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(gè)重要環(huán)節(jié)，是河流等淡水系統(tǒng)的重要補(bǔ)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(xué)、冰川及古氣候?qū)W等地球?qū)W科的基礎(chǔ),同時(shí)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(jī)構(gòu)(IAEA)與世界氣象組織(WMO)合作,在全球建立了100多個(gè)觀測站,對全球雨水中的氫、氧同位素進(jìn)行系統(tǒng)、連續(xù)地監(jiān)測。1966年我國開展珠穆朗瑪峰科學(xué)考察時(shí),對冰雪中的氘(2H,D)和18O進(jìn)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(jìn)行降水取樣工作。目前,國內(nèi)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(nèi)陸地區(qū)[8,9,10,11,12,13,14,15,16],而沿海地區(qū)相關(guān)的研究則相對較少,蔡明剛等報(bào)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(bǔ)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(shí)也為該地區(qū)的水文地質(zhì)學(xué)、海洋科學(xué)等方面研究提供重要的基礎(chǔ)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(tuán)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(guān)系研究提供科學(xué)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(xué)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(gè)。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(shù)對D和18O穩(wěn)定同位素進(jìn)行測定,分析儀器為美國ThermoFinnigan公司生產(chǎn)的DELTAPLUSXP型穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀和TC/EA元素分析儀。用微量注射器從進(jìn)樣口注入0.2mm3樣品,經(jīng)高溫裂解后,將石墨還原產(chǎn)生的氫氣和一氧化碳?xì)怏w通過分子篩柱分離,再由ConfloIII送入同位素質(zhì)譜儀進(jìn)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(zhì))-1]×103(1)式中:X為D或18O;R為2H/1H或18O/16O。分析結(jié)果均以V-SMOW為標(biāo)準(zhǔn)。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(jié)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(nèi),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(gè)臺站的降水進(jìn)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(jié)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(dá)到82.0‰,這種現(xiàn)象主要是由于兩者不同的同位素性質(zhì)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(qiáng)烈得多,因此在降水過程中對環(huán)境的變化反應(yīng)更靈敏。GAMMONSetal報(bào)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(dāng)大,分別達(dá)到25.4‰和177‰,故認(rèn)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(nèi),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(nèi)陸地區(qū)輸送。隨著水汽沿途不斷地凝結(jié)、蒸發(fā)以及重同位素優(yōu)先凝結(jié),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(rèn)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(tuán)來源外,還有季節(jié)效應(yīng)、高度效應(yīng)、緯度效應(yīng)、大陸效應(yīng)以及降雨量效應(yīng)。由于2004年采集的雨水樣品中進(jìn)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(jìn)行測量的結(jié)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(rèn)為,高度效應(yīng)指隨著海拔的增高,δ降水值逐漸降低;大陸效應(yīng)指離岸距離越遠(yuǎn),δ降水值越低;緯度效應(yīng)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(yīng)和大陸效應(yīng)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(shí)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(yīng),而20°N以南的低緯度地區(qū),緯度效應(yīng)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(nèi),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(jì)算值分別為-5.02‰和-29.7‰,與本文研究的實(shí)測平均值接近,說明廈門沿岸地區(qū)δ降水值在緯度效應(yīng)線上的位置正常,δ降水值受緯度效應(yīng)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(gè)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(rèn)為,季節(jié)效應(yīng)一般是由于溫度引起的,δ降水值的變化與產(chǎn)生降水的蒸餾、凝結(jié)等物理過程密切相關(guān),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(guān),而α值又是降水云團(tuán)冷凝溫度的函數(shù),地面溫度在一定程度上與降水云團(tuán)的冷凝溫度有對應(yīng)關(guān)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(bào)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(guān)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(guān)關(guān)系,并認(rèn)為通過測定雨水中的氫、氧同位素組成可研究相應(yīng)地區(qū)的氣候變化。2005年廈門島內(nèi)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(yīng)該是8~10月份高于1~4月份,而實(shí)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(guān)系,本文分別將δ18O和δD對月平均氣溫做了線性回歸,結(jié)果表明,δ18O和δD與月平均氣溫存在不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,說明δ18O和δD值的季節(jié)性差異不是由于溫度效應(yīng)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(shí)上,這種δ降水值與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系即與溫度效應(yīng)預(yù)測相反的現(xiàn)象,在我國許多受季風(fēng)影響的地區(qū)均有發(fā)現(xiàn)。