廈門沿岸地區(qū)降水氫氧同位素組成及其影響因素

廈門沿岸地區(qū)降水氫氧同位素組成及其影響因素

0我國大氣降水中氫、氧同位素的研究現(xiàn)狀降水是水循環(huán)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，是河流等淡水系統(tǒng)的重要補充形式。開展大氣降水中穩(wěn)定同位素示蹤研究,是研究水文學、冰川及古氣候學等地球學科的基礎,同時為區(qū)域特征及全球氣候變化研究提供重要的理論依據(jù)。大氣降水中穩(wěn)定同位素的研究,包括雨、雪等各種形式的降水以及由它們組成的地表水和地下水等方面。自1961年起,國際原子能機構(IAEA)與世界氣象組織(WMO)合作,在全球建立了100多個觀測站,對全球雨水中的氫、氧同位素進行系統(tǒng)、連續(xù)地監(jiān)測。1966年我國開展珠穆朗瑪峰科學考察時,對冰雪中的氘(2H,D)和18O進行了研究。1983年以后,我國各大、中型城市陸續(xù)建立了長期觀測站,開始進行降水取樣工作。目前,國內對大氣降水中氫、氧同位素研究已取得了不少成果,但研究的區(qū)域多數(shù)僅集中在西藏、陜西等內陸地區(qū)[8,9,10,11,12,13,14,15,16],而沿海地區(qū)相關的研究則相對較少,蔡明剛等報道了廈門地區(qū)大氣降水中的氫、氧同位素研究,但獲得的數(shù)據(jù)并不多。廈門地區(qū)位于臺灣海峽的西岸,屬亞熱帶海洋性氣候,降水是該區(qū)域主要的淡水補給途徑,對該地區(qū)開展水汽來源及其循環(huán)過程的研究,對于利用和管理水資源具有重要意義,同時也為該地區(qū)的水文地質學、海洋科學等方面研究提供重要的基礎數(shù)據(jù)。本文研究了2004年4月至2006年4月廈門沿岸地區(qū)降水中的氫、氧同位素組成及其影響因素,旨在為降水汽團的來源、形成過程及其與自然環(huán)境(如緯度、氣溫、降雨量等)的演化關系研究提供科學參考。1u3000d和18o穩(wěn)定同位素的測定方法2004年4月至2006年4月采集自廈門大學海洋樓7樓陽臺上(24°26.132′N、118°05.416′E,離地面高約24m)的樣品共44個。將樣品裝入聚乙烯塑料瓶中,裝滿(約10cm3),密封,放置于冰箱中保存。采用TC/EA-IRMS技術對D和18O穩(wěn)定同位素進行測定,分析儀器為美國ThermoFinnigan公司生產的DELTAPLUSXP型穩(wěn)定同位素比值質譜儀和TC/EA元素分析儀。用微量注射器從進樣口注入0.2mm3樣品,經(jīng)高溫裂解后,將石墨還原產生的氫氣和一氧化碳氣體通過分子篩柱分離,再由ConfloIII送入同位素質譜儀進行測定。測量得到雨水中D和18O穩(wěn)定同位素均以δ值的形式表示:δX=[(R待測樣品/R參考物質)-1]×103(1)式中:X為D或18O;R為2H/1H或18O/16O。分析結果均以V-SMOW為標準。熱解溫度為1400℃,載氣流量為100cm3/min,色譜柱溫度為50℃。分析精度為:δ18O≤0.3‰,δD≤3‰。2結果與討論2.1大氣降水的季節(jié)變化全球大氣降水中,δ18O值為-54‰~31‰,平均值為-4‰;δD值為-300‰~131‰,平均值為-22‰。表1為2004年4月至2006年4月廈門沿岸地區(qū)大氣降水中的δ18O和δD組成。