石家莊地區大氣降水氫氧同位素特征分析

朱藝文+張福平+王虎威+劉筱

摘要：研究大氣降水中氫氧同位素的特征能夠揭示水循環規律。依據全球氫氧穩定同位素監測網（GNIP）提供的大氣降水穩定同位素資料，選擇石家莊地區1985―2003年的資料數據，結合氣象資料和水汽來源，分析了石家莊地區大氣降水氫氧同位素的特征及變化規律，并建立了局地大氣降水線方程。結果表明：石家莊地區大氣降水的18O春季最為富集，冬季最為貧化，夏秋兩季相近；局地大氣降水線方程為δD=6.39δ18O-3.75，斜率和截距明顯小于全球和中國大氣降水線方程，反映該地區偏干旱的氣候特征；年尺度上，石家莊地區大氣降水δ18O和δD具有一定的溫度效應，但降雨量效應極為微弱，只在春夏季較為顯著，表明該地區降水同位素受溫度的影響作用更大。

關鍵詞：大氣降水；氫氧同位素；大氣降水線；同位素效應；石家莊

中圖分類號：S161.6文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2017）05-0116-08

Analysis on Characteristics of Stable Hydrogen and

Oxygen Isotopes in Precipitation in Shijiazhuang

Zhu Yiwen， Zhang Fuping， Wang Huwei， Liu Xiao

（College of Tourism and Environment， Shaanxi Normal University， Xian 710062， China）

AbstractThe study on characteristics of hydrogen and oxygen isotopes in precipitation can reveal the regularity of water cycle. Based on the GNIP data， choosing the data of Shijiazhuang area from 1985 to 2003，combined with the meteorological data and the source of water， the characteristics and change regularity of atmospheric precipitation hydrogen and oxygen isotopes were analyzed and the local meteoric water line was established. The results showed that the 18O value of precipitation was the highest in spring， the lowest in winter， and the values in summer and autumn were close. The equation of local meteoric water line was δD=6.39δ18O-3.75. The smaller slope and intercept compared with the global and national atmospheric precipitation reflected its arid climate characteristics. The δ18O and δD of atmospheric precipitation in study area had certain temperature effect，but the precipitation effect was very weak， which was only significant in spring and summer.It indicated that temperature had more effects on precipitation isotopes in this area.

KeywordsPrecipitation；Hydrogen and oxygen isotope；Meteoric water line；Isotope effects；Shijiazhuang

穩定同位素18O和2H（氘，符號D）作為自然界水體中的天然示蹤劑，能夠敏感地記錄水體信息，響應環境變化。大氣降水作為水體循環的重要環節，是連接大氣圈層和陸地圈層的紐帶，其同位素的變化也影響著整個水文循環過程同位素的變化[1]。同位素的分餾作用貫穿于所有的大氣降水過程中，氫氧同位素的組分比率也常發生改變。降雨的水汽來源、運移過程、大氣環流及當地的氣候環境往往是影響同位素組成變化的重要因素[2-4]。因此，大氣降水的同位素變化特征不僅能夠很好地反演大氣過程，追溯水汽來源，反映全球與區域的氣候特征[5-7]，也能夠反映大氣水汽循環的整個歷史[8]，有助于深入了解地球化學和水循環過程。此外，研究大氣降水的氫氧同位素也為揭示地下水循環規律、重建古氣候及古環境的演化提供了一定的基礎[9，10]。

