西安地区降水稳定同位素变化特征及影响因素

王兴 李王成 董亚萍 刘学智 赵妍 李晨 王双涛

摘要：在全球大气降水同位素观测网西安站的大气降水同位素资料基础上，结合该地区实际气象数据资料，分析了西安地区大气降水中稳定同位素的组成，并建立了西安地区的大气降水线方程，揭示了该地区大气降水线分布特征的差异性和温度、降水量及水汽压对大气降水稳定同位素的不同影响。结果表明：年度尺度上，西安地区大气降水中稳定同位素与温度成正相关，与降水量成负相关.8D与水汽压成负相关，8180与水汽压成正相关。

关键词：大气降水线;温度;降水量;水汽压;变化特征;8D;8is0;西安地区

中图分类号：P426.6I;P597

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.01.016

大气降水不仅是水量平衡方程中的基本参数，而且是水文循环中的最基本环节。通过闭合流域的年均降水量平衡方程（P=R+E，其中P、R、E分别为降水量、径流量、蒸发量）可以看出，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[1]。对大气降水稳定同位素进行研究是利用同位素技术研究区域水循环的前提[2]。氢氧稳定同位素作为自然水体的重要组成成分和一种示踪元素，被广泛应用于水文循环研究[3-5]。近年来，我国学者对大气降水中的氢氧稳定同位素（简称稳定同位素）进行了大量研究[6-10]，证明大气降水中稳定同位素受降雨量、温度和水汽压等多种因素的影响。因此，查明大气降水中稳定同位素的分布特征及其影响因素，对揭示水汽来源、反映地区大气降水气象条件、研究区域水文循环过程、深入了解地下水起源和形成具有深远的意义。

国际原子能机构（IAEA）和世界气象组织（WMO）在全球范围内启动了大气降水同位素观测计划，建成了800多座观测站，在全球范围内调查环境同位素[11]，通过连续跟踪监测，确定全球、区域水循环机制，为全球大气降水中稳定同位素的变化特征、影响因素提供基础环境资料。本文根据全球大气降水同位素观测网（ GNIP）和全国大气降水同位素观测网的资料，并结合中国气象数据网中西安地区的气象资料，绘制了西安地区降水稳定同位素关系曲线，以及多年平均降水量、多年平均温度及水汽压与氢氧稳定同位素的关系曲线，同时对西安地区大气降水稳定同位素的季节变化特征和同位素效应进行了分析，并且对温度、降水量、水汽压等影响西安地区大气降水稳定同位素的因素进行了分析，以期为西安地区大气循环机制的深入分析以及地下水研究奠定基础。

1 西安地区地理、气候特征及数据来源和方法

1.1 西安地区地理、气候特征

西安位于黄河流域中部的关中盆地、关中平原以南地区，北部为冲积平原，南部地区为秦岭山脉，海拔2 000-2 800 m。西安地处暖温带半湿润季风气候区，全区降水量少、蒸发量大且降雨年际变化大，降水分配不均，年均降水量为530-700 mm，年内降水量主要集中在7-9月，其降水量约占全年的45%，空间上分布不均，呈东多西少、南多北少的分布格局，蒸发量也呈现出相同的分布特點。印度洋的西南季风和太平洋的东南季风是夏季西安地区以及所在关中盆地大气降水水汽的主要来源。

1.2 数据来源与方法

全球大气降水同位素观测网西安站的数据记录时段为1985-1993年。西安地区温度、降水量和水汽压等气象数据资料来源于中国气象数据网。大气降水氢氧稳定同位素δD、δ180以及温度、降水量和水汽压等数据均为月平均值，样品的收集、运输程序和标准数据由IAEA严格制定。其中，环境同位素的表示方法用千分差来表示[12]，即

