福州降水稳定同位素对ENSO事件的响应机制

张晓东, 郭政昇

(1.重庆旅游职业学院, 重庆 409099; 2.山西师范大学 地理科学学院, 山西 临汾 041004)

大气降水作为水循环过程中的一个重要环节，是各种水体的重要补给来源，水循环在时间和空间上不断地发生变化，影响着一个地区生态环境的平衡，也是地区可持续发展的重要影响因素。18O和D是水分子中所蕴含的天然同位素，随水分子的运移广泛参与到自然界水循环中[1]。由于水汽所经过不同区域自然条件的差异，温度、降水量、海拔等环境因素将导致水汽中的稳定同位素发生相应的分馏，之后的蒸发、不同水体间的局地水循环则会引起同位素的二次分馏，表现为水体中稳定同位素浓度与自然环境条件之间的相关性[2]，是目前追踪大气降水水汽来源及大气环流过程的主要手段。近年来诸多学者的研究表明，水汽源区的变化与大尺度对流过程制约着降水稳定同位素的特征[3]，而ENSO(El Nio-Southern Oscillation)事件作为全球海气耦合的最强信号之一，对东亚季风区降水稳定同位素的年际波动有着极大的影响[4]。

目前国内外对水汽源区变化/ENSO与降水稳定同位素之间遥相关关系的研究尚处于起步阶段。Vimeux等[5]、Tremoy等[6]、Kurita[7]证明了水汽源区变化与降水δ18O之间存在显著相关性，并对其内在机制进行了初步探索；Gao等[8]、He等[9]对青藏地区降水中的氢氧同位素与北印度洋对流活动之间的关系进行了研究；我国学者对珠江三角洲地区[10]、洞庭湖流域[11]、上海[12]降水中同位素组成与分布特征与ENSO事件的关系进行初步探索，证明了ENSO事件对降水稳定同位素的影响，但ENSO事件对季风区的影响是否具有同一性仍待明确。向外长波福射OLR(Outgoing Longwave Radiation)是从大气层外观测到的地气系统的对外辐射，是热带对流指示量，也是热带环流异常的重要表征[13]。相比于传统方法，OLR技术能够更精确地反映水汽源区热带辐合带(Intertropical Convergence Zone,ITCZ)的位置与强度变化，并广泛的应用于海气相互作用等方面的研究。因OLR对ENSO事件的过程有着极为敏感响应，美国国家环境预报中心与日本气象厅等机构均将OLR技术用于ENSO事件的监测工作中[14]。目前对于OLR资料的应用主要集中于气象领域，Tang等[15]将OLR技术应用于同位素水文学研究中，对2012—2014年南京降水稳定同位素与水源区ITCZ位置与强度变化之间的相关性进行了探索。然而目前对水源区变化/ENSO事件与δ18O相关机制的研究刚刚起步，尚不明确ENSO事件对不同区域降水稳定同位素的影响程度及特征，也需要用新的方法深入对水汽源区变化过程的探索，提高指示精度，完善对ENSO事件发展过程的示踪。

福州位于我国东部季风区的东南沿海，地貌为河口盆地，闽江由此入海，属亚热带海洋性季风气候[16]。能够避免水汽深入内陆导致的同位素分馏及局地气候带来的影响，从而更为准确的反映同位素特征对ENSO事件的响应过程。本文依据福州站点的降水同位素与气象数据，利用OLR技术进一步探索水汽源区变化及ENSO事件对降水中同位素特征的影响，能够深入了解我国季风区水汽来源及降水过程的变化，有助于进一步推进对季风区水循环机制的研究。

1 数据来源与方法

1.1 数据与方法

本文所用的福州站点(26.08°N,119.28°E)月均降水稳定同位素数据来自全球大气降水同位素网络(Global Network of Isotope in Precipitation,GNIP)，数据起止时间为1985—1992年。同位素δ值均以维也纳标准海洋水(V-SMOW)的千分差表示：

δ18O(orδD)=[(R水样/RV-SMOW)-1]×1000‰

式中：R水样、RV-SMOW分别为样品与V-SMOW中的18O/16O及D/H比值。

福州站点的气象数据来自中国气象数据网，OLR数据源自国家卫星气象中心提供的风云二E地球同步轨道气象卫星，可见光红外自旋扫描辐射仪所处理的月均向外长波福射(OLR)数据，空间分辨率为1°×1°。卫星定位于105°E，能更好的反映我国及周边区域的水热状况及ENSO背景下水汽源区的演变过程。

