南京与西安地区降水同位素的氘盈余和水汽压分析

王兴 李王成

摘 要：在全球大气降水同位素观测网（GNIP）西安和南京站点大气降水氢氧稳定同位素资料的基础上，结合2个地区实际气象数据资料，研究分析了南京和西安地区大气降水稳定同位素的组成，并建立了2个地区大气降水线方程和氘盈余多年月平均变化曲线。通过对比分析，揭示了2个地区大气降水线分布特征的差异性、氘盈余的变化趋势、以及水汽压对大气降水稳定同位素的影响。结果表明：南京地区氘盈余相对西安地区较平稳，变化幅度相对较小；年度尺度上，西安地区大气降水稳定同位素中δD与水汽压成负相关，δ18O与水汽压之间为正相关关系，而南京地区大气降水中氢氧稳定同位素与水汽压皆为负相关关系。

关键词：大气降水线；氘盈余；降水同位素；水汽压；南京；西安

中图分类号 P332 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）21-0126-04

Analysis of the Influence Factors of Precipitation Isotopes in Nanjing and Xi'an based on Deuterium Surplus and Water Vapor Pressure

Wang Xing1 et al.

（1College of Civil and Hydraulic Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

Abstract：Based on the atmospheric precipitation hydrogen and oxygen stable isotope data of the global atmospheric precipitation isotope network（GNIP）xi'an and nanjing site，and combining the actual meteorological data of the two regions.The composition of atmospheric precipitation stable isotopes in nanjing and xi 'an is analyzed，and the curve of atmospheric precipitation line equation and the average change curve of deuterium in the two regions are established.Through comparative analysis，it reveals the differences of the distribution characteristics of the atmospheric precipitation lines in the two regions，the variation trend of deuterium surplus，and the influence of water vapor pressure on the stable isotope of atmospheric precipitation.The results show that the deuterium surplus in nanjing is relatively stable in xi'an area，and the variation range is relatively small；In the annual scale，the stable isotope δD of atmospheric precipitation in xi'an is negatively correlated with water vapor pressure，and there is a positive correlation between δ18O and water vapor pressure.However，the stable isotopes of atmospheric precipitation in nanjing area are negatively correlated with water vapor pressure.

Key words：Atmospheric precipitation line；Deuterium excess；Precipitation isotope；Vapor pressure；Xi'an；Nanjing

大氣降水主要是指覆盖全球大部分的海洋、河流、湖泊等地表水，以及少部分的地下水，经过蒸发、水汽输送、冷凝等环节而降落的气象循环水。大气降水是大气水文循环中的基本环节，是水量平衡方程中的基本参数。从闭合流域的年均降水量平衡方程P=R+E可得，大气降水既是地表径流的本源，又是地下水的主要补给来源。查明大气降水中稳定同位素的影响因素、分布特征，对水文循环过程研究和地下水起源、形成问题的研究具有深远的意义。

国外1929年开始对大气降水中δD、δ18O进行研究，如Giauque、Johnston使用光谱吸收发现了17O和18O；Johnston分析研究已发现的同位素，总结得出自然界中存在17O和18O；Dansgaard对水循环过程中稳定同位素进行研究[1]。国际原子能机构（IAEA）和世界气象组织（WMO）1961年在全球范围内启动大气降水同位素观测计划，开始在全球范围内调查环境同位素。通过对全球范围内800多个观测站进行不间断地跟踪监测，确定全球、区域水循环机制和大气环流型，为全球降水稳定同位素的季节变化、影响因素、降水量效应及温度效应提供了基础的环境资料。

国内对于大气降水同位素的研究始于珠穆朗玛峰的科学考察[2]。郑淑蕙等对我国多个地区大气降水稳定同位素进行研究分析，总结得出中国大气降水线方程即δD-δ18O雨水线方程[3]。中国地质科学院1985年开始在银川、天津、拉萨、长沙、贵阳、南京、海口、桂林、西安等地区建立起约30个长期观测站，构成全国大气降水同位素观测网，收集各个站点水样，研究分析我国大气降水稳定同位素的分布特征、温度效应和同位素效应等的变化规律和机制。

本文对全国大气降水稳定同位素的分布特征、影响因素进行了总结，根据全球大气降水同位素观测网西安站、南京站的基础数据资料，并结合全国降水同位素观测网，绘制了2个地区大气降水曲线比较图和氘盈余的多年月平均变化曲线，水汽压与大气降水同位素的关系图，对比分析了南京和西安地区大气降水同位素的季节变化特征和同位素效应，并且对水汽压影响南京和西安地区大气降水稳定同位素的因素进行了对比分析，为进一步研究南京与西安地区大气循环机制和地下水奠定了基础。

1 数据与方法

西安与南京地区大气降水稳定同位素的数据来自国际原子能机构同位素全球检测网（GNIP），观测网中2个站点观测的项目包括δD、δ18O，以及2个地区的温度、降水量和水汽压，这些观测项目数据记录均为月平均值。环境同位素表示方法用千分差来表示[4]，是相对于维也纳平均海水V-SMOW的千分差，用下式表示为：

