西安大气降水稳定同位素变化规律及影响因素分析

刘 筱，张福平，雷声剑，燕玉超

(陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安 710062)



西安大气降水稳定同位素变化规律及影响因素分析

刘 筱，张福平*，雷声剑，燕玉超

(陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安 710062)

摘要：利用全球大气降水同位素观测网(GPIN)西安站点大气降水稳定同位素资料、部分气象资料，对西安大气降水稳定氢氧同位素组成以及影响因素进行了分析。研究表明：西安大气降水同位素组成随季节变化而发生变化，春季为大气降水同位素富集时期，冬季为贫化时期。多年降水氘盈余(d值)与世界大部分地区降水d值(10‰)比较接近，d值有夏低冬高的特点。该区大气降水δ18O与月均温之间并不存在正相关关系，没有温度效应；与降雨量之间存在负相关，表现出雨量效应，尤其是夏季，雨量效应尤为明显。不同季节的水汽来源是影响西安地区降水同位素变化的主要因素。

关键词：大气降水；稳定同位素；西安

大气降水是水文循环的重要一环，气候和地理环境等复杂因素的综合作用使不同地区降水氢氧同位素的组成不同，同位素对环境的变化非常敏感。因此，通过研究同位素组成特征及变化规律，可以了解降水水汽来源及运动轨迹，也能反映大气水循环的历史信息。对降水同位素的研究，最早开始于20世纪50年代的Dansgaard[1]。1961年国际原子能机构(IAEA)与世纪气象组织(WMO)合作，建立了全球大气降水同位素监测网(GNIP)，到目前已在全球建立了100多个观测站点，积累了丰富的同位素基础资料。从2004年起，我国开始建立中国大气降水同位素网络(CHNIP)，在全国各地建立台站，开始了对我国同位素的系统观测[2]。目前，已对我国黄河流域[3]、长江流域[4]、黑河流域[5]、青海湖流域[6]及一些小流域进行了河水和流域降水稳定同位素分析；此外，乌鲁木齐[7]、天津[8]、桂林[9]、香港[10]及西北干旱区[11]、东部季风区[12]、青藏高原[13]等区域进行了大气降水同位素分析。

秦岭是我国重要的南北分界线，也是亚热带与暖温带湿润与半湿润气候的分界线，对水汽输送有较大影响。西安地处秦岭以北，特殊的地理位置使其具有不同于其他地区的同位素组成特征，目前关于西安降水同位素变化及影响因素的分析比较少。因此，本研究根据国际原子能机构(IAEA)和世界气象组织(WMO)提供的西安站点观测资料，探究了该区大气降水稳定同位素变化特征及其水汽来源，并分析了影响稳定同位素组成的因素，以期为进一步了解西安地区水循环机制和该地水资源合理开发利用提供参考和依据。

1研究区概况

西安市位于黄河流域关中平原中部，东经107°40′～109°49′、北纬33°39′～34°45′之间，北临渭河和黄土高原，南邻秦岭，处于中国大陆中心，南北方分界线的北侧。地势东南高，西北低，平均海拔约410 m。气候属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，年平均气温14.1 ℃，最冷月(1月)平均气温0.3 ℃，最热月(7月)平均气温27.0 ℃。年平均降水量约561 mm，降雨主要集中在夏季。

2数据与方法

降水同位素数据资料(1985～1993年)来自全球降水同位素观测网GPIN(Global Network of Isotope in Precipitation)观测站点观测项目，包括 δD、δ18O、3H，温度、降水量以及水汽压，所有观测项目数据记录均为月值，稳定同位素的数据记录日期为每月15日。因此，稳定同位素比率的月值实际上代表上个月16日到本月15日的平均值。数据可以通过国际互联网(http://isohis.iaea.org)直接下载。由于部分气象数据缺失，又根据中国气象科学数据共享服务网西安站点资料进行了补充。

大气降水中氢、氧稳定同位素制样分别采用金属铀法和 CO2-H2O 平衡法，并采用英国MM903质谱仪进行同位素分析，精度为 CO2<1.25‰、H/D<±1.00‰。文中的δ值均以标准平均海洋水SMOW(Standard Mean Ocean Water)为标准，单位为‰。降水氢氧同位素含量表示为：

