Isotopic characteristics of precipitation and its water vapor sources in Northwest Hebei Province
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摘要:
冀西北地区地处我国北方干旱湿润过渡带, 生态系统对降水的敏感性极强, 明确降水的时空分布规律及其来源可为区域农业发展及水资源高效利用提供科技支撑, 然而目前对其大气降水中氢氧稳定同位素的认识仍十分有限。本研究采用数理统计法和同位素示踪法, 对冀西北地区张家口市桥东区、张北县和康保县3个站点开展降水同位素观测, 分析其时空分布规律及其环境效应, 并通过后向轨迹追踪法定量分析了本地区的水汽来源。结果表明: 冀西北降水δ2H和δ18O同位素具有明显的季节变化特征, 夏季富集、冬季贫化, δ2H和δ18O的最大值和最小值分别出现在桥东区的6月(−38.7‰和−5.7‰)和张北县的1月(−164.8‰和−21.2‰)。降水中稳定同位素温度效应和纬度效应显著, 但不存在雨量效应。区域大气降水线为δ2H=7.957δ18O+7.226 (R2=0.962)。水汽输送轨迹显示, 夏季降水水汽主要受东亚季风环流影响, 东亚季风带来的水汽分别占桥东区、张北县和康保县3个站点夏季降水总量的53.53%、55.43%和52.17%; 其他季节主要受西风带水汽以及蒙古大陆性气团控制, 水汽占比之和达70%以上。本文结果对于增进区域水循环的认识及水资源的合理优化配置具有重要意义。
Abstract:Northwest Hebei Province is located in the arid-humid transition zone in northern China, where the ecosystem is highly sensitive to precipitation. Clarifying the spatial and temporal distribution patterns of precipitation and its sources can provide scientific and technological support for regional agricultural development and the efficient utilization of water resources. However, at present, the understanding of the stable isotopes of hydrogen and oxygen in precipitation is still very limited. In this study, based on precipitation isotope observation data from three stations located at Qiaodong, Zhangbei, and Kangbao in Zhangjiakou City, Northwest Hebei Province, we analyzed the spatial and temporal distribution patterns of δ2H and δ18O isotopes and deuterium surplus (D-excess) in precipitation and their environmental effects using mathematical and statistical methods. Moreover, the water vapor sources in this region were quantitatively analyzed using the backward trajectory tracking method based on the MeteoInfo software. Results revealed that the δ2H and δ18O isotopes in precipitation in Northwest Hebei Province were characterized by obvious seasonal variations, exhibiting enrichment in summer and depletion in winter. The highest and lowest values of both δ2H and δ18O were recorded in June and January, respectively. For δ2H and δ18O, the highest values were −38.7‰ and −5.7‰, and the lowest values were −164.8‰ and −21.2‰, respectively. Moreover, the isotopes in precipitation had clear effects of temperature and latitude, but no significant precipitation effect. Spatially, isotope values were depleted albeit with increased latitude, following the order of Qiaodong > Zhangbei > Kangbao. The sensitivity of precipitation isotopes to temperature increased with increasing latitude, indicating a significant temperature effect. The local meteoric water line (LMWL) was δ2H = 7.957δ18O + 7.226 (R2 = 0.962). The slope was closed to and the intercept was lower than those of the global meteoric water line, indicating a nonobvious characteristic of water vapor evaporation. The intercepts increased progressively from Qiaodong (4.884) to Zhangbei (7.842) and Kangbao (8.205). The results of the backward trajectory analysis showed that the sources of water vapor at the three stations in Northwest Hebei Province exhibited similarities. During summer, water vapor from precipitation was influenced mainly by the East Asian monsoon circulation, with the vapor contribution rates at Qiaodong, Zhangbei, and Kangbao being 53.53%, 55.43%, and 52.17%, respectively. In other seasons, water vapor was controlled predominantly by the westerly wind belt and Mongolian continental air masses, with their combined contribution exceeding 70% of the total.Notable variations occurred in the transport pathway of water vapor: in spring, water vapor was derived primarily from northern and western pathways, although the water vapor in Qiaodong was affected also by southerly flows from the western Pacific Ocean and the South China Sea, accounting for 25.27% of the total; in autumn and winter, water vapor originated predominantly from western pathways, while being controlled by a single westerly air mass, with proportions exceeding 90% of the total. Overall, this study contributes to an in-depth understanding of regional water vapor cycling processes.
