内蒙古夏季大气降水同位素特征及影响因素

郭 鑫,李文宝,杜 蕾,贾德彬,刘廷玺

内蒙古夏季大气降水同位素特征及影响因素

郭 鑫,李文宝*,杜 蕾,贾德彬,刘廷玺

(内蒙古农业大学,水资源利用与保护自治区重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010018)

为探明内蒙古地区夏季大气降水中D和18O组成特征及其对气象因子变化的响应关系,于2017～2019年夏季采集了内蒙古阿拉善左旗、呼和浩特市市区、正蓝旗、克什克腾旗(达里湖)、通辽科尔沁左翼中旗和呼伦贝尔新巴尔虎右旗(呼伦湖)等6个区域共计82次大气降水样品,结合来自全球降水同位素观测网(GNIP)的包头、张掖等6个区域大气降水样品中D和18O数据, 分析了内蒙古地区大气降水中D和18O变化的区域差异及其主要影响因素,结果表明:内蒙古局地大气降水中D和18O值存在自西向东不断偏负的趋势,其中呼伦贝尔新巴尔虎右旗大气降水中D和18O值最偏负;相对地,西部阿拉善左旗大气降水中D和18O值最偏正;内蒙古地区局地大气降水线斜率和截距同样表现出自西向东逐渐偏正的变化趋势,显示二次蒸发作用的影响逐渐下降,且局地蒸发水汽团对西部地区大气降水影响明显,如位于西风环流影响区的阿拉善左旗等区域局地蒸发气团占到8月部分单次大气降水来源水汽团的100%,而7月份,东亚夏季风环流对内蒙古局地大气降水的影响最为明显;整体上,虽然区域大气湿度变化引起的二次蒸发是影响内蒙古局地大气降水过程的一个关键因素,不过大气降水量对夏季大气降水稳定同位素组成的影响最明显.即西风环流影响区大气湿度变化对氘盈余指数值的影响程度明显强于东亚夏季风区大气湿度变化的影响,而东亚夏季风环流影响区大气降水量对值的影响程度则相对明显.

大气降水；氢氧同位素；大气降水线；水汽来源；内蒙古

大气降水是水文循环过程中的重要组成环节,也是区域水资源的主要补给源之一,对区域生态演变起着至关重要的作用,而氢、氧稳定同位素(D和18O)作为指示水循环的重要指标参数[1-3],在大气水文循环过程中常常受到区域气候环境及水汽来源过程等因素的影响,因此D和18O值可以很好的反映降水过程中环境因子和水汽来源[3-5]等信息.根据区域大气降水中D和18O变化关系所构建的“大气降水线”,可用于反映不同地区间大气降水过程的差异及主要影响因素[6-9].例如,大气降水线的斜率小于8,则表明该地区具有不同的水气来源或受到一定程度的二次蒸发影响[10-11].因此,不同区域大气降水中氢氧同位素组成及降水线特征分析对研究区域降水过程有着重要意义.

内蒙古地区地形东西狭长,气候环境由西部的干旱-半干旱逐渐向东部半湿润-湿润过渡.同时,降水量存在自东向西不断减小的变化趋势,如东部地区降水量可达500mm/a,而西部地区降水量则明显低于100mm/a,温度和湿度区域差异明显[12-13].更重要的一点,内蒙古地区位于东亚夏季风和西风环流的交汇区[14-15],东亚夏季风北缘贯穿内蒙古自治区,西部地区主要受西风环流的影响(以下简称西风区),而东南部地区则主要受东亚夏季风环流的影响(以下简称东亚夏季风区)[14],大气降水区域分布差异较大且蒸发作用强烈,与其他区域相比,其水汽来源可能更为复杂[9,16-17].

夏季大气降水量占到内蒙古地区全年降水量的一半以上,是全年大气降水的关键阶段.因此,本文根据这一典型区域气候特征,对内蒙古夏季(夏季以6～8月为主[14])不同区域大气降水样品采集并测试D和18O值,同时结合区域气温()、大气湿度(RH)及大气降水量()等因素,分析不同区域、不同夏季月份大气降水中D和18O值的关系差异,探讨大气降水同位素的时空分布特征及降水过程的影响因素,旨在为研究中国北方寒旱地区大气降水的水汽来源及区域水文循环特征提供依据.

