武汉市大气降水的氢氧同位素变化特征

邓志民，张　翔，潘国艳



武汉市大气降水的氢氧同位素变化特征

邓志民1，2，张翔2，3，潘国艳2，3

（1．长江水资源保护科学研究所，武汉430051；2．水资源安全保障湖北省协同创新中心，武汉430072；3．武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072）

为了解武汉市降水同位素组成，收集武汉市2011—2013年大气降水中氢氧稳定同位素，并结合气象资料和国际原子能机构（International Atomic Energy Agency，简称IAEA）提供的1986—1998年的数据资料，建立了武汉市地区大气降水线方程，分析了武汉地区大气降水中稳定同位素的变化特征。结果表明：武汉市地区降水线为δD=8．29 δ18O+7．44，与中国大气降水线相接近；降水中氢氧同位素组成季节变化明显，春季降水中δ18O值最大，而夏季最小；武汉市降水中δ18O值呈现上升趋势，降水中δ18O与气温和降水量均呈现负相关关系，且在时间上是多变的。水汽源是控制武汉市大气降水中氢氧同位素组成的重要因素。

大气降水；稳定同位素；水汽源；大气降水线；武汉市

doi：10．11988/ckyyb．20150293

1　研究背景

降水是水循环过程的一个重要环节，降水中氢氧同位素和气候与环境变化密切相关，已被广泛地应用于水文学、气象学和古气候学的研究中，其丰度变化与产生降水的气象过程、大尺度环流形势及水汽源初始状态和水汽路径密切相关［1-3］。世界各地降水组成的天然大气水中的δD和δ18O（δD和δ18O分别为H和D的同位素。D是指中子数为1的核素，俗称氚）存在着正相关关系，Craig［4］于1961年提出了全球大气降水线（Global Meteoric Water Line，简称GMWL）：δD=8δ18O+10。自1961年以来，IAEA和世界气象组织（World Meteorological Organization，简称 WMO）共同合作下，收集了全球超过125个国家和地区的1 000多个气象站点每月的降水样品，对降水中氢氧同位素进行了跟踪监测，该数据的获取有助于了解降水氢氧同位素对气候或环境变化的响应，以及对冰芯中古气候记录的解释［5］。IAEA/WMO通过全球降水同位素监测网（Global Network of Isotopes in Precipitation，简称GNIP）计划中的1961—2000年降水站点资料对Craig的全球大气降水线进行了修正，得出降水中δD和δ18O的关系为［6］：δD=8．07（±0．02）×δ18O+9．9（±0．1）。我国水循环过程中稳定同位素研究起步相对较晚，1985年以前，我国只在香港一个站点建立了GNIP［7］，之后才陆续开始在齐齐哈尔、石家庄、天津、拉萨、昆明、长沙、武汉、南京、西安、广州等城市建立长期观测站，开始进行水样收集与降水中稳定同位素的研究工作，其中10多个监测站已被纳入IAEA全球观测网［8］。

不同地区大气降水中氢氧同位素的组成是不同的，国内外学者对中国西北、中国南部、中国西南地区、中国北方沙区和长江流域的大气降水氢氧同位素组成、水汽来源和变化特征等进行了深入的研究［9-14］。郑淑惠等［15］于1980年从8个站点收集到的107个降水样品分析，得出我国大气降水线为δD= 7．9δ18O+8．2，陈中笑等［16］利用最小二乘法分析了我国30个GNIP站点的δD和δ18O的关系，得出我国的大气降水线为δD=7．43δ18O+5．51。由于区域气候状况和水分来源不同，区域大气降水线则不尽相同，甚至是同一站点不同年份的区域大气降水线也将不同。赵家成等［17］利用2007年5—11月大气降水数据得出了湖北宜昌大气降水线为δD=8．4δ18O+15。孙婷婷［12］利用GNIP降水稳定同位素资料分析了长江流域大气降水线为δD=7．62δ18O+8．2，与郑淑惠等［15］测得的我国大气降水线相接近。上述研究成果为我国降水稳定同位素的组成和时空分布特点及其影响因素提供了有力的证据。