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降水作为水循环中最重要的环节之一, 是区域水循环的重要输入因子[1]。此外, 降水作为地下水-土壤-植被-大气连续体的主要参与部分, 还直接影响陆地水循环以及区域水资源的时空分布特征。氢氧同位素是水循环中水源及其演化的高度敏感指标, 受温度、降水量、海拔和水汽来源地等因素的影响, 往往表现出显著的时空差异[2-3], 是水体“DNA”, 是研究水循环演化过程、大气-植被-土壤-地下水界面过程及大气环流过程理想的示踪剂[4-6]。开展大气降水中同位素变化特征及其水汽来源的研究有助于了解水汽循环过程、区域降水格局[7]以及降水的成因[8], 对认识大气中水汽的形成和变化机制及预测未来气候变化等均有重要实际价值[9-12]。特别是在干旱和半干旱地区, 水资源匮乏, 降水变率大, 对气候变化异常敏感, 其微小变化都可能引起区域气候和水循环系统的剧烈变化[13]。近年来极端气候频发, 影响季风强度和水汽输送, 降水变率增加, 使得本来就脆弱不堪的水系统变得更加不稳定[14]。因此, 研究干旱半干旱区降水的水汽来源, 对深入理解区域水循环机制, 应对极端气候带来的环境变化具有重要意义[15]。这也引发了许多学者的关注和研究, 如Tian等[16]运用氢氧同位素示踪法得到青藏高原南部拉萨地区水汽δ18O的季节内变化与大尺度的气象条件有关; 而Fang等[17]发现内蒙古高原降水受气候变化和人类活动影响; 袁瑞丰等[18]在石羊河流域发现高海拔山地主要受局地再循环水汽的影响。降水氘盈余值(D-excess)对定量水汽来源有一定指示作用。 Yang等[19]通过D-excess值水汽同位素平衡模型, 估算出德令哈山区降水中再循环水汽占比为2.0%; 宋洋等[20]借助同位素特征得到塔里木河流域东部降水的水汽主要受西方路径控制; 徐秀婷等[21]借助HYSPLIT模型(hybrid single-particle Lagrangian integrated trajectory model)与同位素特征得到乌鞘岭来自西北和北方路径的水汽占90%以上; 李晗薇等[22]研究得到塔什库尔干河流域大气降水水汽输送主要与西风环流和局地水汽再循环密切相关。氢氧同位素作为水循环的重要指标参数, 已经广泛应用到大气降水过程和水汽来源的研究中。
冀西北属于半干旱半湿润过渡区, 地处京津冀城市群的水源涵养区、防风固沙区及水土保持区的交汇地带。降水是区域地表水和地下水的唯一补给源, 受干旱性大陆性季风气候影响, 降水稀少导致的资源型缺水是限制区域发展的关键因素[23]。自20世纪60年代以来, 冀西北坝上地区气温显著上升[24], 地表净辐射和参考蒸发显著下降, 但降水却无明显变化趋势[25]。同时, 近几十年来大规模农业灌溉、开滩种地和过度放牧等活动导致了冀西北地区地表水断流、地下水位下降和草原“三化”(沙化、碱化、退化)现象加剧以及湿地湖泊干涸等一系列生态环境问题[26], 水资源短缺进一步加剧。因此, 明确冀西北地区降水变化规律及水汽来源, 有助于认识冀西北地区大气循环过程, 对认识干旱演变、水资源高效利用以及发挥京津冀地区水源涵养功能等具有重要意义。前人对冀西北地区降水时空变化、水汽密度及含量和水循环过程等方面[25,27-31]开展了大量研究, 发现冀西北地下水中化学成分的形成和演化主要受水-岩相互作用控制, 包括碳酸盐和硅酸盐的风化和溶解、强阳离子交换和弱蒸发; 近几年该地区地下水水位下降速度加快, 社会经济因素是主要驱动因素。此外, 冀西北地区在降水过程中多伴有冷空气活动, 气温会在降水期间快速下降, 多表现为地形作用型和西北气流型降水。然而缺少降水同位素特征和水汽来源研究, 对区域水循环特征的认识仍然不足。
基于此, 本研究在冀西北地区张家口市桥东区、张北县和康保县分别设置了降水观测站, 于2019年9月至2020年8月连续观测以分析氢氧同位素的时空变化特征, 确定当地大气降水线并分析降水的环境效应, 定量分析不同季节水汽来源, 并探讨冀西北地区的水汽循环模式。该研究可为全面认识冀西北降水来源提供数据支撑, 有利于深入理解区域水汽循环过程。
1. 材料与方法
1.1 研究区概况
冀西北地区地处海河流域上游(113°50′~116°30′E, 39°34′~42°10′N), 受西伯利亚冷空气频繁南下的影响, 全年大部分时间干燥寒冷。研究区大部分区域属于典型的暖温带大陆性季风气候(北部坝上高原属中温带大陆性季风气候), 夏季主导风向为东南风, 冬季为西北风, 具有夏季凉爽短促, 冬季寒冷漫长, 春秋两季多风少雨的特点[32]。研究区无霜期短, 但日照充足、雨热同期, 对短生长期作物的生长比较有利, 主要土地利用类型为耕地和草地, 是典型的农牧交错带土地利用格局。该地区多年平均气温2.1~10.0 ℃, 由东南到西北逐渐减小; 多年平均降水量348~475 mm[28], 由西北向东南逐渐增加, 降水具有年内集中、年际变化较大的特点, 6—8月的降水占全年总降水量的60%~70%, 且年际变化呈现增强的趋势[33]。
全区地势西北高、东南低, 可按地势地貌分为坝上高原和坝下山间盆地两个自然地理区域(图1), 分界线沿内蒙古高原南缘, 西起尚义县套里庄, 沿张北县狼窝沟, 东至赤城县独石口为界[34]。坝上高原属内流区, 属内蒙古高原, 是典型的波状高原, 地势开阔, 土地面积1.38万km2, 占河北省总面积的7.3%, 海拔