1 材料与方法

1.1 样品采集

根据内蒙古自治区气候环境特征以及对东亚夏季风北部边缘的界定[14-15],于2017～2019年采集了内蒙古西部的阿拉善左旗、中部的呼和浩特市、中东部的正蓝旗和克什克腾旗(达里湖)、东部的通辽科尔沁左翼中旗和东北部的呼伦贝尔新巴尔虎右旗(呼伦湖)等地区的大气降水样品,具体采样点位置见图1,利用放置于空旷室外的标准集雨器对大气降水样品进行收集,样品采集频率以有效降水事件为准,根据实际降水量采集50mL样品,采集完成后保存于聚乙烯瓶,密封保存和冷藏,并尽快完成D和18O测定,最终获得82个有效夏季大气降水样品,其中阿拉善左旗大气降水样品8个,呼和浩特样品9个,正蓝旗样品21个,克什克腾旗样品23个,科尔沁左翼中旗样品8个,新巴尔虎右旗样品13个.

图1 大气降水采样点及参考数据区域分布示意

1.2 测试方法

大气降水中D和18O的测试在实验室完成,样品在通过0.45μm滤膜过滤3～5次后,使用美国Los Gatos Research (LGR)公司生产的液态水同位素分析仪进行测定,每一样品测试6次,取后4次测试结果的平均值(降低来自上一样品的影响).该仪器18O的测试误差小于0.1‰,D的测试误差小于0.3‰[18],测试结果用国际原子能机构的标准样品进行校正,计算公式如下:

式中:sample和VSMOW分别代表大气降水样品与维也纳标准海水中18O和D的值.

1.3 数据来源及处理方法

本文选取内蒙古自治区包头市以及区外的张掖、兰州、太原、锦州和哈尔滨等其他6个站点大气降水同位素变化(大气降水同位素数据来自全球降水同位素观测网GNIP:Global Network of Isotope in Precipitation,http://isohis.iaea.org)作为参考,对研究区大气降水同位素空间变化进行对比分析.同时,利用来源于中国气象科学数据共享服务网(http: //cdc.cma.gov.cn/shuju/preview.jsp)的气象数据,对内蒙古地区夏季、RH、等气象指标参数进行再分析.

在数据处理分析方面,利用由美国国家海洋与大气管理局开发的HYSPLIT模型[9,19-22],选取低空气团(500,1000,2000m)和高空气团(3000m和5000m),分别对单次大气降水过程以及月均气团(1000m)[23-24]径迹移动进行模拟分析.其中涉及到的再分析资料来源于美国国家大气研究中心的全球资料同化系统(GDAS),空间分辨率为1°×1°,运行步长为12h,分别为世界标准时间的每日00:00和12:00,即北京时间的每日8:00和20:00,模型运行时间为168h.对其进行聚类分析后将结果导入Arc GIS 10.6软件进一步处理,得到内蒙古地区夏季6个观测点7d空气后向轨迹.

2 结果与分析

2.1 大气降水δD和δ18O组成特征

通过大气降水中D、18O含量和氘盈余指数()反映水汽团的同位素组成特征,指示大气降水过程中再蒸发作用的强弱[25-26],全球均值约10‰)可以进行降水过程的区域差异性分析[6-7].按照自西向东的地理位置进行排列,内蒙古及周边区域大气降水中D和18O含量表现出明显的西部偏正,向东部逐渐偏负的区域变化趋势;相应地,值则呈现出西部偏负而向东部逐渐偏正的趋势(图2).其中,在内蒙古,呼伦贝尔新巴尔虎右旗大气降水中D和18O均值最偏负,D为-69.71‰,18O为-9.97‰;相对地,西部阿拉善左旗大气降水中D和18O均值则最大,分别为-28.65‰和-3.79‰.整体上,12个区域大气降水D值变化范围为-131.61‰～-4.30‰,18O值变化范围为-16.03‰～0.87‰,平均值分别为-47.20‰和-6.30‰.

此外,不同地区大气降水中均值差异幅度相对较小:区外,张掖大气降水中均值最小,约为0.00‰;区内,西部阿拉善左旗大气降水中均值最小,约为1.69‰,相对地,呼伦贝尔新巴尔虎右旗大气降水中均值最大,约为10.00‰,与全球均值基本一致.

