台风“玛莉亚”期间福州、将乐降水δ18O变化特征及影响因素

蔡健榕，许 涛，杨云月，姜修洋

1.湿润亚热带生态-地理过程教育部重点实验室，福建师范大学 地理科学学院，福州 350007

2.南京大学 地理与海洋科学学院，南京 210023

大气降水是全球水循环的重要环节，氢、氧稳定同位素作为水分子的重要组成成分，对环境变化的响应十分敏感，常用于水文循环（Dansgaard，1964；Tian et al，2003；Cai et al，2017，2019）、古 气 候 重 建（Thompson et al，2000；Wang et al，2001）等研究中。华南地区的日降水δ18O特征显示出雨季较低、旱季较高的特征（Xie et al，2011；Ruan et al，2019），但台风作为天气尺度下典型的极端事件，目前对其降水同位素特征的研究还不多。Lawrence et al（2002）发现，热带气旋在降水时会留下独特的同位素特征，可能提供有关热带气旋的演化和结构信息。过去许多基于季节尺度的研究指出，降水量与δ18O之间具有反相关性，即雨量效应，然而最近的研究指出热带地区日降水δ18O与降水量之间的相关性很弱（Konecky et al，2019）。除雨量效应外，水汽源位置的不同在控制降水δ18O方面十分重要（Peng et al，2010；Xie et al，2011），水分源的位置决定了水蒸汽必须经过的距离，从而影响了降水δ18O。中国东南地区受台风活动影响强烈，台风常常为本地区带来极端降水，台风降水占比最高超过全年降水总量的40%（Zhang et al，2018），且台风降水δ18O具有不同于一般大气降水δ18O的特征（孙晓双等，2016），使得东南地区大气降水稳定同位素变化更加复杂。

当前关于台风降水稳定同位素已有少量研究。许涛等（2018）分析了台风“杜鹃”的降水稳定同位素变化特征及影响因素；孙晓双等（2018）研究了台风“灿鸿”在中国东部沿海北上四个城市降水同位素的时空变化特征及冲刷效应。Xu et al（2019）研究指出，台风降水δ18O值的极端偏负是受到“云雨区效应”的影响：即云雨区大规模对流，高冷凝效率和同位素耗竭蒸汽的再循环作用三个因素组合导致了台风期间降水δ18O值的极端偏负。但台风登陆东南沿海向内陆移动时，随着台风能量的削弱，降水减弱并混合当地的水汽，使得内陆的降水δ18O变化更为复杂。因此，沿台风登陆沿海并向内陆移动的路径，设置研究监测点有助于加强台风对区域降雨稳定同位素影响机制的认识。

当前，关于东南地区降水同位素的研究主要为月和日分辨率的大气降水研究（Xie et al，2011；Ruan et al，2019）。但台风的影响往往仅持续1 — 2天，已有的月降水和日降水数据不适于对台风降水稳定同位素的内部变化特征进行深入研究。本文通过对2018年第8号台风“玛莉亚”在2018年7月11日影响沿海福州和内陆将乐两地小时分辨率的降水同位素数据的分析及气象数据收集，结合水汽输送通量，探究台风移动过程中对区域降水稳定同位素的影响机制。

1 台风概况

2018年第8号台风“玛莉亚”（Maria）（图1，路径数据来源于中央气象台台风网，http://typhoon.nmc.cn/web.html），于7月4日20∶00（北京时间，下同）在美国关岛以东洋面生成，之后向西偏北方向移动并逐渐增强；于11日09∶10在福建省连江黄岐半岛沿海登陆，登陆时为强台风级，中心附近最大风力为14级（42 m ∙ s−1），中心最低气压约为960 hPa。登陆后向西北偏西移动，强度逐渐减弱，于20∶00在江西境内减弱为热带低压（图1）。台风“玛莉亚”具有登陆早、强度大、减弱快、位置北等特点，是1949年以来于7月登陆福建的台风中，强度最强、位置最北的，其结构紧实，最强降水及大风区集中在台风中心附近（孙劭等，2018）。

图1 2018年第8号台风“玛莉亚”路径图Fig. 1 The path of No.8 typhoon “Maria” in 2018

受台风“玛莉亚”的影响，福建沿海地区出现10 — 13级阵风、沿海岛屿14 — 16级，9个县（市）极大风速突破有气象记录以来7月极值（柳龙生等，2019）。福建省东北部和中部出现大到暴雨、局地大暴雨，部分地区累计降水量50 — 150 mm，局部地区达200 — 250 mm，其中福州64.9 mm，将乐44.3 mm。