1 300 ~1 800 m, 包括张北县、康保县、沽源县全境和尚义县一部分[35]。坝下山间盆地属海河流域, 面积近2.45万km2, 海拔500~1 200 m, 区内地形复杂, 山峦起伏, 丘陵和河谷盆地相间分布[36]。特殊的地理位置与气候条件决定了本研究区成为京津冀城市群的水源涵养区、防风固沙区及水土保持区的交汇地带[37]。![]()
图 1 冀西北地区地理位置及观测站点位置图Figure 1. Geographical location of the study area and observation sites of Northwest Hebei Province1.2 样本采集与分析
降水观测站分别位于张家口市的桥东区、张北县和康保县, 其位置如图1所示。雨/雪样品利用安装在观测站的雨量筒进行日采样。采样时间为2019年9月至2020年8月。采样的两年属多雨年, 其中桥东区、张北县和康保县降水样品分别为21个、20个和28个。收集到的降雨样品, 用封口膜封口后放在4 ℃的冰箱内, 并尽快分析。降雪样品为采集的各点表层积雪(0~5 cm), 用洁净的聚乙烯铲将样品装入1.5 L聚乙烯瓶, 挤压紧实, 每个点采4~5处新雪混装, 以避免局部污染造成的数据失真, 且样品采集工作保证在雪后24 h内完成; 样品−15 °C冷冻保存, 至分析前一天取出后自然融化。样品分析在中国科学院农业水资源重点实验室进行。
水样中稳定氢氧同位素(δ2H和δ18O)采用液态水稳定性同位素分析仪(L2120-i Isotopic H2O; Picarro美国)测定, 执行国际原子能机构的测量标准。测试结果以相对于国际上维也纳平均海水标准(Vienna standard mean ocean water)的千分差值表示, δ2H和δ18O的分析精度分别为±0.5‰和±0.2‰。采用以下公式计算:
$$ \delta =\left(\frac{{R}_{sample}}{{R}_{\mathrm{V-SMOW}}}-1\right)\times 1\;000{\text{‰}} $$ (1) 式中: Rsample为水样中18O与16O及2H与1H的比值; RV-SMOW为维也纳平均标准海洋水中18O与16O及2H与1H的比值。
D-excess可直观反映研究区大气降水在蒸发和凝结过程中的不平衡程度, 是空气水汽团中氢氧同位素组成特征的反映, 其值在大部分内陆一般接近10‰[38]。采用以下公式计算:
$$ \mathrm{D}\text-\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{c}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{s}={\mathrm{\delta }}^{2}\mathrm{H}-8{\mathrm{\delta }}^{18}\mathrm{O} $$ (2) 式中: δ2H和δ18O分别为2H和18O相对于国际上维也纳平均海水标准的千分差值。
1.3 后向轨迹追踪法
混合单粒子拉格朗日积分轨迹模型(hybrid single-particle Lagrangian integrated trajectory model)由美国海洋大气研究中心和空气资源实验室共同合作开发[39]。采用美国国家环境预报中心(NCEP) 1°×1°的全球资料同化系统GDAS (global data assimilation system)再分析格点资料, 后向模拟研究区各站点的水汽运移轨迹, 并将轨迹进行聚类分析。具体公式如下:
$$ {P}{{'}}\left(t+\Delta t\right)=P\left(t\right)+V\left(P,t\right)\Delta t $$ (3) $$ P\left(t+\Delta t\right)=P\left(t\right)+0.5\left[V\left(P,t\right)+V\left({P}{{'}},t+\Delta t\right)\right]\Delta t $$ (4) 式中:
$ P $ 为单粒子的位置;$ {P}{{'}} $ 为粒子第一猜值所在点位置;$ t $ 为时间;$ \Delta t $ 为时间步长;$ V $ 为风速。本文重点关注水汽输送路径的来向, 采用欧拉距离(Euclidean distance)算法聚类分析, 通过基于HYSPLIT原理研发的MeteoInfo软件TrajStat分析插件[40-41], 后向模拟降水的水汽来源及运移轨迹。模拟气团高度为上空垂直方向500 m (950 hPa)[42], 选取每日世界协调时00:00、06:00、12:00和18:00作为起算时刻, 每次降水后推时间为48 h, 间隔6 h输出一次轨迹, 并根据春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—2月) 4个季节进行聚类, 分析冀西北地区降水水汽团的传输路径和运移过程。
2. 结果与分析
2.1 降水同位素时空变化特征
在2019年9月—2020年8月取样时间内, 降水量表现出明显的时间变异性。降水总量为436.6 mm, 且多集中在雨季(6—9月), 占总降水量的87.1%。其中2020年8月降水量最多, 为125.6 mm; 旱季(1—5月、10—12月)降水量明显减低, 最小值出现在2月, 降水量不足1.0 mm (图2)。
