昆明大气降水稳定同位素分析

昆明大气降水稳定同位素分析
朱秀勤;范弢;官威
【摘要】为阐明昆明地区稳定同位素与大气降水的关系,对GNIP昆明站点1986～2003年δD和δ18O进行分析,初步建立当地大气降水线方程,并与中国及全球降水线方程进行对比,揭示该降水线方程的特征.研究结果表明:大气降水稳定同位素组成受到温度、蒸发、水汽源地等多种因素的复杂影响,在不同时间有很大差异.研究区大气降水稳定同位素存在明显的季节变化,雨季偏负,旱季偏重,降雨效应明显,并在很大程度上影响和掩盖了温度效应.而d受其特殊地理位置影响,呈现出雨季高旱季低的独特变化特征.
【期刊名称】《云南地理环境研究》
【年(卷),期】2013(025)005
【总页数】6页(P90-95)
【关键词】稳定同位素;大气降水;水汽来源;雨量效应;昆明
【作者】朱秀勤;范弢;官威
【作者单位】云南师范大学旅游与地理科学学院,云南昆明650000;云南师范大学旅游与地理科学学院,云南昆明650000;云南师范大学旅游与地理科学学院,云南昆明650000
【正文语种】中文
【中图分类】P426.65;P342
大气降水作为水循环过程中的一个重要环节，是地表水、地下水等水体系统的重要补给来源，其稳定同位素比率的大小与产生降水的气象过程、水蒸汽来源区的初始状态以及水蒸汽输送方式等密切相关[1，2]。

降水稳定同位素含量在一定程度上能反映区域天气气候和区域性特征，因此，自20世纪60年代以来，降水同位素组
成成为地球化学研究热点之一。

随着全球降水同位素监测网站的建立，为研究全球及区域的水循环机制提供了宝贵的同位素资料，我国取得了许多有意义的成果，如中低纬度沿海地区降水中稳定同位素具有显著的降水量效应[3，4]，中高纬度大陆内陆区无论是在时间尺度上还是在空间尺度上，降水中稳定同位素都具有显著的温度效应[5，6]。

近年来，国内有不少学者对东部季风区[7，8]、西北干旱区[9]、青藏高原区[10]、沿海岛屿区[11]、长江流域[12]和黄河流域[13]等区域降水稳定同
位素进行了较为深入的探讨，近年也陆续出现对西南季风区[14-16]降水同位素的
研究，但对滇中高原明珠昆明研究相对薄弱。

昆明位于西南边陲省份，该地区是东亚季风、南亚季风和青藏高原季风相互作用的区域，属典型的季风气候区，水汽来源以及影响降水的因素(如降水量、温度、季风和水蒸汽压力等)非常复杂，常发生极端干旱气象灾害[17]，影响稳定同位素分布。

因此，本文对昆明大气降水资料进行分析，探讨大气降水同位素和气象资料来研究昆明地区大气降水稳定同位素的变化特征及其水汽来源，有助于对我国西南地区水循环机制的充分理解。

1 研究区概况
昆明地区地处滇中(24°23′～26°33′N，102°10′～103°40′E)，海拔约1 900 m，
由于受来自印度洋和西太平洋的暖湿海洋气流影响，以及大陆气团和近地面等作用，属低纬度高原山地季风气候，年均温和降雨量分别为15℃、1 000.4 mm。

据1986～2003年(缺1993～1995年)资料统计，研究区年降雨量在645～1 448 mm，在时间分布上，明显地分为旱、雨两季。

5～10月为雨季，降水量占全年的
85%左右；11月至次年4月为旱季，降水量仅占全年的15%。

因水汽来源强度差异，大气降水中同位素存在较大变化。

2 数据获取与研究方法
昆明地区降水同位素资料δD、δ18O和大气降水量(1986～2003年，数据个数为152个)均来自全球降水同位素监测网络GNIP(Global of Isotope in Precipitation)。