2 研究区、数据与方法

2.1 研究区

本研究采样点分别位于福州和将乐。福州 地 处 福 建 东 北 部，位 于25°15′ — 26°39′N、118°08′ — 120°31′E，属于典型的中亚热带海洋性季风气候。全年平均气温为19 — 22℃，最热月平均气温在27 — 29℃，最冷月10 — 13℃，气温年较差大。平均相对湿度76% — 80%，年平均降水量为900 — 2100 mm，7 — 9月是台风活动期，平均每年直接登陆市境的台风约有2次，年平均台风降水量约为350 — 550 mm，约占总降水的25% — 60%（林小红等，2008）。将乐县地处中亚热带南部，武夷山脉东南麓，属湿润亚热带季风气候。近60 a来气象站（永安，距将乐县约100 km）资料统计，年平均气温19℃，1月平均气温9℃，7月平均气温28℃，年平均降水量约为1600 mm，集中于4 — 9月，约占全年的70%（姜修洋等，2012）。

2.2 数据

本研究采样点分别位于福建师范大学仓山校区 地 理 科 学 学 院（119°19′E、26°03′ N，31 m）的开阔楼顶和将乐玉华洞（117°30′E、26°42′ N，300 m）空旷地面，于2018年7月11日台风“玛莉亚”影响期间，以0.5 — 2 h不等的时间间隔对台风降水进行样品收集，共获取降水样品30组，其中福州13组，将乐17组。采样时使用干净的2 L烧杯接取雨水，每个样品采样结束后立即倒入50 mL及2 mL的PP材质无色塑料样品瓶装满，并用Parafilm封口膜密封，置于4°C冰箱冷藏保存。降水稳定同位素测试在福建师范大学地理科学学院稳定同位素中心完成，测试仪器为Picarro-L2140-i型同位素分析仪。δ2H和δ18O测试精度分别优于0.5‰和0.08‰，测试结果用相对于维也纳标准平均海水（V-SMOW）的千分差表示如下：

式中：R为2H / H或18O /16O。文中δ18O及d的平均值为降雨量加权平均数，计算公式为：

式中：δ18Oa为降雨量加权平均δ18O值，xn为降水δ18O值，da为降雨量加权平均d值，pn为降水量。

2.3 水汽通量

水汽通量又称水汽输送量，指单位时间内流经与速度矢正交的某一单位截面积的水汽质量（北京大学地球物理系气象教研室，1976），它表征了水汽输送的强度和方向，可用于反映暴雨过程的水汽来源，以及这种水汽输送和某些天气系统的关系（文宝安，1980）。水汽通量散度，指单位时间内单位体积中水汽的净流失量，为正则有水汽流失，为负则有水汽积聚，它表征输送来的水汽的集中程度，可用于探究暴雨出现在何处，雨量大小等（文宝安，1980）。

3 结果

3.1 台风大气降水线方程

受同位素分馏效应的影响，大气降水中氢氧同位素呈现线性相关的变化，被称作大气水线（meteoric water line，MWL），广泛应用于大气降水稳定同位素研究中（章新平和姚檀栋，1996；田立德等，2001；柳鉴容等，2009）。台风“玛莉亚”降水δ2H和δ18O呈显著线性相关关系，线性方程 为 福 州 市（MLY-Fuzhou）：δ2H = 7.30δ18O − 3.51（R2= 0.95，N= 13）、将乐县（MLY-Jiangle）：δ2H = 6.93δ18O − 4.37（R2= 0.99，N= 17）（图2）。两地降水线的斜率和截距比较接近，但均偏离全球大气水线（GMWL）：δ2H = 8δ18O + 10（Craig，1961）和东部季风区的局地大气降水线方程（LMWL）：δ2H = 7.46δ18O + 0.90（柳鉴容等，2009）。

图2 台风“玛莉亚”降水δ2H和δ18O的关系Fig. 2 Relationship between δ2H and δ18O in the precipitation of typhoon “Maria”