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图 2 冀西北地区不同观测站点降水量和降水同位素时间序列Figure 2. Time series of precipitation and precipitation isotopes at different observation sites in Northwest Hebei Province降水过程中, 雨滴从空中降落的过程中由于蒸发分馏使降水同位素发生变化[5]。研究区降水δ2H和δ18O稳定同位素的变化趋势相似, 但季节变化显著(P<0.05), 大致呈现出雨季富集, 旱季贫化规律(图2)。不同场次降水间的同位素变化较大, δ2H变化范围为−190.3‰~−26.1‰, 平均值为−70.6‰; δ18O变化范围为−22.5‰~−3.5‰, 平均值为−9.7‰。
降水同位素除季节变化外, 还呈现较大的空间差异。桥东区、张北县和康保县3个站点δ2H和δ18O呈现逐渐贫化的现象, 且同位素变化范围增大(表1)。桥东区、张北县以及康保县3个站点降水的δ2H和δ18O的范围分别为−125.1‰~−26.1‰和−16.4‰~−3.5‰、−164.8‰~−32.5‰和−21.2‰~−4.7‰以及−190.3‰~−28.3‰和−22.5‰~−4.9‰, 平均值分别为−59.7‰和−8.3‰、−66.2‰和−9.4‰以及−83.8‰和−11.4‰。
表 1 冀西北地区降水氢同位素(δ2H)、氧同位素(δ18O)及氘盈余(D-excess)特征Table 1. Hydrogen isotope (δ2H), oxygen isotope (δ18O) and deuterium surplus (D-excess) characteristics of precipitation in Northwest Hebei Province% 站点
Siteδ2H δ18O D-excess 最小值
Minimum最大值
Maximum平均值
Mean标准差
Standard
deviation最小值
Minimum最大值
Maximum平均值
Mean标准差
Standard
deviation最小值
Minimum最大值
Maximum平均值
Mean标准差
Standard
deviation桥东 Qiaodong −125.1 −26.1 −59.7 25.7 −16.4 −3.5 −8.3 3.2 −6.3 14.2 6.6 4.7 张北 Zhangbei −164.8 −32.5 −66.2 30.5 −21.2 −4.7 −9.4 3.9 3.2 16.3 9.1 3.4 康保 Kangbao −190.3 −28.3 −83.8 47.0 −22.5 −4.9 −11.4 5.7 −16.1 23.5 7.6 10.1 冀西北
Northwest Hebei Province−190.3 −26.1 −70.6 45.2 −22.5 −3.5 −9.7 5.6 −16.1 23.5 7.8 7.2 此外, 3个站点月尺度同位素变化特征也呈现出较大差异(图3)。桥东区降水同位素变化范围最小, δ2H和δ18O均随时间呈富集趋势, 最大值出现在6月, 分别为−38.7‰和−5.7‰。张北县降水同位素变化特征与康保县相似, 1—6月呈波动上升, 6—12月呈波动下降; 张北县在11—12月降水稳定同位素明显富集, δ2H和δ18O分别从−108.9‰和−15.5‰上升到−73.7‰和−10.4‰, 最大值出现在6月, 分别为−42.4‰和−6.5‰, 最小值出现在1月, 分别为−164.8‰和−21.2‰。康保县降水δ2H和δ18O最大值分别出现在6月和4月, 分别为−44.4‰和−6.9‰。
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图 3 冀西北地区不同观测站点降水中氢同位素(δ2H)、氧同位素(δ18O)及氘盈余(D-excess)的月变化特征Figure 3. Monthly variations of hydrogen isotope (δ2H), oxygen isotope (δ18O) and deuterium surplus (D-excess) of precipitation in Northwest Hebei Province冀西北D-excess值变化波动较大, 介于−16.1‰~23.5‰, 均值为7.8‰ (表1), 低于全球平均值(10‰), 受云下蒸发作用影响, 符合内陆地区特征。从月尺度来看, 各站点的D-excess值随时间上下波动(图3), 呈现出“多峰值”特点, 在1—3月上升至10‰以上, 4—8月多小于10‰, 9—12月再次上升, D-excess值大于10‰。对比桥东区、张北县和康保县3个站点, 桥东区和张北县的D-excess值在时间上的变化具有同步性, 均在3月、6月和10月较高, 5月和8月较低, 但波动范围均小于康保县, D-excess值更靠近10‰; 康保县D-excess变化波动最大且变化特征不同于其他站点, 在2月和6月较高, D-excess值分别为17.6‰和11.9‰, 4月和7月较低且远小于10‰, 分别为−3.9‰和−2.5‰, 该站点水汽输送路径较短, 导致D-excess值变化的时间早于其他两个站点。从空间位置上看, 从桥东区、张北县到康保县, 随着纬度升高, D-excess均值呈现出先增大再减小的趋势, 分别为6.6‰、9.1‰和7.6‰。