气候变化不仅受到大气环流的影响，也受到局部人类活动的干扰，尤其是在城市化等土地利用变化剧烈地区，降雨的时空分布在过去几十年中变化非常明显。为了分析这个变化，我们以武汉市为例，通过利用2011—2013年次降水稳定同位素分析数据以及IAEA提供的武汉市1986—1998年的数据，分析武汉市大气降水稳定同位素的变化趋势及其季节变化特征，探讨大气降水稳定同位素的影响因素，为详细而全面地了解城市大气降水稳定同位素的特征提供依据。

2　研究区域

采样点分别位于武汉市武昌区邻近东湖的武汉大学工学部12舍和邻近长江与汉江交汇处的武汉市生物制品研究所宿舍大院，区域均相对开阔。采样点与武汉气象站的位置关系如图1所示。武汉市位于江汉平原东部，长江中游与长江、汉水交汇处，东经113°41＇～115°05＇，北纬29°58＇～31°22＇，属亚热带湿润季风气候，雨量充沛、日照充足，四季分明。近30 a来，年均降雨量1 228 mm，且多集中在6—8月份。降水量季节变化较大，春夏季降水量较多，夏季平均降水量为176 mm，春季为130 mm；秋冬季降水量较少，分别为75 mm和43 mm。年均气温15．8～17．5℃，气温季节变化明显，夏季最高，平均气温为27．5℃，冬季最低为5．2℃，春秋季次之，分别为16．3℃和17．5℃。初夏从每年的5月份中旬开始，7月份进入盛夏，10月份之后进入初秋，天气干燥，受冷空气南下影响很快步入冬天，气温迅速下降。

图1　采样点及气象站点分布Fig．1　Location of the sampling points and the meteorological station

3　研究方法

3．1样品采集

2011年9月至2013年5月于武汉市武汉大学工学部和武汉市生物制品研究所宿舍大院采集降水样品，共采集水样65个，其中春季29个、夏季7个、秋季16个和冬季13个。在每次降水前，将干燥洁净的容器放置到采样地点，收集大气降水。每次降水结束0．5 h以内，及时将收集到的降水装入干燥洁净的取样瓶中，将取样瓶带回实验室，并放入冷藏箱，以防止因蒸发作用造成的同位素分馏。1986—1998年的武汉市降水同位素数据资料由IAEA提供，其采样点为武汉气象站。

3．2样品测试

降水稳定同位素的测试仪器比较多，如Gas Bench连接Delta V Plus气体稳定同位素质谱仪、MAT-252质谱仪等。本文所有样品测试均在武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室同位素室完成，仪器为MAT253稳定同位素比质谱仪。在测样之前，将取样瓶中的降水过滤到1．5 mL的进样瓶中，用质谱仪MAT253连接的Flash-EA法测定其中的δ18O和δD含量，其分析误差为δ18O＜0．2‰，δD＜2‰，所有结果以相对于V-SMOW维也纳标准样品标准的千分差表示，即：

4　研究结果及分析

虽然实测样本的采样点与IAEA提供的武汉降水同位素数据的采集点（武汉气象站）不在同一个地点，但是均位于武汉市城区，均可代表武汉市降水同位素的特征，两者直线距离最远相距23 km，故采样点不同基本上不会影响本次的分析结果。根据IAEA提供的武汉市1986—1998年期间的降水同位素数据以及本文收集的2011—2013年的降水数据，将1980—2013年的气象数据分为3个时间段，即1986—1992年、1996—1998年和 2011—2013年。分析各个时间段气象数据可知，1986—1992年和1996—1998年 2个时段的平均月降水量均大于2011—2013年的，分别为101．45，108．93，92．82 mm；前2个时段的平均月气温也均大于第3个时段，分别为16．95，19．94，15．10℃。

4．1区域大气降水线

图2　1986—2013年武汉市区域大气降水线Fig．2　Local meteoric water line for Wuhanduring 1986-2013

表1　武汉市1986—2013年降水同位素的变化特征Table 1　Variation of isotope in precipitation during 1986-2013 in Wuhan city　‰