δ(‰)=(RS/RSMOW-1) ×1000

(1)

式中：RS为样品中D/H或18O/16O值；RSMOW为SMOW中D/H或18O/16O值。

降水中同位素的加权平均值为：

(2)

公式(2)中：δw为大气降水同位素的加权平均值；Pi为月降水量；δi为月降水氢(氧)同位素浓度。

同位素瑞利分馏模型为：

δ降水=(f∂-1-1)×1000

(3)

公式(3)中，δ降水为降水中氢氧同位素值；f为云团中剩余蒸汽百分比，∂为降水在冷凝温度时的分馏系数，常温下∂>1。

3结果与分析

3.1西安大气降水稳定同位素季节变化特征

由1985～1993年西安大气降水同位素组成(图1)可以看出，西安降水同位素值有较大的变化幅度：δD从0.8‰到-122.7‰，δ18O从-1.1‰到-17.02‰。而据资料显示，全球降水平均稳定同位素组成δD在+50‰～-350‰之间，δ18O在+10‰～-50‰之间[14]，我国大气降水中δD含量为+20‰～-210‰， δ18O为+2.0‰～-24‰[15]。由此可见，西安大气降水的氢氧同位素含量均落在我国与全球的大气降水同位素变化范围之内。

大气降水中氢氧同位素的变化与产生降水的物理过程密切相关，其水循环过程的蒸发和凝结对δ18O的影响最显著[16]。由大气降水δ18O的季节变化图(图2)可见，西安地区春季大气降水同位素δ18O变化范围为-11.93‰～-2.02‰，平均值-5.36‰；δD为-79.9‰～-13.9‰，平均值为-33.14‰。夏季δ18O变化范围为-12.08‰～-1.1‰，平均值-7.05‰；δD为-85.2‰～0.8‰，平均值-46.5‰。秋季δ18O变化范围为-14.27‰～-5.05‰，平均值为-8.51‰；δD为-101.5‰～-31.4‰，平均值为-59.75‰。冬季大气降水同位素δ18O的变化范围为-17.02‰～-4.97‰，平均值为-9.47‰；δD为-21.7‰～-122.7‰，平均值为-62.94‰。由此可知，西安大气降水同位素组成随季节变化而发生变化，春夏季δ18O较高，冬季δ18O较低，即春季为大气降水同位素富集时期，冬季为贫化时期。

图1　1985～1993年西安市大气降水稳定同位素组成

图2　1985～1993年大气降水 δ18O的季节变化

3.2大气降水氘盈余(d)的变化特征

大气降水线即某地一段时期内降水δ18O和δD之间的线性关系，对研究水循环过程中稳定同位素的变化具有重要的意义，可以更好了解一地区气候变迁及水汽来源。Craig[17]首次提出了全球大气降水线方程(δD=8δ18O+10)。根据实测δD和δ18O数据，用最小二乘法求得西安地区大气降水线方程，如图3所示，方程为δD=7.49δ18O+6.13，相关系数R2=0.918。该结果与Yurtsever[18]的全球降水线方程δD=8.1δ18O+10.56，以及郑淑蕙等[15]提出的中国降水线方程δD=7.9δ18O+8.2相比较，总体相差不大，但斜率和截距稍有偏低。主要由于西安处于干旱半干旱地区，受盆地气候和水汽源地影响，在降雨过程中受到强蒸发作用的影响；远离海洋，深居内陆，受东亚季风和大陆性气团影响，造成了斜率与截距的差异。

图3　西安地区大气降水线

氘盈余(d)，由Dansgarrd[1]首次提出，是指由于自然条件的差异，水在蒸发过程中因动力分馏作用使得氢氧同位素的平衡分馏遭到破坏，大气降水中 δD和δ18O出现一个差值，并定义为d=δD-8δ18O。d反映了海水蒸发形成云气团时的热力条件和水汽平衡条件，同时也反映降水形成时的地理环境和气候条件[19]。d值越大，则表明蒸发速率越大。图4显示，d值较高的月份出现在 1～3月，较低的月份出现在 4～7月，最低值出现在5月份，有冬季高、夏季低的特点。