國際上對大氣降水同位素的研究最早始于20世紀50年代[8]，1961年在國際原子能機構（IAEA）和世界氣象組織（WMO）的合作下建立的全球氫氧穩定同位素監測網（GNIP），奠定了在全世界范圍內開展大氣降水同位素監測的基礎。我國的降水同位素監測研究起步較晚，1983年以前GNIP在我國只有香港一個站點[11]，之后又建立了烏魯木齊、銀川、昆明、桂林等長期觀測站點[12]。迄今，我國的大氣降水氫氧同位素研究已取得較多進展。鄭淑蕙等[13]通過較短采樣期的同位素研究，最早提出了中國范圍內的大氣降水環境同位素的背景值[14]。劉進達等[15-17]基于中國在GNIP各個站點的數據資料，最早探討了中國大氣降水的穩定同位素時空分布規律以及影響同位素組成和分布特征的主要因素。進入21世紀以來，基于各個局地站點的大氣降水同位素研究開始涌現，諸如香港、廈門、桂林、烏魯木齊等地的研究，一定程度上揭示了各地區的穩定同位素變化特征和氣候特征。對于區域的研究，國內學者對青藏高原地區、東南季風區、西南季風區、西北、東北等地區的研究已相當深入。

石家莊市地處中緯度歐亞大陸東緣，臨近渤海海域，屬于溫帶季風氣候區。市域跨太行山和華北平原，西部地處太行山中段，東部為沖積平原，平均海拔80 m。年均溫度為12.9℃，年總降水量為401.1～750.2 mm，空氣年平均濕度為65%。該地區四季分明，寒暑明顯，雨量多集中在夏秋兩季。夏季（6―9月份）受海洋溫濕氣流的影響，降水占全年降雨量的63%～70%，尤其7―8月份空氣濕度可達100%；秋季晴朗少雨，但空氣濕度平均也為78%。石家莊地區位于南部季風區和東北季風區區間，敏感的過渡地帶使其大氣降水氫氧同位素變化的影響因子更為復雜。雖然已有大范圍區域上對華北地區降水同位素的研究[18-20]，但都是基于區域特征和性質的整體探討，僅對石家莊地區進行詳細同位素特征分析和水汽來源深入分析的研究甚少。本研究在分析石家莊地區大氣降水穩定同位素特征及其與氣象要素之間關系的基礎上，結合大氣降水水汽來源，深入分析了石家莊地區大氣降水的氫氧穩定同位素變化機制，以期了解該地區的水汽輸送過程和區域水循環規律，為該地區氣候變化規律的研究和預測提供依據，并有助于石家莊地區水資源的合理利用和保護。

1數據來源與研究方法

本研究所引用的石家莊大氣降水同位素資料（1985―2003年，其中1992―1995年數據缺失）來自于全球大氣降水監測網（GNIP），可從http：//isohis.iaea.org網址直接下載，包括全球觀測站點的δ18O、δD值以及降水量、溫度和水汽壓等氣象數據。所有監測數據的記錄日期均為每月15日，因此同位素數據代表上個月份下半月和本月份上半月的平均值。

氫氧穩定同位素的δ值分別用降水中各自同位素的比率（D/H）和（18O/16O）相對于維也納標準平均海洋水VSMOW的千分差表示：

式中：δavg為氫氧同位素算術平均值；δwei為氫氧同位素降水量加權平均值；Pi為月降水量；δi為月降水同位素。氫氧同位素算術平均值可反映地區總的氣候狀況，而氫氧同位素降水量加權平均值可反映雨水對同位素濃度的影響[21]。

2石家莊地區大氣降水的氫氧同位素特征分析

2.1大氣降水中δ18O和δD的季節變化特征

根據所獲取的資料數據（表1、表2），石家莊站點大氣降水的δ18O變化范圍為-16.0‰～-0.3‰，平均值為-7.54‰；δD變化范圍為-111.3‰～0.7‰，平均值為-51.9‰，變化幅度較大，但均處于鄭淑慧等[13]得到的我國降水δ18O（-24‰～2.0‰）、δD（-190‰～20‰）的大致范圍之中。

大氣降水中穩定同位素比率的大小受氣象條件的制約。按照繆啟龍等[22]對中國的四季劃分，采用石家莊地區春季4―5月、夏季6―8月、秋季9―10月、冬季11月―次年3月的劃分結果，分析了該地區δ18O和δD的季節變化特征。結果（表1和表2） 表明，石家莊地區大氣降水的氫氧穩定同位素季節變化特征均表現為春季>秋季>夏季>冬季。