δ=R样/ R标准 -1 （1）式中：δ为稳定同位素的比值相对标准同位素比值的千分差;R样品为样品中180与160的比值;R标准为国际通用的同位素标准。

本文利用Excel软件对西安地区大气降水同位素数据进行处理，分析降水量效应、温度效应及其与水汽压之间的关系。

2 结果与分析

2.1 西安地区大气降水线

在全球水文循环中氢氧同位素之间协变性最突出的特点就是Harman Craig提出的全球大气降水线（ GMWL）[13]，表示为8D= 88180+10，它是一条斜率为8、截距为10的直线。斜率反映出蒸汽和凝聚是大气降水同位素的主要影响因素，截距表示全球大气降水的平均值，截距大于10表示该降水云气形成过程中气、液两相同位素分馏不平衡程度偏大，小于10则意味着在降水过程中存在蒸发作用的影响。全球大气降水线被证明是用来解释年平均降水同位素组成变化的一种有用的参考线。国内诸多学者根据IAEA同位素全球观测网站数据库提供的数据资料，对我国的降水同位素分布特征进行了研究。1980年，郑淑蕙等14]在南京.北京、昆明等地的8个台站收集了107个降水样品，并对其中101个样品的8D和6180进行了分析，利用最小二乘法求得我国大气降水稳定同位素“雨水线”方程为8D= 7.98180+8.2。本文根据西安站1985-1993年实测大气降水稳定同位素的数据资料以及该站的雨水样品分析结果，用最小二乘法拟合得到西安地区大气降水线方程为8D= 7.4888180+6.126，其判定系数R2= 0.92.见图1。

由图1可以看出，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很接近，但受气象条件、地理位置、水汽来源等因素的影响，斜率和截距都相对偏小。西安地区大气降水稳定同位素值的变化范围分别为：8D，- 122.7‰-0.8‰，平均值为- 48. 287‰; δ18O，- 17.02‰ - -1.1‰，平均值为-7. 267‰，变幅较大，但变化范围均处在我国以及全球大气稳定降水同位素的变化范围内。

Dansgaard W[is]根据GNIP 1962-1983年收集的数据资料，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，并且依据瑞利模型概括了全球大气降水氢氧同位素的温度效应、降水量效应等。国内学者根据全球大气降水同位素观测数据和中国大气降水同位素观测数据，也论证了氢氧稳定同位素的温度效应和降水量效应。此外，水汽压的大小以及水汽源地的初始状态、水汽输送方式、云中液态水含量等第二类（通常将影响大气降水氢氧稳定同位素的主要因素分为两类，第一类是纬度效应、温度效应、降水量效应等，除此之外的影响因素则归为第二类）因素同样对大气降水中氢氧稳定同位素的大小有重要影响。概括来讲，大气降水稳定同位素组成的主要影响因素有：①区域气候的气象环境，例如水汽由产生到传送到形成降水的全过程中D、O稳定同位素发生的变化和降水气团的性质、来源等;②区域局部的地理特征，包括降水时的温度、降水量和水汽压等各种气象要素以及海拔等。大气降水稳定同位素的组成和变化是这些因素相互作用的结果，对于某一个特定地区，其纬度和海拔是固定的，因此影响西安地区大气降水稳定同位素变化的因素主要考虑气温、降水量、水汽压、季节变化等。

2.2 西安地区大气降水同位素的降水量效应

降水量效应指的是8D和δ18O随月均降水量的变化而发生的变化，这一效应在我国多发生在降水比较丰富的低纬度地区以及东部沿海地带，这种现象主要可能是雨滴下降过程中的蒸发浓缩作用引起的。Ya-manaka T等[16]研究表明，受季风活动的影响，我国东部地区大气降水稳定同位素具有显著的降水量效应。大气降水中稳定同位素组成和空气湿度存在相关关系，所以降水的平均同位素即8D和6180值与降水量也存在着某种函数关系。西安地区大气降水稳定同位素8D和δ180与降水量之间的关系见图2。

由图2可知.δ180、δD与降水量关系曲线的斜率均为负值，且判定系数很小，说明在年尺度上，西安地区大气降水中稳定同位素的组成并没有随着大气降水量的变化呈现很大的贫化现象，即西安地区大气降水稳定同位素在年度尺度上不存在降水量效应，这与降水的复杂性和水汽来源有很大关系，局部气候的年际变化会改变大气降水中稳定同位素的数值，西安地区的这种现象与经典同位素理论中的降水量效应相一致，即稳定同位素的降水量效应主要发生在中低纬度沿海地区，在我国内陆区通常表现不显著，并且它的产生与大气强烈对流现象相关。

西安地区降水同位素的上限值随着降水强度的增大而明显降低，降水量和降水同位素在夏季的拟合关系为δ180= -0.039P-4.339。这说明西安地区大气降水同位素的降水量效应虽然在年尺度上不显著，但是在夏季该效应还是很明显的，必须加以考虑，不能忽视。