武汉市1986—2013年降水中δD和δ18O的分布如图2所示。1986—2013年间武汉市大气降水中δD和δ18O变化特征如表1所示。从3个时间段的最值可以看出，武汉市降水中δD和δ18O最大值逐渐增大，而最小值先增大后减小。绝大部分时间内降水同位素为负值，只有6次出现了正值的情况，出现6次正值情况可能是由于这些降水水汽来源不同或在下降过程中经历了强烈的蒸发过程，导致轻同位素的贫瘠而重同位素的富集。2011—2013年时段＞1996—1998年时段，其中夏季1986—1992年时段的氘盈余均值与2011—2013年时段的相近，而其他季节不同时段氘盈余差异较大。同一时段不同季节氘盈余变化也较大，1986—1992年和2011—2013年均表现为春季＞冬季＞秋季＞夏季，而1996—1998年呈现为冬季＞春季＞夏季＞秋季，这主要与不同季节当地大气降水的水汽来源不同相关。武汉市1—5月份d值平均为8．25‰，反映了冬季风期间降水汽团在不平衡条件下的快速蒸发过程，6—12月份d值平均为3．38‰，反映了夏季风期间降水汽团的缓慢蒸发过程。

由1986—2013年的降水同位素数据建立的当地大气降水线方程（LMWL）：δD=8．29δ18O+7．44，决定系数R2=0．93。与Craig［4］和IAEA/WMO［6］各自提出的GMWL相比，该LMWL的斜率均偏大，而截距均偏小，这是因为GWML是根据世界各地的采样数据而得到，综合了干旱地区与湿润地区的降水数据，而武汉市是属于亚热带湿润季风气候。

4．2降水同位素中氘盈余

不同地区测得的大气降水线（LMWL）与全球大气降水线（GMWL）在斜率和截距上均有不同程度的差异。为了量化及比较这种差异，Dansgaard［18］提出了氘盈余参数的概念，并定义为d=δD-8δ18O。不同地区的氘盈余可以直观地反映该地区大气降水蒸发、凝结过程的不平衡程度。如果蒸发速率大、风速大、气候干旱，则d值也随之增大。

武汉市降水过程中氘盈余变化如图3所示。由图3可知，武汉市1986—1992年，1996—1998年2个时段的氘盈余呈现下降趋势，而2011—2013年的氘盈余表现为上升趋势。相同季节不同时段氘盈余均值变化较大，均表现为1986—1992年时段＞

图3　武汉市降水过程中氘盈余变化Fig．3　Variation of excess deuterium in the precipitation in Wuhan city

5讨论

5．1降水同位素的季节变化

武汉市受季风的影响，每年冬季风来自高纬度的亚洲内陆，空气寒冷干燥；而夏季风来自印度洋（西南季风）和太平洋（东南季风），带来充沛的雨水［19］，从而使武汉市降水同位素的组成发生明显的季节变化。图 4显示了武汉市 1986—1992年，1996—1998年和2011—2013年降水稳定同位素的季节变化特征。

图4　不同时段的降水同位素季节变化Fig．4　Seasonal variation of isotopes in precipitation during different time intervals in Wuhan city

由图4可知，武汉市3个时间段的降水中δ18O的季节变化都为春季＞冬季＞秋季＞夏季，2011—2013年和1986—1987年最小值发生在秋季的9月份，而1996—1998年则出现在夏季。由于武汉市夏季风来自印度洋（西南季风）和太平洋（东南季风），降水同位素进而产生大陆效应，重同位素与降水量呈负相关关系，而武汉市梅雨季节集中在6—8月份，从而导致秋季重同位素贫瘠。2011—2013年和1986—1987年最大值分别发生在冬季的1月份和2月份，而1996—1998年则出现在春季的4月份，最大值出现在4月份，主要是因为季风降水来临前的4月份持续较高气温会导致地表蒸发增大，而且冬季风来自高纬度的亚洲内陆，空气湿度较低等这些因素有利于同位素的分馏，造成该时间段大气水蒸汽中重同位素的富集［20］。1986—1992年春、夏、秋、冬 δ18O的季节值分别为-3．22‰，-8．19‰，-8．03‰和-5．80‰；1996—1998年分别为-3．62‰，-7．72‰，-6．36‰和-4．67‰；2011—2013年分别为-2．76‰，-6．13‰，-4．37‰和-3．30‰，由此可见，武汉市1980—2013年降水中δ18O值的季节变化呈现减小的趋势，这与武汉市气温在季节尺度上的总体变化趋势相反。