1.2 ENSO事件的划分依据与标准

OSIn=Std(∑ONI)-Std(∑SOI)

将海气综合强度指数(OSI)作为划分ENSO事件强度的依据，参照陈虹颖等[17]的分类方法，按表1标准将ENSO事件分为极强、强、中等、弱、极弱5个等级，字母E代表各阶段厄尔尼诺事件，字母L代表各阶段拉尼娜事件，1985—1992年共经历了2次厄尔尼诺事件和2次拉尼娜事件，划分结果见表2。

表1 ENSO事件的海气综合强度指标

表2 厄尔尼诺事件和拉尼娜事件统计

2 福州降水同位素特征分析

2.1 大气降水δ18O的季节变化

对福州站的δ18O、降水、气温数据分别按厄尔尼诺年、正常年、拉尼娜年计算采样时段内多年月平均值，结果如图1所示。

总体上，福州站δ18O值表现为夏半年较低冬半年较高的趋势，由1月至12月表现为先波动下降再急剧上升的过程。由各事件年来看，δ18O值总体表现出厄尔尼诺年>正常年>拉尼娜年的特征，特别是在夏季，这一特征更为突出，证明降水中δ18O值的水平敏感的响应着ENSO事件对季风气候的影响。由图1可见，厄尔尼诺年、正常年、拉尼娜年的气温差异并不显著，但各事件年降水的差异则十分明显，与各事件年δ18O值的变化有着较好的对应。依据各事件年降水量数据，计算雨季4—10月各事件年降水量所占比例(图2)，可见在前期(4—7月)厄尔尼诺年降水量所占比例稳定在40%左右，而在后期(8—10月)，特别是9—10月则是拉尼娜年降水比例显著增多，因而厄尔尼诺年降水显著集中于雨季前期，而拉尼娜年降水在雨季后期占主导地位。由此可见，ENSO事件对大气降水δ18O的影响主要通过影响降水的年内分布，特别是雨季降水的时间分布状况而实现。

图1 福州大气降水δ18 O、降水量、温度的多年平均变化

图2 雨季各事件年平均降水量对比

2.2 大气降水线方程的差异

大气降水中δD和δ18O之间的线性关系被称作大气降水线方程。因降水中的同位素分馏状况及比率变化受降水区自然环境要素的影响，大气降水线方程代表着稳定同位素与地理特征之间的独特关系，深刻的反映着不同地域独特的降水特征[18]。依据78组月均数据，得到福州站厄尔尼诺年、正常年、拉尼娜年大气降水线方程为：

厄尔尼诺年：δD=8.03δ18O+12.87(R2=0.89)

正常年：δD=8.21δ18O+10.38 (R2=0.92)

拉尼娜年：δD=8.68δ18O+16.80 (R2=0.98)

图3为福州δD-δ18O间的线性关系，可见厄尔尼诺年的斜率小于正常年，拉尼娜年的斜率与截距均大于正常年，表明ENSO事件对降水中稳定同位素的分馏状况有着规律性的影响，造成这一差异的原因可能是由于ENSO事件改变了福州降水的年内分配状况。厄尔尼诺年降水集中于雨季前期，是旱季向雨季转换的季节，蒸发旺盛，雨水在降落过程中受到了二次蒸发，局地再循环水汽在降水中所占比例也较高，从而使厄尔尼诺年的斜率与截距降低。拉尼娜年降水集中于雨季后期，水汽蒸发趋缓，局地再循环水汽在降水中的比例也随之下降，从而推高了拉尼娜年的斜率与截距。但这一结论与上海[12]站的大气降水线方程不同，其厄尔尼诺年的斜率与截距在数值上大于非厄尔尼诺年。由此可见，ENSO事件对大气环流的影响极为复杂，其对大气降水线方程的影响因地区而异，这一规律还有待于进一步研究。与Yurtsever等[19]获得的全球大气降水线方程(δD=8.17δ18O+10.56)相比，正常年斜率与截距与之极为相近，非正常年斜率与截距则发生轻微的反向变化；与Liu等[20]提出的中国降水线方程(δD=7.48δ18O+1.01)、柳鉴容等[21]所报道的中国东部季风区降水线方程(δD=7.46δ18O+0.90)相比，斜率与截距均较高，与珠江流域大气降水线方程(δD=8.08δ18O+11.00)相近[18]。综合来看，与全球、珠江流域大气降水线方程相近，而较中国各地大气降水线方程显著较高的斜率与截距，体现出暖湿性的气候特征。

