石家庄地区大气降水氢氧同位素特征分析

朱艺文+张福平+王虎威+刘筱

摘要：研究大气降水中氢氧同位素的特征能够揭示水循环规律。依据全球氢氧稳定同位素监测网（GNIP）提供的大氣降水稳定同位素资料，选择石家庄地区1985―2003年的资料数据，结合气象资料和水汽来源，分析了石家庄地区大气降水氢氧同位素的特征及变化规律，并建立了局地大气降水线方程。结果表明：石家庄地区大气降水的18O春季最为富集，冬季最为贫化，夏秋两季相近；局地大气降水线方程为δD=6.39δ18O-3.75，斜率和截距明显小于全球和中国大气降水线方程，反映该地区偏干旱的气候特征；年尺度上，石家庄地区大气降水δ18O和δD具有一定的温度效应，但降雨量效应极为微弱，只在春夏季较为显著，表明该地区降水同位素受温度的影响作用更大。

关键词：大气降水；氢氧同位素；大气降水线；同位素效应；石家庄

中图分类号：S161.6文献标识号：A文章编号：1001-4942（2017）05-0116-08

Analysis on Characteristics of Stable Hydrogen and

Oxygen Isotopes in Precipitation in Shijiazhuang

Zhu Yiwen， Zhang Fuping， Wang Huwei， Liu Xiao

（College of Tourism and Environment， Shaanxi Normal University， Xian 710062， China）

AbstractThe study on characteristics of hydrogen and oxygen isotopes in precipitation can reveal the regularity of water cycle. Based on the GNIP data， choosing the data of Shijiazhuang area from 1985 to 2003，combined with the meteorological data and the source of water， the characteristics and change regularity of atmospheric precipitation hydrogen and oxygen isotopes were analyzed and the local meteoric water line was established. The results showed that the 18O value of precipitation was the highest in spring， the lowest in winter， and the values in summer and autumn were close. The equation of local meteoric water line was δD=6.39δ18O-3.75. The smaller slope and intercept compared with the global and national atmospheric precipitation reflected its arid climate characteristics. The δ18O and δD of atmospheric precipitation in study area had certain temperature effect，but the precipitation effect was very weak， which was only significant in spring and summer.It indicated that temperature had more effects on precipitation isotopes in this area.

KeywordsPrecipitation；Hydrogen and oxygen isotope；Meteoric water line；Isotope effects；Shijiazhuang

稳定同位素18O和2H（氘，符号D）作为自然界水体中的天然示踪剂，能够敏感地记录水体信息，响应环境变化。大气降水作为水体循环的重要环节，是连接大气圈层和陆地圈层的纽带，其同位素的变化也影响着整个水文循环过程同位素的变化[1]。同位素的分馏作用贯穿于所有的大气降水过程中，氢氧同位素的组分比率也常发生改变。降雨的水汽来源、运移过程、大气环流及当地的气候环境往往是影响同位素组成变化的重要因素[2-4]。因此，大气降水的同位素变化特征不仅能够很好地反演大气过程，追溯水汽来源，反映全球与区域的气候特征[5-7]，也能够反映大气水汽循环的整个历史[8]，有助于深入了解地球化学和水循环过程。此外，研究大气降水的氢氧同位素也为揭示地下水循环规律、重建古气候及古环境的演化提供了一定的基础[9，10]。

国际上对大气降水同位素的研究最早始于20世纪50年代[8]，1961年在国际原子能机构（IAEA）和世界气象组织（WMO）的合作下建立的全球氢氧稳定同位素监测网（GNIP），奠定了在全世界范围内开展大气降水同位素监测的基础。我国的降水同位素监测研究起步较晚，1983年以前GNIP在我国只有香港一个站点[11]，之后又建立了乌鲁木齐、银川、昆明、桂林等长期观测站点[12]。迄今，我国的大气降水氢氧同位素研究已取得较多进展。郑淑蕙等[13]通过较短采样期的同位素研究，最早提出了中国范围内的大气降水环境同位素的背景值[14]。刘进达等[15-17]基于中国在GNIP各个站点的数据资料，最早探讨了中国大气降水的稳定同位素时空分布规律以及影响同位素组成和分布特征的主要因素。进入21世纪以来，基于各个局地站点的大气降水同位素研究开始涌现，诸如香港、厦门、桂林、乌鲁木齐等地的研究，一定程度上揭示了各地区的稳定同位素变化特征和气候特征。对于区域的研究，国内学者对青藏高原地区、东南季风区、西南季风区、西北、东北等地区的研究已相当深入。