3.2 降水δ18O阶段性变化特征

3.2.1 台风“玛莉亚”降水稳定同位素时间变化特征

数据显示（图3），受台风“玛莉亚”影响，福州市采样点于7月11日上午09∶00左右开始降水，7月11日晚22∶00左右停止，降水量为64.9 mm，最大降水量出现在11∶00左右（22.3 mm），气温在23 — 24°C，相对湿度在83% — 94%，风力3—7级。台风降水期间，福州 降 水δ2H值 变 化 范 围 为 − 16.40‰ — − 80.50‰，振幅为64.10‰；降水δ18O值变化范围为 − 2.72‰ — − 10.52‰，振 幅 为7.80‰，降 水δ18O平 均 值为 − 8.42‰，低于福州夏季多年降水δ18O平均值 − 6.53‰（程中双和张永波，2015）。台风期间福州降水中δ18O值呈现倒U型变化特征（图3），可将其划分为3个阶段。阶段1（11日09∶00 — 10∶00）：降水δ18O值相对偏正，为 − 4.83‰ — − 7.04‰，平 均 值 为 − 6.55‰。此阶段降水量约19.3 mm，占降水期间总降雨量的29.7%。该阶段气温基本平稳，相对湿度迅速增加为90%；风力较强，为5 — 7级。此时台风“玛莉亚”中心距离采样点位置约31.7 — 70.0 km，处于云墙对流区。研究表明（方勉等，2019），台风登陆减弱时，外围螺旋雨带降水加强，削弱了云墙区对流的发展，使得这一阶段台风中心降水有所减弱。弱降水混合本地水汽导致该阶段降水δ18O值相对偏正。阶段2（11日10∶00 — 16∶00）：降水δ18O值显著偏负，变化 范 围 在 − 8.45‰ — − 10.52‰，振 幅 为2.07‰，平均值是− 8.95‰。该阶段降水量达45.1 mm，占台风“玛莉亚”总降水量的69.5%。此时“玛莉亚”中心距离采样点位置约24.9 — 175.2 km，受到台风云雨区影响。11日13∶30，“玛莉亚”中心距离采样点83.9 km，降水δ18O值最为偏负，达− 10.52‰。该阶段，气温保持在23 — 24°C，相对湿度达97%，风力为4 — 6级，蒸发引起的同位素分馏效应较弱。阶段3（11日16∶00 — 22∶00）：降水δ18O相对偏正，为− 2.72‰，此时段无明显降水，此时采样点距离“玛莉亚”中心220.5 km，处于“玛莉亚”外圈区域。

图3 7月11日台风“玛莉亚”期间福州及将乐采样记录Fig. 3 Sampling records in Fuzhou and Jiangle during the period of typhoon “Maria” in 11 July

将乐采样点降水开始于11日11∶00左右，结束于20∶00左右，降水量为44.3 mm，最大降水量出现在11日16∶00左右（15.4 mm）。台风影响期间，气温在24 — 26°C，相对湿度在88% — 98%，风力1 — 2级。与福州相比，将乐台风降水稳定同位素组成整体变化较大，整个过程降水δ18O值变化范围为−1.70‰ — −11.93‰，平均值为−10.06‰，振幅为10.23‰；降水δ2H值变化范围为−19.86‰ — −89.13‰，振幅为69.67‰。台风期间将乐降水δ18O值呈现“厂”字型的变化特征，可将其划分为2个阶段。阶段1（11日11∶00 —14∶00）：降水δ18O值相对偏正，为−1.70‰ — −7.54‰，平 均 值 为−5.55‰。此时段降水量约5.2 mm，占降水期间总降雨量的12%。该阶段气温基本稳定于24 — 26°C；相对湿度波动较大，为88% — 96%；风力较弱，为1 — 2级。此时“玛莉亚”中心距离采样点位置约91.4 — 164.6 km，受当地水汽影响较大，降水δ18O值相对偏正，形成台风前端降水。阶段2（11日14∶00 — 20∶00）：降水δ18O值显著偏负，变化范围在 − 8.42‰ — − 11.93‰，振幅为3.51‰，平均值是− 10.66‰。该阶段降水量为39.1 mm，占总降雨量的88%，“玛莉亚”中心距离采样点位置约35.2 — 76.2 km。11日18∶30降水δ18O值达到最偏负值− 11.93‰，距“玛莉亚”中心50.1 km。该阶段，气温保持在24 — 25°C，相对湿度大，空气中水汽接近饱和状态，风力平稳为1 — 2级，由蒸发引起的同位素非平衡分馏效应弱。

3.2.2 降水δ18O值的空间变化特征

前人研究表明，降水δ18O值的变化特征与台风中心到采样点的距离具有很好的相关性（Lawrence and Gedzelman，1996；Ohsawa and Yusa，2000）。Jackisch et al（2019）在对多次台风降水的研究中发现，台风离采样点越近，δ18O值越偏负。数据显示（图4），将乐采样点台风降水δ18O值整体上随距离的减小而更为偏负，与前人研究相符。但福州采样点的数据略有不同，这可能是由于采样点降水过程主要集中在“玛莉亚”登陆之后，降水初期台风中心距离采样点位置较近，但降水量较小，受蒸发作用影响强烈，降水δ18O值相对偏正。

