中國東部季風區降水δ18O 與ENSO 事件的關系

2020-09-28 02:03:42段連強劉風華蘇永軍孔淑芹

灌溉排水學報 2020年9期

段連強，劉風華，蘇永軍，孔淑芹

（1.滄州水利勘測設計院，河北滄州 061000；2.河北水利電力學院，河北滄州 061001）

0 引言

【研究意義】氫氧穩定同位素是存在于自然水體中的同位素，因其分餾特征對環境變化有著極為敏感的響應，目前廣泛應用于大氣降水水汽來源及水循環過程的示蹤，被稱為水的“指紋”[1]，也是研究古氣候恢復與季風環流反演的主要手段之一[2]。厄爾尼諾-南方濤動（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）事件是全球海氣耦合的最強信號之一，也反映著水汽源區對流過程的大尺度演變過程，對東亞季風區乃至全球的氣候變化影響顯著[3]。

【研究進展】目前對水汽源區變化/ENSO 事件與降水穩定同位素之間響應機制的研究尚處于起步階段。Kurita 等[4]、Tremoy 等[5]學者證明了水汽源區變化與降水δ18O 之間存在顯著相關性，并對其內在機制進行了探索；陳中笑等[6]分析了中國降水穩定同位素的時空分布特征及其影響因素，通過直接對比發現ENSO 事件與降水穩定同位素特征之間有顯著的正相關，但不一定通過影響降水量來影響；柳鑒容等[7]首次將中國東部季風區作為整體，分析了其降水中δ18O 的特征并利用不同站點的數據對比，對水汽來源進行了初步探索；譚明等[8]提出在中國季風區存在著一種特殊的同位素效應-環流效應，并據此解釋了2012 年降水量效應異常的原因；Gao 等[2]、He 等[9]對青藏地區降水中的氫氧同位素與北印度洋對流活動之間的關系進行了研究；近年來，國內學者對珠江三角洲[10]、洞庭湖流域[11]以及上海[12]等地區，通過計算水汽通量的方法對ENSO 事件與降水同位素組成與分布特征的關系進行了研究，但未能將研究重點放在水汽源區的變化上。目前的研究很少考慮不同ENSO 事件年對降水穩定同位素的影響，研究方法有待進一步深入。向外長波輻射（Outgoing Longwave Radiation，OLR）是從大氣層外觀測到的地氣系統的對外輻射，是熱帶對流指示量，也是熱帶環流異常的重要表征[13]。【擬解決的關鍵問題】OLR 技術能夠更精確地反映水汽源區熱帶輻合帶（Intertropical Convergence Zone，ITCZ）的位置與強度變化，并廣泛地應用于海氣相互作用等方面的研究[14]。通過OLR 技術反演水汽源區變化，從而明確季風區δ18O 年際年內變動的根本原因，明確其響應機制。

【切入點】中國東部季風區作為世界上最典型的季風區-東亞季風區的主體，降水特征的空間分布格局和季節分配特征都受季風環流的直接影響[15]。本文依據中國東部季風區60 個站點的降水穩定同位素及相關氣象數據，利用OLR 技術進一步探索水汽源區變化及ENSO 事件與降水中同位素時空分布特征的響應機制，能夠深入了解我國季風區水汽來源及降水過程的變化，有助于推進對季風區水循環機制的研究。

1 數據來源與方法

1.1 研究區概況

中國東部季風區的范圍大致以105°E 為界，即沿大興安嶺-陰山-賀蘭山-烏鞘嶺-念青唐古拉山-橫斷山脈以東的廣大地區[7]，主體為第三階梯的平原丘陵地形。因北靠世界最大的歐亞大陸，面向最為遼闊的太平洋，因而季風氣候極為顯著。多年平均地面溫度由南向北遞減，年降水量在200～2 200 mm，總體亦呈由東南沿海向內陸遞減的趨勢[9]。本文對東部季風區界線的劃分來自全球變化科學研究數據出版系統[16]，參照羅開富[17]對中國自然區域劃分方法，將東部季風區劃分為東北區、華北區和南方區3 個子區域進行討論。區內站點分布較為均勻，能夠較好地反映整個區域的降水同位素狀況（圖1）。

圖1 降水穩定同位素站點位置及地形 Fig.1 Topography and distribution of stations

1.2 數據來源及方法

中國東部季風區的60 個降水同位素站點主要包括：全球大氣降水同位素網絡（Global Network of Isotope in Precipitation，GNIP）23 站、中國大氣降水同位素網絡（Chinese Network of Isotopes in Precipitation，CHNIP）15 站，及近年來國內學者所設立的降水同位素觀測點22 站，各站點分布如圖1所示，因東部季風區內部差異較為顯著，選取東北區（齊齊哈爾）、華北區（石家莊、天津）與南方區（桂林、南京）5 個代表站點進行深入研究。