根据IEEA西安站点数据资料统计，西安多年降水d值介于-8.52‰～26.04‰，平均值为9.85‰，与世界大部分地区降水d值(10‰)[20]比较接近。

3.3大气降水δ18O与温度、降雨量的关系(温度效应、雨量效应)

IEEA建立全球降雨同位素监测网，并对全球大气降水中的稳定同位素进行连续的监测，提出了大气降水稳定同位素组成变化的5种效应：温度效应、纬度效应、大陆效应、高度效应、降水量效应。其中，温度效应和降水量效应最受关注。

图4　西安地区大气降水氘盈余(d)变化特征

温度效应指同位素的组成成分与温度成正相关关系。气温对降水中稳定同位素作用机制为，地表温度在某种程度上与大气中降水气团的冷凝温度有关，又因冷凝温度与降水同位素值直接相关，所以地表温度对降水稳定同位素有影响[21]。雨量效应则指同位素的组成成分与降水量成负相关关系。大气降水同位素组成与空气湿度相关，其组成差别主要是由云团冷凝时遵循瑞利分馏过程造成的[1]，故大气降水稳定同位素的组成与当地降水量存在某种关系。

由西安地区大气月降水加权δ18O与月均温关系图(图5a)可见，西安地区δ18O与月均温之间并不存在正相关关系。由西安地区大气降水月加权δ18O与月平均降雨量关系图(图5b)可见，月加权平均δ18O与月均降雨量之间存在负相关，表明降雨对δ18O有影响，存在雨量效应，但相关性并不显著。

进一步对各季节降雨量与δ18O之间的关系进行了模拟，结果如图6所示：在季节尺度上，夏、秋、冬季表现出降雨量与δ18O负相关关系，但不显著；而夏季表现出明显的降雨量效应，相关系数R2=0.4232 ，且显著性水平达到0.01。

图5　西安地区大气降水月加权δ18O与月均温(a)、月平均降雨量(b)关系

综上所述，西安地区大气降水稳定同位素在年际变化上不存在温度效应，存在雨量效应但并不显著；在季节变化上夏季雨量效应显著，主要由于西安地区降雨多集中在夏季，夏季降水对同位素影响显著。

4结论与讨论

本文研究了西安地区大气降水稳定同位素组成和变化特征，并对降水δ18O值与温度和降雨量的关系进行了分析，结果表明：西安大气降水的氢氧同位素含量均落在我国与全球的大气降水同位素变化范围之内。西安大气降水同位素组成随季节变化而发生变化，春季为大气降水同位素富集时期，冬季相对贫化；西安多年降水d值与世界大部分地区降水d值(10‰)比较接近，具有冬季高、夏季低的特点；西安市大气降水δ18O与月均温之间并不存在正相关关系，没有明显的温度效应；月加权平均δ18O与月均降雨量之间存在负相关，表现出雨量效应。

a:春季；b:夏季；c:秋季；d:冬季。

西安地区在不同季节受不同水汽来源的影响，使氢氧同位素值随季节变化而变化。大气降水中δ18O值的大小主要受凝结温度的影响，由降水同位素瑞利分馏模型(公式3)可知，冷凝温度越低，分馏系数 越大，而降水同位素的值就越小。在春季，西安地区主要受来自阿拉伯海、孟加拉湾、印度洋地区的水汽影响[22-23]，气团温度高，使得在这一时期δ18O富集。此外，在降雨过程中，二次蒸发程度越大，δ18O同位素也越富集。西安地区春季温度高于冬季，在这两个季节降雨受到二次蒸发的影响程度，春季要大于冬季，所以春季δ18O同位素也更为富集。夏季是水汽最为充沛的时期，西安地区水汽主要来源于孟加拉湾、南海和西太平洋[23-24]。在夏季，水汽源地温度高，同位素分馏程度低，降雨量充沛，使得该时期δ18O同位素也相对富集。冬季主要受源于西风带寒冷的北冰洋气流[22]，又因气流经过远距离输送，使得同位素更加贫化。因此，西安地区δ18O值有春夏季高、冬季低的特点，而章新平等[25]对我国大气降水δ18O分布特点的研究表明：对于中高纬度地区，尤其是内陆地区，长期受大陆气团控制，温度季节差异大，δ18O在其影响下，表现出冬低夏高的特点。本研究结果与此结果具有一致性。