2.2 研究区大气降水线
大气降水线指一个地区某时段降水同位素δ2H与δ18O的线性关系。大气降水线的斜率反映两类稳定同位素2H和18O分馏速率的对比关系, 截距指示氘对平衡状态的偏离程度[43]。利用研究区3个站点的降水δ2H和δ18O同位素数据, 通过线性拟合得当地大气降水线(LMWL)为δ2H=7.957δ18O+7.226 (R2=0.962), 与Craig[44]提出的全球大气降水线方程(以下简称GMWL) δ2H=8δ18O+10相比, 其斜率接近而截距偏小, 体现出不明显的水汽蒸发特征(图4)。
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图 4 冀西北地区当地大气降水线GMWL: 全球大气降水线; LMWL: 当地大气降水线; δ2H: 氢同位素; δ18O: 氧同位素。GMWL: global meteoric water line; LMWL: local meteoric water line; δ2H: hydrogen isotope; δ18O: oxygen isotope.Figure 4. Local meteoric water line in Northwest Hebei Province对比3个站点, 桥东区、张北县到康保县的大气降水线在空间上呈现出一定的差异性, 分别为: δ2H=7.831δ18O+4.884 (R2=0.962); δ2H=7.867δ18O+7.842 (R2=0.988); δ2H=8.049δ18O+8.205 (R2=0.953), 斜率与GMWL及LMWL接近, 但截距相差较大。这主要是地理位置、海拔、地形以及水汽来源等因素共同作用的结果[38]。
3. 讨论
3.1 环境因子与降水同位素特征相互关系
大气降水的稳定同位素与地面平均气温往往呈线性相关关系: 温度升高δ值增大, 温度降低δ值减小。温度效应主要是由于蒸发过程中分馏作用随温度的升高而减弱造成的[45]。冀西北地区3个站点的气温均与δ18O呈正相关, 且r>0.5, 说明具有显著的温度效应(P<0.01)。随着纬度升高, 方程斜率增加, 温度效应增强, 其中康保县站点斜率最大, 为0.409, 桥东区站点斜率最小, 为0.242, 说明康保县降水δ18O与温度波动关系最为显著, 而桥东区降水同位素受温度影响较小。这主要是因为桥东区位于海拔较低的坝下地区, 与其他站点相比, 受大陆气团的控制较弱。降水同位素与相对湿度的相关关系不显著(表2), 康保县降水δ18O与相对湿度呈现微弱的负相关关系, 桥东区和张北县降水δ18O与相对湿度则呈正相关关系。
表 2 冀西北地区大气降水氧同位素(δ18O)与气象因子的关系Table 2. Relation of oxygen isotope (δ18O) value of precipitation with meteorological factors in Northwest Hebei Province站点
Site温度 Temperature (T) 湿度 Humidity (H) 方程 Equation r R2 n 方程 Equation r R2 n 桥东 Qiaodong δ18O=0.242T−12.73 0.63 0.40** 20 δ18O= 0.0869 H−14.130.35 0.120 20 张北 Zhangbei δ18O=0.281T−13.17 0.74 0.55** 20 δ18O= 0.0794 H−15.170.24 0.058 20 康保 Kangbao δ18O=0.409T−14.42 0.79 0.63** 28 δ18O=− 0.0187 H−10.27−0.05 0.002 28 **表示通过P<0.01的皮尔逊显著性水平检验。** indicates passing the Pearson significance test at P<0.01 level. 降雨量的大小对降水的同位素组成会产生影响, 一般来说, 雨量越大, 降水的δ2H与δ18O越贫化, 降水中稳定同位素组成与同期降水量呈负相关关系, 这种效应被称为雨量效应[45]。由图5可知, 降水量(p)与降水中δ18O相关方程为δ18O=
0.0768 p−8.326 2 , 呈不显著的正相关关系。δ18O并没有随降水量增大而贫化, 说明冀西北地区δ18O不存在雨量效应。这是由于雨量效应往往发生在中低纬度海岸和海岛地区, 它的产生与强对流现象相联系[45], 而受中高纬度大陆性气候影响, 蒸发强烈, 温度效应明显, 掩盖了雨量效应。因此, 降水量并不是决定降水δ18O的根本性因素。综上所述, 温度是影响研究区降水中δ18O组成的主要因素, 而降水量和相对湿度对降水同位素组成影响较小, 这与塔什库尔干河流域[22]、闪电河流域[42]和陕甘宁地区[46]得出的结论一致。![]()
图 5 冀西北地区降水量(p)与降水氧同位素(δ18O)的关系Figure 5. Relationship between precipitation (p) and oxygen isotope (δ18O) value of precipitation in Northwest Hebei Province3.2 位置因素与降水同位素特征的相互关系