由表1可見,廈門沿岸地區(qū)降水中δ18O值為-10.30‰~-0.13‰,平均值為-3.67‰(n=44);δD值為-74.7‰~7.3‰,平均值為-20.5‰(n=44)?？梢?研究區(qū)δ18O和δD值均在全球大氣降水中δ18O和δD值的范圍內,平均值亦接近全球的δ18O和δD平均值。鄭淑蕙等對1980年北京等地8個臺站的降水進行了研究,得到δ18O和δD值分別為-24‰~2.0‰和-190‰~20‰。蔡明剛等測得1998年廈門地區(qū)大氣降水中δ18O和δD值分別為-14.87‰~-2.17‰和-108‰~-3.0‰。本文所測值與上述的研究結果基本吻合。比較δ18O和δD值的變化范圍可發(fā)現(xiàn),研究區(qū)δ18O值的變化幅度較小,為10.17‰;δD值的變化幅度較大,可達到82.0‰,這種現(xiàn)象主要是由于兩者不同的同位素性質造成的。D和1H同位素原子量相差50%,為所有同位素中相差最大,其分餾作用比O同位素要強烈得多,因此在降水過程中對環(huán)境的變化反應更靈敏。GAMMONSetal報道了2004年美國蒙大納州Butte流域雨水中δ18O和δD值分別為-28.5‰~-3.2‰和-38‰~-216‰,兩者的變化幅度相當大,分別達到25.4‰和177‰,故認為該區(qū)域可能經(jīng)歷了極端的氣候變化。本文研究區(qū)降水中的δ18O和δD值均在全國降水中δ18O和δD值的范圍內,兩者的變化幅度僅為Butte流域的一半,說明異常氣候現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性較小。地球表面水汽和降水主要來源于熱帶、副熱帶海洋的蒸發(fā)。水汽通過經(jīng)向及緯向環(huán)流向高緯和內陸地區(qū)輸送。隨著水汽沿途不斷地凝結、蒸發(fā)以及重同位素優(yōu)先凝結,大氣降水中δ18O和δD不斷貧化。因此,受地理環(huán)境和氣候條件的影響,降水中δ18O和δD值既反映了一定氣候條件的變化特征,也反映了一些區(qū)域性的特征。一般認為,影響雨水中穩(wěn)定同位素組成的因素除上述的降水汽團來源外,還有季節(jié)效應、高度效應、緯度效應、大陸效應以及降雨量效應。由于2004年采集的雨水樣品中進行了δ18O和δD值測量的樣品較少,因此本文著重討論了對2005年1月至2006年4月所采集的降水樣品進行測量的結果,取每月的δ降水平均值(降水中的δ18O或δD值),探討影響其變化的主要因素。一般認為,高度效應指隨著海拔的增高,δ降水值逐漸降低;大陸效應指離岸距離越遠,δ降水值越低;緯度效應則指隨緯度增加,δ降水值逐漸降低。廈門地區(qū)地處我國東南沿海,海拔高度很低,高度效應和大陸效應均不顯著。任建國等在研究熱帶西太平洋雨水的氫、氧同位素時發(fā)現(xiàn),在20°N以北的中、高緯度地區(qū),δ18O值呈現(xiàn)出較為顯著的緯度效應,而20°N以南的低緯度地區(qū),緯度效應較弱。蔡明剛綜合了我國各地氫、氧同位素組成的資料,得到1991年中國大氣降水中δ18O和δD隨緯度的變化趨勢為:緯度(北緯)每向北增加1°,兩者將分別降低0.13‰和1.43‰。廈門沿岸地區(qū)在20°N以北的區(qū)域內,依據(jù)蔡明剛得到的δ降水-緯度回歸方程[δ18O(平均)=-0.13L-1.84,δD(平均)=-1.43L+5.26,其中L為緯度],該區(qū)的δ18O(平均)和δD(平均)計算值分別為-5.02‰和-29.7‰,與本文研究的實測平均值接近,說明廈門沿岸地區(qū)δ降水值在緯度效應線上的位置正常,δ降水值受緯度效應影響。