由圖1可以看出，石家莊地區大氣降水的δD和δ18O降水量月加權平均值隨時間的變化趨勢相似。由于在大氣水循環過程中，δ18O的變化受水汽和蒸發作用的影響極為顯著[21]，因此以δ18O為例探討氫氧穩定同位素的變化特征。整體上石家莊地區大氣降水的δ18O呈現夏半年（4―10月）高、冬半年（11月―次年3月）低的特點，具有典型的溫帶季風氣候降水特征[23]。春季是同位素最為富集的時期，δ18O降水加權平均值最高值出現在5月份；冬季最為貧化，δ18O降水加權平均值最低值出現在1月份；夏、秋兩季δ18O也較為富集，且變化幅度相對較小。造成降水中穩定同位素季節差異的原因可能是：（1）研究區處于東亞季風區，受冬夏兩季不同的季風氣候影響，大氣降水的水汽來源不同；（2）水汽在運輸及凝結降落過程中受當地地理因素及氣象因子的影響，同位素發生不同程度的富集和貧化，從而造成δ18O值的季節差異。

2.2石家莊地區大氣降水線和氘盈余

2.2.1大氣降水線大氣降水線是指某一地區某一階段內降水中δD與δ18O之間的線性關系，可以較好地反映研究區域的自然條件，這對于研究水循環過程中穩定同位素的變化具有重要意義，也是水文地質研究中應用的主要依據。Craig[24]通過分析全球范圍內的降水樣品，得出全球大氣降水線（GMWL）：δD=8δ18O+10。降水線的斜率反映了穩定同位素D和18O之間分餾效應的對比關系，截距則反映氘對于平衡狀態的偏離程度，由海洋表面蒸發時的動力同位素效應引起[25]。GMWL為各局地大氣降水線（LMWL）同位素組成提供了參照和標準，但由于各地地理因素、氣象條件和降水過程的差異，各個站點的LMWL與GMWL相比都會發生一定程度的偏離。已有學者對我國及各局地大氣降水同位素資料做了分析，如鄭淑蕙等[13]提出我國大氣降水線方程為δD=7.9δ18O+8.2。

依據GNIP所提供的δD和δ18O數據資料，用最小二乘法得到石家莊地區大氣降水線方程為δD=6.39δ18O-3.75（R2=0.879）（見圖2）。該方程的斜率和截距均明顯小于我國大氣降水線方程，同柳鑒容等[26]提出的東部季風區局地大氣降水線方程（δD=7.46δ18O+0.90，R2=0.94）相比，斜率和截距也偏小。表明，石家莊地區局地環流的水汽來源復雜，不同水汽來源地具有不同的氫氧穩定同位素比率，且該地區的蒸發模式較全球大氣降水線有很大不同，降水過程中也進行一定程度的二次蒸發。

2.2.2大氣降水氘盈余的變化依據全球大氣降水線GMWL，Dansgaard[8]引出了氘盈余（d）的概念，并將其定義為d=δD-8δ18O。由于各地大氣降水線方程同GMWL都存在一定程度的偏離，因此各地區的氘盈余也會不同。海水是大氣降水的主要來源，在海水的水汽蒸發速率和凝結速率相等時，d值為0，而全球大氣降水的d值為10。因此，d值的季節變化和地區差異本質上受制于大氣降水在相變過程中D和18O分餾速度的相對差異，這不僅與形成降水的水汽源地的相對濕度、溫度和風速等有關，還與當地形成降水時的水汽平衡條件和氣候條件有關[27，28]。已有研究表明[24]，當水汽源地相對濕度較高時，d值較低，反之較高；在干旱條件下，強烈的蒸發作用導致動力分餾系數增加，從而d值也升高。

