寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏銀川地區(qū)大氣降水線特征及影響因素分析

寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏寧夏銀川地區(qū)大氣降水線特征及影響因素分析

全球降水是世界水文循環(huán)的重要組成部分。雨水的蒸發(fā)和沉淀還伴隨著氫氧穩(wěn)定同位素的分蒸餾作用，這是不同相位之間的分子質(zhì)量差異造成的。在蒸發(fā)過(guò)程中,較輕同位素優(yōu)先分離到水汽中,而在凝結(jié)過(guò)程中,較重同位素優(yōu)先凝結(jié)到雨滴中降落到地面。因此,可以借助雨水中氫氧穩(wěn)定同位素變化特征,研究雨水形成過(guò)程中所經(jīng)歷的環(huán)境氣候條件及水汽來(lái)源的改變。在國(guó)內(nèi)外,雨水中穩(wěn)定同位素研究在水文學(xué)及氣候?qū)W等領(lǐng)域均已得到廣泛發(fā)展,如徐振等研究了四川臥龍地區(qū)降水穩(wěn)定同位素與季風(fēng)活動(dòng)的關(guān)系;章新平等研究了我國(guó)西南地區(qū)降水中過(guò)量氘與水汽來(lái)源的關(guān)系;LiottaM等通過(guò)地中海中部降雨同位素組成研究了雨水起源標(biāo)志及其對(duì)山川降水的影響;MerlivatL等用全球氣候解釋了降雨中氘和氧18之間的關(guān)系。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)與世界氣象組織(WMO)自1961年起共同建立了全球降雨同位素觀測(cè)網(wǎng),對(duì)全球降水中氫氧穩(wěn)定同位素進(jìn)行監(jiān)測(cè),目前已經(jīng)積累了大量觀測(cè)資料。本文所采用的數(shù)據(jù)均來(lái)自于銀川監(jiān)測(cè)站點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置為東經(jīng)106.217°,北緯38.4833°,監(jiān)測(cè)時(shí)間為1988—1992年,每月監(jiān)測(cè)1次,部分時(shí)段數(shù)據(jù)有所缺失。1西部天然屏障銀川是寧夏回族自治區(qū)省會(huì)城市,地形上分為山地和平原兩大部分,西南部較高,北東部較低,平均海拔在1010~1150m。西部為賀蘭山,呈北偏東走向,長(zhǎng)約150km,最高海拔為3556m,是阻擋西北冷空氣進(jìn)入銀川的天然屏障。銀川屬于中溫帶內(nèi)陸干旱氣候區(qū),具有典型的大陸性氣候特征,冬季寒冷漫長(zhǎng),夏季短暫,日照充足,多年平均降雨量為183.59mm,主要集中在6—9月份,年平均蒸發(fā)量為1662.33mm。2穩(wěn)定同位素組成及變化大氣降水線是某一地區(qū)δD與δ18O的線性變化關(guān)系。1961年,HarmanCraig根據(jù)世界各地的400例河流、湖泊和降水的水樣數(shù)據(jù)擬合出了全球大氣降水線方程(GMWL)δD=δ18O+10,該方程是全球局部和區(qū)域大氣降水線的平均值,但由于不同地理位置和氣候環(huán)境,局部區(qū)域的當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(LMWL)均有所偏離,斜率和截距均不同。1982年,鄭淑慧等人根據(jù)設(shè)立在北京、南京、廣州、昆明、武漢、西安、拉薩和烏魯木齊8個(gè)臺(tái)站的107個(gè)降水樣品同位素?cái)?shù)據(jù),用最小二乘法求得了我國(guó)大氣降水線方程為δD=7.9δ18O+8.2。