地理位置也会影响降水同位素组成, 当云团向高纬度地区移动时, 由于不断发生瑞利分馏凝结作用, 使云团产生的降水中的同位素不断贫化, 这一现象称为纬度效应[47]。冀西北地区降水δ18O与纬度呈现出显著的线性关系(R2=0.936, P<0.05), 存在显著的纬度效应, 表明纬度也是影响降水中δ18O组成的主要因素(图6)。降水δ18O随纬度(Lat)增加逐渐降低, 二者之间的关系式为: δ18O=−2.788Lat+105.513, 纬度每增加1°, 降水同位素δ18O值减小2.788‰。
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图 6 冀西北地区纬度(Lat)与降水氧同位素(δ18O)关系*: P<0.05.Figure 6. Relationship between latitude (Lat) and oxygen isotope (δ18O) of precipitation in the Northwest Hebei Province3.3 水汽输送路径及其所占的比例
水汽是降水的重要物质组成, 对区域降水稳定同位素的影响十分显著, 分析水汽分布及其输送有利于进一步认识冀西北地区降水同位素的时空分布特征。本文基于后向轨迹方法分析了桥东区、张北县和康保县3个区域的水汽输送路径。结果表明, 冀西北地区各站的水汽输送路径相似, 水汽输送路径可分为西方路径、北方路径和南方路径(表3)。春季桥东区、张北县和康保县的水汽主要源自北方路径和西方路径, 其中桥东区水汽除西风带输送外, 还受源自西太平洋和南海的偏南气流影响。夏季3个站点的水汽主要来自东南部的东亚季风环流以及西风带输送。秋季和冬季桥东区、张北县和康保县水汽几乎全部来自西方路径, 受西风带单一气团控制。
表 3 冀西北地区不同季节大气降水水汽输送路径占比Table 3. Proportions of different atmospheric water vapor pathways in different seasons in the Northwest Hebei Province站点
Site海拔
Altitude /m经纬度
Latitude /
longitude春季 Spring 夏季 Summer 秋季 Autumn 冬季 Winter 路径
Pathway占比
Proportion /%路径
Pathway占比
Proportion /%路径
Pathway占比
Proportion
/%路径
Pathway占比
Proportion
/%桥东
Qiaodong701 40.75°N /
114.90°E正北
Due north42.93 东南
Southeast53.53 西北
Northwest61.82 正西
Due west62.22 西北
Northwest31.79 西北
Northwest41.03 正西
Due west36.06 西北
Northwest35.83 正南
Due south25.27 正西
Due west5.43 西南
Southwest2.12 正北
Due north1.94 张北
Zhangbei1 366 41.39°N /
114.93°E西北
Northwest49.41 东南
Southeast55.43 西北
Northwest75.75 正西
Due west60.39 东北
Northeast48.82 西北
Northwest25.00 正西
Due west22.16 西北
Northwest37.64 正西
Due west1.78 正西
Due west19.57 正西
Due west2.10 正北
Due north1.97 康保
Kangbao1 421 41.85°N /
114.60°E正北
Due north53.85 正南
Due south52.17 西北
Northwest64.50 西北
Northwest83.99 西北
Northwest44.38 西北
Northwest23.91 正西
Due west33.43 正西
Due west14.04 正西
Due west1.78 正西
Due west23.91 西南
Southwest2.07 正北
Due north1.97 春季(3—5月)桥东区、张北县到康保县主要受西风带控制, 西北方向水汽占比分别为31.79%、49.41%和44.38% (表3), 降水中的δ18O值逐渐上升(图3); D-excess值呈下降趋势(图7), 3个站点平均值分别为6.1‰、12.1‰和4.9‰。此外, 桥东区站点位于坝下地区, 地势平坦, 海拔较低, 受到相对湿度较高的偏南气流影响, 正南方向水汽占比为25.27%; 张北县和康保县水汽路径相似(表3)。
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图 7 冀西北地区降水氘盈余(D-excess)的日变化Figure 7. Diurnal variation of deuterium surplus (D-excess) of precipitation in the Northwest Hebei Province由表3和图7可知, 夏季(6—8月)除受西风影响外, 南方路径的东南季风水汽贡献占比较大, 桥东区、张北县和康保县东南季风水汽输送路径占比分别为53.53%、55.43%和52.17%, 研究区受东南季风到达的影响, 降雨量增大, 而且水汽源地相对湿度较高; 与春季相比D-excess明显降低, 3个站点平均值分别为6.9‰、7.8‰和3.1‰。这一时期由于气温升高导致雨滴降落地面过程中受蒸发影响强烈, 使得降水中的δ18O值较春季有所升高(图3)。进入秋季(9—11月), 季风逐渐退却, 水汽输送转变为西风带主导的西风环流; D-excess值逐渐升高, 在10‰值周围波动。冬季(12—2月)降水水汽源主要包括湿度较低的西方路径水汽, 以及少量北方路径下的水汽, D-excess值较高。由于西风带水汽经过长距离的输送后, δ18O不断贫化, 加之冬季气温较低, 蒸发作用不明显, 使得到达冀西北上空的剩余水汽中δ18O值较低(图3)。
