1、我国北方降水稳定同位素初步分析摘要：本文根据全球降水同位素观测网 GNIP 数据，参照全球大气降水同位素组成的赋存、分布规律，初步总结了北方地区大气降水稳定同位素背景值的基本分布特征和赋存、变化规律。得出了部分城市的雨水线和全国雨水线，讨论了影响降水同位素组成变化的相关因素；同时通过对北方地区部分城市的温度效应、纬度效应以及雨量效应进行分析，进一步得出影响北方降水稳定同位素的主要因素。 关键词：北方地区；降水同位素；D；18O 中图分类号：P426.6 文献标识码：A 1、引言 稳定同位素是自然水体中的重要组成部分，它们非常敏感地响应环境的变化。降水是水循环过程中一个重要环节。不同地区大气降水
2、中氢氧稳定同位素的组成是不同的。降水同位素的经典模式认为这种同位素值的差别是由于云团的冷凝遵循瑞利分馏的过程。降水中同位素值的瑞利分馏简化公式如下： 降水=( 降水为降水的 D 或 18O 值，为云团中剩下蒸汽的百分比，为降水在冷凝温度 t 时的分馏系数。根据定义： 或 18O = D SMOW 为标准平均大洋水，常温时1，从瑞利分馏公式可以看出，降水值随着的减少而逐渐变小。如果云团在赤道附近的洋面上形成后向两极移动，则该云团在不同地区的降水就会表现出不同的 值，运移的距离愈远， 值愈负1。 2、数据来源及方法 本文降水中氧稳定同位素的数据主要来自全球降水同位素观测网GNIP (global
3、network of isotope in precipitation，GNIP；http:/isohis.iaea.org)。通过 GNIP 网的数据分析全国雨水线以及北方哈尔滨、天津、石家庄、包头、锦州、长春、太原、烟台八个城市 D 和 18O 的关系，得出北方整体降水特征以及各地区在特定地理条件下的独特特征；通过对北方八个城市温度效应、纬度效应、雨量效应以及季节差异的相关性分析，初步总结影响北方整体降水同位素的因子。 3、北方部分城市降水中 D 和子 18O 间的线性相关关系 研究降水中雨水线特征及其影响因素是同位素水文地球化学的重要基础课题。 1961 年，Craig 提出了全球雨水线
4、方程2： D =818O +10 1981 年， Yurtoever 和 Gat 给出全球雨水线修正公式5： D =8.2018O +10.80，r=0.997 根据全球降水同位素观测网 GNIP 数据得出全国雨水线为(图 1)： D = 7.4318O + 5.51 图(1) 全国大气降水雨水线 从所得结果看，我国雨水线与全球雨水线相近，北方各地区雨水线也与之符合较好，说明北方降水同位素组成总体上符合全球客观规律。各城市降水组成又都有其各自的区域性特征，主要表现在雨水线的斜率、截距及氘盈余的变化上。 3.1 雨水线的斜率和截距 斜率和截距是雨水线的特征值，是说明降水 DH 和 18O 贫比程
5、度比例关系的重要参数。所选几个城市各地区雨水线斜率大都在 68 之间。只有太原和烟台为 5.70 和 5.54，这是由于各自的气候特点和地理位置决定的。太原位于黄土高原，比较干旱少雨，因而斜率明显偏小（5.70） 。烟台（5.54，-8.81）虽未处在热带，但它面临渤海，受海洋气候影响很大，因此其雨水线斜率与热带海岛台站的雨水线相似，斜率偏低。 3.2 氘盈余 所选取的几个北方城市中，只有天津、石家庄、包头三个城市的氘盈余在雨水线附近(d 值在+10左右)，其他几个城市 d 值全部偏小。其中太原 d 值仅为 3.77，分析原因为降水过程中发生再蒸发的原因。 4、降水同位素值分布特征与变化规律
6、影响降水同位素组成的因素大致上可分为温度效应、纬度效应、大陆效应、高程效应、雨量效应，这里对北方八个城市的温度效应、纬度效应及雨量效应进行初步的线性分析，进而得出北方整体降水同位素值分布特征与变化规律。 4.1 温度效应 降水的 D 和 18O 值与地面温度往往是呈线性关系，温度越高(低)，d 值越大(小) 4。Yurtsever(1975)总结 IAEA 观测网 114 个台站资料所得方程为3: 18O =(0.388+0.028)t-11.99 r=0.785 表(1)列出了北方八个城市降水 18O 值与气温间的线性关系，各城市的温度系数各不相同，说明降水中 D 与 18O 值随气温的变化
