淮河流域大气降水氢氧稳定同位素变化规律及其气候意义

张文杰，聂文婷，刘纪根，许文盛，韩素军，黄金权

(1.长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010； 2.水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心，武汉 430010；3.中冶华亚建设集团有限公司，武汉 460000)

1 研究背景

作为地表各圈层之间相互作用的纽带，水循环在形态变化和太阳辐射的驱动下参与自然界的能量交换和物质演化过程[1]。大气降水是水循环的重要环节，与水汽输送一起联系着海洋与陆地水库，其蒸发、冷凝始终伴随着氢氧稳定同位素的交换。氢氧同位素比值是不同质量核素相对丰度的体现，记录了自然界不同载体之间的差异性特征，在其参与的绝大多数水文过程中表现出规律性的分馏变化，这些灵敏且具有辨识度的优势使得氢氧稳定同位素成为水循环研究中记录水体运移轨迹和演化信息的良好指标。自20世纪50年代以来，水循环过程中氢氧稳定同位素的应用逐渐受到学术界的关注，全球范围有组织的监测和同位素分馏理论研究得到长足的发展[2-3]。国内大气降水氢氧稳定同位素的研究始于20世纪60年代的珠穆朗玛峰科学考察[4]。半个多世纪以来在基础数据监测、技术方法探索、成果创新与应用等方面取得了极大的进步，在研究区域上经历了从全国大尺度到地区小范围的发展过程，甚至集中到某一城市，更加具体地反映不同城市在温度平衡、二次蒸发、人为干预等方面的差异[5-10]。在研究内容上从最初关注的同位素分布特征、变化规律逐渐深入到引起变化的影响因素及驱动机理，尤其是随着测试精度的提高和理论的完善，水汽来源的数值模拟和同位素变化关系的定量化表达推动了研究从定性到定量的发展。

淮河流域地处我国南北气候的过渡带，双向季风作用下降水变化极不均匀，由此造成的洪旱灾害易发、多发[11]。据统计，1901—1948年的48 a期间，淮河流域共发生42次水灾；1949—1998年的50 a期间，先后出现了12次大旱，严重时甚至出现春旱连伏旱，伏旱接秋旱的严峻局面。因此，进一步认识淮河流域降水云团运移规律和水汽来源直接关系到流域水资源的变化，尤其是极端气候条件下洪旱灾害的形成。然而，目前关于淮河流域降水氢氧同位素的研究极少，且集中于同位素组成变化与降水量、气温之间的关系，并未揭示降水云团运移规律和水汽来源[12]。因此，本文以淮河流域降水同位素监测站点的多年数据为基础，讨论降水δ2H和δ18O时空变化特征，揭示其与温度、雨量、季风等气候信息之间的响应关系。根据同位素分馏理论和降水氘盈余变化规律，结合拉格朗日混合单粒子轨道(Hybrid-Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory，HYSPLIT)模型模拟，探讨双向季风作用下流域降水的水汽来源，以期深入认识流域水循环，为水资源调度管理、极端气候应对决策等提供科学依据。

2 区域概况

研究区淮河流域地处我国东部，地理位置上位于111°55′E—121°25′E，30°55′N—36°36′N，流域面积为27万km2(图1)。流域中部为广阔的平原，占流域总面积的2/3，西南和东北部为山丘区，占流域总面积的1/3[13]。

图1 淮河流域位置与水系

气候上淮河流域地处我国南北气候过渡带，以北属于暖温带区，以南属于北亚热带区。流域气候温和，年均气温为11～16 ℃，空间上呈现出由北向南、由沿海向内陆递增的规律，极端气温差高达68.6 ℃[14]。流域多年平均降水量约为920 mm，流域年平均水面蒸发量为900～1 500 mm，因跨越两个气候带，流域内降水量差别明显，大别山区降水量超过1 400 mm，而北部地区降水量甚至不到700 mm。同时，降水量年际变化较大，年内分配也极不均匀，汛期降水量占全年降水量的50%～80%。流域近地面风向(约1 500 m高度以内)以东北风为主，春季北风偏多，且主导风向不明显。

3 数据与方法

淮河流域降水同位素δ18O和δ2H值、降雨量、平均气温等数据资料均来自GNIP。大气降水的氢同位素比值(R=2H/1H)和氧同位素比值(R=18O/16O)采用传统同位素比质谱仪和激光吸收光谱进行测试分析。其中，2H和1H在自然界中的平均丰度分别为99.984 4%和0.015 6%，18O和16O平均丰度分别为0.200%和99.762%。测量结果以样品同位素比值相对标准样品同位素比值的千分偏差来表示,即：