根據對石家莊地區d值各月份的統計結果（圖3），石家莊地區的氘盈余（d）月均值變化范圍為1.16‰～19.70‰，冬半年（11月至次年3月）整體來說明顯高于夏半年（4—10月），且冬半年d值大多在10‰以上，而夏半年多小于10‰，呈現d值冬高夏低的季節特征。這與我國東部季風區如南京、天津和哈爾濱等地區d值的季節特征一致，但與西北地區的烏魯木齊、青藏高原地區及西南地區的昆明等地的d值季節變化正相反。

3降水同位素的環境效應分析

大氣降水同位素的環境效應指同位素與各氣象因子之間的相關關系。每個地區由于地理和氣候條件的不同，對同位素變化產生作用的主導因子也會有所差異。研究表明，我國降水穩定同位素時空變化主要受降水量效應和溫度效應的控制，季風區表現為降水量效應，非季風區表現為溫度效應[29，30]。在我國東部季風區，影響降水中δ18O的主導因子有降雨量、溫度、水汽壓和風速風向等[26]，其中，溫度和降水量的作用尤為突出。

3.1降水中δ18O和δD的溫度效應

大氣降水同位素的溫度效應指同位素組分與溫度的變化呈正相關關系。在影響降水同位素組成的諸多因素中，溫度是與之變化關系最密切的[31]。氣溫通過改變大氣降水中同位素的分餾系數α而影響δ18O值，溫度越低，α越大，降水中δ18O值也越低。但只有當大氣降水中δ18O含量基本穩定時，氣溫和δ18O才表現出明顯的正相關關系[32]。溫度效應一般在中高緯度內陸地區表現明顯，緯度越高、越深入內陸地區，溫度效應越明顯[17]。

在年尺度下，對石家莊地區所有年份的δ18O和δD同溫度數據進行擬合，得到δ18O與溫度t的線性方程為δ18O=0.11t-9.25（R2=0.100），δD與溫度t的線性方程為δD=0.059t-61.52（R2=0.071）。在季節尺度下，對石家莊地區四季的δ18O與溫度t變化關系進行線性擬合（圖4），得到春季的擬合方程為δ18O=-0.04t-3.19（R2=0.003），夏季為δ18O=0.08t-9.8（R2=0.004），秋季為δ18O=0.07t-8.98（R2=0.009），冬季為δ18O=0.5t-10.55（R2=0.34）。同理，對大氣降水的δD與各季節的溫度t進行線性擬合（圖4），線性方程分別為春季：δD=-0.067t-28.49（R2=0.0001）；夏季：δD=0.88t-78.3（R2=0.01）；秋季：δD =0.29t-55（R2=0.003）；冬季：δD=2.62t-69.51（R2=0.200）

δ18O、δD與溫度之間的相關性如表3所示，可見，除春季之外，夏、秋、冬均顯示出一定的溫度效應，其中冬季氫氧穩定同位素與溫度的相關性達極顯著水平（P<0.01）；但在年尺度上，δ18O和δD與溫度的相關性也較強，達0.01顯著水平。有研究表明，我國青藏高原北部地區和西北地區溫度效應明顯，而南方季風區和大部分東部季風區溫度效應則非常弱[33]，可見，石家莊地區降水同位素的溫度效應更接近北方內陸地區的特征，但其顯著性較低，不及西北地區該特點典型。

3.2降水中δ18O和δD的降雨量效應

大氣降水同位素的降雨量效應指同位素組分與降雨量的變化呈負相關關系。Dansgaard[8]經過觀測全球各站、臺的大氣降水同位素資料，發現δ18O與年月降水量之間存在很好的負相關性，降水量越大，δ18O值越小，特別是暴雨時期δ18O值更低[34]。研究表明，在等溫條件下，水汽從潮濕的空氣中形成液態將服從瑞利分餾模式，所以產生降雨量效應的原因可能與雨滴降落過程中的蒸發效應和環境水蒸氣交換有關[35]。一般認為，降雨量效應在低緯度海洋與海岸、海島地區較為顯著。蔡明剛等[28]提出“降雨量效應”的重要條件之一是研究區域內降水的水汽來源較單一，而在季風區，季風可能是造成該效應的深層機制之一。

