厦门沿岸地区降水氢氧同位素组成及其影响因素

厦门沿岸地区降水氢氧同位素组成及其影响因素

0我国大气降水中氢、氧同位素的研究现状降水是水循环过程中的一个重要环节，是河流等淡水系统的重要补充形式。开展大气降水中稳定同位素示踪研究,是研究水文学、冰川及古气候学等地球学科的基础,同时为区域特征及全球气候变化研究提供重要的理论依据。大气降水中稳定同位素的研究,包括雨、雪等各种形式的降水以及由它们组成的地表水和地下水等方面。自1961年起,国际原子能机构(IAEA)与世界气象组织(WMO)合作,在全球建立了100多个观测站,对全球雨水中的氢、氧同位素进行系统、连续地监测。1966年我国开展珠穆朗玛峰科学考察时,对冰雪中的氘(2H,D)和18O进行了研究。1983年以后,我国各大、中型城市陆续建立了长期观测站,开始进行降水取样工作。目前,国内对大气降水中氢、氧同位素研究已取得了不少成果,但研究的区域多数仅集中在西藏、陕西等内陆地区[8,9,10,11,12,13,14,15,16],而沿海地区相关的研究则相对较少,蔡明刚等报道了厦门地区大气降水中的氢、氧同位素研究,但获得的数据并不多。厦门地区位于台湾海峡的西岸,属亚热带海洋性气候,降水是该区域主要的淡水补给途径,对该地区开展水汽来源及其循环过程的研究,对于利用和管理水资源具有重要意义,同时也为该地区的水文地质学、海洋科学等方面研究提供重要的基础数据。本文研究了2004年4月至2006年4月厦门沿岸地区降水中的氢、氧同位素组成及其影响因素,旨在为降水汽团的来源、形成过程及其与自然环境(如纬度、气温、降雨量等)的演化关系研究提供科学参考。1u3000d和18o稳定同位素的测定方法2004年4月至2006年4月采集自厦门大学海洋楼7楼阳台上(24°26.132′N、118°05.416′E,离地面高约24m)的样品共44个。将样品装入聚乙烯塑料瓶中,装满(约10cm3),密封,放置于冰箱中保存。采用TC/EA-IRMS技术对D和18O稳定同位素进行测定,分析仪器为美国ThermoFinnigan公司生产的DELTAPLUSXP型稳定同位素比值质谱仪和TC/EA元素分析仪。用微量注射器从进样口注入0.2mm3样品,经高温裂解后,将石墨还原产生的氢气和一氧化碳气体通过分子筛柱分离,再由ConfloIII送入同位素质谱仪进行测定。测量得到雨水中D和18O稳定同位素均以δ值的形式表示:δX=[(R待测样品/R参考物质)-1]×103(1)式中:X为D或18O;R为2H/1H或18O/16O。分析结果均以V-SMOW为标准。热解温度为1400℃,载气流量为100cm3/min,色谱柱温度为50℃。分析精度为:δ18O≤0.3‰,δD≤3‰。2结果与讨论2.1大气降水的季节变化全球大气降水中,δ18O值为-54‰~31‰,平均值为-4‰;δD值为-300‰~131‰,平均值为-22‰。表1为2004年4月至2006年4月厦门沿岸地区大气降水中的δ18O和δD组成。由表1可见,厦门沿岸地区降水中δ18O值为-10.30‰~-0.13‰,平均值为-3.67‰(n=44);δD值为-74.7‰~7.3‰,平均值为-20.5‰(n=44)。可见,研究区δ18O和δD值均在全球大气降水中δ18O和δD值的范围内,平均值亦接近全球的δ18O和δD平均值。郑淑蕙等对1980年北京等地8个台站的降水进行了研究,得到δ18O和δD值分别为-24‰~2.0‰和-190‰~20‰。蔡明刚等测得1998年厦门地区大气降水中δ18O和δD值分别为-14.87‰~-2.17‰和-108‰~-3.0‰。本文所测值与上述的研究结果基本吻合。比较δ18O和δD值的变化范围可发现,研究区δ18O值的变化幅度较小,为10.17‰;δD值的变化幅度较大,可达到82.0‰,这种现象主要是由于两者不同的同位素性质造成的。