
大气降水氢氧同位素组成特征及水汽来源探讨.docx
11页大气降水氢氧同位素组成特征及水汽来源探讨1引言氢(0 D)、氧(0 18O)稳定同位素是广泛地存在于自然水体中的环境同位素.自然水体通过蒸发、 凝聚、降落、渗透和径流等形成水分的循环,且在水分循环过程中产生同位素分馏现象,即较轻 的同位素(1H和16O)会先蒸发到气相中,同时较重的同位素(2D和18O)则先凝结到液相.降水是 水循环过程中的一个重要环节.大气降水中氢(0 D)、氧(0 18O)稳定同位素组成及分布主要受到 蒸发和凝结作用的制约,当云中的水蒸汽冷凝形成雨滴时,18O和D不断由潮湿的空气中优先冷 凝,当降水不断进行,降水中中重的18O和D不断被淋洗,则表现为降水中0 D和0 18O逐渐贫 化.大气降水中稳定同位素组成及分布与产生降水水汽来源的初始状态及水汽输送过程发生的变 化密切相关,同时,降水中氢氧同位素存在着大陆效应、温度效应、降水量效应和纬度效应等. 不同时间和区域大气降水的同位素发生有规律的变化,因此,国内外学者常借助降水中氢氧稳定 同位素变化来研究水汽的来源地域、水循环过程的历史信息、天气气候特征等.早在1961年,世 界气象组织WMO和国际原子能机构IAEA就已建立全球大气降水同位素观测网络,开始对大气降 水中同位素组成进行观测,为研究全球和局地大气环流及循环的机制提供同位素资料数据.我国 对降水中氢氧同位素的研究起步较早,大量的研究对大气降水稳定同位素组成与温度、降水量、 蒸发等因素进行了探讨分析并建立降水线方程,如我国较干旱的东北地区、西北内陆地区及华北 地区,较湿润的西南地区、华东地区和华南地区,这些基础数据为研究水循环特征提供了依 据.HYSPLIT后向轨迹模型主要用于降水水汽源的模拟和分析,确定各水汽源的来源和输送路径, 特别是基于聚类分析的结果具有较好的可信性,可用于确定不同水汽输送路径的权重比例.厦门地处东南沿海地区,是典型的亚热带季风气候区.虽已有学者对厦门岛内大气降水的同位素 分布特征及同位素值与温度、降水量等影响因素的关系进行了比较深入的探讨,积累了重要的原 始数据基础,然而观测点主要局限于厦门岛内单个点,对于整个厦门地区的降水同位素情况了解 不够全面.此外,对于降水水汽来源及输送路径缺乏模型模拟的分析,而关于水汽来源及输送路 径所占的权重比例研究更是未见报道.因此,本研究同步采集厦门地区6个站点的典型月份降水 来分析其降水中氢(0 D)、氧(0 18O)同位素值的变化特征,同时,利用测定的降水中0 D和0 18O 基础数据建立厦门地区大气降水线方程,并分析年尺度和月尺度下降水中稳定同位素值与降水量 之间是否存在显著的“降水量效应”.同时,采用HYSPLIT后向模型模拟厦门地区的水汽来源及 输送路径,并基于聚类分析的结果探讨不同水汽输送路径的权重比例.2材料与方法2.1监测布点本研究在厦门地区共设立6个雨水监测点(图1),分别为海沧新阳工业区(缩写XY)、翔安混合 区(缩写XA)、洪文商住混合区(缩写HW)、鼓浪屿商住混合区(缩写GLY)、坂头水库区(缩写BT)、 小坪森林公园(缩写XP).其中,坂头水库区和小坪森林公园为自然保护区,鼓浪屿作为厦门市重 要的旅游区.XP漳州市图1厦门地区大气降水采样点分布图2.2样品的采集与贮存降水样品的收集采用智能降水采集器(ZJC-II型,杭州恒达公司生产)自动搜集降雨.若一天中有 几次降水过程,可合并为一个样品测定;若遇连续几天降雨,则收集当日上午8: 00至次日上午 8: 00的降水,即24 h降水样品作为一个样品进行测定.为避免干沉降的影响,降水结束后0.5 h 内立即取回.采集的样品移入洁净干燥的聚乙烯塑料瓶中,密封保存.样品带回实验室后立即经 0.45 〃m的混合纤维素滤膜过滤后置于4 °C冰箱保存待测.所有样品在10 d内完成从采样到分 析的全过程.根据厦门沿海地区气象条件的特点,选取采样期降水量多的月份、并且可代表各个季节的典型月 份.