图5不同时段的LMWL和GMWL对比fig．5　Comparison between LMWL and GMWL in different periods

表2　武汉市降水同位素的年际变化Table 2　Interannual variation of isotopes in the precipitation in Wuhan city

5．2降水中δ18O的年际变化

武汉市2011—2013年降水中δD和δ18O的分布如图5（a）所示，δD=8．13δ18O+8．18；IAEA和WMO启动的GNIP提供了武汉市1986—1998年间部分时间段的降水同位素数据，得到武汉市1986—1992年的大气降水线为δD=8．70δ18O+14．26，如图5（b）所示；武汉市1996—1998年的大气降水线为δD= 7．74δ18O+0．10，如图 5（c）所示。由图 5（a）和图5（b）可知，武汉市2011—2013年LWML的斜率和截距均小于1986—1992年期间的，由图5（a）和图5（c）可知，武汉市2011—2013年的LWML的斜率和截距均大于1996—1998年期间的，然而，武汉市2011—2013年的平均月降水量和月气温均小于1986—1992年和1996—1998年的，故这一差异可能是由于不同时间段降水云气形成时，大气水汽团的来源及降水云气在运移过程中环境条件发生了变化，进而导致同位素分馏的不平衡程度产生了差异。

武汉市受季风气候的影响，冬夏季风交替的早与晚，使各年旱涝不均，同时也造成了降水同位素组成的年变幅较大。表2为武汉市降水同位素的年际变化，由全年的降水资料（1986，1996，1997，2012年）得出的 δ18O值分别为-7．19‰，-6．68‰，-4．39‰，-4．59‰，呈现较弱的增大趋势，表明降水中 δ18O逐渐向富集状态转变，富集率为0．08‰/（10 a），而由1 a中的部分月份呈现出的δ18O值（1987，1992，1998，2011，2013年），则相差较大。即使是相邻2 a的降水同位素相差也甚大（如1996年与1997年）。

从季节尺度上看，相同季节不同时段的δ18O呈现小幅度的变化，如表3所示。除春季外，降水中δ18O随时间逐渐增大；而在春季，1996—1998年降水中的δ18O小于1986—1992年的。这也表明随着时间的迁移，重同位素越来越富集，轻同位素越来越贫瘠。

表3　降水中δ18O的相同季节不同时段的变化特征Table 3　The characteristics of δ18O in precipitation in the same season in different periods　‰

大气降水过程中，降水的同位素组成主要受温度和剩余云团水汽质量控制，温度制约着水汽的凝结与蒸发，影响着降水同位素的分馏，剩余水蒸气的同位素比值随着分馏系数和剩余水蒸气质量的变化而变化［21］，从而导致大气降水的氢氧同位素变化差异。在高纬度地区，降水同位素含量与气温的“温度效应”一般为正相关关系［22］。然而，在季风盛行的地区，由于水汽来源发生重大变化，这种关系一般不存在或是表现为负相关关系。图6（a）为武汉市气温与δ18O之间的关系，图中实线和虚线分别为3个时段的气温与δ18O的回归线。

“降水量效应”是指降水量与重同位素含量的负相关关系，其实质可以理解为一种“淋滤”作用，即同一来源水汽经历多次降水过程，降水同位素分馏作用引起剩余水汽中同位素比值持续偏轻的现象［20］。武汉市降水同位素与降水量的关系也呈现为负相关关系，如图6（b）所示。但是，1996—1998年降水同位素与降水量的相关程度（R2=0．15）大于其他2个时段的（R2=0．04和R2=0．01），这与武汉市降水同位素与气温相关关系正好相反。因此，降水同位素与降水量的关系在时间上和区域上也是多变的。这也说明武汉市最近几年受季风影响，水汽来源逐渐变为多源化或复杂化。