图2 内蒙古及周边区域不同站点δD、δ18O和d的变化

2.2 大气降水线特征

基于内蒙古及其周边共计12个区域大气降水中D和18O相互关系分析,发现大气降水线的斜率和截距值总体上表现出由西向东逐渐偏正趋势(图3).在内蒙古西部,如阿拉善等地区,大气降水线的斜率和截距都相对较低或偏负(分别为4.67和-10.93),表现为大气降水受到二次蒸发作用影响相对较强[20,27];在内蒙古东部,如通辽地区,大气降水线的截距则高于西部和中部地区各区域大气降水线的截距,且斜率明显偏正(分别为6.69和-2.93),显示二次蒸发作用的影响有所下降.当然,区域水文气象环境的差异,如局地湖泊水体的蒸发,同样可以对大气降水线的构成产生明显影响,这导致12个取样区域大气降水线的斜率和截距构成存在一定程度的地域差异(图3a).

综合分析夏季3个月份的大气降水线,则6、7、8月等3个月份中(图3b),内蒙古区域大气降水线斜率值相对比较稳定:基本分布在7.1左右,显示受到一定程度的蒸发作用影响.不过,3个月份大气降水线的截距差异明显,如7月份大气降水线的截距明显偏负,为-3.61.显然,平均温度最高的7月份,二次蒸发作用的影响最明显.再者,整合分析夏季区域大气降水线(图3c),结果显示斜率和截距值均低于全球或全国大气降水线的值,但明显高于张掖、阿拉善等西北干旱区[27],基本对应了夏季降水集中,蒸发量远远大于降水量的区域气候环境特征[18].

图3 内蒙古及周边区域大气降水线时空差异特征

2.3 内蒙古地区大气降水水汽来源分析

内蒙古地区夏季大气降水过程中的气团运移轨迹不仅存在空间区域差异,又存在时间月份上的不同(图4).具体来看,在6月,虽然各区域大气降水过程中低空气团和高空气团的移动轨迹存在一定程度的差异,但是主要来自西北内陆地区,明显受到了西风、北冰洋水汽主导的西北方向水汽团的影响.综合分析6月平均大气运移路径,结果显示各区域水汽团以西风环流和局地蒸发(局地水汽)形成为主,其中仅仅在阿拉善和包头地区出现一定比例的东亚夏季风来源气团(分别为26%和15%,表1);在7月,除呼伦湖地区以外,其他区域大气降水过程中气团主要来自东南部,显示主要受到东亚夏季风环流带来水汽的影响.对比6月和7月平均大气运移路径,结果显示东亚夏季风来源的水汽团占比明显增加,影响范围也更加广阔.当然,西风环流和局地蒸发对水汽团的影响依然存在;在8月,虽然各个气团的影响范围与6月相似.不过,各区域大气降水过程的气团运移方向较为复杂,如阿拉善左旗、克什克腾旗等区域高空气团的运移方向与低空气团运移轨迹差异明显.在阿拉善等区域局地蒸发气团的影响明显增强,局地气团占比达到100% (表1).

图4 内蒙古地区夏季水汽来源模拟与分析

表1 内蒙古地区夏季水汽来源(%)

注: “-”表示数据为0, 以黑体字显示最大值.

整体上,内蒙古地区夏季大气降水主要受到来自西风环流等西北气团及局地蒸发气团的影响,而东亚夏季风环流的影响在7月份表现最为强烈,且影响区域主要集中在东北部.此外,呼伦湖区域7月份气团运移轨迹与其他区明显不同,可能与呼伦湖局地水陆差异有关.

2.4 大气降水中δD、δ18O值变化的影响因素

基于RDA冗余分析方法,讨论了大气降水量、湿度、温度等因素在不同月份、不同区域上对内蒙古地区大气降水中D、18O及值的影响.

由图5可知,、RH及变化对D、18O及值均存在一定程度的影响.其中,D和18O值变化与、RH、主要呈现负相关关系,而值与各因子的关系则相对复杂,即与P、RH主要呈现正相关关系,而与T主要呈现负相关关系.在6月份大气降水D、18O和值变化中,RH的影响程度最强,而的影响最弱;7月份,成为最主要的影响因子,的影响同样最弱;8月份,依然是最主要的影响因子,但是RH的影响程度有所增加,的影响最弱.

