徐涛, 刘国东, 邢冰

(四川大学水利水电学院, 成都 610065)

天津地区大气降水中氢氧稳定同位素特征及影响因素研究

徐涛, 刘国东, 邢冰

(四川大学水利水电学院, 成都 610065)

依据国际原子能机构(IAEA)提供的天津地区1988～2001月降雨和同位素资料, 分析了该地区大气降水的稳定同位素的组成和变化以及主要影响因素. 天津大气降水线与我国东部季风区的局地大气降水线方程较为接近. 大气降水同位素组成变化中的温度和降水效应较小, 主要受季风以及季节水汽来源不同的影响, 有显著的季节效应.

大气降水; 稳定同位素; 水汽源

1 引言

研究大气降水是水文学的重要组成内容, 是研究水文循环过程的重要一环. 水文循环中各变量之间存在着时空变异, 如何更好的确定循环过程中各因素与水分的迁移转化关系也成为了研究的热点. 上世纪50年代开始将同位素的技术运用于解决水文问题, 并形成了一门新兴学科同位素水文学. 国内外的研究显示水体系在演化过程中其内部的规律性变化一般可以通过其中共生的同位素得到表现. 因此, 人们在利用同位素研究水文学问题的时候通常对“配对”的同位素进行分析, 一般常用的同位素组合有:D与的组合、与的组合、和的组合. 应用最为广泛的就是D与的组合.

国际原子能机构(IAEA)与世界气象组织(WMO)于1961年共同建立了全球降雨同位素监测网, 对全球不同地区大气降水中的稳定同位素进行了连续的监测. 在长期监测的基础上提出了大气降水稳定同位素组成变化的5种效应: ①温度效应, 即降水中δ值与其冷凝温度的关系, 一般温度减小,值也减小; ②纬度效应, 主要纬度升高, 温度降低,使降水中值也呈降低的趋势; ③大陆效应, 全球范围内的降水水汽主要来自于海水蒸发, 距离海洋越远的内陆降水中值也会减小; ④高度效应, 即海拔增加值降低; ⑤降水量效应, 即降水中的值与降雨量呈负相关. 在上述效应的综合作用下, 全球范围内不同地区的降水水中氢氧稳定同位素组成会略有不同. 本文旨在分析天津地区, 温度、降水量、季节变化以及水汽来源、季风气候与降水稳定同位素的关系, 研究那种因素占主导.

由于组成水分子的氢氧同位素具有不同的物理化学特征, 在降水时重同位素首先凝结降落, 而蒸发时则轻同位素优先蒸发, 使其分布在时空上呈现较大差异. 并呈现出3个主要的特征:①与呈线性关系; ②全球大气降水的与值多呈负值; ③值随着距离水汽源的距离的增加而变小.

2 研究区自然条件概况

天津市位于华北平原的东北部, 北依燕山, 东临渤海, 属于海河流域下游区域, 属温带大陆性季风型气候区,

夏季炎热多雨, 冬季寒冷干燥. 降水量由北向南递减, 多年平均降水量550 ～ 800mm; 多年平均水面蒸发量1100mm. 监测站位于北纬39°06′00″, 东经117°10′00″, 海拔3米.

据胡蓓蓓［1］等人对天津市近50年来降水变化趋势的研究结果,天津市降水量主要集中在夏季, 且呈现出逐年减少的趋势; 区域内的降水及年内、年际分布不均.

3 天津地区大气降水线

图1 天津大气降水线方程Fig.1 Tianjin local meteoric water line

本文利用全球同位素监测网天津站1988年1月—2001年12月的月评价稳定氢氧同位素数据, 采用最小二乘法求得天津大气降水线方程为:= 6.5682+0. 3058 ( R2= 0.8829), 如图1. 由此可知天津大气降水线相对于全球大气降水线和我国大气降水线都有一定的偏移, 但与东部季风区的局地大气降水线方程较为接近.降水中的变化范围为－108.7‰～4.9‰,的变化范围为－14.4‰～1.16‰, 变幅较大, 且有显著的聚集现象, 可知大气降水中和值均较为敏感, 易受到气候环境等因素的影响. 监测时段内降水中与的平均值分别为-50.08‰, -7.66‰.

