青藏高原降水氫氧穩(wěn)定同位素時(shí)空變化特征

青藏高原降水氫氧穩(wěn)定同位素時(shí)空變化特征

作為一種重要的節(jié)水裝置，氫氧穩(wěn)定同位素的使用是探索水文循環(huán)的重要手段之一。由于不同區(qū)域水體的形成機(jī)制、補(bǔ)給來源等各異,氫氧同位素特征也不盡相同。全球降水中δ18O和δD存在很大的時(shí)空差異,不僅受氣溫、大氣濕度和降水量等氣候因子的影響,而且受控于區(qū)域大氣水汽來源和水汽傳輸途徑。研究降水同位素變化特征,可以揭示降水水汽來源、水循環(huán)變化以及水汽蒸發(fā)源地的氣候特征,重建區(qū)域古氣候和古環(huán)境。青藏高原由于其特殊的地理位置和地形狀況,降水水汽來源非常復(fù)雜,不同區(qū)域降水同位素特征在空間上存在很大差異。目前青藏高原降水同位素研究已經(jīng)取得了豐碩成果。Yao等根據(jù)大氣環(huán)流對(duì)青藏高原的影響,將青藏高原分為3個(gè)區(qū)域:西風(fēng)區(qū)、季風(fēng)區(qū)和過渡區(qū)。對(duì)西風(fēng)區(qū)的研究集中在西寧、德令哈、和田和慕士塔格幾個(gè)典型區(qū)域,結(jié)果均表明降水δ18O與溫度呈正相關(guān)表現(xiàn)出明顯的溫度效應(yīng)。季風(fēng)區(qū)的研究則以聶拉木、拉薩和羊卓雍錯(cuò)為主,研究表明,這些區(qū)域在季風(fēng)活動(dòng)期降水δ18O表現(xiàn)為低值而在其他季節(jié)相對(duì)較高。田立德等和Yu等的研究結(jié)果充分展示了過渡區(qū)的降水同位素特征,結(jié)果顯示在過渡區(qū)降水δ18O變化特征很相似:在全年尺度上玉樹、沱沱河、改則、獅泉河降水δ18O與溫度存在正相關(guān)關(guān)系,但是那曲由于其地理位置偏南,受季風(fēng)影響比較大,因此在年尺度上不存在溫度效應(yīng)。受不同因素的影響,高原上河水的δ18O和δD特征存在很大的區(qū)域差異,這些差異不僅能夠很好地解釋區(qū)域氣候和水文過程,而且能反映降水特征,降水的季節(jié)性、降水溫度和降水與海拔的關(guān)系。目前青藏高原河水同位素的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。田立德等分析了那曲河流域河水的δ18O特征;劉光生等探討了風(fēng)火山流域降水和河水穩(wěn)定同位素特征;Yao等研究了青藏高原慕士塔格河水、湖水和降水的同位素特征及它們之間的相互補(bǔ)給關(guān)系;Yao等和Wen等探討了青藏高原河水同位素與高程效應(yīng)的相互關(guān)系。這些研究很好地揭示了青藏高原水體同位素的區(qū)域差異和降水的水汽來源不同。北麓河區(qū)域處于青藏高原過渡區(qū),降水水汽來源比較復(fù)雜,其降水和河水對(duì)北麓河凍土變化和水文過程有很大影響,因此本文基于2011年北麓河降水和河水同位素?cái)?shù)據(jù)并結(jié)合氣象資料,分析了北麓河降水和河水同位素變化特征,深入探討了北麓河降水水汽來源及河水的補(bǔ)給特征,以期能夠?yàn)榍嗖馗咴嗄陜鐾羺^(qū)水文循環(huán)提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。1方法和材料1.1研究區(qū)域及降水青藏高原氣候嚴(yán)寒,屬于高寒大陸性氣候,年內(nèi)凍結(jié)期長(zhǎng)達(dá)6~7個(gè)月,蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量。北麓河試驗(yàn)站位于青藏高原羌塘盆地大片連續(xù)多年凍土區(qū)東側(cè),在格爾木西南約320km(圖1)。根據(jù)北麓河氣象站長(zhǎng)期觀測(cè)資料,北麓河多年平均氣溫-3.58℃,極端高溫23.2℃,極端低溫-37.7℃,凍結(jié)期為10月至次年4月,年平均地溫介于-1.8℃和-0.5℃之間,海拔4500~4600m。