因?yàn)榕瘽衿麍F(tuán)的冷凝過程不僅取決于汽團(tuán)的初始溫度、冷凝溫度,更取決于殘留濕汽團(tuán)的份額(Fv)。在凝結(jié)過程中,只有當(dāng)水汽中δ18O保持基本穩(wěn)定時(shí),降水中的δ18O值與氣溫之間才可能表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系,而受夏季風(fēng)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(rèn)為,溫度效應(yīng)主要存在于我國的中、高緯度地區(qū),越向大陸內(nèi)部,這種關(guān)系越為密切。DANSGAARD認(rèn)為,中、高緯度地區(qū)的溫度效應(yīng)較為明顯,而低緯度地區(qū)的溫度效應(yīng)則可能與降雨量關(guān)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(yīng)不明顯也應(yīng)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(guān)系。由圖3可見,δ降水值與降雨量間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。在實(shí)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(fù)(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(fù)相關(guān)關(guān)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(fēng)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(fù)數(shù),δ降水值并不一定和降水量相關(guān)。我國6~9月盛行夏季風(fēng)、10月~翌年5月盛行冬季風(fēng),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(fēng)氣候?qū)邓型凰亟M成的影響程度。廈門沿岸地區(qū)δs-δw值為-13.25‰,說明季風(fēng)氣候?qū)B門沿岸地區(qū)降水中同位素組成影響相當(dāng)顯著,季節(jié)變化可能主要由季風(fēng)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(tuán)(具有濕度大、蒸發(fā)弱、降水量大的特征)沿著東南季風(fēng)的方向朝西北移動(dòng),伴隨著降水過程,汽團(tuán)中水汽的殘留份額越來越少,δ降水值也逐漸偏負(fù),當(dāng)它在亞洲登陸時(shí),暖濕汽團(tuán)中的δ降水值已經(jīng)相當(dāng)?shù)土?。任建國等也發(fā)現(xiàn),沿季風(fēng)流動(dòng)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(qiáng)臺風(fēng)經(jīng)常襲擊我國東南沿海地區(qū),臺風(fēng)中心經(jīng)過的地區(qū)常伴有大暴雨或特大暴雨,此時(shí)δ降水值相當(dāng)?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(fēng)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(dòng),于13日中午12時(shí)在汕頭市澄海區(qū)鹽鴻鎮(zhèn)登陸?！吧汉鳌彪m然強(qiáng)度不大,但具有影響范圍廣、降水強(qiáng)度大、破壞力大等特點(diǎn)。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(nèi)過程雨量達(dá)170~250mm。該熱帶風(fēng)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(fù),成為廈門地區(qū)全年最低的δ降水值。冬季季風(fēng)主要來自高緯度的亞洲內(nèi)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(tuán)在由海洋蒸發(fā)源區(qū)向大陸輸送過程中,未產(chǎn)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(tuán)與干冷汽團(tuán)相遇后,才能在采樣區(qū)產(chǎn)生較大的降雨,但δ降水值仍較高。由此可見,受季風(fēng)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(fù)、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(fù)相關(guān)關(guān)系。筆者認(rèn)為,季風(fēng)氣候及其導(dǎo)致的降雨量效應(yīng)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(tuán)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(jié)后云下的再蒸發(fā)分餾作用越強(qiáng),d值就越小。d值不僅受到了濕汽團(tuán)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(jìn)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(shí),d值一般將大于10‰。衛(wèi)克勤等認(rèn)為,在我國受季風(fēng)影響的地區(qū),冬季風(fēng)期間的d值一般大于10‰,夏季風(fēng)期間的d值則小于10‰,反映了冬、夏季風(fēng)期間降水云團(tuán)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(fēng)期間降水汽團(tuán)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(fēng)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(gè)樣品中僅有16個(gè)樣品的d值超過10‰,且超過幅度不大,僅在個(gè)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(fēng)期,廈門沿岸地區(qū)降水仍受到了海洋汽團(tuán)的影響,且水汽源區(qū)的蒸發(fā)緩慢。蔡明剛等認(rèn)為,廈門冬季風(fēng)期的降水為強(qiáng)盛的西南暖濕氣流與北方冷空氣共同作用的結(jié)果,冬、夏季風(fēng)期降水汽團(tuán)來源相同,這與本文的研究結(jié)論是一致的。一般認(rèn)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(guān)。由此可見,廈門沿岸地區(qū)降水云團(tuán)源區(qū)的蒸發(fā)速率較慢,降水云團(tuán)主要來源于海洋汽團(tuán)。而個(gè)別月份出現(xiàn)d值較大的現(xiàn)象,則反映出降水云團(tuán)在不平衡條件下的快速蒸發(fā)。由于缺乏更多的相關(guān)證據(jù),出現(xiàn)d值較大現(xiàn)象的具體原因仍需未來進(jìn)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(guān)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(jìn)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(jié)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(rèn)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(bào)道了雅魯藏布江大氣降水方程為:δD=7.54δ18O+15.92,認(rèn)為斜率和截距與全球大氣降水線的偏差是由于降水云團(tuán)形成時(shí)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(qiáng)烈的蒸發(fā)特性。本文采樣均在降雨停歇時(shí),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(jié)后云下的不平衡分餾作用有關(guān)。這種分餾作用造成了夏季降水中較低的d值,同時(shí),由于夏季的降雨量和降雨事件均占全年的6