D和1H同位素原子量相差50%,为所有同位素中相差最大,其分馏作用比O同位素要强烈得多,因此在降水过程中对环境的变化反应更灵敏。GAMMONSetal报道了2004年美国蒙大纳州Butte流域雨水中δ18O和δD值分别为-28.5‰~-3.2‰和-38‰~-216‰,两者的变化幅度相当大,分别达到25.4‰和177‰,故认为该区域可能经历了极端的气候变化。本文研究区降水中的δ18O和δD值均在全国降水中δ18O和δD值的范围内,两者的变化幅度仅为Butte流域的一半,说明异常气候现象出现的可能性较小。地球表面水汽和降水主要来源于热带、副热带海洋的蒸发。水汽通过经向及纬向环流向高纬和内陆地区输送。随着水汽沿途不断地凝结、蒸发以及重同位素优先凝结,大气降水中δ18O和δD不断贫化。因此,受地理环境和气候条件的影响,降水中δ18O和δD值既反映了一定气候条件的变化特征,也反映了一些区域性的特征。一般认为,影响雨水中稳定同位素组成的因素除上述的降水汽团来源外,还有季节效应、高度效应、纬度效应、大陆效应以及降雨量效应。由于2004年采集的雨水样品中进行了δ18O和δD值测量的样品较少,因此本文着重讨论了对2005年1月至2006年4月所采集的降水样品进行测量的结果,取每月的δ降水平均值(降水中的δ18O或δD值),探讨影响其变化的主要因素。一般认为,高度效应指随着海拔的增高,δ降水值逐渐降低;大陆效应指离岸距离越远,δ降水值越低;纬度效应则指随纬度增加,δ降水值逐渐降低。厦门地区地处我国东南沿海,海拔高度很低,高度效应和大陆效应均不显著。任建国等在研究热带西太平洋雨水的氢、氧同位素时发现,在20°N以北的中、高纬度地区,δ18O值呈现出较为显著的纬度效应,而20°N以南的低纬度地区,纬度效应较弱。蔡明刚综合了我国各地氢、氧同位素组成的资料,得到1991年中国大气降水中δ18O和δD随纬度的变化趋势为:纬度(北纬)每向北增加1°,两者将分别降低0.13‰和1.43‰。厦门沿岸地区在20°N以北的区域内,依据蔡明刚得到的δ降水-纬度回归方程[δ18O(平均)=-0.13L-1.84,δD(平均)=-1.43L+5.26,其中L为纬度],该区的δ18O(平均)和δD(平均)计算值分别为-5.02‰和-29.7‰,与本文研究的实测平均值接近,说明厦门沿岸地区δ降水值在纬度效应线上的位置正常,δ降水值受纬度效应影响。图1为厦门沿岸地区大气降水中δ18O和δD值及温度的季节演化。由图1可见,δ18O和δD的最高值出现在1~4月份,4个月的平均值分别为-2.29‰和-9.9‰;最低值出现在8~10月份,δ18O和δD的平均值分别为-5.11‰和-34.6‰。全年的δ18O和δD最低与最高值间差异显著,说明降水中稳定同位素存在明显的季节变化。郑淑蕙等认为,季节效应一般是由于温度引起的,δ降水值的变化与产生降水的蒸馏、凝结等物理过程密切相关,其分馏作用服从瑞利定律,因此δ降水值与分馏系数(α)有关,而α值又是降水云团冷凝温度的函数,地面温度在一定程度上与降水云团的冷凝温度有对应关系,因此地面平均气温越高,α值越低,δ降水值则越高。DANSGAARD曾报道了北美太平洋沿岸地区的年平均气温与降水δ18O值的线性关系为:δ18O=0.695T(℃)-13.6。欧美一些地区的雨水中稳定同位素研究也发现了与上述类似的正相关关系,并认为通过测定雨水中的氢、氧同位素组成可研究相应地区的气候变化。2005年厦门岛内的平均气温为20.8℃,比常年偏高0.2℃,8~10月份的气温明显高于1~4月份的气温,故理论上说,δ降水值应该是8~10月份高于1~4月份,而实测情况却与之正好相反。为更清楚地了解δ降水值与气温的关系,本文分别将δ18O和δD对月平均气温做了线性回归,结果表明,δ18O和δD与月平均气温存在不显著的负相关关系,说明δ18O和δD值的季节性差异不是由于温度效应造成的,而该区的δ18O和δD值的变化也无法反映该区域的气候变化状况(图2)。