图4 台风“玛莉亚”降水δ18O和采样点与台风距离关系Fig. 4 Relationship between δ18O and distance (sampling points and typhoons) in the precipitation of typhoon “Maria”

4 讨论

4.1 大气水线

研究表明（章新平和姚檀栋，1998；田立德等，2001），气候状况不同会使当地大气降水线的斜率和截距偏离全球平均水平8和10，表明该地区降水的不平衡条件，即降水产生于非瑞利条件下。福州、将乐两地降水线的斜率均小于8，表明降水经历了一定的蒸发过程。降水的再蒸发程度可能与不同环境中的相对湿度条件有关（Lee and Fung，2008）。章新平等（2003）发现在未饱和大气中的蒸发，水体中18O的富集程度一般要高于瑞利模式的结果，且相对而言，18O的富集速率比D快，从而造成实际蒸发中D/18O梯度的减小和常数项向负方向移动。由于福州、将乐夏季为副热带高压影响显著地区，台风“玛莉亚”登陆前后，降水较弱，采样点的相对湿度较低，蒸发作用强烈，使得降水δ18O值偏正（＞−7‰），数据点主要集中于GMWL和LMWL右下方。当台风云雨区影响采样点时，降水明显增强，相对湿度接近100%，大气中的水汽接近饱和，接近于平衡分馏状态。此时，台风降水δ18O值显著偏负（＜−7‰），数据点靠近LMWL分布（图2），这表明在此期间降水的再蒸发比较微弱。降水期间，福州相对湿度明显小于将乐，非平衡条件下的蒸发作用更为强烈，使得福州降水δ18O值更为偏正，数据点较将乐而言相对偏离GMWL和LMWL。

4.2 降雨量效应

福州和将乐的降水δ18O值变化范围分别为−2.72‰ — −10.52‰和−1.70‰ — −11.93‰。在将乐的阶段2中，降水δ18O值的变化范围为−8.42‰ — −11.93‰，平均值为−10.66‰，低于福州阶段2降水δ18O的平均值（−8.95‰）。台风“玛莉亚”降水期间，福州总降水量（64.9 mm）高于将乐总降水量（44.3 mm），但福州降水δ18O值较将乐偏正，这显然与降水量效应不符。前人研究表明（Xu et al，2019），当台风登陆陆地，海洋表层蒸汽供应被切断，同位素耗竭的蒸汽再循环随之停止。当台风向内陆移动并形成降水时，在连续冷凝过程中重同位素的降落会导致从沿海到内陆（福州到将乐）降水δ18O值的偏负。

4.3 云雨区效应

台风影响期间，福州、将乐两地阶段2降水δ18O值相对偏负，分别为−8.45‰ — −10.52‰和−8.42‰ — −11.93‰。Xu et al（2019）指 出 台风降水δ18O值的极端偏负是受到“云雨区效应”的影响：即云雨区大规模对流、高冷凝效率和同位素耗竭蒸汽的再循环作用三个因素组合导致了台风期间降水δ18O值的极端偏负。如图5所示，海水的δ18O值约为0，台风形成过程中，海水蒸发，水汽中率先富集较轻的16O，形成初始δ18O值偏负、大量富集轻同位素的云墙结构，水汽的δ18O值范围接近−10.5‰ — −14‰（杨杰东和徐士进，2007）。台风逐步发展时，由于其特殊的结构，极高冷凝的效率，使得登陆前云体中的δ18O值始终保持较为偏负的状态。台风登陆后δ18O值较为偏负的降水通过耗竭蒸汽的再循环作用被台风吸收，在沿路径的内陆地区降落时，使得降水δ18O值进一步偏负。由于福州、将乐两地位于中国东南，夏季受副热带高压影响显著，前端降水受强烈蒸发效应影响，降水δ18O值相对偏正，变化范围为−4.83‰ — −7.04‰（福州）和−1.70‰ — −7.54‰（将乐）。当台风云雨区的大规模对流影响采样点时，水汽迅速凝结降落，降水δ18O值偏负，变化范围为−8.45‰ — −10.52‰（福州）和−8.42‰ — −11.93‰（将乐）。随着台风深入大陆，外围环流水汽影响采样点，受到蒸发作用和局地水汽混合影响，降水δ18O值再次偏正，结果为−2.72‰（福州）。