其次,按照现代夏季风北部边缘为界,划分为西风区和东亚夏季风区,且以西部的阿拉善和张掖站点作为西风区的代表站点,以东部的通辽、锦州和哈尔滨作为东亚夏季风区的代表站点.那么结果显示,在西风区,RH对大气降水中D和18O值变化的影响程度明显高于的影响;而在东亚夏季风区,对大气降水中D和18O值变化的影响程度则明显高于RH的影响(图5).

显然,西风区和东亚夏季风区内大气降水稳定同位素的组成存在差异:西风区大气降水18O组成受到RH和的影响,且呈现负相关关系,的影响相对较弱.而大气降水值主要受RH和的影响,且与RH呈显著正相关关系;相对地,东亚夏季风区大气降水D和18O值组成与呈正相关关系,与RH和呈负相关关系,而值则与呈负相关关系,与RH呈正相关关系.

3 讨论

在内蒙古,每年4月上旬,湖泊、地表冻土等开始融化,气温逐渐升高,蒸发作用逐渐增强,但是大气降水过程较少,6月份大气降水量仅占到夏季降水量的23%左右,而7、8月份大气降水量明显增加,2个月降水量占到夏季降水量的约72%～83% (内蒙古西部地区8月份降水量略大于7月份,而东部则7月份大气降水量较高,图5).因此,6月份大气降水D和18O组成受大气湿度的影响强于降水量的影响,既存在一定的降水效应,同时蒸发作用影响明显,正是对应了6月份蒸发作用强烈,局地蒸发气团在多数区域的占比超过50%(表1);7月份,随着东亚夏季风环流影响范围的增加,大气降水过程中降水效应的影响开始显现,使其成为影响大气降水同位素组成的主导因素之一[18];8月份,内蒙古地区大气温度呈现西部高、东部低,而大气降水量呈现西部低、东部高的空间分布特征(图5),这导致西部蒸发作用相对加剧,西风区大气降水过程中局地蒸发水汽来源可以占到100%.

整体上,虽然内蒙古区域大气降水中D和18O组成主要受到温度效应引起的二次蒸发作用和降水量效应的影响[18],不过内蒙古及周边地区D、18O与间的相互关系最为明显,显然是影响夏季大气降水稳定同位素组成的重要因素.虽然区域变化是影响我国北方地区大气降水过程的另一个关键因素[28],但是内蒙古及周边地区夏季降水稳定同位素组成在月尺度上与呈负相关关系,两者的相关性较差,因此对于温度普遍较高的夏季6～8月份(内蒙古及周边地区夏季月温度标准差较小仅2.16),变化可能不是影响大气降水同位素组成的直接因素,而与云下二次蒸发存在密切关系.和RH通过影响云下二次蒸发作用对大气降水中D和18O值产生影响:即在较高的条件下,较低的RH有利于二次蒸发的进行,同时相对较小的,使在单次大气降水过程中,大气水汽不易饱和,有利于二次蒸发的发生.而云下二次蒸发越强,大气降水中D、18O越富集[29-30].这也在西风区和东亚夏季风区大气降水中值与、RH和间的关系变化中得到体现.即东亚夏季西风区变化对值的影响程度明显强于西风区变化的影响,而西风区RH对值的影响程度最强,东亚夏季风区对值的影响程度最强,这对应了西风区明显低于东亚夏季风区,而却较高的区域气象特征[31].

图5 大气降水同位素与气象因素的RDA分析

4 结论

4.1 内蒙古及周边地区夏季降水D的变化范围为-131.61‰～-4.3‰,18O变化范围为-16.03‰～ 0.87‰,值变化范围为-25.34‰～19.78‰;不同地区大气降水同位素组成存在明显差异,内蒙古局地大气降水中D和18O值存在自西向东不断偏负的趋势,其中呼伦贝尔新巴尔虎右旗大气降水中D和18O值最偏负;相对地,西部阿拉善左旗大气降水中D和18O值最偏正.