事实上,这种δ降水值与气温呈负相关关系即与温度效应预测相反的现象,在我国许多受季风影响的地区均有发现。因为暖湿汽团的冷凝过程不仅取决于汽团的初始温度、冷凝温度,更取决于残留湿汽团的份额(Fv)。在凝结过程中,只有当水汽中δ18O保持基本稳定时,降水中的δ18O值与气温之间才可能表现出明显的正相关关系,而受夏季风影响地区的Fv通常相对于水汽来源地要小很多。章新平等也认为,温度效应主要存在于我国的中、高纬度地区,越向大陆内部,这种关系越为密切。DANSGAARD认为,中、高纬度地区的温度效应较为明显,而低纬度地区的温度效应则可能与降雨量关系较为密切。厦门沿岸地区沿海,所处纬度较低(接近20°N),故降水中δ18O和δD的温度效应不明显也应是合理的。厦门沿岸地区降雨的季节分配不均匀。2005年,该区降水量为1350mm,比常年平均值(1315mm)略偏多。秋、冬季降水量偏少,春、夏季降水量偏多(表1)。图3为厦门地区降水中的δ18O和δD值与降雨量的关系。由图3可见,δ降水值与降雨量间存在负相关关系。在实际观测中发现,在降雨量较少的干旱季节(10月~翌年2月),δ降水值偏正;而在多雨的季节(8~9月),δ降水值偏负(图1),所以降雨量可能是影响厦门沿岸地区降水中δ18O和δD值季节变化的主要因素之一。值得注意的是,降雨量较多的春季(3~4月)出现了较高的δ18O和δD值,而这些高值的出现也许是造成δ降水值与降雨量之间不显著负相关关系的主要原因。卫克勤等综合分析了我国长期积累的雨水同位素组成资料发现,许多受季风气候影响的地区,其夏季的δ降水值偏低,夏、冬季雨水中的δ降水平均值之差为负数,δ降水值并不一定和降水量相关。我国6~9月盛行夏季风、10月~翌年5月盛行冬季风,若以δs代表6~9月降水中的δ18O平均值,δw代表10月~翌年5月降水中的δ18O平均值,那么可用δs-δw表示季风气候对降水中同位素组成的影响程度。厦门沿岸地区δs-δw值为-13.25‰,说明季风气候对厦门沿岸地区降水中同位素组成影响相当显著,季节变化可能主要由季风气候影响形成的(表1)。夏季,在北太平洋中部海域,由于海水蒸发形成的暖湿汽团(具有湿度大、蒸发弱、降水量大的特征)沿着东南季风的方向朝西北移动,伴随着降水过程,汽团中水汽的残留份额越来越少,δ降水值也逐渐偏负,当它在亚洲登陆时,暖湿汽团中的δ降水值已经相当低了。任建国等也发现,沿季风流动方向,西太平洋地区的δ18O和δD值逐渐降低,这与本文的推论是吻合的。此外,夏季,强台风经常袭击我国东南沿海地区,台风中心经过的地区常伴有大暴雨或特大暴雨,此时δ降水值相当低。如2005年8月13日厦门地区出现了观测期间最低的δ18O和δD值,这很可能是受到了2005年第十号热带风暴(“珊瑚”)的影响。2005年8月11日下午在菲律宾以东洋面上生成的“珊瑚”,形成后向西北方向移动,于13日中午12时在汕头市澄海区盐鸿镇登陆。“珊瑚”虽然强度不大,但具有影响范围广、降水强度大、破坏力大等特点。受其影响,厦门市8月13、14日连续普降暴雨、特大暴雨,岛内过程雨量达170~250mm。该热带风暴从形成到登陆过程中,均伴随大量的降水,δ降水值逐渐偏负,成为厦门地区全年最低的δ降水值。冬季季风主要来自高纬度的亚洲内陆,空气寒冷干燥,降水量一般较小,δ降水值较高;春季,暖湿汽团在由海洋蒸发源区向大陆输送过程中,未产生大量的降雨,水汽中的δ18O和δD值衰减程度较小,仅在暖湿汽团与干冷汽团相遇后,才能在采样区产生较大的降雨,但δ降水值仍较高。由此可见,受季风气候的影响,厦门沿岸地区夏季降雨量大、冬季降雨量小,出现了夏季δ降水值偏负、冬季δ降水值偏正的现象,从而在表观上显现为降水量与δ降水值呈一定负相关关系。