δ18O=[(18O/16O)样品/(18O/16O)V-SMOW-1]×1 000‰；

(1)

δ2H=[(2H/1H)样品/(2H/1H)V-SMOW-1]×1 000‰。

(2)

式中：(18O/16O)V-SMOW为维也纳标准平均海水同位素值(Vienna Standard Mean Ocean Water)的氧同位素比值；(2H/1H)V-SMOW为相应的氢同位素比值。(18O/16O)V-SMOW=(2 005.2±0.45)×10-6，(2H/1H)V-SMOW=155.76×10-6。(18O/16O)样品为样品的氧同位素比值；(2H/1H)样品为样品的氢同位素比值；δ2H和δ18O分别为氧、氢的千分偏差，δ2H和δ18O同位素测试精度分别为±0.8‰和±0.1‰[15-16]。

HYSPLIT模型由美国海洋大气局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)设计，可用来追踪气流所携带的离子或气流移动方向，也可用来识别水汽源区与迁移路径[17-18]。该模型所使用的气象资料来源于美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)的全球再分析资料。本文基于实际降雨事件和气候参数，对淮河流域不同季节的典型连续降雨事件进行后向轨迹回溯(Backwards Trajectory)，并选取海拔500、1 000、1 500 m的初始高度模拟该次降水发生前5 d的气团运动轨迹。

4 结果与讨论

4.1 流域降水氢氧稳定同位素时空变化特征

4.1.1 同位素特征及其气候指示

淮河流域多年大气降水氢、氧稳定同位素值的变化范围分别为-78.40‰～-31.81‰和-11.38‰～-3.16‰，最大值与最小值均出现在西北边缘的郑州市，而位于东北部烟台的多年平均δ2H和δ18O变化相对较小(表1)。这一结果表明影响同位素组成变化幅度的驱动机制自东部沿海向西部内陆地区逐渐复杂。与国内其他大江大河流域相比，淮河流域的δ18O变化范围较小，在海河流域(-30.94‰～ 2.36‰)[19]、黄河流域(-17.46‰～-1.13‰)[20]、长江流域(-13.1‰～-1.51‰)[21]的变化范围内。仅从氧同位素组成来看，淮河流域的δ18O变化范围似乎接近于长江流域，但深入分析不同流域城市的降水同位素特征，则可以看出两者在降雨量、氘盈余、大气降水线方程方面差别明显。

表1梳理了淮河流域及其周边流域主要城市的降水氢氧同位素特征。对比分析不难发现，淮河流域降水同位素特征显著区别于北方的海河流域以及南方的长江流域。主要城市地区的氘盈余、大气降水线斜率和截距均表明高空云团的降水环境由南向北逐渐从暖湿转变为干冷，也就是说淮河流域处于南北气候的过渡带。这一点也可以从图2中城市尺度的氧同位素当量(同位素值与实际降雨量的乘积)反映出来。南北城市明显呈条带状分布：淮河以南的武汉、南京地区具有低氧同位素值高雨量的特征，属于北亚热带湿润季风气候；淮河以北的郑州、石家庄、烟台、天津地区的氧同位素和降雨量表现出相对适中的特征，属于暖温带亚湿润季风气候；而西北部的银川明显具有高同位素值低雨量的特征，属于典型的中温带干旱大陆气候。

另外，虽然淮河流域处于南北气候过渡带，但从大气降水的氢氧稳定同位素特征来看，更加符合北方地区气候类型。具体来讲，淮河流域的郑州、烟台与黄河流域的太原以及长江流域的武汉均具有相近的氘盈余(表1)。但前三者与后者在同位素组成和大气降水线方面差别较大，武汉因当地降水环境偏湿热造成氢同位素分馏速率快于氧同位素，表现出相对较高的同位素值、降水线斜率和正向截距。而烟台、郑州、太原处于干冷的降水环境，更利于氧同位素的分馏，表现出较低的同位素值、降水线斜率和负向截距。不过，在具体的气候因素方面，淮河流域又与更偏北的海河流域有所区别，例如，烟台、郑州地区的氘盈余和降水线特征明显不同于天津、石家庄地区。后者地理位置更偏北，但在图2中反而位于前者的下方，究其原因是因为夏季东北季风主导的极地海洋气团与东南季风主导的热带海洋气团在北太行山东部相遇，形成的降雨极锋给7月份的石家庄、天津带来更多的降雨量(149.3～153.2 mm)。