4 温度效应

据前述的同位素平衡分馏原理, 伴随着温度逐渐升高, 分馏作用则逐渐减弱, 水汽中D与成分增大, 使水汽所形成的降雨与成分也增加; 而当温度较低时, 则相反. 根据Dansgaard[4]在大西洋沿岸滨海地区的

5 降雨效应

Dansgaard［4］的研究成果认为理论上降雨量与与值应呈现负的相关关系.

6 水汽来源及季节效应

全球大气降水中的稳定同位素含量大都呈现出夏高冬低的季节性变化. 即季节效应. 季节效应包含了水汽来源、降水量、气温等条件的综合影响. 图2-3是监测时段内逐月与值的变化柱状图, 可以看出与值在年内都成显著的季节性变化.

图2逐月分布情况Fig.2 monthly distribution

图3逐月分布情况Fig.3monthly distribution

根据气象学季节划分的标准, 将天津地区按照春季3到5月, 夏季6到8月, 秋季9到11月, 冬季12月到次年的2月进行划分, 并将δD 与δ18O值及其与温度和降水量的关系分季节绘制如图4-7.

图4与降水量季节分布特征Fig.4with seasonal distribution of precipitation

图5与降水量季节分布特征Fig.5with seasonal distribution of precipitation

图6与温度季节分布?特征Fig.6 with seasonal distribution of temperature

图7与温度季节分布特征Fig.7 with seasonal distribution of temperature

表1与的季节变化Table.1 Seasonal distribution of δD and δ18O

表1与的季节变化Table.1 Seasonal distribution of δD and δ18O

*表示负相关

季节 δD(‰)变化范围δ18O(‰)变化范围δD(‰)均值δ18O (‰)均值温度(t/℃)均值降水量(p/mm)均值δD与温度的相关系数δ18O与温度的相关系数δD与降水量的相关系数δ18O与降水量的相关系数春季 -100.8～4.9 -13.47～1.16 -37.72 -5.28 15.48 23 0.2265 0.1579 0.0197 0.0009夏季 -76.6～-23 -10.57～-4.48 -50.69 -7.67 27.6 114 0.0244* 0.0654* 0.2526* 0.406*秋季 -54.1～-6.4 -9.56～-3.21 -35.76 -6.18 15.54 34 0.0043* 0.085 0.0858* 0.0303*冬季 -108.7～-59.6 -14.4～-8.03 -76.14 -11.52 -1.77 6 0.1461* 0.0493* 0.4326* 0.3957*

表1中根据图示分季节对比了δD 与δ18O值的分布, 与温度和降水的相关程度. 得出温度、降水量与δD 与温度较低的冬季稳定同位素相对贫化; 而春秋季节值与温度的关系要显著优于夏冬两季.

根据谢坤［6］、梁萍［7］等对华北地区夏季水汽来源的分析, 影响天津地区降水的主要水汽源有: 1.来自于孟加拉湾印度洋的水汽源, 在达到南海后转向北上经过东部内陆到达天津地区; 2.来自于日本东面的西太平洋的副热带高压形成的气流将西太平洋的水汽输送至我国东部及沿海地区再转向北与上述的水汽源一起输送到天津,这两个水汽源在输送过程中, 随着沿途水汽不断地凝结降水、和蒸发作用, 水汽源中重同位素优先凝结, 大气降?与不断贫化, 水汽中的同位素含量特征体现纬度效应的影响; 3.来自于中纬度西风带的水汽自蒙古进入天津地区, 由于来自于内陆其水汽中的与本就较少, 使得到达天津的时期中与贫化,其水汽来源也体现了高度效应的影响.