图5 台风降水中的氧同位素分馏Fig. 5 Oxygen isotopic fractionations in typhoon precipitation

4.4 高程效应

福建省地势西高东低，海拔高度变化对降水同位素的影响不容忽视。降水过程中氢氧同位素存在明显的高程效应，即大气降水中δ18O和δ2H值随海拔高度增加而下降，海拔高度越高，高程效应越显著（顾慰祖，2011）。福州采样点海拔高度为31 m，将乐采样点海拔高度为300 m，福州降水δ18O平均值为−8.42‰，将乐为−10.06‰。Liu et al（2010）发现海拔是华南地区影响降水中δ18O的主要地理因子，其定量关系为−0.2‰ · (100 m)−1，即δ18O随高度增加100 m而消耗0.2‰。因而，除云雨区效应外，高程效应也可能是导致将乐地区δ18O值更为偏负的原因。

4.5 水汽源分析

图5显示了台风“玛莉亚”移动过程中整层水汽输送通量的变化。由图5可知，7月6日、9日、11日，台风“玛莉亚”由西北太平洋形成并向西北方向移动。7月6日“玛莉亚”位于美国关岛附近洋面菲律宾东部海域，携带大量西北太平洋水汽并逐渐增强至超强台风级。9日保持超强台风级向西北方向移动，水汽主要来自西北太平洋通道和印度洋通道。11日08∶00“玛莉亚”移动到福建东部，水汽主要来自西北太平洋通道、南海通道和远源的印度洋水汽通道。11日20∶00“玛莉亚”在向内陆移动过程中逐渐减弱，海上水汽源基本切断，降水主要由当地的水汽以及台风残留水汽提供。“玛莉亚”移动过程中最主要的水汽通道有三条：西北太平洋通道、印度洋通道及南海通道。

过量氘（d-excess），其定义为d=δ2H − 8δ18O，受制于相变过程中2H和18O分馏速率的相对差异，大小取决于水汽源区的气象因素（相对湿度、海表温度、风速等）（章新平等，2009）。d值反映了形成降水水汽团的同位素组成，含有水汽源区蒸发性质的重要信息，如蒸发过程的平衡或不平衡状态及蒸发速率（卫克勤和林瑞芬，1994）。整个降水期间，福州d值的加权平均值为2.64‰，将乐为6.79‰，二者均小于全球大气降水d平均值10‰和福州市夏季多年平均降水d值10.42‰，表明此次台风降水主要受海洋气团影响，这与图5所观察到的结果一致。对其进行阶段分析发现，台风“玛莉亚”降水期间，d值的变化与δ18O值十分相似。福州采样点阶段1的d值变化范围为−10.30‰ — −0.70‰，均值为−2.82‰；阶段2的d值变化范围为2.00‰ — 5.70‰，均值为3.96‰，阶段3为5.40‰（只含一个数据）。将乐采样点阶段1的d值范围为−6.24‰ — 5.93‰，均值为2.31‰；阶段2变化范围为−6.19‰ — 8.38‰，均值为7.39‰。但两地d值的相同阶段特征是否指示着一致的水汽源还有待进一步探究。

图6 整层水汽输送通量场及其散度场Fig. 6 Whole layer of water vapor transmission flux field and its dispersion field

5 结论

通过对台风“玛莉亚”影响期间福州、将乐两地降水δ18O值及相关气象数据分析，发现：

（1）台风“玛莉亚”大气降水线方程为：福州（MLY-Fuzhou）：δ2H = 7.30δ18O − 3.51（R2= 0.95，N= 13）、将乐（MLY-Jiangle）：δ2H = 6.93δ18O − 4.37（R2= 0.99，N= 17）。两地降水线的斜率和截距均偏离全球大气水线（GMWL）。福州地区降雨量明显小于将乐，非平衡条件下的蒸发作用更强，数据点较将乐更加偏离GMWL和LMWL。

（2）台风“玛莉亚”期间，福州降水δ18O的变化呈现出三个阶段的倒U型变化特征，将乐降水δ18O的变化呈现出两个阶段的“厂”字型变化特征，第二阶段台风降水δ18O值的显著偏负主要受“云雨区效应”的影响。台风向内陆移动并形成降水时，离登陆地较远的地区（将乐）δ18O值比登陆地（福州）更加偏负。

（3）水汽来源分析结果显示此次台风降水主要受海洋气团影响，台风移动过程中水汽主要来自西北太平洋、印度洋和南海通道。