表1 淮河流域及周边流域的主要城市地区大气降水氢氧稳定同位素特征

图2 淮河流域及周边城市大气降水中氧同位素当量变化

4.1.2 同位素时空变化及驱动因素

淮河流域降水δ2H和δ18O随时间变化具有一定的周期性。图3显示出不同月份大气降水中氢、氧稳定同位素的变化关系。整体上，春季δ2H和δ18O变化呈现出单一式的增长，降水中重同位素的相对含量逐渐增加，至4月份达到最高值。同步升高的月平均温度和降雨量表明春季降水的δ2H和δ18O增加与温度相关，而雨量效应表现不明显。进入夏季，降水中的重同位素占比急剧降低，最低值出现在夏末秋初，此阶段的同位素组成与降水量、温度均具有较好的线性相关性(图4、图5)。只是同位素的降低伴随着温度的升高，不符合温度效应的同位素分馏结果[32]。因此，随着东南季风的盛行以及向内陆输送水汽量的增加，淮河流域夏季降水的同位素雨量效应越来越占主导地位。雨量效应的影响一直持续到秋初，但是从8月份开始，降雨量与温度开始降低，δ2H和δ18O短暂升高后维持在小范围内波动。这种重同位素的富集与季风演进交替有关，来自北方寒冷水汽的加入短时间内造成δ2H和δ18O的转折性变化，东南海洋水汽拉锯式的进退也导致整个秋季降水同位素组成表现出均衡的特征。随着温度的降低和东南水汽的后撤，这一平衡在冬季被打破，δ2H和δ18O快速降低，12月份的降水即出现极小值。与降雨量增大导致同位素偏负相比，冬季的极值更倾向于温度降低带来的偏轻同位素的富集，随后冬季的同位素组成表现出连续升高的趋势，与次年的春季变化保持连续(图3)。

图3 淮河流域降水氢氧稳定同位素组成的月度变化

图4 淮河流域郑州地区降水氢氧同位素组成与降水量的变化关系

图5 淮河流域郑州地区降水量与大气温度变化关系

从流域内大气降水氢氧同位素在空间上的变化来看，西部郑州地区变化范围(δ2H：-78.40‰～-31.81‰，δ18O：-11.38‰～-3.16‰)明显大于东部的烟台地区(δ2H：-55.87‰～-35.45‰，δ18O：-9.13‰～-5.62‰)。自西向东多年平均降水同位素组成相对趋于稳定，这与不同地区的地理位置和气候差异有关。以冬半年主导降水气团的变化为例，东北部烟台位于沿海地带，虽然同样属温带季风气候，但冬季主要受控于蒙古-西伯利亚高压极地大陆气团，而西北部的郑州则位于流域的内陆边缘，其降水除了受蒙古-西伯利亚高压极地大陆气团的影响外，大致从太行山脉和秦岭中间输送过来的西风急流也会给当地带来明显的降水。例如，同样位于西风急流带的西安地区，其月降雨量甚至存在7月份和9月份两个峰值。另外，流域内蒸发水汽对同位素的贡献有限，一方面，华北地区与世界上其它同纬度的地区相比，本身就属于低降水强区域；另一方面，太原地区降水同位素的研究已证明地表水体的蒸发对大气降水同位素组成几乎不产生影响[26]。因此，淮河流域的大气降水氢氧同位素组成的空间变化主要与不同季节的水汽来源有关。

4.2 大气降水线对流域降水环境的指示意义

全球大气降水线(Global Meteoric Water Line，GMWL)反映了水体在循环蒸发、凝结及降水过程中同位素分馏情况。Craig[15]将这种变化以线性方程的形式表达出来，即全球大气降水线性方程：δ2H=8.0δ18O+10.0‰。但对于某一局部地区，受当地温度、湿度、海拔等环境因素的影响，当地大气降水线与全球大气降水线有明显偏差[33]。根据淮河流域主要观测点的多年平均降水同位素组成，得出当地大气降水线方程为：δ2H=6.32δ18O-4.00‰(图6)，其降水线斜率和截距均偏离全球的平均水平，与郑淑慧等[34]报道的中国大气降水线(δ2H=7.90×δ18O +8.20‰)和Liu等[35]提出的东部季风区方程(δ2H=7.46δ18O+0.90‰)相比，其斜率和截距也相差较大。