冬季受西伯利亚高压控制海陆形成西北季风, 水汽源主要是来自内陆地区的蒸发形成的, 这些水汽源主要是夏季季风所输送进内陆的, 原水汽中与偏低, 再经过蒸发形成的水汽中与进一步降低,在输送过程中随着沿途降雨而断贫化, 因此到达天津地区后水汽中与更贫乏. 春秋两季属于季风交替时期, 季风影响较小, 气候较干燥, 降水主要由局地蒸发形成的水汽源, 干旱地区的水汽源中与偏高;加上天津是滨海城市, 海陆热力差异形成的海陆风也可以将近海域形成的与值较高的水汽源从近海送到内陆沿岸地区, 加之雨滴在降落过程中受到干旱的气候条件影响轻同位素蒸发使得重同位素出现富集, 可能是导致春秋季天津降水中与偏高的主要原因.值在季节上的分布是不同的, 而稳定同位素含量也呈现出春秋两季较为接近且较高, 而夏季次之, 冬季最少. 夏季和冬季稳定同位素含量与降水量的相关关系要显著优于春秋两季. 从季节的角度看温度较高的夏季和

7 结语

经过上述分析对比, 天津大气降水线与我国东部季风区的局地大气降水线方程较为接近. 大气降水同位素组成变化中的温度和降水效应较小, 主要受季风北移南退以及水汽来源不同的影响, 有显著的季节效应.

夏季随着太平洋副热带高压的北移, 暴雨较为集中,降水量最多, 与相对较高; 秋季随着副热带高压逐渐减弱南退, 降水量随之逐渐减少, 近海蒸发水汽源占主导, 与偏高; 冬季受内陆高压控制, 气候干燥, 雨雪稀少, 内陆季风输送的水汽源与 经过一路的降水值偏低; 春季较为干燥, 局地蒸发形成的水汽源与 相对偏高.与在季节上的分布变化特征较为明显, 能够在一定程度上反应出其地理和气候特征.

[1] 胡蓓蓓, 王军, 许世远, 等. 天津市近50a来降水变化分析[J]. 干旱区资源与环境, 2009, 23(8): 71-74.

[2] 柳鉴容, 宋献方, 袁国富, 等. 中国东部季风区大气降水 δ18O 的特征及水汽来源[J]. 科学通报, 2009, 55(22): 3521-3531.

[3] 郑淑蕙, 侯发高, 倪葆龄. 我国大气降水中氢氧稳定同位素研究[J]. 科学通报, 1983(13): 801-806.

[4] DANSGAARD W. Stable isotopes in precipitation[J]. Tellus, 1964, 16(6): 436-468.

[5] CRAIG H. Isotopic variations in meteoric waters[J]. Science ,1961(133):1702-1703.

[6] 谢坤, 任雪娟. 华北夏季大气水汽输送特征及其与夏季旱涝的关系[J]. 气象科学, 2008, 28(5): 508-514.

[7] 梁萍, 何金海, 陈隆勋, 等. 华北夏季强降水的水汽来源[J]. 高原气象, 2007, 26(3): 460-465.

[8] 刘宏伟, 徐明, 管清浩. 银川地区大气降水中氢氧稳定同位素的变化特征及影响因素分析[J]. 水科学与工程技术, 2012(1): 88-90.

[9] 胡海英, 包为民, 王涛, 等. 氢氧同位素在水文学领域中的应用[J]. 中国农村水利水电, 2007, (5): 4-8.

[10] 谭忠成, 陆宝宏, 汪集旸, 等. 同位素水文学研究综述[J]. 河海大学学报: 自然科学版, 37(1): 16-21.

Variation characteristics and influencing factors of hydrogen-oxygen stable isotope in precipitation of Tianjin area

XU Tao, LIU GUO-dong, XING Bing

(School of Water Resource & Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065, P.R.C.)

According to the isotope and precipitation data of 1988～2001 in Tianjin area from the IAEA, the composition and distribution in the area of stable isotopes of precipitation and the main factors were analyzed. The local meteoric water line was in line with the eastern monsoon region meteoric water line in China. The temperature and precipitation was not very striking by the changes of isotopic composition of precipitation, the monsoon and moisture from different sources in different season are the mainly factors, and seasonal factors are very significant.

precipitation; stable isotope; vapor source

P339

: A

: 1003-4271(2014)03-0421-07

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.03.18

2014-03-17

徐涛(1987-), 男, 云南人, 硕士研究生, 研究方向：水文学及水资源, E-mail: 59459646@qq.com; 刘国东(1962-), 男, 教授, 博士, 研究方向: 水资源开发利用与环境保护研究, E-mail: liugd988@163. com.