4.2 内蒙古地区局地大气降水线斜率和截距同样表现出自西向东逐渐偏正的变化趋势,显示二次蒸发作用的影响逐渐下降,且局地蒸发水汽团对西部地区大气降水影响明显,如位于西风环流影响区的阿拉善左旗等区域局地蒸发气团占到8月部分单次大气降水来源水汽团的100%,而7月份,东亚夏季风环流对内蒙古局地大气降水的影响最为明显.

4.3 虽然区域大气温度变化引起的二次蒸发是影响内蒙古局地大气降水过程的一个关键因素,但大气降水量对夏季大气降水稳定同位素组成的影响最明显,即西风环流影响区大气温度变化对氘盈余指数值的影响程度明显强于东亚夏季风区大气温度变化的影响,而东亚夏季风环流影响区大气降水量对值的影响程度则相对明显.总体来看内蒙古地区大气降水线响应于局地气候环境.内蒙古地区夏季降水水汽主要来源于局地蒸发,西风带是其重要的水汽来源,同时东亚夏季风的影响不可忽略.

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Characteristics and influence factors for the hydrogen and oxygen isotopic of precipitation in inner mongolia.

GUO Xin, LI Wen-bao*, DU Lei, JIA De-bin, LIU Ting-xi

(Inner Mongolia Key Laboratory of Water Resources Protection and Utilization, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)., 2022,42(3)：1088～1096

In order to study hydrogen and oxygen stable isotopes (D,18O) composition characteristics of summer atmospheric precipitation in Inner Mongolia, and responding to meteorological factors,a total of 82atmospheric precipitation samples in 6regions were collected in the summer of 2017～2019, including Inner Mongolia Alxa Left Banner, Hohhot City Urban Area, Zhenglan Banner, Keshiketeng Banner (Dali Lake), Tongliao Horqin Left-wing Middle Banner, and Hulunbuir New Barhu Right Banner (Hulun Lake). This paper analyzed the regional differences and their main influencing factors inD and18O changes of atmospheric precipitation in Inner Mongolia, combining theD and18O data from 6regional atmospheric precipitation samples in Baotou’s and Zhangye’s the Global Precipitation Isotope Observation Network (GNIP). The results showed that: TheD and18O of the local atmospheric precipitation in Inner Mongolia tended to be negative from west to east. Among them, theD and18O of the atmospheric precipitation in the Hulunbuir, New Barhu Right Banner were the most negative; in contrast, theD and18O of the atmospheric precipitation in the western Alxa Left Banner were the most positive; The slope and intercept of the local atmospheric precipitation line in Inner Mongolia also showed a positive trend from west to east, indicating that the influence of secondary evaporation had decreased and the local evaporation water vapor mass had a significant impact on atmospheric precipitation in the western region. For example, the local evaporation air masses in Alxa Left Banner that was located in the area affected by the westerly circulation account for 100% of the water vapour masses in some single atmospheric precipitation sources in August. But the East Asian summer monsoon circulation had the most impact on the local atmospheric precipitation in Inner Mongolia in July. Although the secondary evaporation caused by regional atmospheric humidity changes was a key factor affecting the local atmospheric precipitation process in Inner Mongolia, atmospheric precipitation had the most important influence on the stable isotope composition of summer atmospheric precipitation. That was, the influence of atmospheric humidity changes on the deuterium surplus index-excess was stronger than the influence of atmospheric temperature changes in the East Asian summer monsoon region, while the influence of atmospheric precipitation on the-excess in the East Asian summer monsoon circulation area was relatively significant.

precipitation；hydrogen and oxygen isotopic；atmospheric precipitation line；source of water vapor；Inner Mongolia

X131

A

1000-6923(2022)03-1088-09

郭 鑫(1995-),男,山西长治人,内蒙古农业大学硕士研究生,主要从事同位素水文与湖泊水环境演变研究.发表论文2篇.

2021-07-18

内蒙古自治区科技重大项目(2020ZD0009);内蒙古自治区科技攻关项目(2020GG0009);内蒙古自治区高等学校“青年科技英才支持计划”项目(NJYT-20-A14);内蒙古自然资源厅科技项目(NMGZRZYKJXC2020001);国家自然科学基金资助项目(51669021)

*责任作者, 副教授, gmonsoon2007@aliyun.com