大气降水中氢、氧稳定同位素分别采用金属铀法和CO2-H2O平衡法，采用英国的 MM903 质谱仪进行同位素分析，精度为CO2<0.125‰、
H/D<±1.0‰，文中的δ值均以V-SMOW 为标准，单位为‰，表示为：
δ=(R样品/RV-SMOW-1)×1000
(1)
式中：R样品和 RV-SMOW分别代表水样中氢或氧的稳定同位素比率和维也纳标准平均海洋水中稳定同位素比率。

图1为δD和δ18O的关系图。

图1 1986～2003年昆明大气降水同位素组成Fig.1 The component of isotopes in the precip itat ion from 1986 to 2003 in Kunming area
3 结果与分析
3.1 昆明大气降水δ18O和δD的变化特征
根据图1昆明地区1986～2003年大气降水的δ18O、δD的实测值，得出δ18O 介于0.35‰～-17.51‰，平均值为-7.763‰，δD介于7.8‰～-114.2‰，平
均值为-54.209‰。

郑淑慧[1]研究了中国大气降水δ18O和δD变化范围为
2.0‰～-24‰、2‰～-210‰，而全球大气降水δ18O和δD变化范围为10‰～-50‰、50‰～-350‰[17]。

研究区大气降水稳定同位素虽变幅较大，
但均落在中国与全球的变化范围内。

雨季δ值偏负，旱季偏正。

雨季δ18O和δD的均值分别为-10.12‰和-70.78‰，旱季δ18O和δD均值分别为-4.5‰和-31.43‰，在季节分布上呈现正弦波动的
形态[18，19]。

昆明大气降水中δD和δ18O的分布范围与周边GNIP站点的成都、遵义、贵阳等具有可比性，都体现出夏季降水中δD和δ18O偏轻、冬季降水中
偏重的特征。

δ18O最大值大部分出现在夏季风来临前的4月，而不是当地气温最低、降水最少的1月，1986～1989年、1996年、1999年和2000年，δ18O最大值出现在4月。

δ18O最低值通常出现在降雨量最大的月份的次一个月，存在“滞后”现象，如1986年、1990年、1991年、1996年、1998年、2002和2003年等。

3.2 地区降水方程特征
大气水线是一个地区某一时段内降水δD 与δ18O 间的线性关系，可以较好地反
映该地区自然地理和气象条件，在了解当地蒸散发等方面具有明显优势，是利用降水同位素信息开展各项工作的基础[19]。

对昆明站各月降水中δD、δ18O进行分
析得到大气降水方程(图2)为：δD = 6.56 δ18O-2.96(R2=0.907)。

该方程与Craig[20](1961，δD =8δD18O+10)和Yurtsever[21](1975，δD
=8.17δ18O+10.56)的全球降水线方程及郑淑慧[22]的中国降水线方程(1983，
δD=7.9δ18O+8.2)相比较，斜率和截距均降低，与章新平[14]研究1986～1999
年的昆明大气降水方程(δD = 7.34 δ18O+4.18)存在偏离，斜率和截距偏低。

一
方面也反映了水汽源的复杂性，另一方面与凝结物在未饱和大气中降落时重同位素出现蒸发富集，大气越干热，大气水线斜率和截距越小。

图2 昆明大气降水中δD与δ18O变化关系Fig.2 δD-δ18O variations of precipitation in Kunming
3.3 大气降水稳定同位素组成的影响机制
“降雨量效应”指降雨量与同位素的负相关关系。

大气降水中同位素组成是空气湿度的函数，其不同之处主要由云团冷凝时遵循瑞利分馏过程所造成的，因此局地降水量与雨水的同位素存在一定的相关关系。

根据昆明气象站实测数据的大气降水中
δ18O与降水量有一定的相关性，将二者加权后进行线性回归分析(图3)，方程为：δ18O=-0.0303P-4.9041(R=0.3777)，相关系数为0.38，雨量略偏弱。

这种相关性不如中国南方其它地区基于月降水量与δ18O分析得出的“降雨量效应”显著[23]。

图3 昆明大气降水中δ18O与降水量关系Fig.3 Relationship between the
D18O of meteoric Precipitation and rainfall over Kunming
“温度效应”指温度与同位素的正相关关系。