[δ=R样品R标准-1] （1）

式中：R样品为样品中的18O/16O比值；δ为稳定同位素的比值相对标准同位素比值的千分差。

研究分析国际原子能机构全球降水同位素观测网数据库中西安和南京站点的大气降水稳定同位素与气象数据，全球降水同位素观测网西安和南京站点数据记录时间为1985—1993年。

大气降水稳定同位素δ18O的加权平均值为[5]：

[δ均值=PiδiPi] （2）

式中：Pi为月降水量，mm；δi为月降水的18O浓度，TU。

2 结果与分析

2.1 南京与西安地区降水同位素分布特征和季节变化

2.1.1 南京与西安地区降水同位素分布特征 根据实测大气降水氢氧同位素西安站点1985—1993年数据资料和雨水样品分析结果，用最小二乘法拟合得到西安地区大气降水线方程为：δD=7.49δ18O+6.13，其中R2=0.918。同样根据南京站点1987—1992年大气降水氢氧同位素数据资料和雨水样品分析结果，采用线性回归的方法建立了南京地区的大气降水线方程为：δD=8.49δ18O+17.71，其中R2=0.967，如图1所示。通过图1可以发现，西安与南京地区的大气降水线很接近，但因受地理位置、水汽来源、气象条件等因素的影响，在斜率和截距上均存在一定的差异。即南京地区的大气降水线斜率和截距都高于西安地区；在截距方面，南京地区是西安地区的两倍多，这是因为西安地区位于关中盆地内陆，属于干旱半干旱、暖温带季风气候区，相比南京地区气候干燥且湿度低，年均降水量小且蒸发强烈，蒸发量远远大于降水量，大气降水稳定同位素在降水过程中受到蒸发的强烈作用。相反，南京地区的降水量远大于西安地区，湿度比西安地区大，湿度是氘盈余的主要影响因素，湿度越大氘盈余越大，即大气降水线截距越大。因此，西安与南京地区大气降水线的斜率与截距存在显著差异。

2.1.2 南京与西安地区大气降水稳定同位素的季节变化 通过分析全球大气监测网南京站点1987—1992年和西安站点1985—1993年氢氧同位素数据资料，得出大气降水同位素中δ18O和δD随着季节变化而发生变化。南京地区大气降水中氢氧同位素值的变化范围：δD为-83.5‰～17.9‰，平均值-44.834‰；δ18O为-11.83‰～-0.09‰，平均值为-7.363‰。西安地区降水同位素值的变化范围：δD为-122.7‰～0.8‰，平均值-48.287‰；δ18O为-17.02‰～-1.1‰，平均值-7.267‰。通过对以上2个地区的比较可以看出，南京地区大气降水中氢氧稳定同位素δD和δ18O的变化范围和平均值都偏高于西安地区，但两地区氢氧稳定同位素值的变化范围均处在中国与全球的大气降水同位素变化之中。

2月份大气降水中δ18O和δD值偏低，但随着温度的升高蒸发量随之增大，降水中δ18O和δD值也随之升高，5月份δ18O和δD值达到最高。降水中氢氧稳定同位素的值在5—8月呈现小的波动，8月之后开始呈现下降趋势，9月份达到最低值。在不同年δ18O和δD值会呈现不同的变化趋势，但峰值一般多出现在5—8月份，而低值会在9、10月份出现。造成这种现象的主要原因是地区气温的季节性变化，冬、夏气温相差大，在4、5月份温度较高，地区降水量相对偏小而蒸发强烈，湿度增大，因此大气降水中氢氧稳定同位素值偏大。

随着四季的变化，西安地区大气降水中氢氧稳定同位素组成发生着显著变化：夏季为大气降水同位素贫化时期，春季则为富集时期；夏半年降水同位素贫化偏负，冬半年降水同位素富集偏正。

2.2 南京与西安地区降水氘盈余、水汽压影响 Dansgaard[6]根据全球大气降水同位素观测网（GNIP）1962—1983年间收集的数據资料，研究分析出影响全球大气降水稳定同位素组成的地理分布和季节分布因素，研究发现水汽团的性质和其来源影响着降水中同位素的变化，由于降水发生的物质前提是大气中的水汽团，因此水汽中的氢、氧稳定同位素组成对于大气降水中稳定同位素的组成具有显著的影响。另外，水汽压的大小，水汽源地初始状态、水汽输送方式、云中饱和状态和云中液态水含量等因素也对降水稳定同位素的大小有重要影响[7]。此外，王永森对大气降雨过程的稳定同位素组成变化建立微分方程模型，通过数值来进行模拟[8]。Ya-manaka的研究表明，受季风活动的影响，我国东部降水稳定同位素具有显著的降水量效应[9]。总的来讲，大气降水中稳定同位素组成的影响因素主要有：（1）区域气候环境。包括降水时的各种气象要素：降水量、温度和水汽压等；（2）局部地理特征。比如如海拔高度。大气降水中D、O同位素的时空变化是以上相关要素相互影响、综合作用的结果。因此讨论氘盈余、水汽压等对我国降水稳定同位素组成的时空分布，对揭示南京与西安地区区域间的差异有重要意义。