在年尺度下，對石家莊地區所有年份的δ18O和δD同降雨量P進行線性擬合，得到該地區δ18O與降雨量的線性關系：δ18O=-0.005P-7.27（R2=0.010），δD與降雨量的線性關系：δD=-0.044P-49.31（R2=0.020）。在季節尺度下，通過線性擬合分別得到四個季節δ18O與降雨量的關系方程：春季為δ18O=-0.03P-2.96，R2=0.114；夏季為δ18O=-0.008P-6.76，R2=0.142；秋季為δ18O=-0.017P-6.94，R2=0.056；冬季為δ18O=0.003P-9.34，R2=0.0001。同理可得，石家莊地區大氣降水不同季節的δD與降雨量的線性關系分別為春季：δD=-0.24P-20.27，R2=0.17；夏季：δ=-0.06P-48，R2=0.13；秋季：δD=-0.14P-43.33，R2=0.08；冬季：δD=0.11P-64.54，R2=0.003（見圖5）。

δ18O和δD與降雨量之間的相關性（表4）表明，除冬季外，石家莊地區其他季節均表現出一定的降雨量效應，其中夏季的降雨量效應在0.05置信水平上達顯著水平，而δD在春季與降雨量的相關性最強，也達顯著水平。從全年尺度來看，氫氧穩定同位素與降雨量均呈負相關，但相關系數極低。

4討論

本研究結合石家莊地區降水水汽來源以及溫度、降雨量等氣象要素，對該地區δ18O值的季節變化特征進行了分析，結果表明，1―5月份大氣降水中的同位素呈上升趨勢，且5月份δ18O達到一年中的最大值；但1月和2月值仍較低，主要是因為冬季石家莊地區受來自遙遠的西北地區的高壓所控制，水汽遙遠的輸送路程使同位素一路貧化，且氣候干燥，降雨稀少，使該時段同位素達到一年中的最低值；隨著春季的到來，溫度上升快，風速較大，蒸發強烈，影響該地區降雨的水汽團主要為近地水源，雨滴在降落過程中不斷蒸發，致使雨滴中重同位素不斷富集，同位素持續走高。6―7月份同位素含量有所降低，這是由于春夏過渡階段，該地區已逐漸受海洋水汽的影響，降雨成為影響同位素變化的主要因素。夏季石家莊地區的降水水汽主要來源于孟加拉灣、我國南海和西太平洋以及高層中高緯度西風帶水汽的輸送[36]，是一年中降水最為充沛的時期，水汽中所帶氫氧同位素相比大陸性氣團較低。8月份較之7月份，同位素值相對偏高，是降雨量效應的體現。9―11月份δ18O值又有升高趨勢，主要是因為秋季大陸季風到達之前，依然是近地水源的局地水循環二次蒸發影響該地區的降雨，但由于近地水源大多來自夏季降雨，其較低的同位素含量影響了秋季降雨中的同位素比率。春季極低的降雨量和干燥的大氣環境使雨滴的二次蒸發作用極其強烈，因此造成春季大氣降水的同位素含量比秋季偏高。

全球大氣降水線和中國大氣降水線方程是從全世界和全國范圍監測站點上獲得的數據資料計算得出，是濕潤地區和干旱地區降水特征的綜合體現。多位學者的研究[17，28]表明，中國大氣降水線在相當程度上反映了海島地區大氣降水的氫氧同位素特征。石家莊地區雖處于東部季風區，但相較東南地區，氣候干燥，干濕季明顯，除了夏季風帶來超強的海洋性氣團，絕大多數時期受蒸發作用強烈影響。當水汽在降落過程中多次蒸發時，由于不同的同位素分子質量具有差異，往往造成分子質量大的同位素富集，氫同位素分餾速度大于氧同位素，造成δD值相對偏重，因而石家莊地區的大氣降水線斜率和截距都偏小，這也反映了該地區偏干旱的氣候特征。