在中国的青藏高原北部地区和西北地区，温度效应体现较为明显，即夏季大气降水中δ18O明显偏正，冬季则明显偏轻。

昆明地区大气降水中δ18O与温度也具有一定的相关性(图4)：δ18O=-
0.4743T-0.1249(R=0.1942)。

从图4可得出昆明地区大气降水中δ18O与温度存在负相关关系，相关系数为0.19，温度效应非常弱，甚至不存在，这与中国南方
季风区和大部分东部季风区很多研究结果相似。

图4 昆明大气降水中δ18O与气温关系Fig.4 Relationship between the D18O
of meteoric precipitation and air temperature over Kunming
3.4 过量氘的变化特征
全球各地自然条件差异性显著，水在蒸发过程中的动力分馏作用使得氢同位素以及氧同位素的平衡分馏遭到破坏，大气降水中δD和δ18O出现一个差值，其定义
为d=δD-8δ18O[24]。

d反映了上空水汽团的同位素组成特征，并取决于水汽蒸
发源地的状况，且同一水汽团在输送、冷凝过程中d会保持不变，因此，d常被
用来研究追踪水汽源地[25]，但是由于水汽源地的不同、降水形成过程等的变化造成不同地区d在时空分布上有较大的变化。

昆明多年大气降水氘盈余较高的月份，大部分现在7～10月，最高值达50.18‰，平均值为8.33‰，主要介于50.18‰～-41.18‰(图5)，比世界大部分地区d值(10‰)低。

雨季均值为10.78‰，旱季为4.86‰，即d值雨季高旱季低的特征。

表明昆明水汽来源方式与世界大部分地区都不相同，如与东部地区的南京、齐齐哈尔和天津[7]及田立德等人[26]在青藏高原地区研究结论相反，与成都[27]、乌鲁木齐[28]和塔里木的和田[10]较为相似。

图5 昆明地区大气降水与d变化关系Fig.5 Variations of atmospheric precipitation and d
4 讨论
昆明地区受水汽来源差异的影响，降水同位素值存在较大的差异。

雨季，来自海洋的西南暖湿气流长时间向该区提供大量水汽，降水量大，湿度大，蒸发弱，水汽由海洋到陆地运移过程中的多次凝结降水，从而造成雨水中δ值相对较低的特点。

旱季，受西风南支槽[29]和二次蒸发影响，降水量小，湿度低，蒸发强，导致δ值较高。

季风降水到来之前的持续较高气温会引起当地地表蒸发旺盛，而且空气相对湿度较低说明大气干燥，这些条件都有利于同位素的分馏，造成大气水蒸汽中同位素偏重[30]，以至4月δ值在一年中达最高。

但季风期间季风活跃期和不活跃期
的交替出现及相邻月份之间季风强度不同可能引起降水中δ发生差异，降水过程
中随着雨滴的蒸发和降温空气饱和差很容易补偿，随降水过程的延长雨滴不再蒸发，甚至与环境水汽发生交换，以致降水量最大月份的次一个月δ18O在一年中最低[22]。

全球和中国大气降水线方程是分别根据世界各地以及中国各个地区的观测数据而得到的，综合了干旱地区与湿润地区的降水数据而得出的结果，在相当程度上反映了海洋性气候的海岛城市的降水氢氧同位素特征。

昆明地区降水线斜率和截距偏低，主要原因是研究区处于高原地区，气候干燥，产生的水汽有相当一部分来自局地的蒸发，加上在干旱气候条件下雨滴在降落过程中由于蒸发而产生的重同位素的[28]，致使研究区降水中δ18O偏高，造成斜率和截距产生偏离。

昆明地区属典型的季风气候区，大部分降水来源于海洋，具有明显的“降雨效应”，
但因受到风速、大气稳定度、湿度以及水汽来源等因素的影响，δ18O表现出的离散程度较大，使得研究区“降雨效应”较中国南方大部分地区弱，与李延勇等[30]等对重庆地区季风降水的研究结果相似。