DEM 數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺（http://www.gscloud.cn）所提供的SRTMDEMUTM 90 m 分辨率高程數據。OLR 數據源自國家衛星氣象中心提供的風云二E 地球同步軌道氣象衛星，可見光紅外自旋掃描輻射儀（VISSR）所處理的月均OLR 數據，空間分辨率為1°×1°。衛星定位于105°E，能更好地反映我國及周邊區域的水熱狀況及ENSO 背景下水汽源區的演變過程。

1.3 ENSO 事件的劃分依據與標準

本文用Ni?o3.4 區海洋尼諾指數（Oceanic Ni?o index，ONI），即海表溫度指數（SST）距平的3 個月滑動平均值來定義ENSO 事件，參考南方濤動指數（Southern Oscillation Index，SOI）計算海氣強度指數。將海氣綜合強度指數作為劃分ENSO 事件強度的依據，參照陳虹穎等[18]的分類方法，將ENSO 事件分為極強、強、中等、弱、極弱5 個等級。

2 中國東部季風區降水同位素特征分析

相對于空間插值方法，利用模型對缺乏降水穩定同位素數據的地區進行模擬，以確定δ18O 的空間分布狀況更為準確。2002 年Bowen 和Wilkinson[19]提出BW模型，對全球降水中氧穩定同位素的空間分布進行了模擬，證明這一方法能夠有效地對降水中穩定同位素的空間分布進行估算。因研究區內海拔差異與南北跨度均較大，依據緯度與海拔采用非線性回歸方法進行擬合，得到中國東部季風區δ18O 預測模型：

式中：δ18O 為降水氧穩定同位素的年均估計值；LAT為緯度；ALT 為海拔。

模型對我國東部季風區降水中的模擬能夠總體上反映降水中δ18O 的空間分布狀況（δ18Omod=0.89δ18Omeas-0.66，R2=0.69）。根據模型測算結果，利用反距離加權插值法生成中國東部季風區殘差格點圖，基于DEM 數據所提取的緯度與高程，運用預測模型模擬出δ18O 的空間分布，然后將殘差格點數據與模擬結果相加得到中國東部季風區降水中δ18O 的空間分布圖（圖2），站點實測值與模型預測值的平均誤差為0.17‰，殘差變化在-4.5‰～2.8‰之間，這是由溫度效應、降水量效應、水汽輸送路徑等不能通過緯度與海拔進行解釋的因素造成的。

δ18O的空間分布總體上呈由東南向西北逐漸貧化的過程，受地形影響，海拔較高的山地高原貧化程度也越高，平原盆地則表現為δ18O 的富集狀態。東北區總體δ18O 值較低，特別是東北部長白山區，高緯度高海拔呈現δ18O 極低值，中部東北平原則相對較高，表現為與地形的高度相關。華北區過渡性特征強烈，呈條帶狀分布，華北平原區海拔低且距海較近，δ18O值較高，蒙古高原與黃土高原部分貧化顯著，高原上的山地則表現為高度貧化狀態。南方區總體δ18O處于高值，長江中下游與華南地區呈高值區，東南丘陵開始降低，云貴高原出現高度貧化。將5 個代表性站點的δ18O、降水、氣溫數據分別按厄爾尼諾年、正常年、拉尼娜年計算多年月平均值（圖3）。

圖2 降水中δ18O 的空間分布 Fig.2 Spatial distribution of precipitation of δ18O

圖3 大氣降水δ18O、降水量、溫度的變化 Fig.3 The variations of the monthly weighted mean δ18O, precipitation and temperature

總體而言，中國東部季風區大部分站點δ18O 值的時間變化趨勢較為一致，表現為冬半年較高而夏半年較低的特征，齊齊哈爾站呈夏季略高于冬季的特點，但由石家莊站向南至桂林站，冬高夏低的特征逐漸凸顯，體現出由北向南季風性漸強的特點。

具體來看，東北區齊齊哈爾站（圖3（a））在夏半年ENSO 事件的影響并不明顯，7 月以后拉尼娜年降水量較多，導致δ18O 相對較低，但在冬半年，厄爾尼諾年δ18O 較高，這與對應的較高氣溫相一致，證明厄爾尼諾背景下在東北地區出現的暖冬強化了溫度效應。圖3（b）與圖3（c）華北區2 站δ18O 的年內變化特征表現為春秋高而冬夏低的特點，春季降水較少，δ18O 值隨氣溫升高。秋季降水量減少，但氣溫緩慢降低，降水量效應的減退導致δ18O 值出現了一個升高的過程。但在夏、冬季，降水量最多或氣溫最低，從而δ18O 值表現為低值特征，證明華北區在不同季節有著不同的主導環境效應。圖3（d）與圖3（e）南方2 站δ18O 值表現出先波動下降再急劇上升的過程，不同的是，相對較北的南京站春季仍有升高的過程，而桂林站則表現為較明顯的海洋性特征。2 站點δ18O 值的水平在不同年份差異較大，特別是桂林站厄爾尼諾年明顯高于正常年，拉尼娜年則明顯低于正常年，證明降水中δ18O 值的水平敏感地反映了ENSO 事件對季風氣候的影響。

