海口地區(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素特征及其影響因素

齊之鈺

摘 要：依據國際原子能機構（IAEA）提供的海口地區(qū)1988—2000年大氣降水的氫氧同位素組成，提出海口地區(qū)大氣降水線方程為：δD=7.5036δ18O+6.1834，并把該方程與全球降水線進行對比，分析該地區(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素特征及其影響因素。

關鍵詞：大氣降水；氫氧同位素；溫度效應；季風降雨效應

中圖分類號：P332.8 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）08-0156-03

Characteristics of Hydrogen and Oxygen Stable Isotopes

and Their Influencing Factors in Precipitation in Haikou Area

QI Zhiyu

（School of water resources and environment， China University of Geosciences （Beijing），Beijing 100083）

Abstract： According to the hydrogen and oxygen isotopes of the atmospheric precipitation in Haikou area of 1988—2000 provided by the International Atomic Energy Agency （IAEA）， the equation of the atmospheric water line in Haikou region is： Delta D=7.5036 Delta O+6.1834， and the equation is compared with the global precipitation line， and the hydrogen and oxygen stable isotopes of atmospheric precipitation in this area are analyzed. Symptoms and its influencing factors.

Keywords： atmospheric precipitation；hydrogen and oxygen isotope；temperature effect；monsoon rainfall effect

1 研究背景

大氣降水由海洋和陸地所蒸發(fā)的水蒸氣凝結而成，其成分取決于地區(qū)條件，變化較大。在不同的氣候條件下，海洋蒸發(fā)、降水、再蒸發(fā)、地表徑流等循環(huán)變化過程中的每一步都會發(fā)生δ18O和δD在不同淡水源之間分離。1961年，Harmon Craig提出了全球大氣降水線方程：δD=8δ18O+10。事實上，由于不同地區(qū)氣候和地理參數不同，會發(fā)生區(qū)域大氣降水線的斜率和截距都與全球線不同的情況。每一個地區(qū)的大氣降水線由區(qū)域氣候因子包括水蒸氣氣團的起源、降水期間的二次蒸發(fā)和降水的季節(jié)變化等控制。

國際原子能機構（IAEA）與世界氣象組織（WMO）合作建立了全球同位素網（GNIP），該檢測網獲得的降水數據是環(huán)境水文學同位素來源不可或缺的一部分。監(jiān)測網在我國選取了30個站點，海口氣象站就是其中之一。本文的數據就引自該網站。

2 自然條件概況

海口市位于北緯19°32′～20°05′，東經110°10′～110°41′，地處海南島北部，北瀕瓊州海峽，地勢平緩。

海口市地處低緯度熱帶北緣，屬于熱帶季風氣候；年平均氣溫24.3℃，最高平均氣溫28℃左右，最低平均氣溫18℃左右；年平均降水量2 067mm，年平均蒸發(fā)量1 834mm。

3 海口地區(qū)大氣降水線

大氣降水中δD和δ18O之間的關系對研究水文循環(huán)中氫氧穩(wěn)定同位素特點具有重要作用。依據國際原子能機構（IAEA）提供的海口地區(qū)1988—2000年間δD和δ18O的數據，用最小二乘法求得海口大氣降水線（見圖1）為：δD=7.503 6δ18O+6.183 4，R2=0.930 6。每一個地方的大水蒸氣氣團的起源、降水期間的二次蒸發(fā)和季節(jié)變化等氣候因子影響著大氣降水線的斜率和截距。當大氣降水線的斜率小于8時，說明水汽具有不同穩(wěn)定同位素來源[1]，或說明降水過程中發(fā)生蒸發(fā)[2]。大氣降水中截距10表示的是全球降水的平均值；當截距小于10時，表示降水過程中存在顯著的蒸發(fā)作用；當截距大于10時，表示水滴形成過程中氣、液兩相同位素分餾較不平衡[3]。水汽蒸發(fā)屬于非平衡過程，水汽凝結滿足瑞利條件。

所得海口地區(qū)的大氣降水線與Graig[4]研究的全球降水線（δD=8δ18O+10），不論從斜率還是截距上都存在較大差異；與鄭淑慧[5]等報道的中國大氣降水線方程（δD=7.9δ18O+8.2）也存在差異。

該降水線方程有以下特征。①該方程的相關系數較高，說明在該地降水中氫氧穩(wěn)定同位素存在較好的線性關系。②該方程的斜率與全球降水線和中國大氣降水線相比略小，但差別不是非常大。不同的水汽來源或者發(fā)生在降水過程中的蒸發(fā)都會導致方程斜率減小。海口水汽主要來源于印度洋，而我國大陸其他地區(qū)水汽的主要來源是太平洋。因此此處推測原因為該地水汽有不同來源。③與斜率的差異相比，截距的差異更為明顯，截距比全球大氣降水線和中國大氣降水線都小。這主要是由降水期間的二次蒸發(fā)所致。中國大氣降水線方程中截距也較全球降水線小，說明降水過程中蒸發(fā)作用對我國大部分地區(qū)降水同位素影響較大。