值得注意的是，前面提到降水最大月并不与降水δ18O最小值相对应，说明在季风气候区降水量并不是决定降水δ18O值高低的根本性因素，水汽来源不同可能是决定降水δ18O值的深层次原因，季风可能是造成该效应的深层机制之一，降水量效应只是体现形式[8]。

研究区“稳定效应”不明显，甚至被“降雨效应”所覆盖，可能与其所处的地理位置、气候、海拔等综合因子的影响有关。

d值既反映了降水形成时地理环境和气候条件，又反映了海水蒸发形成云气团时热力条件和水汽平衡条件[9]。

d值越大，则反映蒸发速率大。

卫克勤等[17]指出，d 值反映了形成降水过程的汽团同位素组成，含有形成汽团源区的重要信息，包括蒸发过程的平衡或不平衡状态及蒸发速率等。

田立德等人[26]在中国青藏高原地区研究表明低的d反映强的季风降水与相对较弱的西风水汽输送时期，而高的d对应弱的季风活动与强的西风输送时期。

但昆明地区，强的季风降水和弱西风输送相对应高的d值，弱的季风降水和强西风输送相对应低的d值，这与利用降水中过量氘追踪水汽来源原理不同。

这可能与该地区特殊地理位置有关或与来自青藏高原地区水汽补充而引起。

研究区位于云贵高原的滇中地区，雨季受南亚季风、东亚季风和青藏高原季风的共同作用，d值具有独特的特性。

5 结论
本文研究了昆明地区大气降水中氢、氧同位素组成特征及其与水汽来源的关系，得出结论如下：
(1)昆明雨水中稳定同位素值在年内具有明显的季节变化，雨季比旱季明显偏负，主要是雨季水汽由海洋到陆地运移过程中的多次凝结降水，导致δ18O偏负。

稳定同位素偏重降水事件出现在4月，由温度、湿度等控制的蒸发作用对重同位素
的富集效应；稳定同位素偏负降水事件出现在降水量最大月份的次一个月，由季风期间季风活跃期和不活跃期的交替出现而影响空气饱和度等造成的贫化结果。