本文根據(jù)銀川同位素監(jiān)測(cè)站點(diǎn)獲得的1988—1992年的每月的降雨同位素?cái)?shù)據(jù),得出了銀川的地區(qū)降水線方程為δD=7.218δ18O+5.505,相關(guān)系數(shù)為R2=0.96,見(jiàn)圖1。由圖1可以看出,銀川地區(qū)大氣降水線略微偏離了全球大氣降水線和我國(guó)大氣降水線,斜率和截距均偏小,降雨中δD的變化范圍是-14.77%~0.51%,δ18O的變化范圍是-1.997%~0.386%,變化幅度較大,且沒(méi)有明顯的聚集現(xiàn)象,說(shuō)明銀川地區(qū)大氣降水中δD與δ18O值均較為敏感,很容易受氣候環(huán)境等易變因素的影響。諸多研究成果已經(jīng)表明,降水中穩(wěn)定同位素組成不僅與降雨地區(qū)的緯度、海拔、氣溫、相對(duì)濕度、降水量等因素有關(guān),還與形成降雨的水汽來(lái)源和輸送過(guò)程有關(guān),降水中穩(wěn)定同位素的組成和變化是這些因素共同作用,相互影響的結(jié)果。對(duì)某一個(gè)特定地區(qū)而言,緯度和海拔是固定的,因此,影響銀川地區(qū)穩(wěn)定同位素δ值變化的因素需要主要考慮氣溫、降水量、水汽來(lái)源與途徑、季節(jié)變化等,究竟哪種因素占主導(dǎo)地位,是我們所關(guān)心的重點(diǎn)問(wèn)題。3降雨穩(wěn)定同位素與氣溫的關(guān)系溫度效應(yīng)主要是由于蒸發(fā)過(guò)程中的同位素分餾作用造成的。根據(jù)同位素平衡分餾原理,隨著溫度的升高,分餾作用逐漸減弱,海水蒸發(fā)所形成的水蒸氣中2H和18O含量就增大,這便使得由這種水蒸發(fā)所形成的降雨中的2H和18O含量隨之增大;而當(dāng)溫度較低時(shí),較強(qiáng)的分餾作用使得水蒸氣中的2H和18O含量偏低,進(jìn)而由其所形成的降雨中2H和18O的含量也偏低。根據(jù)Dansgaard的研究成果,在大西洋沿岸濱海地區(qū),大氣降水中δD與δ18O值與氣溫之間存在如下線性關(guān)系:根據(jù)鄭淑慧等人的研究成果,在我國(guó)的京廣鐵路沿線及附近地區(qū),大氣降水的δD和δ18O值與氣溫之間存在如下線性關(guān)系:根據(jù)銀川地區(qū)降雨中δD、δ18O和氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),繪制出其降雨穩(wěn)定同位素與氣溫的關(guān)系如圖2。從圖中可以看出,銀川地區(qū)降水存在明顯的溫度效應(yīng),隨著溫度的升高,重同位素相對(duì)富集。根據(jù)最小二乘法原理得到的擬合方程為:銀川地區(qū)δ值與溫度之間的線性相關(guān)關(guān)系與鄭淑慧等人的研究成果類似,而與Dansgaard的研究成果差距較大,其主要原因是銀川深處內(nèi)陸、遠(yuǎn)離海岸,海洋氣團(tuán)到達(dá)銀川地區(qū)需要經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離的輸送,在此過(guò)程中水汽不斷凝結(jié)成降雨,導(dǎo)致剩余水蒸氣中重同位素不斷貧化,因此在相同的溫度和水汽來(lái)源情況下,銀川地區(qū)降水中重同位素含量應(yīng)比沿海地帶小得多,即δ值與溫度間的線性相關(guān)方程的斜率較沿海地區(qū)要小。盡管銀川地區(qū)降水中δD和δ18O值與溫度t之間線性相關(guān)系數(shù)R2僅為0.381和0.409,但不可否認(rèn)的是,溫度仍然是影響銀川地區(qū)降水中氫氧穩(wěn)定同位素含量變化的一個(gè)重要因素。造成降雨中δD和δ18O值與溫度t之間的線性相關(guān)性不好的原因是除溫度效應(yīng)之外,該地區(qū)降雨中穩(wěn)定同位素同時(shí)還受到其他環(huán)境氣候因素的共同影響。