其中,以2012年12月、2013年4月和7月分别代表冬季、春季和夏季,在6个站位共收集 到60个降水样品.2.3样品的分析 降水中氢氧同位素值的测定采用稳定同位素质谱仪(ThermoFisherTM MAT 253)、元素分析仪 (ThermoFisherTM Flash 2000)和Con FloIV连续流模式同位素质谱仪联用.分析过程中采用手动 进样,将0.1 p L降水样品注入裂解炉,在高温下形成的水蒸气与填充于裂解炉内的玻璃碳粒在 1400 °C下发生还原反应,形成的H2和CO混合气在He载气(流速100 mL • min-1)的携带下, 通过柱温90 C、内填0.5 nm分子筛的气相色谱柱分离,然后依次通过Con Flo 0导入稳定同 位素质谱仪的离子源内,实现单次分析中顺序同时测定6 D和0 18O.样品的标准样品为国际标样 SMOW(标准平均大洋水),样品测试一定量间隔插入标准样品的测试,用于检测仪器是否稳定,偏 差在5%以内可继续进行样品分析.测量精度6 D为±0.3%。
6 18O为±0.1%°.2.4轨迹模式简介本文中气团轨迹模型采用美国海洋大气研究中心空气资源实验室开发的HYSPLIT.模型所使用的 气象资料来自美国国家环境预报中的全球再分析资料,可在 ftp://arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/下载.通过HYSPLIT后向轨迹追踪模式来追踪厦门地区大尺 度上水汽输送路径,模式分别计算春季、夏季和冬季降水期间每天00: 00、06: 00、12: 00和 18: 00到达厦门地区的气团轨迹,既可覆盖连续性降水,也可提高追踪水汽来源路径的精确性, 并进行聚类分析计算出每组输送路径的比例权重.3结果与分析3.1大气降水6 D和6 18O的分布特征图2为厦门地区大气降水氢氧同位素的季节性分布图.厦门地区大气降水6 D和6 18O的波动范 围较大,6 D 在-93.61%o~16.14%o范围内波动,平均值为-32.29%o±26.69%o,而6 18O 在-11.98% 〜0.29%范围内波动,平均值为-5.40%°±3.13%°.研究表明,我国大气降水6 D的范围为-190%广 20%,6 18O的范围为-24%广2.0%与之比较,厦门地区大气降水的6 D和6 18O均落在我国大 气降水6 D值和6 18O值的范围内.1998年厦门岛内大气降水6 D值为-108%。
~-3.0%°,6 18O值 为-14.87%o~-2.17%o,而 2004—2006 年厦门岛大气降水6 D 值为-74.7%~7.3%°,6 18O 值为 -10.30%广-0.13%°.比较可知,本文研究期间厦门地区降水中6 D和6 18O变化幅度(分别为 109.75%和12.27%与1998年厦门岛降水中6 D和6 18O的变化幅度(分别为106%和12.7%) 高度一致,且均高于2004—2006年间厦门岛降水中6 D和6 18O的变化幅度(分别为82%和 10.7%反映出本文研究期间和1998年研究期间厦门地区可能经历了极端气候的影响(如2013 年的超级台风“苏力”和热带风暴“西马仑”,1998年的第10号台风).年均值i X¥GLY E R]-40%o-6懒7峋-10临冬春且各春夏琴存夏辱春以冬春夏冬春骚M夏 斧节 HW : GLY ; BT■年均战一腿-4%e-6%o-8%o-I0%oT4应各养夏客#夏冬看夏冬看夏琴春夏冬春夏冬春夏 季节图2大气降水0 D和0 18O的分布厦门地区冬、春、夏3个季节0 D值分别为-27.83%±8.77%0、-7.86%±8.07%。