在本文觀測(cè)區(qū)域內(nèi),2011年年降水量556.6mm,主要集中于5~9月,其中8月降水最多,月降水量為145.8mm,冬季降水較少。青藏高原水系發(fā)育,河湖分布廣泛,河流水量隨季節(jié)變化大,主要受降水補(bǔ)給。本文選擇了北麓河兩條支流河開展研究。通過現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)和估算結(jié)果表明,河A匯流面積約245萬m2,河B匯流面積約103萬m2。1.2降水樣品采集及預(yù)處理本文分析的水樣類型為降水和河水樣,具體采樣位置見圖1和表1。降水樣采集:降水樣在北麓河凍土試驗(yàn)站(圖1,表1)內(nèi)利用雨水收集器采集,每次降水事件后同時(shí)采集兩個(gè)降水樣。自2011年6~12月,共獲得降水樣72個(gè),其中6~9月以降雨為主,9~12月以降雪為主。降雪樣品先裝入塑料采樣袋中,扎緊袋口,在室溫下完全融化后立即封裝。所有降水樣品立即密封裝入20mL的棕色玻璃瓶?jī)?nèi)冷藏保存直至分析。河水樣采集:在北麓河凍土試驗(yàn)站附近布置了兩條河流(圖1,表1)進(jìn)行河水定點(diǎn)采樣,用以對(duì)比分析。自2011年6~12月,共采集河水樣144個(gè),所有河水樣品直接裝入20mL玻璃瓶密封冷藏保存直至分析。樣品處理及分析:所有樣品分析之前先進(jìn)行過濾,完成過濾的樣品在中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。采用液態(tài)水同位素分析儀(Picarro,Inc,L1102-i,USA)進(jìn)行同位素分析,測(cè)定結(jié)果用VSMOW和實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn),最后的結(jié)果以VSMOW表示,其中δ18O和δD的測(cè)量精度分別為0.07‰和0.3‰。2結(jié)果與分析2.1北河降水的平等特性和水資源的來源2.1.1降雨格局變化的影響降水中d-最在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)δ18O和δD值分別介于-25.67‰~-5.14‰和-179.42‰~-20.96‰之間,平均值為-11.29‰和-72.73‰;其中6~9月平均值分別為-10.17‰和-64.70‰,9~12月平均值分別為-19.92‰和-134.37‰。很明顯6~9月δ18O和δD的值偏正,9月以后逐漸偏負(fù)(圖2),說明夏季和冬季影響降水同位素的因素有所不同。6月30日至7月2日為連續(xù)降雨期,降雨期內(nèi)δ18O和δD在波動(dòng)中持續(xù)下降(表2),下降幅度分別約為6‰和51‰(圖2),與持續(xù)降雨導(dǎo)致的淋洗作用和瑞利分餾使水汽中δ18O和δD貧化有關(guān),因?yàn)榇舜芜B續(xù)降雨期水汽來源相同,隨著降雨的進(jìn)行,富集18O和D的水汽優(yōu)先形成降水,使得水汽中δ18O和δD越來越貧,其凝結(jié)形成的降雨中δ18O和δD也必然會(huì)貧乏,期間過量氘(d-excess)值稍微有所降低,這可能與局地水汽循環(huán)和降雨過程中雨滴在云下二次蒸發(fā)有關(guān)。降水中的d-excess值與水汽蒸發(fā)時(shí)的動(dòng)力分餾過程有關(guān),主要受水汽源地的空氣相對(duì)濕度和溫度影響。從圖2可以看出,降水d-excess介于11.8‰~32.32‰之間,與全球降水線(GMWL)的d-excess(10‰)值相比偏大。6~9月d-excess值介于11.76‰~22.47‰之間,平均值為16.69‰,9~12月顯著增大,d-excess值介于15.9‰~32.32‰之間,平均值為26.50‰。Yao等研究結(jié)果顯示:北麓河流域處于西風(fēng)和季風(fēng)的過渡區(qū),冬夏季節(jié)降水水汽來源不同,夏季(6~9月)受西風(fēng)和季風(fēng)共同影響,冬季(9~12月)則主要受到西風(fēng)帶的控制,導(dǎo)致其d-excess的季節(jié)差異,在沱沱河與那曲也發(fā)現(xiàn)了相似的d-excess特征。