我國受冬夏季風影響的地區，d值呈現出冬季高于夏季的特征，這主要與冬夏季風期間不同的水汽源地有關。石家莊地區夏季降雨水汽由來自太平洋的季風所帶來，水汽源地相對濕度大，蒸發弱，導致d值偏低。冬季的降雨由來自蒙古高壓的西北季風所致，盡管水汽在長距離運輸過程中不會導致d值的變化，但由于當地氣候干燥，在形成降雨時蒸發作用強烈，d值呈現極高值。實際上，d值反映的是研究區降雨時期氣候的干濕程度。有研究表明，在我國季風影響區，較低的d值對應強的季風活動和弱的西風輸送時期，而高d值則對應弱的季風活動和強的西風輸送時期[32]。石家莊地區的d值季節分布也符合這一規律。

石家莊地區處于我國東部季風氣候區，降水絕大部分來自于海洋，但只集中在夏季。復雜的水汽來源地、濕度、大氣穩定度造成該地區δ18O四季特征離散程度較大，除夏季外并不具有顯著的降雨量效應，而且相關系數值較低。另外，石家莊地區降水的最大月份并不與δ18O的最低值相一致，恰恰也說明了降雨量并非是決定δ18O值的根本因素，歸根結底還是由水汽來源決定。石家莊地區在冬季表現出極顯著的溫度效應，這是因為，該地區冬季受來自遙遠的大西洋和蒙古高壓的季風影響，降雨稀少，溫度較低，氣候干燥，水汽來源相對單一。此種情況下與中國西北內陸地區，如烏魯木齊、和田、蘭州張掖等地情況相似，因此表現出較強的溫度效應。總而言之，石家莊地區在年尺度下均具有溫度效應和降雨量效應，但相比于西北地區，溫度效應并不強烈，降雨量效應也甚為微弱，正如吳旭東[37]所言的高緯度地區，影響降水中穩定同位素比率的主要是溫度，低緯度熱帶地區主要是降水量，中緯度地區則是溫度和降水量共同影響同位素比率的變化。

5結論

石家莊地區處于我國中高緯度的東部季風區，受季風影響顯著。通過研究石家莊地區大氣降水中氫氧同位素的組成及變化特征，分析了其與水汽來源及氣象要素的關系，結果如下：

（1）石家莊地區大氣降水的氫氧穩定同位素含量變化范圍較大，但處于全球及全國大氣降水同位素變化范圍之中。該地區的δ18O春季最為富集，冬季最為貧化，夏秋季節接近。一年四季不同的水汽來源及復雜的氣象要素共同影響石家莊地區大氣降水的氫氧同位素含量。

（2）石家莊地區的大氣降水線方程為δD=6.39δ18O-3.75（R2=0.879），同全球及中國的大氣降水線方程相比，其斜率和截距偏低，同我國東部季風區局地大氣降水線方程比較接近。表明該地區降水是在非瑞利條件下進行的，蒸發作用強烈，反映石家莊地區偏干旱的氣候特征。d值呈現出冬高夏低的變化特征，反映了冬季風和夏季風期間降水具有不同的水汽來源地及蒸發條件。

（3）該地區大氣降水的氫氧穩定同位素均具有一定的溫度效應，但降雨量效應極為微弱，全年尺度下δ18O與溫度和降雨量的相關性方程分別為：δ18O=0.11t-9.25（R2=0.110），δ18O=-0.005P-7.27（R2=0.010）；δD和溫度及降雨量的相關性方程分別為δD=0.059t-61.52（R2=0.071），δD=-0.044P-49.31（R2=0.020）。在季節尺度下，石家莊地區大氣降水的氫氧穩定同位素在夏、秋、冬季均具有溫度效應，且冬季最為顯著，在0.01置信水平下顯著相關；春、夏、秋季均表現一定的降雨量效應，其中夏季的δ18O在0.05置信水平下顯著相關，δD在春季和夏季通過了0.05置信水平的驗證。表明石家莊地區同位素比率的變化受溫度和降水量共同影響，但溫度的影響更為重要。

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