2.2.1 南京和西安地区降水氘盈余 区域大气降水线与全球大气降水线在斜率和截距上都有不同程度的偏移，以及各地降水形成时水汽来源和运移过程中受自然地理环境变化影响所导致的汽、液两相氢氧稳定同位素分馏不平衡程度的差异，为了量化这种差异，Dansgaard引入了氘盈余（或氘过量参数，用d表示）的概念：d=[δD-8δ]18O。Craig最先提出全球氘盈余的平均值10。d值通常不等于0，并且由于蒸发效应及动力效应的影响，水的蒸发通常是在不平衡条件下进行的，并且湿度、风速和最初蒸发时海洋表面温度的变化都会引起d值的地区性变化。d值越大，表明海水蒸发的速率越大。因此氘盈余不仅可以反映海水蒸发形成云气时水汽平衡条件，同时又可以反映该地区大气降水形成时的气象条件和地理环境。从图3可以看出，南京地区氘盈余相对西安地区较平稳，变化幅度相对较小。4—7月份和9—11月份南京地区降水氘盈余数值较西安地区高。南京地区夏半年水汽主要来自于低纬度的西太平洋地区和南海方向，而冬季则源于空气湿度较低干燥地区；4—5月份，温度较高，该地区降水量相对偏小而蒸发强烈，因此降水氘盈余大，表现为湿度大。而西安地区夏季降水水汽源主要来自印度洋的西南季风和太平洋的东南季风，气候比南京地区干燥且湿度低，因而降水氘盈余小；在冬季和春季各月（个别月份除外），氘盈余加大，反映出降水同位素影响因素主要是降水量效应。

2.2.2 大气降水与δ18O水汽压相关关系 在全球大气水循环过程中，水汽既作为载体，又作为相变的主体，因此降水中同位素的含量必会随之发生变化，水汽压对大气降水中稳定同位素的组成有着重要的影响。

从图4可以看出，南京地区大气降水中δ18O与水汽压呈现负相关关系，而西安地区表现为正的相关关系。并且由两地区降水中δ18O与水汽压拟合得到的曲线斜率绝对值的大小可以得到，南京地区大气降水中稳定同位素与水汽压的相关性很强，远远大于西安地区的相关性。

南京地区夏季水汽主要来自于低纬度的西太平洋地区和南海方向，冬季南京受我国大陆冬季风气候的控制，其水汽来自于亚洲大陆内部方向，与高纬度西风带输送的水汽混合。不同的水汽来源引起大气降水稳定同位素的变化；而春、秋季节降水主要由南京周边地区局地降水蒸发浓缩形成的。与南京地区不同，对于西安地区夏季主要接收来自于东部太平洋的东南季风以及来自低纬度地区的印度洋西南季风的水汽，然而由于夏季季风所带的水汽经过多次降水过程才到达西安，水汽降水中稳定同位素比值已经十分亏损。

2.2.3 降水δ2D与水汽压关系分析 大范围地区的盛行风随季节而发生显著变化的现象称为季风。世界范围内季风区域的分布非常广，我国处于著名的东亚季风区区域[10]。季风是水汽输送的载体，直接控制着降水的空间分布及季节分布特征，因此水汽压对大气降水中稳定同位素的组成有着重要的影响。由图5可以看出，南京地区大气降水中δ2D与水汽压相关性比西安地区要强很多，南京地区用最小二乘法拟合的曲线情况也比西安地区要好，但总的，两地区降水中稳定同位素δ2D与水汽压均呈现负的相关关系。这是由于南京和西安地区所处纬度不同进而导致水汽来源不同，不同的水汽来源会引起大气降水稳定同位素的变化。

3 结论

（1）季节尺度上，西安地区大气降水稳定同位素组成发生着显著变化：夏季为大气降水同位素贫化时期，春季则为富集时期；夏半年降水同位素贫化偏负，冬半年降水同位素富集偏正。相比于西安地区，南京地区大气降水稳定同位素组成也呈现明显的季节变化。即，大气降水中稳定同位素最为富集的季节为春季，夏季降水中稳定同位素最为贫化。

（2）南京地区的降水受到季风系统通过影响水汽收支情况和大尺度水汽输送的分布的强烈影响，全年降水水汽多变。夏半年水汽主要来自于低纬度的西太平洋地区和南海方向，冬半年降水水汽影响因素较多变；在4—5月份，温度较高，降水量相对偏小而蒸发强烈，降水氘盈余大，表现为湿度大，因此大气降水中δ值偏大。而西安地区夏季降水水汽源主要来自印度洋的西南季风和太平洋的东南季风，气候比南京地区干燥且湿度低，降水氘盈余偏小，年均降水量小并且蒸发非常强烈，降水量远远小于蒸发量，在大气降水过程中明显受到蒸发作用的强烈作用。

（3）年度尺度上，西安地区大气降水同位素D与水汽压成负相关，O与水汽压为正相关关系。而南京地区大气降水中稳定同位素与水汽压均为负的相关性。

参考文献

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（责编：张宏民）