夏季來自于印度洋的潮濕海洋水汽能夠到達(dá)北麓河,潮濕水汽不僅提供了大量的降水(2011年夏季降水量(491.3mm)占全年降水量(556.6mm)的88.3%,見圖3),而且由于在水汽輸送過程中不斷貧化,導(dǎo)致降水同位素在夏季為低值,另外受潮濕氣流的影響,水汽源地相對(duì)濕度高,導(dǎo)致d-excess較低;而在冬季(9~12月),北麓河主要受西北大陸氣團(tuán)的補(bǔ)給,導(dǎo)致其降水減少,同時(shí)由于氣團(tuán)比較干燥,加上北麓河區(qū)域水體再循環(huán)過程的影響使得其同位素和d-excess較高。北麓河降水同位素均位于全球降水線的上方,降水線斜率小于全球降水線的斜率,截距大于10‰(圖4),主要由于北麓河夏季局地蒸發(fā)強(qiáng)烈,在降水過程中,地表水體蒸發(fā)形成的氣團(tuán)與降水水汽氣團(tuán)混合,產(chǎn)生了同位素混合效應(yīng),導(dǎo)致降水線斜率偏小。2.1.2降水與降水的相關(guān)性分析結(jié)果圖5(a)顯示,北麓河2011年降水氫氧同位素與日平均氣溫具有明顯的正相關(guān)關(guān)系:即溫度升高1℃,降水δ18O增加0.69‰,δD增加4.98‰;如果根據(jù)月平均值計(jì)算,則得到另一個(gè)關(guān)系:δ18O=0.62T-14.3(r2=0.65),此結(jié)果與Zhang等根據(jù)沱沱河降水月平均數(shù)據(jù)得到的結(jié)果相似,降水δ18O和溫度之間的這種較高的季節(jié)變化梯度可能是由于高海拔和低溫度的關(guān)系。然而如果把觀測(cè)期劃分為兩個(gè)時(shí)段:6~9月份和9~12月份,降水同位素和日平均氣溫的關(guān)系發(fā)生了顯著變化:6~9月,降水同位素和日平均氣溫基本不相關(guān),這是由于北麓河盆地處于季風(fēng)和西風(fēng)的過渡區(qū),在6~9月內(nèi)降水同位素既受季風(fēng)的影響,同時(shí)也受西風(fēng)的控制,導(dǎo)致同位素變化不僅僅是溫度的函數(shù),還受到降水量效應(yīng)的影響。而9月以后,日平均氣溫和同位素變化呈明顯的正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)r2=0.83),說明9月以后降水主要受局地氣團(tuán)和西風(fēng)帶的影響。在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi),降水量與同位素變化相關(guān)性不明顯(圖5(b)),這是因?yàn)楸甭春訁^(qū)域冬夏季節(jié)降水水汽來源不同,如果單獨(dú)分析6~9月份降水?dāng)?shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)降水同位素與降水之間存在很弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系,說明降水量效應(yīng)能夠?qū)Ρ甭春酉募窘邓凰刈兓a(chǎn)生影響,這也從另一個(gè)角度說明了北麓河夏季降水受季風(fēng)和西風(fēng)的共同影響。因本研究降水樣品較少,持續(xù)時(shí)間較短,為了進(jìn)一步研究北麓河降水水汽來源,將本結(jié)果與沱沱河的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)本研究與沱沱河研究結(jié)果具有較好的一致性:降水δ18O和δD表現(xiàn)出夏季(6~9月)較高,冬季(9~12月)較低的變化趨勢(shì),降水線與沱沱河站點(diǎn)的降水線方程比較接近。但是由于受季風(fēng)影響,夏季也出現(xiàn)δ18O和δD的低值,主要由于沱沱河與北麓河同處于過渡區(qū),夏季水汽受季風(fēng)和西風(fēng)的共同影響,降水δ18O和δD既表現(xiàn)出季風(fēng)的特征,又反映了西風(fēng)的特征,冬季則主要受西風(fēng)和局地水汽循環(huán)的影響,導(dǎo)致δ18O和δD較低。