笔者认为,季风气候及其导致的降雨量效应对厦门沿岸地区降水中δ18O和δD的影响,在很大程度上超过了温度等因素对其的影响,对厦门沿岸地区降水中同位素组成起着决定性的作用。2.2降水云团的d值氘过剩值(d值),即d=δ2H-8δ18O,是DANSGAARD提出的,反映的是水汽来源区域的蒸发速率。蒸发速率越大,d值就越大;雨滴凝结后云下的再蒸发分馏作用越强,d值就越小。d值不仅受到了湿汽团源区湿度、温度的影响,还受到云下雨滴再蒸发分馏作用的影响。世界上大部分地区雨水的d值为10‰左右,如果通过蒸发作用进行水循环,或者蒸发作用在水循环过程中占很大比率时,d值一般将大于10‰。卫克勤等认为,在我国受季风影响的地区,冬季风期间的d值一般大于10‰,夏季风期间的d值则小于10‰,反映了冬、夏季风期间降水云团具有不同的源区。如腾冲地区1985年1~5月份降水中的d值平均为17.7‰,代表着冬季风期间降水汽团源区在不平衡条件下的快速蒸发过程;6~10月份降水中的d值平均为9.0‰,代表着夏季风期间水汽源区(印度洋)的缓慢蒸发过程。2004年4月至2006年4月,厦门沿岸地区降水中的d值为1.21‰~17.10‰,平均值为8.87‰,小于世界大部分区域降水中的d值(表1)。44个样品中仅有16个样品的d值超过10‰,且超过幅度不大,仅在个别月份(2006年2月份)出现相对较高的d值(平均值为15.03‰)。2~3月份降水中的d值较高,平均值为11.0‰;4~10月份降水中的d值较低,平均值为7.3‰(图4)。整体而言,研究区降水中的d值都不高,说明水汽在源区的蒸发速率较慢。冬季,研究区降水中d值较夏、秋季的偏高,但仅略高于世界大部地区的平均值(10‰),说明冬季风期,厦门沿岸地区降水仍受到了海洋汽团的影响,且水汽源区的蒸发缓慢。蔡明刚等认为,厦门冬季风期的降水为强盛的西南暖湿气流与北方冷空气共同作用的结果,冬、夏季风期降水汽团来源相同,这与本文的研究结论是一致的。一般认为,温度较高的季节,雨滴降落过程中的再蒸发作用比较显著,甚至出现“雨幡”现象(virga),所以厦门沿岸地区降水中d值出现夏季较冬季偏低的现象,可能与雨滴的云下再蒸发分馏作用有关。由此可见,厦门沿岸地区降水云团源区的蒸发速率较慢,降水云团主要来源于海洋汽团。而个别月份出现d值较大的现象,则反映出降水云团在不平衡条件下的快速蒸发。由于缺乏更多的相关证据,出现d值较大现象的具体原因仍需未来进行深入研究。2.3大气降水线的不平衡度由于水的同位素分馏过程中氢、氧同位素的平衡分馏,降水中的δ18O和δD值呈线性关系,即大气降水线(MeteoricWaterLine,MWL)。CRAIG给出了全球大气降水线(GMWL)(亦称Craig方程)为:δD=8δ18O+10。将厦门沿岸地区降水中δD对δ18O进行一元线性回归分析,得出该地区大气降水线(LMWL)为:δD=7.67δ18O+7.68(p<0.0001,R2=0.9876)(图5)。厦门沿岸地区大气降水线与Craig曲线接近,但斜率和截距偏小。郑淑蕙等得到我国的大气降水线为:δD=7.9δ18O+10.56,其斜率和截距均大于本文厦门沿岸地区的结果。卫克勤等得到的北京地区大气降水线的斜率和截距均比全球降水线低,故认为在降水或采样过程中,可能存在自由液面的蒸发过程。王军等报道了雅鲁藏布江大气降水方程为:δD=7.54δ18O+15.92,认为斜率和截距与全球大气降水线的偏差是由于降水云团形成时气液两相同位素分馏不平衡度偏大造成的,表现出该地区强烈的蒸发特性。本文采样均在降雨停歇时,故自由液面蒸发较小。厦门沿岸地区大气降水线相对来说富重同位素,这可能与雨滴凝结后云下的不平衡分馏作用有关。这种分馏作用造成了夏季降水中较低的d值,同时,由于夏季的降雨量和降雨事件均占全年的6