中稳定同位素值的大小与变化与温度、降水量之间的关系尤为密切。温度效应指同位素的组成成分与温度之间存在正相关关系，降水量效应则指同位素的组成成分与降水量之间存在反相关关系[7]。

降水δ18O与温度的关系:

全年尺度下，对商州区降水δ18O与温度数据进行回归分析(如图)得出下式：

δ18O=-0.001T-6.729(R2=0.000)

图2 商州区大气降水δ18O与温度的相关关系

在我国，温度效应主要出现在纬度较高的地区，距海越远，正相关关系越明显。从图2可得出商州区大气降水中δ18O与温度之间不存在相关关系，原因可能是由于夏季温度较高，空气湿度大，再蒸发作用使重同位素蒸发不明显，从而无法体现温度效应的存在。这与王涛[2、7]等在对南京地区和郑州地区的大气降水稳定同位素的温度效应研究中，发现全年尺度下δ18O与温度并不存在正相关关系；黄锦忠[8]等研究证明，西安地区全年δ18O值和温度效应、雨量效应之间并没有明显的规律等结论相比较，商州区δ18O与温度的关系与上述研究结果相类似。

四、结论

(1)商州区的大气降水曲线为δD=7.505δ18O+17.051，r2=0.960与全球降水曲线、中国降水线相比以及其他季风地区相比，斜率较小，说明该地区蒸发作用旺盛；其截距较大，可能受商洛地区的气候条件、地形地貌特征、降雨云团来源等因素影响。

(2)在年内尺度下，商州区δ18O值的降水量效应与其他季风区相比并不明显，而温度效应几乎不存在，这可能是由于夏季温度较高，空气湿度大，再蒸发作用使重同位素蒸发不明显，从而无法体现温度效应的存在。

[1]郑淑蕙,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.

[2]王涛,徐丽娜,刘笑.郑州大气降水氧同位素变化及水汽来源分析[A].中国气象学会.创新驱动发展提高气象灾害防御能力——S9大气成分与天气气候变化[C].中国气象学会:,2013:10.

[3]胡菡,王建力.重庆市2013年10-12月大气降水中氢氧同位素特征及水汽来源分析[J].中国岩溶,2015,03:247-253.

[4]Yurtsever Y,Gat J R.Atmospheric waters.In:Gat J R,Gonfiantini R,eds.Stable Isotope Hydrology:Deuterium and Oxygen-18 in the WaterCycle.Vienna:International Atomic Energy Agency,1981.103—142

[5]柳鉴容,宋献方,袁国富,孙晓敏,刘鑫,王仕琴.中国东部季风区大气降水δ～(18)O的特征及水汽来源[J].科学通报,2009,22:3521-3531.

[6]刘东生,陈正明,罗可文.桂林地区大气降水的氢氧同位素研究[J].中国岩溶,1987,03:51-57.