海口地區(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素特征及其影響因素

齊之鈺

摘 要：依據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）提供的海口地區(qū)1988—2000年大氣降水的氫氧同位素組成，提出?？诘貐^(qū)大氣降水線方程為：δD=7.5036δ18O+6.1834，并把該方程與全球降水線進(jìn)行對比，分析該地區(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素特征及其影響因素。

關(guān)鍵詞：大氣降水；氫氧同位素；溫度效應(yīng)；季風(fēng)降雨效應(yīng)

中圖分類號：P332.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）08-0156-03

Characteristics of Hydrogen and Oxygen Stable Isotopes

and Their Influencing Factors in Precipitation in Haikou Area

QI Zhiyu

（School of water resources and environment， China University of Geosciences （Beijing），Beijing 100083）

Abstract： According to the hydrogen and oxygen isotopes of the atmospheric precipitation in Haikou area of 1988—2000 provided by the International Atomic Energy Agency （IAEA）， the equation of the atmospheric water line in Haikou region is： Delta D=7.5036 Delta O+6.1834， and the equation is compared with the global precipitation line， and the hydrogen and oxygen stable isotopes of atmospheric precipitation in this area are analyzed. Symptoms and its influencing factors.

Keywords： atmospheric precipitation；hydrogen and oxygen isotope；temperature effect；monsoon rainfall effect

1 研究背景

大氣降水由海洋和陸地所蒸發(fā)的水蒸氣凝結(jié)而成，其成分取決于地區(qū)條件，變化較大。在不同的氣候條件下，海洋蒸發(fā)、降水、再蒸發(fā)、地表徑流等循環(huán)變化過程中的每一步都會發(fā)生δ18O和δD在不同淡水源之間分離。1961年，Harmon Craig提出了全球大氣降水線方程：δD=8δ18O+10。事實(shí)上，由于不同地區(qū)氣候和地理參數(shù)不同，會發(fā)生區(qū)域大氣降水線的斜率和截距都與全球線不同的情況。每一個(gè)地區(qū)的大氣降水線由區(qū)域氣候因子包括水蒸氣氣團(tuán)的起源、降水期間的二次蒸發(fā)和降水的季節(jié)變化等控制。

國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）與世界氣象組織（WMO）合作建立了全球同位素網(wǎng)（GNIP），該檢測網(wǎng)獲得的降水?dāng)?shù)據(jù)是環(huán)境水文學(xué)同位素來源不可或缺的一部分。監(jiān)測網(wǎng)在我國選取了30個(gè)站點(diǎn)，?？跉庀笳揪褪瞧渲兄弧１疚牡臄?shù)據(jù)就引自該網(wǎng)站。

2 自然條件概況

?？谑形挥诒本?9°32′～20°05′，東經(jīng)110°10′～110°41′，地處海南島北部，北瀕瓊州海峽，地勢平緩。

?？谑械靥幍途暥葻釒П本?，屬于熱帶季風(fēng)氣候；年平均氣溫24.3℃，最高平均氣溫28℃左右，最低平均氣溫18℃左右；年平均降水量2 067mm，年平均蒸發(fā)量1 834mm。

3 海口地區(qū)大氣降水線

大氣降水中δD和δ18O之間的關(guān)系對研究水文循環(huán)中氫氧穩(wěn)定同位素特點(diǎn)具有重要作用。依據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）提供的?？诘貐^(qū)1988—2000年間δD和δ18O的數(shù)據(jù)，用最小二乘法求得海口大氣降水線（見圖1）為：δD=7.503 6δ18O+6.183 4，R2=0.930 6。每一個(gè)地方的大水蒸氣氣團(tuán)的起源、降水期間的二次蒸發(fā)和季節(jié)變化等氣候因子影響著大氣降水線的斜率和截距。當(dāng)大氣降水線的斜率小于8時(shí)，說明水汽具有不同穩(wěn)定同位素來源[1]，或說明降水過程中發(fā)生蒸發(fā)[2]。大氣降水中截距10表示的是全球降水的平均值；當(dāng)截距小于10時(shí)，表示降水過程中存在顯著的蒸發(fā)作用；當(dāng)截距大于10時(shí)，表示水滴形成過程中氣、液兩相同位素分餾較不平衡[3]。水汽蒸發(fā)屬于非平衡過程，水汽凝結(jié)滿足瑞利條件。

所得?？诘貐^(qū)的大氣降水線與Graig[4]研究的全球降水線（δD=8δ18O+10），不論從斜率還是截距上都存在較大差異；與鄭淑慧[5]等報(bào)道的中國大氣降水線方程（δD=7.9δ18O+8.2）也存在差異。