图3 福州大气降水线方程

2.3 大气降水δ18O的与局地环境的关系

在我国季风区，降水同位素组成受环境因素的制约，在不同季节形成不同的氢氧稳定同位素特征[22]，其中温度与降水量对同位素分馏比率的影响最为显著。因全年尺度下的环境效应并不显著，依据福州站月均数据，分别计算各事件年旱雨两季的降水量效应与温度效应(表3)。

表3 福州大气降水δ18 O与气温、降水的关系

3 ENSO事件对降水中δ18 O的影响

3.1 ENSO事件与降水中δ18 O年内变化的关系

在影响降水稳定同位素特征的诸多因素中，水汽源区变化首先影响着稳定同位素的分馏状况，水汽团运移过程与降水区环境特征都是在其基础上，对降水中的稳定同位素特征进行再塑造[23]。就水汽源区变化的影响而言，ENSO事件无疑是最为显著的因子，对水汽源区的季节性演变、区域乃至全球的降水、气温等气候要素的异常有着密切关系[24]，并直接影响着水循环中稳定同位素的分馏状况与特征。由于降水同位素的水平及特征在一个较长的时期内都处于较为稳定的状态，综合考虑降水同位素与气象卫星数据的起止时间，因ENSO事件的多为跨年度发生，且转换时间一般为夏半年，选定2015—2016年、2014—2015年、2010—2011年作为厄尔尼诺年、正常年与拉尼娜年的分析时间，以7月、10月、1月、4月OLR场图代表水汽源区的年内变化状况。需要说明的是，2015—2016年厄尔尼诺事件为极强，其OLR场表现较拉尼娜年更为极端，但也更加凸显其变化规律，结果如附图1所示。

同月份在不同ENSO事件背景下，水汽源区的状况有着显著差异，其OLR值总体上呈现出厄尔尼诺年>正常年>拉尼娜年的特征，这与图2中各站点在不同年份背景下表现出的δ18O值水平差异相一致，证明ENSO事件背景下水汽源区的变化对δ18O值的年际变化有着很大的影响。

具体来看，7月代表的夏季是气温最高、降水较多的季节，此时厄尔尼诺年水汽源区的OLR场表现为高值区域，无明显的水汽中心，而正常年与拉尼娜年则建立了明显的ITCZ。正常年孟加拉湾与西太平洋水汽源连为一体，西太平洋OLR低值区程度更深，水汽辐合更强，而拉尼娜年则相对较弱，孟加拉湾低值区辐合更强，表明正常年与拉尼娜年水汽源区特征差异显著。这一时期各站点正常年与拉尼娜年降水量总体大于厄尔尼诺年，由沿海向内陆这一特点更趋明显，图1中的δ18O值同样表现为正常年>拉尼娜年>厄尔尼诺年，与OLR场特征一致，这一时期也是OLR与δ18O值的差异表现最为显著的时期。

10月代表的秋季是气温与降水逐步降低的阶段，此时水汽源区已经南移，副高已经控制华南地区，厄尔尼诺年与正常年ITCZ显著减弱，而拉尼娜年则十分明显。这一时期降水显著减少，δ18O值则出现了拉尼娜年与厄尔尼诺年先上升再下降的现象，特别是在11月演变为拉尼娜年>正常年>厄尔尼诺年，与OLR场一致。此时拉尼娜年辐合带范围更广、更偏北且程度更深，海温相对较高且水汽运移路线相对于正常年与厄尔尼诺年更短，稳定同位素在水汽团运移过程中贫化程度更低，气温降低的同时δ18O值下降并不多。