研究区地处东亚季风过渡带, 受东亚季风环流和中高纬天气系统活动的共同影响[48]。对比张家口市桥东区、张北县和康保县3个站点的水汽输送特征可知, 冀西北地区的降水水汽主要受来自欧亚大陆陆地蒸发的西风带水汽以及来自西太平洋和南海的东亚季风环流影响, 还有一部分受来自北方路径下蒙古大陆性气团控制。
通过水汽输送的过程也进一步说明了冀西北地区大气降水稳定同位素的季节性变化原因, 夏季水汽主要来源于南海的东南季风, 受局地水汽蒸发影响, 导致降水的稳定同位素偏高; 而对于其他季节由西风带控制, 气温降低, 局地水汽蒸发比率减小, 导致降水稳定同位素降低。冀西北地区3个站点降水线方程具有斜率接近而截距相差较大的特点, 且均低于全球大气降水线。随着纬度增加, 桥东区-张北县-康保县降水线的截距逐渐增大, 分别为4.884、7.842和8.205, 表明3个站点的水汽在输送过程中属于非平衡分馏, 而降水过程受到的云下二次蒸发作用沿康保县、张北县、桥东区增强。一般来说, 在气候干燥地区, 雨滴在下落过程中会发生二次蒸发从而导致斜率和截距偏低[46], 但实际上相比于张北县和康保县, 桥东区气候较为湿润, 且受温度影响较小, 出现这种情况主要是由于西风带水汽到达桥东区的输送路径较长, 水汽在输送过程中进一步蒸发从而导致截距变小。除与环境因素有关外, 可能还与样本数量、数据误差以及模型参数等其他因素有关。此外, 冀西北地区D-excess在这些因素的综合影响下, 呈现先增大后减小的空间特点, 后续应增加样本数量进一步分析。降水的D-excess与水汽来源地水体蒸发时周围环境空气相对湿度关系密切, 当水汽源地相对湿度较低时, 降水D-excess值较高; 反之, 若水汽源地相对湿度较高, 则D-excess值较低[41]。但在相对湿度较低的西风带影响下, 大部分样点D-excess值均小于全球平均值10‰ (图7), 并且区域大气降水线斜率与截距偏小而同位素温度效应显著, 这是由于大气降水过程中, 雨滴在降落过程中受到的蒸发作用强烈。综上所述, 除受水汽输送路径和水汽源地影响外, 云下二次蒸发也是影响研究区降水同位素的重要因素。
4. 结论
1)冀西北地区2019年9月—2020年8月降水δ2H和δ18O变化范围分别为−190.3‰~−26.1‰和−22.5‰~−3.5‰, 季节变化明显, 夏季富集而冬季贫化。大气降水同位素存在显著的温度效应, 并未表现出显著雨量效应。
2)冀西北地区区域大气降水线为δ2H=
7.957 δ18O+7.226 (R2=0.962 ), 斜率和截距均小于全球大气降水线方程, 呈现出干旱性气候特征, 可以反映冀西北地区降水的基本信息, 可为其水资源管理和气候应对提供参考依据。3)水汽输送路径的结果表明, 除夏季受到来自西太平洋和南海的东亚季风环流的影响, 冀西北地区水汽来源的主要贡献者是来自欧亚大陆的西风带水汽以及北方路径下的蒙古大陆性气团水汽, 水汽占比之和在桥东区、康保县和张北县3个站点均超过70%。可为冀西北水循环过程理解提供基础资料和理论支撑。
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图 1 冀西北地区地理位置及观测站点位置图
Figure 1. Geographical location of the study area and observation sites of Northwest Hebei Province
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图 2 冀西北地区不同观测站点降水量和降水同位素时间序列
Figure 2. Time series of precipitation and precipitation isotopes at different observation sites in Northwest Hebei Province
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图 3 冀西北地区不同观测站点降水中氢同位素(δ2H)、氧同位素(δ18O)及氘盈余(D-excess)的月变化特征
Figure 3. Monthly variations of hydrogen isotope (δ2H), oxygen isotope (δ18O) and deuterium surplus (D-excess) of precipitation in Northwest Hebei Province
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图 4 冀西北地区当地大气降水线