圖1為廈門沿岸地區(qū)大氣降水中δ18O和δD值及溫度的季節(jié)演化。由圖1可見,δ18O和δD的最高值出現(xiàn)在1~4月份,4個月的平均值分別為-2.29‰和-9.9‰;最低值出現(xiàn)在8~10月份,δ18O和δD的平均值分別為-5.11‰和-34.6‰。全年的δ18O和δD最低與最高值間差異顯著,說明降水中穩(wěn)定同位素存在明顯的季節(jié)變化。鄭淑蕙等認為,季節(jié)效應一般是由于溫度引起的,δ降水值的變化與產生降水的蒸餾、凝結等物理過程密切相關,其分餾作用服從瑞利定律,因此δ降水值與分餾系數(shù)(α)有關,而α值又是降水云團冷凝溫度的函數(shù),地面溫度在一定程度上與降水云團的冷凝溫度有對應關系,因此地面平均氣溫越高,α值越低,δ降水值則越高。DANSGAARD曾報道了北美太平洋沿岸地區(qū)的年平均氣溫與降水δ18O值的線性關系為:δ18O=0.695T(℃)-13.6。歐美一些地區(qū)的雨水中穩(wěn)定同位素研究也發(fā)現(xiàn)了與上述類似的正相關關系,并認為通過測定雨水中的氫、氧同位素組成可研究相應地區(qū)的氣候變化。2005年廈門島內的平均氣溫為20.8℃,比常年偏高0.2℃,8~10月份的氣溫明顯高于1~4月份的氣溫,故理論上說,δ降水值應該是8~10月份高于1~4月份,而實測情況卻與之正好相反。為更清楚地了解δ降水值與氣溫的關系,本文分別將δ18O和δD對月平均氣溫做了線性回歸,結果表明,δ18O和δD與月平均氣溫存在不顯著的負相關關系,說明δ18O和δD值的季節(jié)性差異不是由于溫度效應造成的,而該區(qū)的δ18O和δD值的變化也無法反映該區(qū)域的氣候變化狀況(圖2)。事實上,這種δ降水值與氣溫呈負相關關系即與溫度效應預測相反的現(xiàn)象,在我國許多受季風影響的地區(qū)均有發(fā)現(xiàn)。因為暖濕汽團的冷凝過程不僅取決于汽團的初始溫度、冷凝溫度,更取決于殘留濕汽團的份額(Fv)。在凝結過程中,只有當水汽中δ18O保持基本穩(wěn)定時,降水中的δ18O值與氣溫之間才可能表現(xiàn)出明顯的正相關關系,而受夏季風影響地區(qū)的Fv通常相對于水汽來源地要小很多。章新平等也認為,溫度效應主要存在于我國的中、高緯度地區(qū),越向大陸內部,這種關系越為密切。DANSGAARD認為,中、高緯度地區(qū)的溫度效應較為明顯,而低緯度地區(qū)的溫度效應則可能與降雨量關系較為密切。廈門沿岸地區(qū)沿海,所處緯度較低(接近20°N),故降水中δ18O和δD的溫度效應不明顯也應是合理的。廈門沿岸地區(qū)降雨的季節(jié)分配不均勻。2005年,該區(qū)降水量為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)。圖3為廈門地區(qū)降水中的δ18O和δD值與降雨量的關系。由圖3可見,δ降水值與降雨量間存在負相關關系。在實際觀測中發(fā)現(xiàn),在降雨量較少的干旱季節(jié)(10月~翌年2月),δ降水值偏正;而在多雨的季節(jié)(8~9月),δ降水值偏負(圖1),所以降雨量可能是影響廈門沿岸地區(qū)降水中δ18O和δD值季節(jié)變化的主要因素之一。值得注意的是,降雨量較多的春季(3~4月)出現(xiàn)了較高的δ18O和δD值,而這些高值的出現(xiàn)也許是造成δ降水值與降雨量之間不顯著負相關關系的主要原因。