不同地区由于地理环境和气候差异使得其大气降水线斜率、截距有所不同，这也反映了不同地区大气降水水汽来源、凝结、输送过程存在差异。西安地区大气降水线与全球大气降水线和我国大气降水线相比较，斜率、截距偏低，这主要由于西安位于关中盆地中部，处于干旱半干旱地区，受盆地气候和水汽源地影响，在降雨过程中受到强蒸发作用的影响，同时，又远离海洋，受东亚季风和大陆性气团影响，造成了斜率与截距的差异。

氘盈余值的大小主要与该地水汽源地气象条件有关[26]。冬季d值高，反映西安地区冬季降水少，大气降水水汽主要源于空气湿度低的干燥气团；夏季d值低，表明夏季降水水汽源于空气湿度高，季风带来的海洋气团，部分来源于局地水汽蒸发，但8月份d值高于10‰，主要由于这时西安气温高，蒸发作用强烈，降雨量少于夏季其他月份。

气温和降雨量是大气降水稳定同位素的主要影响因素。田立德等在对拉萨夏季降水同位素研究中发现，只有当大气降水中δ18O保持基本稳定时，气温与降水中的δ18O才能表现出明显的正相关关系[27]。由图5a可见，西安地区气温与δ18O并没有呈现正相关关系。张琳等[28]研究表明：我国低纬度地区降水δ18O 与温度呈负向相关关系，反映出在季节尺度上温度效应不明显，甚至不存在。西安大气降水δ18O与温度的关系存在负相关，但西安位于中纬度地区，又因西安处于我国南北过渡地区，温度效应表现不显著，说明温度不是影响西安地区δ18O变化的主要因素。由图5b可知，西安地区降水量与δ18O存在负相关关系，存在雨量效应，但相关性并不显著，这也与“雨量效应在内陆区通常不显著，而主要发生在中低纬度海岸和海岛地区”这一经典同位素理论相一致[29]。在季节上，均表现出雨量效应，夏季尤为显著。这主要由于西安地区降雨多集中在夏季，夏季降水对同位素影响显著。同时这也与柳鉴荣等[30]得出的西北地区大气降水δ18O 降雨量效应结论“年内降雨量效应不显著，夏季降雨量负相关效应显著”相一致。

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(责任编辑：许晶晶)

Analysis of Variation Rules of Stable Isotopes in Atmospheric Precipitation and Its Influencing Factors in Xi’an

LIU Xiao, ZHANG Fu-ping*, LEI Sheng-jian, YAN Yu-chao

(College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China)

Abstract：Using global precipitation isotope observation network (GPIN) in Xi’an site precipitation of stable isotope data, combined with meteorological data section of Xi’an stable hydrogen isotope composition of atmospheric precipitation and influencing factors were analyzed. The results showed that Xi’an isotopic composition of precipitation changes with the seasons, spring precipitation for isotopic enrichment period, the winter was relatively depleted. Years of precipitation deuterium (dvalues) closed to the value ofd(10‰) in most parts of the world,dvalues were low in summer and high in winter. There did not exist positive correlation in the area between the meteoric18O and monthly average temperature, there was no temperature effect, there existed negative correlation, showed the effect of rainfall, especially in summer, rainfall effect was particularly evident. The main factors affecting of the precipitation isotope composition of atmospheric precipitation in Xi’an was the origin of the air mass.

Key words：Atmospheric precipitation; Stable isotopes; Xi'an city

收稿日期：2015-11-10

作者简介：刘筱(1991─)，女，山东济宁人，硕士，主要从事生态水文学研究。*通讯作者：张福平。

中图分类号：P339

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)06-0071-05