石家庄市地处中纬度欧亚大陆东缘，临近渤海海域，属于温带季风气候区。市域跨太行山和华北平原，西部地处太行山中段，东部为冲积平原，平均海拔80 m。年均温度为12.9℃，年总降水量为401.1～750.2 mm，空气年平均湿度为65%。该地区四季分明，寒暑明显，雨量多集中在夏秋两季。夏季（6―9月份）受海洋温湿气流的影响，降水占全年降雨量的63%～70%，尤其7―8月份空气湿度可达100%；秋季晴朗少雨，但空气湿度平均也为78%。石家庄地区位于南部季风区和东北季风区区间，敏感的过渡地带使其大气降水氢氧同位素变化的影响因子更为复杂。虽然已有大范围区域上对华北地区降水同位素的研究[18-20]，但都是基于区域特征和性质的整体探讨，仅对石家庄地区进行详细同位素特征分析和水汽来源深入分析的研究甚少。本研究在分析石家庄地区大气降水稳定同位素特征及其与气象要素之间关系的基础上，结合大气降水水汽来源，深入分析了石家庄地区大气降水的氢氧稳定同位素变化机制，以期了解该地区的水汽输送过程和区域水循环规律，为该地区气候变化规律的研究和预测提供依据，并有助于石家庄地区水资源的合理利用和保护。

1数据来源与研究方法

本研究所引用的石家庄大气降水同位素资料（1985―2003年，其中1992―1995年数据缺失）来自于全球大气降水监测网（GNIP），可从http：//isohis.iaea.org网址直接下载，包括全球观测站点的δ18O、δD值以及降水量、温度和水汽压等气象数据。所有监测数据的记录日期均为每月15日，因此同位素数据代表上个月份下半月和本月份上半月的平均值。

氢氧稳定同位素的δ值分别用降水中各自同位素的比率（D/H）和（18O/16O）相对于维也纳标准平均海洋水VSMOW的千分差表示：

式中：δavg为氢氧同位素算术平均值；δwei为氢氧同位素降水量加权平均值；Pi为月降水量；δi为月降水同位素。氢氧同位素算术平均值可反映地区总的气候状况，而氢氧同位素降水量加权平均值可反映雨水对同位素浓度的影响[21]。

2石家庄地区大气降水的氢氧同位素特征分析

2.1大气降水中δ18O和δD的季节变化特征

根据所获取的资料数据（表1、表2），石家庄站点大气降水的δ18O变化范围为-16.0‰～-0.3‰，平均值为-7.54‰；δD变化范围为-111.3‰～0.7‰，平均值为-51.9‰，变化幅度较大，但均处于郑淑慧等[13]得到的我国降水δ18O（-24‰～2.0‰）、δD（-190‰～20‰）的大致范围之中。

大气降水中稳定同位素比率的大小受气象条件的制约。按照缪启龙等[22]对中国的四季划分，采用石家庄地区春季4―5月、夏季6―8月、秋季9―10月、冬季11月―次年3月的划分结果，分析了该地区δ18O和δD的季节变化特征。结果（表1和表2） 表明，石家庄地区大气降水的氢氧稳定同位素季节变化特征均表现为春季>秋季>夏季>冬季。

由图1可以看出，石家庄地区大气降水的δD和δ18O降水量月加权平均值随时间的变化趋势相似。由于在大气水循环过程中，δ18O的变化受水汽和蒸发作用的影响极为显著[21]，因此以δ18O为例探讨氢氧稳定同位素的变化特征。整体上石家庄地区大气降水的δ18O呈现夏半年（4―10月）高、冬半年（11月―次年3月）低的特点，具有典型的温带季风气候降水特征[23]。春季是同位素最为富集的时期，δ18O降水加权平均值最高值出现在5月份；冬季最为贫化，δ18O降水加权平均值最低值出现在1月份；夏、秋两季δ18O也较为富集，且变化幅度相对较小。造成降水中稳定同位素季节差异的原因可能是：（1）研究区处于东亚季风区，受冬夏两季不同的季风气候影响，大气降水的水汽来源不同；（2）水汽在运输及凝结降落过程中受当地地理因素及气象因子的影响，同位素发生不同程度的富集和贫化，从而造成δ18O值的季节差异。