衛(wèi)克勤等綜合分析了我國長期積累的雨水同位素組成資料發(fā)現(xiàn),許多受季風氣候影響的地區(qū),其夏季的δ降水值偏低,夏、冬季雨水中的δ降水平均值之差為負數(shù),δ降水值并不一定和降水量相關。我國6~9月盛行夏季風、10月~翌年5月盛行冬季風,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表示季風氣候對降水中同位素組成的影響程度。廈門沿岸地區(qū)δs-δw值為-13.25‰,說明季風氣候對廈門沿岸地區(qū)降水中同位素組成影響相當顯著,季節(jié)變化可能主要由季風氣候影響形成的(表1)。夏季,在北太平洋中部海域,由于海水蒸發(fā)形成的暖濕汽團(具有濕度大、蒸發(fā)弱、降水量大的特征)沿著東南季風的方向朝西北移動,伴隨著降水過程,汽團中水汽的殘留份額越來越少,δ降水值也逐漸偏負,當它在亞洲登陸時,暖濕汽團中的δ降水值已經(jīng)相當?shù)土?。任建國等也發(fā)現(xiàn),沿季風流動方向,西太平洋地區(qū)的δ18O和δD值逐漸降低,這與本文的推論是吻合的。此外,夏季,強臺風經(jīng)常襲擊我國東南沿海地區(qū),臺風中心經(jīng)過的地區(qū)常伴有大暴雨或特大暴雨,此時δ降水值相當?shù)?。?005年8月13日廈門地區(qū)出現(xiàn)了觀測期間最低的δ18O和δD值,這很可能是受到了2005年第十號熱帶風暴(“珊瑚”)的影響。2005年8月11日下午在菲律賓以東洋面上生成的“珊瑚”,形成后向西北方向移動,于13日中午12時在汕頭市澄海區(qū)鹽鴻鎮(zhèn)登陸。“珊瑚”雖然強度不大,但具有影響范圍廣、降水強度大、破壞力大等特點。受其影響,廈門市8月13、14日連續(xù)普降暴雨、特大暴雨,島內過程雨量達170~250mm。該熱帶風暴從形成到登陸過程中,均伴隨大量的降水,δ降水值逐漸偏負,成為廈門地區(qū)全年最低的δ降水值。冬季季風主要來自高緯度的亞洲內陸,空氣寒冷干燥,降水量一般較小,δ降水值較高;春季,暖濕汽團在由海洋蒸發(fā)源區(qū)向大陸輸送過程中,未產生大量的降雨,水汽中的δ18O和δD值衰減程度較小,僅在暖濕汽團與干冷汽團相遇后,才能在采樣區(qū)產生較大的降雨,但δ降水值仍較高。由此可見,受季風氣候的影響,廈門沿岸地區(qū)夏季降雨量大、冬季降雨量小,出現(xiàn)了夏季δ降水值偏負、冬季δ降水值偏正的現(xiàn)象,從而在表觀上顯現(xiàn)為降水量與δ降水值呈一定負相關關系。筆者認為,季風氣候及其導致的降雨量效應對廈門沿岸地區(qū)降水中δ18O和δD的影響,在很大程度上超過了溫度等因素對其的影響,對廈門沿岸地區(qū)降水中同位素組成起著決定性的作用。2.2降水云團的d值氘過剩值(d值),即d=δ2H-8δ18O,是DANSGAARD提出的,反映的是水汽來源區(qū)域的蒸發(fā)速率。蒸發(fā)速率越大,d值就越大;雨滴凝結后云下的再蒸發(fā)分餾作用越強,d值就越小。d值不僅受到了濕汽團源區(qū)濕度、溫度的影響,還受到云下雨滴再蒸發(fā)分餾作用的影響。世界上大部分地區(qū)雨水的d值為10‰左右,如果通過蒸發(fā)作用進行水循環(huán),或者蒸發(fā)作用在水循環(huán)過程中占很大比率時,d值一般將大于10‰。