图6　δ18O与气温和降水量的关系Fig．6　Variations of δ18O with air temperature and rainfall

6结论

本文收集了武汉市2011—2013年时间系列的大气降水氢氧稳定同位素数据，并与IAEA提供的1986—1998年的降水同位素数据进行了对比分析，研究了降水稳定同位素变化与气候变化的关系，得出以下几点结论：

（1）建立了武汉市地区降水线方程 δD= 8．29δ18O+7．44，与Craig和IAEA/WMO各自提出的GMWL相比，该LMWL的斜率均偏大，而截距均偏小，但与文献［16］测得的中国大气降水线相接近。

（2）武汉市降水中氢氧同位素具有明显的季节特征，降水中δ18O的季节变化为春季＞冬季＞秋季＞夏季，表明武汉地区不同季节有不同水汽来源给予补充。近30 a来降水同位素比值呈上升趋势，表明降水中δ18O逐渐向富集状态转变。

（3）武汉市降水中δ18O与气温和降水量均呈现负相关关系，2011—2013年降水同位素与气温的相关程度大于1986—1998年间的，表明降水同位素与气温间的关系在时间上是多变的；而2011—2013年降水同位素与降水量的相关程度却小于1986—1998年间的，表明武汉市最近几年受季风影响，水汽来源逐渐变为多源化或复杂化。

（4）武汉市1986—1998年和2011—2013年这2个时段的氘盈余变化反映了季风期间降水汽团在不平衡条件下的蒸发快慢过程，相同季节不同时段氘盈余均值均表现为1986—1992年＞2011—2013年＞1996—1998年。武汉市1—5月份d值平均为8．25‰，反映了冬季风期间降水汽团在不平衡条件下的快速蒸发过程，6—12月份d值平均为3．38‰，反映了夏季风期间降水汽团的缓慢蒸发过程。

［1］ STURM K，HOFFMANN G，LANGMANN B，et al．Stable Water Isotopes in Precipitation：A Regional Circulation Modeling Approach［J］．Hydrology Process，2005，19：3425-3444．

［2］ARAGUáS-ARAGUáS L，FROEHLICH K，ROZANSKI K．Stable Isotope Composition of Precipitation over Southeast Asia［J］．Journal of Geophysical Research：Atmospheres（1984-2012），1998，103（D22）：28721-28742．

［3］HOEFS J．Stable Isotope Geochemistry（Fifth Edition）［M］．Berlin：Springer，2004．

［4］CRAIG H．Isotopic Variations in Meteoric Waters［J］．Science，1961，133（3465）：1702-1703．

［5］ DANSGAARD W，JOHNSEN S J，MøLLER J，et al．One Thousand Centuries of Climatic Record from Camp Century on the Greenland Ice Sheet［J］．Science，1969，166 （3903）：377-380．

［6］ GOURCY L L，GROENING M，AGGRAWAL P K．Stable Oxygen and Hydrogen Isotopes in Precipitation［C］∥AGGARWAL P K，GAT J R，FROEHLICH K F O．Isotopes in the Water Cycle：Past，Present，and Future of a Developing Science．Berlin：Springer，2005：39-51．

［7］李政红，张发旺．全球降水氢氧同位素研究进展［J］．勘察科学技术，2004，（1）：3-7．

［8］李亚举，张明军，王圣杰，等．我国大气降水中稳定同位素研究进展［J］．冰川冻土，2011，33（3）：624-633．

［9］MA J，ZHANG P，ZHU G，et al．The Composition and Distribution of Chemicals and Isotopes in Precipitation in the Shiyang River System，Northwestern China［J］．Journal of Hydrology，2012，436：92-101．