4 降水中δD、δ18O與溫度的關系

溫度是影響降水中同位素組成的重要因素。Dansgaard[6]建立了全球平均年降水δ18O值和表面空氣溫度之間的線性關系（δ18O=0.695t-13.6）。也有δD和溫度的關系式（δD=5.6t-100）。從這兩個式子可以看出，溫度升高，δ值升高，溫度降低，δ降低，這種效應被稱為溫度效應。

用最小二乘法求得δ和溫度（T）的關系分別為δ18O=-0.5045T+7.5423，R2=0.744 1；δD=4.143 6T+72.4，R2=0.765 6。在海口地區(qū)，隨著溫度升高，δ值升高，該結果與溫度效應相違背。有學者曾研究過我國不同時間尺度月降水穩(wěn)定同位素δ18O與月平均氣溫的關系，指出我國低緯度地區(qū)都顯示出與氣溫的負相關，溫度效應不明顯，甚至不存在[7]。海口地區(qū)降水中δD、δ18O與溫度的關系也符合這一結論。海口市地處低緯度熱帶北緣，屬于熱帶季風氣候，該地區(qū)因受季風降水效應的影響，溫度效應被掩蓋。

5 降水中δD和δ18O與降水量的關系

降水過程不斷將同位素從水蒸氣中蒸餾出來。根據瑞利蒸餾，水蒸氣中的D和18O會越來越少。雨量效應是指δD和δ18O與降水量成負相關。

根據全球同位素網（GNIP）提供的海口地區(qū)的數據，采用最小二乘法得出如下方程式：δ18O=-0.021 3x-2.098 5，R2=0.272 9；δD=-0.182 1x-6.013 4，R2=0.640 3。表明海口地區(qū)降水中氫氧穩(wěn)定同位素符合雨量效應，更進一步說明該地季風降水效應的影響遠大于溫度效應。但是，所得相關系數較低，說明溫度效應反過來對雨量效應產生了一定的影響。

同時，海口是熱帶季風氣候，春冬季溫暖少雨，夏季高溫多雨，秋季多臺風暴雨，降水中氫氧穩(wěn)定同位素也隨季節(jié)發(fā)生明顯的變化（見圖2和圖3）。

6 降水中δD和δ18O與水汽壓的關系

根據對降水中δD和δ18O與水汽壓的關系的分析得到如下兩個方程式：δ18O=-0.393 3v+5.2303，R2=0.717 8；δD=-3.287 2v+53.329，R2=0.741 7。可見，δ與水汽壓負相關，水汽壓越大，δ越小。Gonfinatini[8]認為，在蒸發(fā)過程中，水里的18O和D不斷富集。水汽壓越低越易蒸發(fā)，則δD和δ18O越高。與海口地區(qū)δD、δ18O與水汽壓的關系一致，說明水汽壓的降低有利于18O和D不斷富集。

7 結語

本文研究了海口地區(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素特征及其影響因素，得出如下結論。

①海口地區(qū)大氣降水線為δD=7.503 6δ18O+6.183 4，R2=0.930 6。該方程的斜率與全球降水線和中國大氣降水線相近，而截距相差較大。

②因受季風降雨效應的影響，該地區(qū)溫度效應不明顯，δ和溫度成負相關，與溫度效應相違背。

③該地季風降水效應在降水中氫氧穩(wěn)定同位素的影響因素中起主導作用，但溫度效應反過來對雨量效應產生了一定影響。此外，該地降水中氫氧穩(wěn)定同位素隨季節(jié)變化明顯。

④δ與水汽壓負相關，水汽壓越大，δ越小。水汽壓的降低有利于18O和D不斷富集。

參考文獻：

[1]郝玥，余新曉，鄧文平，等.北京西山大氣降水中D和18O組成變化及水汽來源[J].自然資源學報，2016（7）：1211-1221.

[2]Friedman I， Machta L， Soller R. Water-vapor exchange between a water droplet and its environment[J]. Journal of Geophysical Research， 1962（7）：2761-2766.

[3]徐濤，劉國東，邢冰，等.天津地區(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素特征及影響因素研究[J].西南民族大學學報·自然科學版，2014（3）：421-427

[4]Craig H. Isotopic Variations in Meteoric Waters[J]. Science，1961（3465）：1702-1703.

[5]鄭淑蕙，侯發(fā)高，倪葆齡.我國大氣降水的氫氧穩(wěn)定同位素研究[J].科學通報，1983（13）：801.

[6]DANSGAARD W. Stable isotopes in precipitation[J]. Tellus，1964（6）：436-468.

[7]張琳，陳宗宇，聶振龍，等.我國不同時間尺度的大氣降水氧同位素與氣溫的相關性分析[J].核技術，2008（9）：715-720.