海口地区大气降水中氢氧稳定同位素特征及其影响因素
作者：齐之钰
来源：《河南科技》2018年第08期
摘要：依据国际原子能机构（IAEA）提供的海口地区1988—2000年大气降水的氢氧同位素组成，提出海口地区大气降水线方程为：δD=7.5036δ18O+6.1834，并把该方程与全球降水线进行对比，分析该地区大气降水中氢氧稳定同位素特征及其影响因素。
关键词：大气降水；氢氧同位素；温度效应；季风降雨效应
中图分类号：P332.8 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）08-0156-03
Characteristics of Hydrogen and Oxygen Stable Isotopes
and Their Influencing Factors in Precipitation in Haikou Area
QI Zhiyu
（School of water resources and environment， China University of Geosciences （Beijing），Beijing 100083）
Abstract： According to the hydrogen and oxygen isotopes of the atmospheric precipitation in
Haikou area of 1988—2000 provided by the International Atomic Energy Agency （IAEA）， the
equation of the atmospheric water line in Haikou region is： Delta D=7.5036 Delta O+6.1834， and the equation is compared with the global precipitation line， and the hydrogen and oxygen stable isotopes of atmospheric precipitation in this area are analyzed. Symptoms and its influencing factors.
Keywords： atmospheric precipitation；hydrogen and oxygen isotope；temperature effect；monsoon rainfall effect
1 研究背景
大气降水由海洋和陆地所蒸发的水蒸气凝结而成，其成分取决于地区条件，变化较大。在不同的气候条件下，海洋蒸发、降水、再蒸发、地表径流等循环变化过程中的每一步都会发生δ18O和δD在不同淡水源之间分离。1961年，Harmon Craig提出了全球大气降水线方程：
δD=8δ18O+10。事实上，由于不同地区气候和地理参数不同，会发生区域大气降水线的斜率和截距都与全球线不同的情况。每一个地区的大气降水线由区域气候因子包括水蒸气气团的起源、降水期间的二次蒸发和降水的季节变化等控制。
国际原子能机构（IAEA）与世界气象组织（WMO）合作建立了全球同位素网（GNIP），该检测网获得的降水数据是环境水文學同位素来源不可或缺的一部分。监测网在我国选取了30个站点，海口气象站就是其中之一。本文的数据就引自该网站。
2 自然条件概况
海口市位于北纬19°32′～20°05′，东经110°10′～110°41′，地处海南岛北部，北濒琼州海峡，地势平缓。
海口市地处低纬度热带北缘，属于热带季风气候；年平均气温24.3℃，最高平均气温28℃左右，最低平均气温18℃左右；年平均降水量2 067mm，年平均蒸发量1 834mm。
3 海口地区大气降水线
大气降水中δD和δ18O之间的关系对研究水文循环中氢氧稳定同位素特点具有重要作用。依据国际原子能机构（IAEA）提供的海口地区1988—2000年间δD和δ18O的数据，用最小二乘法求得海口大气降水线（见图1）为：δD=7.503 6δ18O+6.183 4，R2=0.930 6。每一个地方的大水蒸气气团的起源、降水期间的二次蒸发和季节变化等气候因子影响着大气降水线的斜率和截距。当大气降水线的斜率小于8时，说明水汽具有不同稳定同位素来源[1]，或说明降水过程中发生蒸发[2]。大气降水中截距10表示的是全球降水的平均值；当截距小于10时，表示降水过程中存在显著的蒸发作用；当截距大于10时，表示水滴形成过程中气、液两相同位素分馏较不平衡[3]。水汽蒸发属于非平衡过程，水汽凝结满足瑞利条件。
所得海口地区的大气降水线与Graig[4]研究的全球降水线（δD=8δ18O+10），不论从斜率还是截距上都存在较大差异；与郑淑慧[5]等报道的中国大气降水线方程（δD=7.9δ18O+8.2）也存在差异。
该降水线方程有以下特征。①该方程的相关系数较高，说明在该地降水中氢氧稳定同位素存在较好的线性关系。②该方程的斜率与全球降水线和中国大气降水线相比略小，但差别不是非常大。不同的水汽来源或者发生在降水过程中的蒸发都会导致方程斜率减小。海口水汽主要来源于印度洋，而我国大陆其他地区水汽的主要来源是太平洋。因此此处推测原因为该地水汽有不同来源。③与斜率的差异相比，截距的差异更为明显，截距比全球大气降水线和中国大气降水线都小。这主要是由降水期间的二次蒸发所致。中国大气降水线方程中截距也较全球降水线小，说明降水过程中蒸发作用对我国大部分地区降水同位素影响较大。
4 降水中δD、δ18O与温度的关系
温度是影响降水中同位素组成的重要因素。Dansgaard[6]建立了全球平均年降水δ18O值和表面空气温度之间的线性关系（δ18O=0.695t-13.6）。也有δD和温度的关系式（δD=5.6t-100）。从这两个式子可以看出，温度升高，δ值升高，温度降低，δ降低，这种效应被称为温度效应。
用最小二乘法求得δ和温度（T）的关系分别为δ18O=-0.5045T+7.5423，R2=0.744 1；
δD=4.143 6T+72.4，R2=0.765 6。在海口地区，随着温度升高，δ值升高，该结果与温度效应相违背。有学者曾研究过我国不同时间尺度月降水稳定同位素δ18O与月平均气温的关系，指出我国低纬度地区都显示出与气温的负相关，温度效应不明显，甚至不存在[7]。海口地区降水中δD、δ18O与温度的关系也符合这一结论。海口市地处低纬度热带北缘，属于热带季风气候，该地区因受季风降水效应的影响，温度效应被掩盖。
5 降水中δD和δ18O与降水量的关系
降水过程不断将同位素从水蒸气中蒸馏出来。根据瑞利蒸馏，水蒸气中的D和18O会越来越少。雨量效应是指δD和δ18O与降水量成负相关。
根据全球同位素网（GNIP）提供的海口地区的数据，采用最小二乘法得出如下方程式：δ18O=-0.021 3x-2.098 5，R2=0.272 9；δD=-0.182 1x-6.013 4，R2=0.640 3。表明海口地区降水中氢氧稳定同位素符合雨量效应，更进一步说明该地季风降水效应的影响远大于温度效应。但是，所得相关系数较低，说明温度效应反过来对雨量效应产生了一定的影响。
同时，海口是热带季风气候，春冬季温暖少雨，夏季高温多雨，秋季多台风暴雨，降水中氢氧稳定同位素也随季节发生明显的变化（见图2和图3）。
6 降水中δD和δ18O与水汽压的关系