2.3 西安地区大气降水同位素的温度效应

章新平等[17]利用动力分馏模型模拟了产生在混合云（积云与层云的混合产物）中的稳定同位素效应。认为水汽云团的冷凝温度与降水稳定同位素8D和δ18O的相关关系比地面温度更为直接，同时得出了在月尺度、年尺度下降水同位素的温度效应和降水量效应。温度效应指的是δ值随月均气温的变化情况，在高纬度地区温度是影响大气降水中稳定同位素变化的主要因素，在南北两极表现得尤其明显，且越深入大陆内部，其正相关性越强[18]，这种现象在我国主要表现在季节温度变化比较大的地区，如我国西北地区的西安、乌鲁木齐、兰州等。

受海水浓缩蒸发、水汽团浓缩和降水分布的影响，降水稳定同位素会产生分馏现象，从而造成时空分布的差异性。Craig H提出的瑞利蒸馏方程可以描述这种分馏现象：

R_v/R_o=f（a-l）式中：Rv为剩余蒸汽的比值;Ro为原始水蒸汽的比值;f为蒸汽剩余部分;a为同位素的分餾系数[19]。

从瑞利蒸馏方程可以看出，温度是影响蒸发水体中稳定同位素分馏的主要因素，平衡分馏的进程完全取决于温度，瑞利蒸馏方程中剩余水中8D和δ18O的数值随温度变化而变化，因此大气降水中稳定同位素的组成有很强的温度效应。西安地区8D和δ18O与温度之间的关系见图3。

从图3可以看出，西安地区大气降水稳定同位素与温度均成正相关关系。综合各种统计结果来看，降水稳定同位素与温度的相关性很低，然而实际上却不是这样，原因是温度对于降水中同位素的分馏有重要作用，二者相关性很低主要是收集的资料序列较短造成的，若条件允许，则可以证明降水稳定同位素与温度存在良好的线性函数关系。国内学者研究分析也表明，我国高纬度地区大气降水中8D和δ18O与温度成正相关关系，而低纬度地区则为负相关关系。但是，在季节尺度上，大气降水稳定同位素的温度效应很轻微，甚至不存在，西安地区大气降水中8D和δ18O与温度的相关关系与之相符。

2.4 西安地区大气降水同位素的水汽压影响因素

在全球大气水循环过程中，水汽既是载体，同时又是相变的主体，因此大气降水稳定同位素的含量必会随着水汽压变化而变化。西安地区大气降水中稳定同位素与水汽压的相关关系见图4。

从图4可以看出，西安地区大气降水中8D、δ18O与水汽压均成负相关关系，且由该地区降水中8D与水汽压拟合得到的曲线斜率的绝对值大小可以得到，大气降水中稳定同位素8D与水汽压呈现较强（相对于δ18O）的相关性。同样，大气降水中稳定同位素δ180与水汽压也成负相关关系，但δ180与水汽压的相关性较差.用最小二乘法拟合的曲线情况也比较差。西安地区夏季主要接受太平洋东部东南季风以及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北内陆地区，因此稳定同位素沿途亏损较为严重。

3 结语

受西安地区局地特殊气候和地理环境的影响，大气降水线方程与全球大气降水线方程和中国大气降水线方程稍微偏离。温度效应和季节效应是影响西安地区大气降水氢氧稳定同位素的主要因素。

季节尺度上，西安地区大气降水稳定同位素组成同样发生着显著变化：夏季为大气降水同位素贫化时期，富集时期为春季;年度变化上，夏半年（一般指春分日到秋分日）降水同位素贫化偏负，冬半年（一般指10月至次年3月中旬）降水同位素富集偏正。西安地区夏季降水的水汽源主要来自太平洋东部的东南季风和印度洋的西南季风，相比东部沿海和低纬度地区干燥且湿度低，年均降水量小且蒸发非常强烈，降水量远小于蒸发能力。西安地区大气降水稳定同位素的温度效应比较明显，造成这种现象的主要原因是在西安这种比较干旱的西北内陆地区，温度升高后大气降水明显受到蒸发的强烈作用。

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【责任编辑翟戌亮】

收稿日期：2018-07-20

基金项目：国家自然科学基金资助项目（ 51569022）

作者简介：王兴（1993-），男，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向为节水灌溉技术与理论

通信作者：李王成（1974-），男，陕西勉县人，副教授，主要研究方向为节水灌溉技术与理论、农业水资源高效利用