2.2石家庄地区大气降水线和氘盈余

2.2.1大气降水线大气降水线是指某一地区某一阶段内降水中δD与δ18O之间的线性关系，可以较好地反映研究区域的自然条件，这对于研究水循环过程中稳定同位素的变化具有重要意义，也是水文地质研究中应用的主要依据。Craig[24]通过分析全球范围内的降水样品，得出全球大气降水线（GMWL）：δD=8δ18O+10。降水線的斜率反映了稳定同位素D和18O之间分馏效应的对比关系，截距则反映氘对于平衡状态的偏离程度，由海洋表面蒸发时的动力同位素效应引起[25]。GMWL为各局地大气降水线（LMWL）同位素组成提供了参照和标准，但由于各地地理因素、气象条件和降水过程的差异，各个站点的LMWL与GMWL相比都会发生一定程度的偏离。已有学者对我国及各局地大气降水同位素资料做了分析，如郑淑蕙等[13]提出我国大气降水线方程为δD=7.9δ18O+8.2。

依据GNIP所提供的δD和δ18O数据资料，用最小二乘法得到石家庄地区大气降水线方程为δD=6.39δ18O-3.75（R2=0.879）（见图2）。该方程的斜率和截距均明显小于我国大气降水线方程，同柳鉴容等[26]提出的东部季风区局地大气降水线方程（δD=7.46δ18O+0.90，R2=0.94）相比，斜率和截距也偏小。表明，石家庄地区局地环流的水汽来源复杂，不同水汽来源地具有不同的氢氧稳定同位素比率，且该地区的蒸发模式较全球大气降水线有很大不同，降水过程中也进行一定程度的二次蒸发。

2.2.2大气降水氘盈余的变化依据全球大气降水线GMWL，Dansgaard[8]引出了氘盈余（d）的概念，并将其定义为d=δD-8δ18O。由于各地大气降水线方程同GMWL都存在一定程度的偏离，因此各地区的氘盈余也会不同。海水是大气降水的主要来源，在海水的水汽蒸发速率和凝结速率相等时，d值为0，而全球大气降水的d值为10。因此，d值的季节变化和地区差异本质上受制于大气降水在相变过程中D和18O分馏速度的相对差异，这不仅与形成降水的水汽源地的相对湿度、温度和风速等有关，还与当地形成降水时的水汽平衡条件和气候条件有关[27，28]。已有研究表明[24]，当水汽源地相对湿度较高时，d值较低，反之较高；在干旱条件下，强烈的蒸发作用导致动力分馏系数增加，从而d值也升高。

根据对石家庄地区d值各月份的统计结果（图3），石家庄地区的氘盈余（d）月均值变化范围为1.16‰～19.70‰，冬半年（11月至次年3月）整体来说明显高于夏半年（4—10月），且冬半年d值大多在10‰以上，而夏半年多小于10‰，呈现d值冬高夏低的季节特征。这与我国东部季风区如南京、天津和哈尔滨等地区d值的季节特征一致，但与西北地区的乌鲁木齐、青藏高原地区及西南地区的昆明等地的d值季节变化正相反。

3降水同位素的环境效应分析

大气降水同位素的环境效应指同位素与各气象因子之间的相关关系。每个地区由于地理和气候条件的不同，对同位素变化产生作用的主导因子也会有所差异。研究表明，我国降水稳定同位素时空变化主要受降水量效应和温度效应的控制，季风区表现为降水量效应，非季风区表现为温度效应[29，30]。在我国东部季风区，影响降水中δ18O的主导因子有降雨量、温度、水汽压和风速风向等[26]，其中，温度和降水量的作用尤为突出。

3.1降水中δ18O和δD的温度效应

大气降水同位素的温度效应指同位素组分与温度的变化呈正相关关系。在影响降水同位素组成的诸多因素中，温度是与之变化关系最密切的[31]。气温通过改变大气降水中同位素的分馏系数α而影响δ18O值，温度越低，α越大，降水中δ18O值也越低。但只有当大气降水中δ18O含量基本稳定时，气温和δ18O才表现出明显的正相关关系[32]。温度效应一般在中高纬度内陆地区表现明显，纬度越高、越深入内陆地区，温度效应越明显[17]。

在年尺度下，对石家庄地区所有年份的δ18O和δD同温度数据进行拟合，得到δ18O与温度t的线性方程为δ18O=0.11t-9.25（R2=0.100），δD与温度t的线性方程为δD=0.059t-61.52（R2=0.071）。在季节尺度下，对石家庄地区四季的δ18O与温度t变化关系进行线性拟合（图4），得到春季的拟合方程为δ18O=-0.04t-3.19（R2=0.003），夏季为δ18O=0.08t-9.8（R2=0.004），秋季为δ18O=0.07t-8.98（R2=0.009），冬季为δ18O=0.5t-10.55（R2=0.34）。同理，对大气降水的δD与各季节的温度t进行线性拟合（图4），线性方程分别为春季：δD=-0.067t-28.49（R2=0.0001）；夏季：δD=0.88t-78.3（R2=0.01）；秋季：δD =0.29t-55（R2=0.003）；冬季：δD=2.62t-69.51（R2=0.200）