7、在不同的地区有不同的区域特征。其中锦州 18O 值与温度的相关关系为负相关关系；其他地区 18O 值与温度的相关关系都为正相关。 锦州温度效应并不明显，结合表(1)分析，由于夏季雨量较多，温度升高后地面蒸发的水汽会混入云气团增加降水量，导致锦州出现降水18O 与温度的负相关关系，温度效应被雨量效应所掩盖。 表(1) 18O 值与温度相关关系 18O 值与温度相关关系表 地点 平均温度(t) 18O () 18O 与 t 相关关系方程 r2 哈尔滨 6.91 -9.79 18O =0.810t+24.51 0.063 天津 14.67 -7.18 18O =0.684t-59.39 0.103
8、石家庄 13.87 -7.62 18O =1.141t+24.89 0.143 包头 7.45 -8.28 18O =1.494t+23.47 0.289 锦州 9.43 -6.91 18O =-0.266t-46.03 0.002 长春 5.92 -4.92 18O =0.677t+13.55 0.261 太原 14.53 -7.25 18O =0.392t+18.48 0.032 烟台 12.32 -6.79 18O =0.316t+18.52 0.010 4.2 纬度效应 根据全球降水同位素观测网 GNIP 数据计算得出北方八个城市纬度效应的相关方程为： 18O=-0.091 NL-3.
9、645r2=0.039 通过该方程可以看出，18O 值随纬度的增加而减小；表(2)同样可以看出北方地区明显的纬度效应。 表(2)我国北方部分城市 18O 随纬度变化规律 城市 哈尔滨 长春 锦州 包头 天津 石家庄 太原 烟台 纬度 (NL) 45.68 43.90 41.13 40.67 39.10 38.03 37.78 37.53 18O() -9.79 -4.92 -6.91 -8.28 -7.18 -7.62 -7.25 -6.79 4.3 雨量效应 根据全球降水同位素观测网 GNIP 数据，绘制出哈尔滨、天津、石家庄、包头、锦州、长春、太原、烟台八个城市降水量和 18O 值的关系图
10、如下： 图(2)北方各城市降水量与 18O 的季节变化 为方便分析，设定 4-9 月份为夏半年，10-3 月份为冬半年；在夏半年北方各城市降水量和 18O 相关性除了锦州外，并不明显，这可能和北方夏季温度效应影响大于雨量效应有关；而冬半年基本呈现出负相关关系，这说明我国北方大部分地区雨量效应对降水同位素的影响特别是在冬半年，还是相对比较显著。 通过在分析温度效应中对锦州的分析，结合雨量效应中对锦州的分析，表明影响锦州降水同位素的主要因素是雨量效应。 5、结论 （1）通过全球降水同位素观测网 GNIP 数据所得全国雨水线：D = 7.4318O + 5.51 与全球雨水线方程：D =8.2018
11、O +10.80 相近，北方各地区雨水线也与之符合较好，说明北方降水同位素组成总体上符合全球客观规律。 (2)通过对所选八个北方城市的数据分析，大部分城市的地区雨水线与全国雨水线相符或相近；其中太原和烟台雨水线斜率小于 8，分析原因为太原位于黄土高原，比较干旱少雨，因此斜率小于 8；烟台虽未处在热带，但它面临渤海，受海洋气候影响很大，故其雨水线斜率偏低。 (3) 通过对所选八个北方城市温度效应、纬度效应、雨量效应及季节变化的分析，表明影响北方地区降水同位素的主要因素是温度效应；通过对北方几个城市雨量效应的分析，北方地区夏半年雨量效应并没有冬半年明显，分析原因可能是由于温度效应的影响大于雨量效应
12、，从而掩盖了雨量效应；在文中所选取的八个北方城市中，纬度效应相对来说比较明显，说明纬度效应对北方降水同位素还是有一定的影响。 参考文献： 1 郑淑慧、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.1982.7.801 806 2 Craig H. Isotopic variations in meteoric waters oriewater.Science,1961,133:1702-1703 3 Yurtsever，Y.，Rep.Sect.Isotope Hydro l，IEAE,Nov.1975.40. 4 刘忠方,田立德,姚檀栋,柴旭荣.中国大气降水中 18O 的空间分布J.科学通报,2009,54(6):804-811 5 Gat J R, Mook, et al.Volume II: International Atomic Energy Agency (IAEA), 2000, Vienna, Austria, 117