根据同位素分馏效应，较低的斜率一方面可能归因于高空云团具有较低温度，在水汽冷凝过程中驱动能释放更多热量的重同位素优先进入雨滴，这似乎与淮河流域冬半年大气降水线斜率(δ2H=5.81δ18O-5.15‰)明显低于夏半年(δ2H=8.00δ18O+4.25‰)的实际情况相一致，但事实上无法解释为何气温更低的海河流域和东北地区反而具有较高的斜率[22-23]。另一方面，也可能是降水过程受到了蒸发的影响(云下二次蒸发)，雨滴在降落过程的蒸发作用越强烈，同位素分馏效应越明显[36-37]，如位于西北干旱区的德令哈地区，其大气降水线斜率为5.86[38]，黑河流域大气降水线斜率甚至达到4.14[39]。但淮河流域夏、春、秋、冬季蒸发量分别约占全年的40%、30%、20%、10%，也就是说蒸发量最大的夏季应当具有最低的斜率，这显然与实际情况不符。实际上，降水水汽的初始同位素组成也深刻影响着当地降水的同位素特征，只不过因其难以被直接观测到而常常被忽略。对比区域尺度上降水氢氧同位素的空间变化，不难发现无论是由北向南(东北地区—海河流域—淮河流域)[40]还是由南向北(珠江流域—长江流域—淮河流域)[41]，当地大气降水线的斜率依次降低，说明淮河流域上空降水的初始同位素组成本身具有较低的斜率。而且，这种斜率降低的趋势与冬、夏季风的行进方向十分一致，即季风输送水汽的不断消耗伴随着当地大气降水线斜率的不断降低，甚至当冬、夏季风相遇后造成长时间的“黄淮雨季”，并在同位素组成方面表现出均衡变化的特征[42]。因此，有理由推断局地降水环境对淮河流域大气降水线斜率变化的贡献有限，水汽移动过程中的同位素分馏是低斜率的主要原因。

另外，当地大气降水线的截距也能反映初始降水云团氢氧同位素的组成。淮河流域大气降水线具有较低的截距值-4.00，与长江流域的9.60和黄河流域的1.43差别较大，但是接近于季风期海河流域的-4.63，表明流域水汽在移动过程中明显发生了同位素分馏。这种分馏从当地降水线与全球降水线的交点来看更加明显，因为与来源地水汽相比，交点从某种程度上可以反映未经过明显分馏的降水同位素组成。从图6可以看出黄河流域、淮河流域与全球大气降水线的交点十分接近，表明两者应当具有相似的水汽来源，但两者完全不同的降水线斜率和截距恰恰表明在后续的水汽运移和降水过程中，差异性的局地气候主导了降水同位素组成的分馏演化。

图6 淮河流域大气降水线

4.3 淮河流域大气降水的水汽来源

4.3.1 氘盈余示踪水汽来源

根据瑞利分馏理论，具有相同水汽来源的降水，其同位素组成随着水汽运输和不断消耗而发生变化，这种变化除了与降水过程中的气温、降雨量、二次蒸发等条件相关外，同时也受控于初始来源的同位素组成。初始水汽的来源信息可以在一定程度上由氘盈余(d)加以反映。这是由于氘盈余记录了大气降水因地理气候因素偏离全球大气降水线的程度，即水汽蒸发、凝结降水过程中同位素的分馏与变化。Dansgaard[43]将氘盈余定义为d=δ2H-8δ18O，其主要的影响因素是蒸发过程中气温、相对湿度、风速、海洋表面粗糙度等[44]。

整体上淮河流域除了郑州地区的6月份d<0以外，其余所有月份降水的d均>0(图7)。从季节变化来看，春季大气降水d分布范围为5.2‰～13.9‰，其变化趋势与冬季完全相反，从12月份的高d极值急转直下，不断降低，与之对应的是淮河流域春季的温度和降雨量(分别为4.80～20.60 ℃和91.60～136.40 mm)均高于冬季(分别为-0.70～2.50 ℃和36.70～45.40 mm)，而且春季降水中氢氧同位素值逐渐增加的趋势也与冬季相反。考虑到10月份之后冬季淮河流域主要受北方蒙古-西伯利亚高压极地大陆气团和沿秦岭西风急流的影响，并且春季1月份之后风向逐渐以东风和东南风居多，推测水汽来源的改变是造成春季降水d值下降和同位素值升高的原因，这一点可以从图7中2月份和4月份“倒春寒”引起的d短期升高加以验证。