該降水線方程有以下特征。①該方程的相關(guān)系數(shù)較高，說明在該地降水中氫氧穩(wěn)定同位素存在較好的線性關(guān)系。②該方程的斜率與全球降水線和中國大氣降水線相比略小，但差別不是非常大。不同的水汽來源或者發(fā)生在降水過程中的蒸發(fā)都會導(dǎo)致方程斜率減小。?？谒饕獊碓从谟《妊?，而我國大陸其他地區(qū)水汽的主要來源是太平洋。因此此處推測原因?yàn)樵摰厮胁煌瑏碓?。③與斜率的差異相比，截距的差異更為明顯，截距比全球大氣降水線和中國大氣降水線都小。這主要是由降水期間的二次蒸發(fā)所致。中國大氣降水線方程中截距也較全球降水線小，說明降水過程中蒸發(fā)作用對我國大部分地區(qū)降水同位素影響較大。

4 降水中δD、δ18O與溫度的關(guān)系

溫度是影響降水中同位素組成的重要因素。Dansgaard[6]建立了全球平均年降水δ18O值和表面空氣溫度之間的線性關(guān)系（δ18O=0.695t-13.6）。也有δD和溫度的關(guān)系式（δD=5.6t-100）。從這兩個(gè)式子可以看出，溫度升高，δ值升高，溫度降低，δ降低，這種效應(yīng)被稱為溫度效應(yīng)。

用最小二乘法求得δ和溫度（T）的關(guān)系分別為δ18O=-0.5045T+7.5423，R2=0.744 1；δD=4.143 6T+72.4，R2=0.765 6。在海口地區(qū)，隨著溫度升高，δ值升高，該結(jié)果與溫度效應(yīng)相違背。有學(xué)者曾研究過我國不同時(shí)間尺度月降水穩(wěn)定同位素δ18O與月平均氣溫的關(guān)系，指出我國低緯度地區(qū)都顯示出與氣溫的負(fù)相關(guān)，溫度效應(yīng)不明顯，甚至不存在[7]。?？诘貐^(qū)降水中δD、δ18O與溫度的關(guān)系也符合這一結(jié)論。?？谑械靥幍途暥葻釒П本?，屬于熱帶季風(fēng)氣候，該地區(qū)因受季風(fēng)降水效應(yīng)的影響，溫度效應(yīng)被掩蓋。

5 降水中δD和δ18O與降水量的關(guān)系

降水過程不斷將同位素從水蒸氣中蒸餾出來。根據(jù)瑞利蒸餾，水蒸氣中的D和18O會越來越少。雨量效應(yīng)是指δD和δ18O與降水量成負(fù)相關(guān)。

根據(jù)全球同位素網(wǎng)（GNIP）提供的?？诘貐^(qū)的數(shù)據(jù)，采用最小二乘法得出如下方程式：δ18O=-0.021 3x-2.098 5，R2=0.272 9；δD=-0.182 1x-6.013 4，R2=0.640 3。表明海口地區(qū)降水中氫氧穩(wěn)定同位素符合雨量效應(yīng)，更進(jìn)一步說明該地季風(fēng)降水效應(yīng)的影響遠(yuǎn)大于溫度效應(yīng)。但是，所得相關(guān)系數(shù)較低，說明溫度效應(yīng)反過來對雨量效應(yīng)產(chǎn)生了一定的影響。

同時(shí)，?？谑菬釒Ъ撅L(fēng)氣候，春冬季溫暖少雨，夏季高溫多雨，秋季多臺風(fēng)暴雨，降水中氫氧穩(wěn)定同位素也隨季節(jié)發(fā)生明顯的變化（見圖2和圖3）。

6 降水中δD和δ18O與水汽壓的關(guān)系

根據(jù)對降水中δD和δ18O與水汽壓的關(guān)系的分析得到如下兩個(gè)方程式：δ18O=-0.393 3v+5.2303，R2=0.717 8；δD=-3.287 2v+53.329，R2=0.741 7。可見，δ與水汽壓負(fù)相關(guān)，水汽壓越大，δ越小。Gonfinatini[8]認(rèn)為，在蒸發(fā)過程中，水里的18O和D不斷富集。水汽壓越低越易蒸發(fā)，則δD和δ18O越高。與海口地區(qū)δD、δ18O與水汽壓的關(guān)系一致，說明水汽壓的降低有利于18O和D不斷富集。

7 結(jié)語

本文研究了?？诘貐^(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素特征及其影響因素，得出如下結(jié)論。

①海口地區(qū)大氣降水線為δD=7.503 6δ18O+6.183 4，R2=0.930 6。該方程的斜率與全球降水線和中國大氣降水線相近，而截距相差較大。

②因受季風(fēng)降雨效應(yīng)的影響，該地區(qū)溫度效應(yīng)不明顯，δ和溫度成負(fù)相關(guān)，與溫度效應(yīng)相違背。

③該地季風(fēng)降水效應(yīng)在降水中氫氧穩(wěn)定同位素的影響因素中起主導(dǎo)作用，但溫度效應(yīng)反過來對雨量效應(yīng)產(chǎn)生了一定影響。此外，該地降水中氫氧穩(wěn)定同位素隨季節(jié)變化明顯。

④δ與水汽壓負(fù)相關(guān)，水汽壓越大，δ越小。水汽壓的降低有利于18O和D不斷富集。

參考文獻(xiàn)：

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