降雨穩(wěn)定同位素不符合雨量效應(yīng)。究其原因可能有以下情況:4降雨影響因素的季節(jié)變化Dansgaard的研究成果表明,較低溫度下形成較大的降雨,同時(shí),較低的溫度下,凝結(jié)過(guò)程中較強(qiáng)的瑞利分餾作用也使得后期水蒸氣形成的降雨中的重同位素逐漸貧化。因此,理論上認(rèn)為降雨量與δD和δ18O值應(yīng)呈現(xiàn)負(fù)的相關(guān)關(guān)系。銀川地區(qū)δD及δ18O值與降雨量之間的變化情況如圖3。從圖3可以看出,銀川地區(qū)降雨量與同位素之間不僅線性相關(guān)性較差,而且與Dansgaard的“負(fù)相關(guān)性”結(jié)果剛好相反,說(shuō)明銀川地區(qū)降雨穩(wěn)定同位素不符合雨量效應(yīng)。究其原因可能有以下情況:5季節(jié)效應(yīng)地球上任何一個(gè)地區(qū)大氣降水中的同位素組成都存在季節(jié)性變化,夏季的δ值高,冬季低。這一現(xiàn)象稱之為季節(jié)效應(yīng)。季節(jié)性的變化同時(shí)也包含了氣溫、降水量、水汽來(lái)源等的季節(jié)性變化。由圖4可以看出,銀川地區(qū)降雨δ18O值在多年降雨歷時(shí)情況下,12月至次年3月相對(duì)貧化,在5—9月相對(duì)富集,季節(jié)效應(yīng)顯著。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與銀川地區(qū)特殊的地理位置和氣候條件有關(guān)。銀川深處中國(guó)內(nèi)陸地區(qū),由于受到青藏高原等高海拔山脈的阻隔,大氣環(huán)流不暢,且遠(yuǎn)離海岸,夏季海洋氣團(tuán)很難到達(dá),因此降雨稀少,這少量的降雨主要來(lái)自于當(dāng)?shù)氐乇硭w的蒸發(fā)形成的水汽。由于干旱地區(qū)地表水體中δ18O值和δD值偏高,同時(shí)夏季氣溫較高,分餾作用相對(duì)較弱,因此由其蒸發(fā)形成的水蒸氣中δ18O值和δD值也偏高,同時(shí)夏季干旱區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈,也進(jìn)一步使得當(dāng)?shù)叵募窘涤曛兄赝凰馗患?。銀川地區(qū)冬季降雨中δ18O和δD值相對(duì)較小,可能原因是冬季大氣降水水汽來(lái)源主要為北冰洋等高緯度地區(qū),因?yàn)榫暥仍礁?氣溫相對(duì)越低,分餾作用相對(duì)較強(qiáng),到達(dá)銀川地區(qū)的剩余水蒸氣中重同位素含量已十分貧化,因此由其形成的降雨也較為貧化重同位素。(1)當(dāng)?shù)亟涤陼r(shí)的氣溫與降雨量之間的相關(guān)性不顯著。Dansgaard認(rèn)為較低的溫度下形成較大的降雨,而根據(jù)銀川當(dāng)?shù)貙?shí)際的氣象資料顯示,銀川地區(qū)1988—2000年最大月降雨量是94mm,而該月是1992年7月,為夏季,月平均氣溫為22.7℃,但該地區(qū)多年平均氣溫卻只有9.42℃。因此,降雨量與溫度之間的不協(xié)調(diào)性就導(dǎo)致了降雨量與δD和δ18O值的不相關(guān)性。(2)強(qiáng)烈的降雨云下二次蒸發(fā)作用抑制了雨量效應(yīng)。銀川屬于內(nèi)陸干旱區(qū),年蒸發(fā)量約為年降雨量的9~10倍,而較小的降雨量在下落到地面過(guò)程中經(jīng)歷了強(qiáng)烈的二次蒸發(fā)作用,使得重同位素不斷富集于當(dāng)?shù)亟涤曛?雨量效應(yīng)被降雨在云下的二次蒸發(fā)作用所掩蓋。6結(jié)語(yǔ)經(jīng)過(guò)以上分析認(rèn)為,銀川地區(qū)大氣降水線略微偏離