1月代表的冬季是是气温与降水最低的季节，10°N地区由副高控制，ITCZ退至赤道地区，厄尔尼诺年辐合中心极为微弱，而正常年与拉尼娜年则较为明显。这一时期拉尼娜年辐合带保持着范围更广、更偏北且程度更深的特点，但这一时期福州主要受北方大陆气团影响，水汽源区的变化与δ18O的变化并不同步。

4月代表的春季是气温与降水逐步升高的阶段，此时副高减弱，ITCZ北移，厄尔尼诺年辐合中心逐渐加强，正常年与拉尼娜年较为明显，正常年ITCZ加深，厄尔尼诺年ITCZ至5月方才建立，降水也随之增多。这一时期是厄尔尼诺年ITCZ最强的时期，随着孟加拉湾水汽源区的发展，厄尔尼诺年δ18O值逐渐上升，这一时期δ18O值水平全部为厄尔尼诺年>正常年>拉尼娜年的状态。

3.2 水汽源区的年际差异

基于以上对OLR场各事件年内变化规律的分析，为进一步确证水汽源区的位置及其在不同ENSO背景下的总体变化状况，依据各事件年12个月份的月均OLR场，得到各事件年的年均OLR场，并分别计算厄尔尼诺年/拉尼娜年与正常年的差值，结果见附图2。

从ENSO事件的发展过程来看，与正常年相比，厄尔尼诺与拉尼娜年ITCZ的变化规律呈现出相反的趋势。厄尔尼诺年ITCZ在4月开始建立并加深，至7月达到最盛，而10月则较弱；正常年在7月和4月左右是ITCZ程度最深的阶段；拉尼娜年ITCZ则在10月达到最盛，1月仍保持着较大的范围。因此，厄尔尼诺年ITCZ主要建立并加深在春夏季，且总体偏南，规模较小；而拉尼娜年ITCZ则在秋季达到一年中的峰值，总体偏北，范围较大，不同事件年ITCZ的变化特征与福州站δ18O的环境效应规律相吻合。厄尔尼诺年对降水和δ18O值的影响主要体现在雨季前期，而拉尼娜年主要体现在雨季的后期，这与2.1与2.3中的分析结果一致。

厄尔尼诺年与正常年的OLR差值主要体现在西太平洋，印度洋水汽源区差值与范围相对较小，主要位于赤道附近地区，其OLR均值较正常年偏高10～15 W/m2。拉尼娜年OLR差值同样体现在西太平洋水汽源区，且范围更广，强度更大，其OLR均值较正常年偏低20 W/m2左右，而印度洋水源区的波动范围与强度相较于厄尔尼诺年都明显减弱。拉尼娜年水源区位置要更靠北，接近10°N左右，西太平洋水汽源区的波动范围与强度都远大于印度洋水源区，因此印度洋水源区较为稳定，西太平洋水汽源区位置与对流强度的变化是ENSO事件年中影响研究区降水稳定同位素变化的主要因子。

4 结 论

(1) ENSO事件背景下的水汽源区变化是影响稳定同位素年际差异的主要因素，主要通过影响降水的年内分配，特别是雨季降水的时间分配状况而实现；ENSO事件对大气降水线方程有着明显规律性的影响，拉尼娜年凸显出海洋性较强的气候特征；厄尔尼诺年减弱雨季降水量效应而增强旱季反温度效应，拉尼娜年则削弱旱季反温度效应。

(2) 水汽源区ITCZ的位置、对流活动强度及气团运移过程显著影响着稳定同位素的特征，厄尔尼诺与拉尼娜年ITCZ的变化规律呈现出相反的趋势，其OLR场的变化与研究区稳定同位素特征有着较强的对应关系；西太平洋水汽源区位置与对流强度的变化是ENSO事件年中影响研究区降水稳定同位素变化的主要因子。

本文基于OLR技术初步研究了ENSO事件对福州降水中稳定同位素的影响，由于ENSO事件的影响及水汽源区变化的过程极为复杂，降水稳定同位素对ENSO事件的响应机制仍需深入探索。福州大气降水线方程在不同事件背景下的变化规律与上海相反，这说明ENSO事件对大气水线方程的影响具有显著的地域差异性，但目前尚无更多的资料说明ENSO事件对水线方程产生影响的规律；其次，目前对这一机制的研究尚处于起步阶段，在今后的研究中有望通过大气环流模型或其他技术手段进一步做出定量化分析。