δ18O、δD与温度之间的相关性如表3所示，可见，除春季之外，夏、秋、冬均显示出一定的温度效应，其中冬季氢氧稳定同位素与温度的相关性达极显著水平（P<0.01）；但在年尺度上，δ18O和δD与温度的相关性也较强，达0.01显著水平。有研究表明，我国青藏高原北部地区和西北地区温度效应明显，而南方季风区和大部分东部季风区温度效应则非常弱[33]，可见，石家庄地区降水同位素的温度效应更接近北方内陆地区的特征，但其显著性较低，不及西北地区该特点典型。

3.2降水中δ18O和δD的降雨量效应

大气降水同位素的降雨量效应指同位素组分与降雨量的变化呈负相关关系。Dansgaard[8]经过观测全球各站、台的大气降水同位素资料，发现δ18O与年月降水量之间存在很好的负相关性，降水量越大，δ18O值越小，特别是暴雨时期δ18O值更低[34]。研究表明，在等温条件下，水汽从潮湿的空气中形成液态将服从瑞利分馏模式，所以产生降雨量效应的原因可能与雨滴降落过程中的蒸发效应和环境水蒸气交换有关[35]。一般认为，降雨量效应在低纬度海洋与海岸、海岛地区较为显著。蔡明刚等[28]提出“降雨量效应”的重要条件之一是研究区域内降水的水汽来源较单一，而在季风区，季风可能是造成该效应的深层机制之一。

在年尺度下，对石家庄地区所有年份的δ18O和δD同降雨量P进行线性拟合，得到该地区δ18O与降雨量的线性关系：δ18O=-0.005P-7.27（R2=0.010），δD与降雨量的线性关系：δD=-0.044P-49.31（R2=0.020）。在季节尺度下，通过线性拟合分别得到四个季节δ18O与降雨量的关系方程：春季为δ18O=-0.03P-2.96，R2=0.114；夏季为δ18O=-0.008P-6.76，R2=0.142；秋季为δ18O=-0.017P-6.94，R2=0.056；冬季为δ18O=0.003P-9.34，R2=0.0001。同理可得，石家庄地区大气降水不同季节的δD与降雨量的线性關系分别为春季：δD=-0.24P-20.27，R2=0.17；夏季：δ=-0.06P-48，R2=0.13；秋季：δD=-0.14P-43.33，R2=0.08；冬季：δD=0.11P-64.54，R2=0.003（见图5）。

δ18O和δD与降雨量之间的相关性（表4）表明，除冬季外，石家庄地区其他季节均表现出一定的降雨量效应，其中夏季的降雨量效应在0.05置信水平上达显著水平，而δD在春季与降雨量的相关性最强，也达显著水平。从全年尺度来看，氢氧稳定同位素与降雨量均呈负相关，但相关系数极低。

4讨论

本研究结合石家庄地区降水水汽来源以及温度、降雨量等气象要素，对该地区δ18O值的季节变化特征进行了分析，结果表明，1―5月份大气降水中的同位素呈上升趋势，且5月份δ18O达到一年中的最大值；但1月和2月值仍较低，主要是因为冬季石家庄地区受来自遥远的西北地区的高压所控制，水汽遥远的输送路程使同位素一路贫化，且气候干燥，降雨稀少，使该时段同位素达到一年中的最低值；随着春季的到来，温度上升快，风速较大，蒸发强烈，影响该地区降雨的水汽团主要为近地水源，雨滴在降落过程中不断蒸发，致使雨滴中重同位素不断富集，同位素持续走高。6―7月份同位素含量有所降低，这是由于春夏过渡阶段，该地区已逐渐受海洋水汽的影响，降雨成为影响同位素变化的主要因素。夏季石家庄地区的降水水汽主要来源于孟加拉湾、我国南海和西太平洋以及高层中高纬度西风带水汽的输送[36]，是一年中降水最为充沛的时期，水汽中所带氢氧同位素相比大陆性气团较低。8月份较之7月份，同位素值相对偏高，是降雨量效应的体现。9―11月份δ18O值又有升高趋势，主要是因为秋季大陆季风到达之前，依然是近地水源的局地水循环二次蒸发影响该地区的降雨，但由于近地水源大多来自夏季降雨，其较低的同位素含量影响了秋季降雨中的同位素比率。春季极低的降雨量和干燥的大气环境使雨滴的二次蒸发作用极其强烈，因此造成春季大气降水的同位素含量比秋季偏高。