(2)初步建立了昆明大气降水线方程：δ18O=6.56 δ18O-2.96。

(3)研究区大气降水稳定同位素组成体现出一定的降水效应，但是温度效应几乎不
存在。

(4)由于昆明地区处于特殊的地理位置，d值呈现出降水中过量氘追踪水汽来源原
理不同的特点，雨季高旱季低的独特季节变化。

参考文献：
[1]郑淑蕙，侯发高，倪葆龄.我国大气降水的氢氧稳定同位素研究[J].科学通报，1983，28(13)：801-806.
[2]SCHMIDT G A，HOFFMANN G，SHINDELL D T，et al.Modeling atmospheric stable water isotopes and the potential for constraining cloud processes and stratosphere-troposphere water exchange[J].Journal of Geophysical Research，2005，110(21)：21314.
[3]姚檀栋，周行，杨晓新.印度季风水汽对青藏高原降水和河水中δ18O 高程递减率的影响[J].科学通报，2009，54(15)：2124-2130.
[4]陈锦芳，曹建平，黄奕普.厦门沿岸地区大气降水中氢氧稳定同位素组成及其影
响因素[J].海洋学研究，2010，28(1)：11-17.
[5]Liu Jianrong，Song Xianfang，Yuan Guofu，et al.Isotopic composition
of precipitation over Arid Northwestern China and its implications for the water vapor origin[J].Journal of Geographical Sciences，2009，19(2)：164-174.
[6]姚檀栋，孙维贞，蒲健辰，等.内陆河流域系统降水中的稳定同位素[J].冰川冻土，2000，22(1)：15-22.
[7]陈中笑，程军，郭品文，等.中国降水稳定同位素的分布特点及其影响因素[J].大气科学学报，2010，33(6)：667-679.
[8]张琳，陈立，刘君，等.香港地区大气降水的D和18O同位素研究[J].生态环境学报，2009，18(2)：572-577.
[9]侯典炯，秦翔，吴锦奎，等.乌鲁木齐大气降水稳定同位素与水汽来源关系研究[J].干旱区资源与环境，2011，25(10)：136-142.
[10]吐尔逊江·艾莎，海米提·依米提，古丽娜尔·哈历别克，等.塔里木盆地降水中稳定同位素变化特征浅析——以和田地区为例[J].安徽农业科学，2012，40(4)：2163-2165.
[11]蔡明刚，黄奕普，陈敏，等.厦门大气降水的氢氧同位素研究[J].台湾海峡，2000，19(4)：446-452.
[12]赵家成，魏宝华，肖尚斌.湖北宜昌地区大气降水中的稳定同位素特征[J].热带地理，2009，29(6)：526-531.
[13]李小飞，张明军，王圣杰，等.黄河流域大气降水氢、氧稳定同位素时空特征及其环境意义[J].地质学报，2013，87(2)：269-277.
[14]章新平，孙维贞，刘晶淼.西南水汽通道上昆明站降水稳定同位素[J].长江流域资源与环境，2005，14(5)：665-668.
[15]庞洪喜，何元庆，卢爱刚，等.天气尺度下丽江季风降水中δ18O变化[J].科学通报，2006，51(10)：1212-1224.
[16]章新平，关华德，孙治安，等.云南降水中稳定同位素变化的模拟和比较[J].地理科学，2012，32(1)：121-128.
[17]IAEA/WMO.The GNIP Data Release 3[EB/OL].http：
//.programs/ri/gnip/gnipmain.htm.2001.
[18]O’DRISCOLL M A，DEWALLE D R，MCGUIRE K J，et al.Seasonal 18O
variations and groundwater recharge for three landscape types in central Pennsylvania，USA[J].Journal of Hydrology，2005，303(1/4)：108-124. [19]胡可，陈洪松，聂云鹏，等.桂西北喀斯特峰丛洼地降水稳定同位素的季节变
化特征[J].农业工程学报，2013，29(5)：53-62.
[20]CRAIG H.Isotopic variations in meteoric waters[J].Science，1961，133：1702-1703.
[21]YURTSEVER Y，GAT J R.Atmospheric Waters.Stable Isotope Hydrology：Deuterium and Oxygen-18 in the Water Cycle[R].(J.R.Gat，R.Gonfiantini，Eds)Technical Reports Series 210.IAEA，Vienna，1981：103-142.
[22]郑淑蕙，侯发高，倪葆龄.我国大气降水的氢氧同位素研究[J].科学通报，1983，28(13)：801-806.
[23]ZHANG Xin-ping，LIU Jing-miao，SUN Wei-zheng，etal1Relations between oxygen stable isotopic ratios in precipitation and relevant meteorological factors in southwest China[J].Science in China：Series D，2007，50(4)：571-5811
[24]DANSGARD W.Stable isotopes in precipitation[J].Tellus，1964，16：436-468.
[25]段旭，陶云，许美玲，等.西风带南支槽对云南天气的影响[J].高原气象，2012，31(4)：1059-1065.
[26]田立德，姚檀栋，蒲健辰，等.拉萨夏季降水中稳定同位素变化特征[J].冰川冻土，1997，19(4)：295-301.
[27]吴华武，章新平，孙广禄，等.长江流域大气降水中δ18O变化与水汽来源[J].
气象与环境学报，2011，27(5)：7-12.
[28]李晖，蒋忠诚，王月，等.新疆地区大气降水中稳定同位素的变化特征[J].水土
保持，2009，16(5)：157-161.
[29]张万诚，万云霞，任菊章，等.水汽输送异常对2009年秋、冬季云南降水的影响研究[J].高原气象，2011，30(6)：1534-1542.
[30]李廷勇，李红春，沈川洲，等.2006～2008年重庆大气降水DD和D18O特征初步分析[J].水科学进展，2010，21(6)：757-764.。