衛(wèi)克勤等認為,在我國受季風影響的地區(qū),冬季風期間的d值一般大于10‰,夏季風期間的d值則小于10‰,反映了冬、夏季風期間降水云團具有不同的源區(qū)。如騰沖地區(qū)1985年1~5月份降水中的d值平均為17.7‰,代表著冬季風期間降水汽團源區(qū)在不平衡條件下的快速蒸發(fā)過程;6~10月份降水中的d值平均為9.0‰,代表著夏季風期間水汽源區(qū)(印度洋)的緩慢蒸發(fā)過程。2004年4月至2006年4月,廈門沿岸地區(qū)降水中的d值為1.21‰~17.10‰,平均值為8.87‰,小于世界大部分區(qū)域降水中的d值(表1)。44個樣品中僅有16個樣品的d值超過10‰,且超過幅度不大,僅在個別月份(2006年2月份)出現(xiàn)相對較高的d值(平均值為15.03‰)。2~3月份降水中的d值較高,平均值為11.0‰;4~10月份降水中的d值較低,平均值為7.3‰(圖4)。整體而言,研究區(qū)降水中的d值都不高,說明水汽在源區(qū)的蒸發(fā)速率較慢。冬季,研究區(qū)降水中d值較夏、秋季的偏高,但僅略高于世界大部地區(qū)的平均值(10‰),說明冬季風期,廈門沿岸地區(qū)降水仍受到了海洋汽團的影響,且水汽源區(qū)的蒸發(fā)緩慢。蔡明剛等認為,廈門冬季風期的降水為強盛的西南暖濕氣流與北方冷空氣共同作用的結果,冬、夏季風期降水汽團來源相同,這與本文的研究結論是一致的。一般認為,溫度較高的季節(jié),雨滴降落過程中的再蒸發(fā)作用比較顯著,甚至出現(xiàn)“雨幡”現(xiàn)象(virga),所以廈門沿岸地區(qū)降水中d值出現(xiàn)夏季較冬季偏低的現(xiàn)象,可能與雨滴的云下再蒸發(fā)分餾作用有關。由此可見,廈門沿岸地區(qū)降水云團源區(qū)的蒸發(fā)速率較慢,降水云團主要來源于海洋汽團。而個別月份出現(xiàn)d值較大的現(xiàn)象,則反映出降水云團在不平衡條件下的快速蒸發(fā)。由于缺乏更多的相關證據(jù),出現(xiàn)d值較大現(xiàn)象的具體原因仍需未來進行深入研究。2.3大氣降水線的不平衡度由于水的同位素分餾過程中氫、氧同位素的平衡分餾,降水中的δ18O和δD值呈線性關系,即大氣降水線(MeteoricWaterLine,MWL)。CRAIG給出了全球大氣降水線(GMWL)(亦稱Craig方程)為:δD=8δ18O+10。將廈門沿岸地區(qū)降水中δD對δ18O進行一元線性回歸分析,得出該地區(qū)大氣降水線(LMWL)為:δD=7.67δ18O+7.68(p<0.0001,R2=0.9876)(圖5)。廈門沿岸地區(qū)大氣降水線與Craig曲線接近,但斜率和截距偏小。鄭淑蕙等得到我國的大氣降水線為:δD=7.9δ18O+10.56,其斜率和截距均大于本文廈門沿岸地區(qū)的結果。衛(wèi)克勤等得到的北京地區(qū)大氣降水線的斜率和截距均比全球降水線低,故認為在降水或采樣過程中,可能存在自由液面的蒸發(fā)過程。王軍等報道了雅魯藏布江大氣降水方程為:δD=7.54δ18O+15.92,認為斜率和截距與全球大氣降水線的偏差是由于降水云團形成時氣液兩相同位素分餾不平衡度偏大造成的,表現(xiàn)出該地區(qū)強烈的蒸發(fā)特性。本文采樣均在降雨停歇時,故自由液面蒸發(fā)較小。廈門沿岸地區(qū)大氣降水線相對來說富重同位素,這可能與雨滴凝結后云下的不平衡分餾作用有關。這種分餾作用造成了夏季降水中較低的d值,同時,由于夏季的降雨量和降雨事件均占全年的6