需要指出的是，除東北區齊齊哈爾站外，華北區與南方區各站點δ18O 的值在4、5 月集中于-4‰左右，之后分散出較大的差異，表現為“啞鈴型”的季節變化模式。這一現象最早由程海等[20]報道，認為這是由于“環流效應”致使各站點春季水汽來源比較一致或遠近源水汽比率較為一致造成的。

3 ENSO 事件對降水中δ18O 的影響

就水汽源區變化的影響而言，ENSO 事件無疑對水汽源區的季節性演變，區域乃至全球的降水、氣溫等氣候要素的異常有著密切關系[21]，并直接影響著水循環中穩定同位素的分餾狀況與特征。綜合考慮降水同位素與“風云二E”氣象衛星數據的起止時間，因ENSO 事件的多為跨年度發生，且轉換時間一般為夏半年，依據陳虹穎等[18]的分類方法，分別選取3 個典型ENSO 事件年，制成2015—2016 年、2014—2015 年、2010—2011 年7、10、1、4 月OLR場圖，分別代表厄爾尼諾年、正常年與拉尼娜年水汽源區的年內變化狀況。需要說明的是，2015—2016年厄爾尼諾事件為極強，其OLR 場表現較拉尼娜年更為極端，但也更加凸顯其變化規律（圖4）。

圖4 證明相同月份在不同ENSO 事件背景下，水汽源區狀況有著顯著差異，其OLR 值呈現出厄爾尼諾年>正常年>拉尼娜年的特征，這與圖2 中華北區與南方區站點在夏半年表現出厄爾尼諾年δ18O 值總體高于拉尼娜年的特征相一致，證明ENSO 事件背景下水汽源區的變化對δ18O 值的年際變化有著很大的影響。

4 討論

不同時間水汽源區的變化與季風區降水穩定同位素的波動有著一定的相關性。7 月代表的夏季是氣溫最高、降水較多的季節，此時厄爾尼諾年水汽源區的OLR 場表現為高值區域，水汽中心范圍極小，而正常年與拉尼娜年則建立了明顯的ITCZ。正常年孟加拉灣與西太平洋水汽源連為一體，西太平洋低值區程度更深，水汽輻合更強，而拉尼娜年則相對較弱，孟加拉灣低值區輻合更強，表明正常年與拉尼娜年有著不同的主導水汽源區。由圖3 可見，這一時期東北區與華北區站點拉尼娜年降水顯著高于厄爾尼諾年，因東北區以溫度效應為主導，因而δ18O 值差別不大，華北區2 站厄爾尼諾年δ18O 值顯著高于拉尼娜年。南方2站略有不同，桂林站降水量和δ18O 值的變化與華北區一致，但南京站在厄爾尼諾年降水量最高，這是由于雨帶偏南，集中于華南、華東地區，加之“類SPR 同位素現象”的影響，呈現出相反的趨勢。

10 月代表的秋季是氣溫與降水逐步降低的階段，此時水汽源區已經南移，副高已經控制華南地區，厄爾尼諾年與正常年ITCZ 減弱，而拉尼娜年則十分明顯。這一時期大部分站點拉尼娜年降水增多，除齊齊哈爾站δ18O 值隨溫度降低而下降外，由于拉尼娜年輻合帶范圍更廣、更偏北且程度更深，海溫相對較高且水汽運移路線相對于正常年與厄爾尼諾年更短，穩定同位素在水汽團運移過程中貧化程度更低，從而推高了δ18O 值。

1 月代表的冬季是氣溫與降水最低的季節，10°N地區由副高控制，ITCZ 退至赤道地區，厄爾尼諾年輻合中心極為微弱，而正常年與拉尼娜年則較為明顯。冬季水汽源區對季風區的影響很小，因而這一時期各站點δ18O 值無明顯的規律。

4 月代表的春季是氣溫與降水逐步升高的階段，此時副高減弱，ITCZ 北移，厄爾尼諾年輻合中心尚不顯著，正常年與拉尼娜年較為明顯，正常年ITCZ 加深，厄爾尼諾年ITCZ 至5 月方才建立，降水也隨之增多。這一時期隨著孟加拉灣水汽源區的發展，華北區與南方區降水量效應開始出現，δ18O 值水平開始轉換為厄爾尼諾年大于拉尼娜年的狀態。

從ENSO 事件的發展過程來看，與正常年相比，厄爾尼諾與拉尼娜年ITCZ 的變化規律呈現出相反的趨勢。圖4 的變化過程表明，厄爾尼諾年ITCZ 在4月開始建立并加深，至7 月達到最盛，而10 月則較弱；正常年在7 月和4 月左右是ITCZ 程度最深的階段；拉尼娜年ITCZ 則在10 月達到最盛，1 月仍保持著較大的范圍。因此，厄爾尼諾年ITCZ 主要建立并加深在春夏季，且總體偏南，規模較小；而拉尼娜年ITCZ則在秋季達到一年中的峰值，總體偏北，范圍較大。而各站點δ18O 值的變化過程與各事件年中的ITCZ 發展過程基本上保持一致，這也與第2 節中的分析結果相對應。