［10］柳鉴容，宋献方，袁国富，等．我国南部夏季季风降水水汽来源的稳定同位素证据［J］．自然资源学报，2007，22（6）：1004-1012．

［11］吴华武，章新平，孙广禄，等．长江流域大气降水中δ18O变化与水汽来源［J］．气象与环境学报，2011， 27（5）：7-12．

［12］孙婷婷．长江流域稳定同位素变化特征研究［D］．南京：河海大学，2007．

［13］田立德，姚檀栋，沈永平，等．青藏高原那曲河流域降水及河流水体中氧稳定同位素研究［J］．水科学进展，2002，13（2）：206-210．

［14］FENG F，LI Z，ZHANG M，et al．Deuterium and Oxygen 18 in Precipitation and Atmospheric Moisture in the Upper Urumqi River Basin，Eastern Tianshan Mountains ［J］．Environmental Earth Sciences，2013，68（4）：1199-1209．

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

［16］陈中笑，程军，郭品文，等．中国降水稳定同位素的分布特点及其影响因素［J］．大气科学学报，2010，3（6）：667-679．

［17］赵家成，魏宝华，肖尚斌．湖北宜昌地区大气降水中的稳定同位素特征［J］．热带地理，2009，29（6）：526-531．

［18］DANSGAARD W．Stable Isotopes in Precipitation［J］．Tellus，1964，16（4）：436-468．

［19］卫克勤，林瑞芬．论季风气候对我国雨水同位素组成的影响［J］．地球化学，1994，2（1）：33-41．

［20］李廷勇，李红春，沈川州，等．2006—2008年重庆大气降水δD和 δ18O特征初步分析［J］．水科学进展，2010，21（6）：757-764．

［21］王永森，陈建生，汪集旸，等．降水过程中氢氧稳定同位素理论关系研究［J］．水科学进展，2009，20（2）：204-208．

［22］MERLIVAT L，JOUZEL J．Global Climate Interpretation of the Deuterium-Oxygen18 Relationship for Precipitation ［J］．Journal of Geophysical Research，1979，84（C8）：5029-5033．

［23］XIE L，WEI G，DENG W，et al．Daily δ18O and δD of Precipitations from 2007 to 2009 in Guangzhou，South China：Implications for Changes of Moisture Sources［J］．Journal of Hydrology，2011，400（3/4）：477-489．

（编辑：陈敏）

and oxygen stable isotopes in precipitation exhibited significant seasonal variations，δ18O of precipitation was the largest in spring，and the smallest in summer．There was a negative correlation between δ18O of precipitation and air temperature and the amount of precipitation，and was changeable in time．The δ18O of precipitation in Wuhan presented an upward trend．Moisture source is the primary factor determining the hydrogen and oxygen stable isotopes composition in precipitation in Wuhan．

Variations of Hydrogen and Oxygen Isotopes in Meteoric Precipitation in Wuhan，China

DENG Zhi-min1，2，ZHANG Xiang2，3，PAN Guo-yan2，3
（1．Changjiang Water Resources Protection Institute，Wuhan430051，China；2．Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for Water Resources Security，Wuhan430072，China；3．State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan430072，China；）

In this research we collected the meteoric precipitation samples in Wuhan city during 2011-2013 and combined with the meteorological data and the stable isotopes in precipitation during 1986-1998 provided by International Atomic Energy Agency（IAEA）to establish the local meteoric water line for Wuhan，China．The characteristics of stable isotope in precipitation in Wuhan was analyzed．The results indicated that the local meteoric water line for Wuhan was δD=8．29δ18O+7．44，in close agreement with China atmospheric precipitation line．Both hydrogen

meteoric precipitation；stable isotope；moisture source；atmospheric precipitation line；Wuhan

P426．6

A

1001-5485（2016）07-0012-06

2015-04-10；

2015-05-11

国家自然基金青年科学基金项目（51409191）；湖北省自然科学基金面上项目（2013CFB286）

邓志民（1985-），男，江西南昌人，工程师，博士，主要从事同位素生态水文方面研究，（电话）15972205621（电子信箱）dzmgx2011@ whu．edu．cn。

张翔（1969-），男，北京人，教授，博士生导师，从事生态水文与可持续水资源管理研究，（电话）027-68772303转601（电子信箱）zhangxiang@whu．edu．cn。