图7 淮河流域及周边典型城市地区氘盈余的时间变化特征

夏季淮河流域降水d延续了春季的降低趋势，直至达到全年的最小值(图7)，如郑州6月份降水的d甚至达到-1.5‰，这是因为随着夏季风的盛行和北方大陆冬季风的退出，海洋上副热带高气压西伸北进，从北太平洋副热带高气压散发出来的东南季风带来丰沛的降水，而北半球夏季洋面高温、湿润的环境减缓了蒸发过程中氢氧元素之间的不平衡分馏，使得该时间段的来源水汽具有低d特征，也就是说淮河流域的夏季降水主要来源于夏季风输送的海洋气团。

秋季降水d继续增加，郑州降水d从夏季最低的-1.5‰增加到秋末的7.5‰(图7)。多年气象资料显示秋季大雨、暴雨期间的风向以西北风和北风为主，说明来自北方的高压气团逐渐增加，并伴随着东南海洋水汽的减弱，这种南进北退的降水格局最终导致夏、秋两季淮河流域的降水d变化出现明显的“V”型特征。

冬季降水d变化与秋季增加趋势一致，较高的d(变化范围为5.60‰～22.00‰)表明水汽来源地具有干冷的特征(图7)。事实上，10月份到来年2月份是北方大陆冬季风的盛行时期，受西风带的影响，来自高纬度的大西洋、北冰洋冷湿气流经过亚洲西伯利亚高压区时进一步降低了水汽云团的温度[45]，造成淮河流域冬季降水具有较高的d。总体而言，淮河流域大气降水d的季节性变化与水汽来源密切相关，和北方天津地区和南方南京地区的“U”型趋势相比，其尖锐的“V”型特征表明淮河流域是我国冬季风和夏季风强烈的交替作用地区，加上大气降水氢氧同位素的条带性分布规律，充分证明淮河一线是我国南北气候的分界线。

4.3.2 气候模型模拟水汽来源

淮河流域大气降水氘盈余从氢氧同位素分馏的角度反映了区域降水水汽来源，为了进一步揭示气团移动路径，本文采用HYSPLIT模型后向回溯不同季节的典型连续降雨轨迹(见图8)。

图8 淮河流域大气降水轨迹模拟

如图8所示，模拟结果与大气降水氢氧同位素的分析结论一致，即，淮河流域从春季开始冬季风逐渐减弱，蒙古-西伯利亚高压极地气团的水汽输送不再是流域降水的主导来源。2020年春季降雨量>20 mm的气团移动路径也表明1 000～1 500 m高度的水汽来自气温偏暖的南方蒸发水汽或海洋水汽(图8(a))。随着冬季风的北退，夏季淮河流域盛行东南季风，5月份初东亚南支西风急流消失并与北支合并，随后来自南方和东南方海洋的湿润水汽在江淮流域与冷空气长时间相持，形成极具地域特色的“梅雨”(图8(b))。夏末秋初，季风带来的降水云团仍可以到达华北平原，但从北向南迅速推进的冬季风使得降水云团发生明显的折转南退，9月份夏季风开始从黄河以北退到长江流域，10月初到达华南(图8(c))。10月中旬以后，东亚高空西风急流开始增强，代表着冬季风的盛行和爆发，蒙古-西伯利亚高压极地大陆气团输送的水汽构成冬季淮河流域降水的主要水汽来源(图8(d))。

5 结 论

(1)淮河流域多年大气降水氢、氧稳定同位素值的变化范围分别为-78.40‰～-31.81‰和-11.38‰～-3.16‰。流域及周边地区降水的氧同位素当量呈条带状分布，与各自的气候类型一致。流域内主要城市地区的降水氘盈余、大气降水线斜率和截距均指示其南北气候过渡带的特征。

(2)淮河流域大气降水同位素组成在时间变化上表现出明显的雨量效应，在空间变化上自西向东趋于稳定，其大气降水线方程为：δ2H= 6.32δ18O-4.00‰。这种同位素变化格局及异常低的大气降水线斜率、截距与局地降水环境关系不大，主要由差异性的水汽来源及降水气团在移动的过程中的同位素分馏造成。

(3)淮河流域大气降水水汽来源及变化主要受季风活动的控制。冬、夏季风的交替进退使得氘盈余变化区别于北方天津地区和南方南京地区的“U”型趋势，具有明显的“V”型特征。HYSPLIT模拟结果表明淮河流域夏半年的降水主要来自东南季风输送的海洋气团，冬半年降水主要由蒙古-西伯利亚高压极地气团贡献。