和-61.17%土 4.85%而冬、春、夏3 个季节0 18O 值分别为-5.62%o±1.14%o、-2.18%±0.80%和-8.42%土 0.62%.厦门地区6个采样点0 D值和0 18O值均表现出显著的季节性差异,不同采样点降水的0 D和0 18O值均表现出春季最高,而夏季最低.厦门地区大气降水的氢氧同位素值呈现出显著的季 节特征,这种季节特征主要受到两个方面的影响:一是大尺度上的水汽来源,包括水汽的蒸发来 源和水汽在输送过程中同位素所发生的变化;另一方面是区域性的地理因素,其中,包含了温度、 降水量、相对湿度、采样点等各项因素的共同作用.研究表明,厦门地区季节变化的主要决定性 因素应是季风气候的影响.因此,本文首先利用HYSPLIT模式来模拟厦门地区春、秋和冬季降水 期间水汽的输送情况,勾画大气气团在一定时间内的运动路径,从而判断降水水汽的来源和输送 途径.后向轨迹聚类图(图3)中,线条的指向表示水汽的来源,线条的起伏波动表示水汽输送的 路径,线条的百分比表示该水汽输送路径占总的输送路径的比重.3.2后向轨迹分析降水水汽的来源 看厦门地区不同降水期间的后向轨迹图.根据后向轨迹的聚类分析,厦门地区夏季降水期间的气 团均来自温暖湿润的低纬度地区,主要是南海(36%)和西太平洋地区(64%),其具有湿度大、蒸发 较弱的特点.海洋湿润气团在向大陆移动过程中,沿途气团中的重同位素受到较强的冲刷作用, 使得其降水同位素值越来越贫化.由这两类气团带来的大量降水导致了厦门地区夏季降水的6 D 和0 18O值最低(分别为-61.17%o±4.85%o和-8.42%。
±0.62%卫克勤指出,台风中心经过的地 区常有大暴雨或特大暴雨,由于气团长距离迁移和降水量效应(即降水中稳定同位素比值与降水 量之间存在显著的负相关关系)导致台风雨0值相当低.2013年7月13日和7月19日,厦门地 区先后受到超级台风“苏力”和热带风暴“西马仑”的影响,由于该类气团本身的同位素值偏低 并且伴随着大量的降水,因此,该时间段0 D和0 18O值表现为全年最低值.“苏力”台风影响期 间,厦门地区0 D和0 18O最低值分别为-49.86%和-10.06%坂头),而热带风暴“西马仑”影 响期间,0 D和0 18O最低值分别为-86.01%和-11.45%坂头).受此类水汽影响,厦门地区夏季 0 D值(-61.17%o±4.85%o)和0 18O值(-8.42%±0.62%偏低,远低于冬季和春季的0 D和0 18O 值.厦门地区冬季降水期间有部分受到来源于北方亚洲大陆的气团输送(4%来自哈萨克斯坦).这一气 团经我国蒙古及华北地区,不经湿润的海域直接到达研究区域,气团输送过程中,由于气团干燥, 蒸发作用强烈而产生同位素富集,使得蒸发水汽中同位素值偏高;另外,来自西部近地源(华中地 区82%)的气团及14%来自俄罗斯的气团在传输过程中先进入东海海域再到达研究区域,从海上带 来的较为湿润的水汽对冬季降水同位素值偏低作出贡献.厦门地区冬季0 D值(-27.83%。
土 8.77%)和0 18O值(-5.62%±1.14%并未表现为年最高值,而低于春季的0 D和0 18O值,说 明带来低值同位素降水的水汽比带来高值同位素降水的水汽贡献大.春季降水期间气团来源较为复杂多样,有来自于俄罗斯(19%)和我国华北地区(52%)湿度低的冷空 气,也有来自于南海及南亚国家湿润气团(28%)的贡献.春季厦门有一场降水的0 D和0 18O值最 高,分别为0 D=5.782%,0 18O=-0.929%厦门地区观测期间受到内陆(西北内陆及俄罗斯)冷气 团的影响,由于其空气湿度较小,局地蒸发较快,因而降水中重同位素0 D和0 18O富集,导致 降水中同位值偏高.厦门地区春季(4月份)降水中同位素值最高,这与蔡明刚的研究结果是一致 的.春季同位素值的偏高除了与水汽来源有关,还与雨水在下降过程中受到强烈的二次蒸发作用 导致重同位素富集影响有关.厦门地区6个采样点降水的0 D和0 18O值春季和夏季无明显的时空分布规律,而冬季表现出随 地理位。