青藏高原由于降水水汽來源及水汽循環(huán)不同,導(dǎo)致從南到北降水同位素特征存在很大差異。受大陸性水汽來源的影響,青藏高原降水線的斜率和截距從南向北越來越高(圖6)。然而和沱沱河相比,北麓河降水線的斜率和截距均偏小,不符合青藏高原南北降水同位素變化特征。由于北麓河取樣時(shí)間為2011年6月12日~12年11日,其他區(qū)域則集中在5~8月。如果不考慮北麓河9月以后的降水,將6~9月份的降水同位素單獨(dú)分析,則得到另外一個(gè)回歸方程,其斜率和截距都大于沱沱河降水線的斜率和截距(圖6),與青藏高原從南到北降水同位素區(qū)域變化規(guī)律一致,這意味著冬季降水對(duì)青藏高原大尺度范圍內(nèi)的降水線有很大影響。2.2降水速率對(duì)水文同位素的影響河A的δ18O、δD和d-excess值分別介于-13.1‰~-7.8‰,-89.8‰~-46.9‰和8.53‰~18.02‰之間,平均值分別為-10.3‰,-69.4‰和13.27‰;河B分別介于-26.4‰~-6.3‰,-94.5‰~-35.9‰和5.56‰~26.60‰之間,平均值分別為-10.6‰,-71.8‰和13.34‰。河水同位素變化趨勢(shì)和降水同位素相似(圖2(b)),體現(xiàn)了降水對(duì)河水的補(bǔ)給特征,但是變化幅度小于降水同位素,可能由于夏季凍土活動(dòng)層水分與河水產(chǎn)生交換和混合,對(duì)地表徑流特征產(chǎn)生了影響,使得河水同位素與活動(dòng)層水分同位素產(chǎn)生混合效應(yīng),導(dǎo)致其變化幅度有所降低;另外流域面積越小,降水對(duì)流域的影響也就越強(qiáng),河流中的同位素波動(dòng)較大,本研究中由于河A匯流面積大于河B,因此河A同位素波動(dòng)幅度小于河B。河水δ18O~δD相關(guān)方程的斜率和截距差別很小,同位素值基本落在降水同位素范圍之內(nèi),表明兩條河流補(bǔ)給來源相同,夏季受北麓河降水的補(bǔ)給;然而,河水同位素幾乎都位于北麓河降水線的下方(圖7),表明蒸發(fā)分餾作用對(duì)河水同位素變化影響很大。河水同位素δ18O~δD相關(guān)方程的斜率和截距均大于北麓河降水線的斜率和截距,指示該區(qū)域河水除了受降水補(bǔ)給外,還與北麓河局地水體內(nèi)循環(huán)有關(guān)。另外由于采樣時(shí)間集中在夏季(6~9月份),使得多年凍土活動(dòng)層水分也成為河水同位素變化的原因之一。此外,降水量的大小也會(huì)對(duì)河水同位素產(chǎn)生影響,Liu等發(fā)現(xiàn)降水量較小時(shí),降水對(duì)河水的影響減弱,在北麓河也發(fā)現(xiàn)了相似的同位素變化特征,當(dāng)降水量較大時(shí),河水同位素的變化與降水同位素差別較大:在7月1日和2日,降水量很大,和降水相比,河水同位素偏負(fù)約3‰;而在7月27日和28日,降水量很小,降水和河水同位素差別很小(<0.3‰)(圖2(b),表3)。4降水同位素特征與斷裂時(shí)代的關(guān)系青藏高原北麓河區(qū)域降水穩(wěn)定氫氧同位素在整個(gè)觀測(cè)期間(2011年6~12月)大尺度上與溫度呈正相關(guān):溫度每升高1℃,δ18O增加0.69‰,δD增加4.98‰,但是存在季節(jié)變化:6~9月降水同位素受到溫度和降水量效應(yīng)的共同控制,9月以后則主要受溫度的影響。研究結(jié)果顯示北麓河區(qū)域降水同位素變化特征與沱沱河區(qū)域研究結(jié)果有很好的一致性,這是由于沱沱河與北麓河都處于季風(fēng)和西風(fēng)的過渡區(qū),夏季降水受西南季風(fēng)和西風(fēng)帶的共同影響,而冬季水汽主要來源于西北大陸氣團(tuán),導(dǎo)致其同位素的季節(jié)差異。通過與德令哈、沱沱河和拉薩降水同位素特征對(duì)比發(fā)現(xiàn),北麓河夏季降水同位素特征符合青藏高原同位素的南北區(qū)域變化特