全球大氣降水线和中国大气降水线方程是从全世界和全国范围监测站点上获得的数据资料计算得出，是湿润地区和干旱地区降水特征的综合体现。多位学者的研究[17，28]表明，中国大气降水线在相当程度上反映了海岛地区大气降水的氢氧同位素特征。石家庄地区虽处于东部季风区，但相较东南地区，气候干燥，干湿季明显，除了夏季风带来超强的海洋性气团，绝大多数时期受蒸发作用强烈影响。当水汽在降落过程中多次蒸发时，由于不同的同位素分子质量具有差异，往往造成分子质量大的同位素富集，氢同位素分馏速度大于氧同位素，造成δD值相对偏重，因而石家庄地区的大气降水线斜率和截距都偏小，这也反映了该地区偏干旱的气候特征。

我国受冬夏季风影响的地区，d值呈现出冬季高于夏季的特征，这主要与冬夏季风期间不同的水汽源地有关。石家庄地区夏季降雨水汽由来自太平洋的季风所带来，水汽源地相对湿度大，蒸发弱，导致d值偏低。冬季的降雨由来自蒙古高压的西北季风所致，尽管水汽在长距离运输过程中不会导致d值的变化，但由于当地气候干燥，在形成降雨时蒸发作用强烈，d值呈现极高值。实际上，d值反映的是研究区降雨时期气候的干湿程度。有研究表明，在我国季风影响区，较低的d值对应强的季风活动和弱的西风输送时期，而高d值则对应弱的季风活动和强的西风输送时期[32]。石家庄地区的d值季节分布也符合这一规律。

石家庄地区处于我国东部季风气候区，降水绝大部分来自于海洋，但只集中在夏季。复杂的水汽来源地、湿度、大气稳定度造成该地区δ18O四季特征离散程度较大，除夏季外并不具有显著的降雨量效应，而且相关系数值较低。另外，石家庄地区降水的最大月份并不与δ18O的最低值相一致，恰恰也说明了降雨量并非是决定δ18O值的根本因素，归根结底还是由水汽来源决定。石家庄地区在冬季表现出极显著的温度效应，这是因为，该地区冬季受来自遥远的大西洋和蒙古高压的季风影响，降雨稀少，温度较低，气候干燥，水汽来源相对单一。此种情况下与中国西北内陆地区，如乌鲁木齐、和田、兰州张掖等地情况相似，因此表现出较强的温度效应。总而言之，石家庄地区在年尺度下均具有温度效应和降雨量效应，但相比于西北地区，温度效应并不强烈，降雨量效应也甚为微弱，正如吴旭东[37]所言的高纬度地区，影响降水中稳定同位素比率的主要是温度，低纬度热带地区主要是降水量，中纬度地区则是温度和降水量共同影响同位素比率的变化。

5结论

石家庄地区处于我国中高纬度的东部季风区，受季风影响显著。通过研究石家庄地区大气降水中氢氧同位素的组成及变化特征，分析了其与水汽来源及气象要素的关系，结果如下：

（1）石家庄地区大气降水的氢氧稳定同位素含量变化范围较大，但处于全球及全国大气降水同位素变化范围之中。该地区的δ18O春季最为富集，冬季最为贫化，夏秋季节接近。一年四季不同的水汽来源及复杂的气象要素共同影响石家庄地区大气降水的氢氧同位素含量。

（2）石家庄地区的大气降水线方程为δD=6.39δ18O-3.75（R2=0.879），同全球及中国的大气降水线方程相比，其斜率和截距偏低，同我国东部季风区局地大气降水线方程比较接近。表明该地区降水是在非瑞利条件下进行的，蒸发作用强烈，反映石家庄地区偏干旱的气候特征。d值呈现出冬高夏低的变化特征，反映了冬季风和夏季风期间降水具有不同的水汽来源地及蒸发条件。

（3）该地区大气降水的氢氧稳定同位素均具有一定的温度效应，但降雨量效应极为微弱，全年尺度下δ18O与温度和降雨量的相关性方程分别为：δ18O=0.11t-9.25（R2=0.110），δ18O=-0.005P-7.27（R2=0.010）；δD和温度及降雨量的相关性方程分别为δD=0.059t-61.52（R2=0.071），δD=-0.044P-49.31（R2=0.020）。在季节尺度下，石家庄地区大气降水的氢氧稳定同位素在夏、秋、冬季均具有温度效应，且冬季最为显著，在0.01置信水平下显著相关；春、夏、秋季均表现一定的降雨量效应，其中夏季的δ18O在0.05置信水平下显著相关，δD在春季和夏季通过了0.05置信水平的验证。表明石家庄地区同位素比率的变化受温度和降水量共同影响，但温度的影响更为重要。

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