GMWL: 全球大气降水线; LMWL: 当地大气降水线; δ2H: 氢同位素; δ18O: 氧同位素。GMWL: global meteoric water line; LMWL: local meteoric water line; δ2H: hydrogen isotope; δ18O: oxygen isotope.
Figure 4. Local meteoric water line in Northwest Hebei Province
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图 5 冀西北地区降水量(p)与降水氧同位素(δ18O)的关系
Figure 5. Relationship between precipitation (p) and oxygen isotope (δ18O) value of precipitation in Northwest Hebei Province
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图 6 冀西北地区纬度(Lat)与降水氧同位素(δ18O)关系
*: P<0.05.
Figure 6. Relationship between latitude (Lat) and oxygen isotope (δ18O) of precipitation in the Northwest Hebei Province
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图 7 冀西北地区降水氘盈余(D-excess)的日变化
Figure 7. Diurnal variation of deuterium surplus (D-excess) of precipitation in the Northwest Hebei Province
表 1 冀西北地区降水氢同位素(δ2H)、氧同位素(δ18O)及氘盈余(D-excess)特征
Table 1 Hydrogen isotope (δ2H), oxygen isotope (δ18O) and deuterium surplus (D-excess) characteristics of precipitation in Northwest Hebei Province
% 站点
Siteδ2H δ18O D-excess 最小值
Minimum最大值
Maximum平均值
Mean标准差
Standard
deviation最小值
Minimum最大值
Maximum平均值
Mean标准差
Standard
deviation最小值
Minimum最大值
Maximum平均值
Mean标准差
Standard
deviation桥东 Qiaodong −125.1 −26.1 −59.7 25.7 −16.4 −3.5 −8.3 3.2 −6.3 14.2 6.6 4.7 张北 Zhangbei −164.8 −32.5 −66.2 30.5 −21.2 −4.7 −9.4 3.9 3.2 16.3 9.1 3.4 康保 Kangbao −190.3 −28.3 −83.8 47.0 −22.5 −4.9 −11.4 5.7 −16.1 23.5 7.6 10.1 冀西北
Northwest Hebei Province−190.3 −26.1 −70.6 45.2 −22.5 −3.5 −9.7 5.6 −16.1 23.5 7.8 7.2 
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表 2 冀西北地区大气降水氧同位素(δ18O)与气象因子的关系
Table 2 Relation of oxygen isotope (δ18O) value of precipitation with meteorological factors in Northwest Hebei Province
站点
Site温度 Temperature (T) 湿度 Humidity (H) 方程 Equation r R2 n 方程 Equation r R2 n 桥东 Qiaodong δ18O=0.242T−12.73 0.63 0.40** 20 δ18O= 0.0869 H−14.130.35 0.120 20 张北 Zhangbei δ18O=0.281T−13.17 0.74 0.55** 20 δ18O= 0.0794 H−15.170.24 0.058 20 康保 Kangbao δ18O=0.409T−14.42 0.79 0.63** 28 δ18O=− 0.0187 H−10.27−0.05 0.002 28 **表示通过P<0.01的皮尔逊显著性水平检验。** indicates passing the Pearson significance test at P<0.01 level.
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表 3 冀西北地区不同季节大气降水水汽输送路径占比
Table 3 Proportions of different atmospheric water vapor pathways in different seasons in the Northwest Hebei Province
站点
Site海拔
Altitude /m经纬度
Latitude /
longitude春季 Spring 夏季 Summer 秋季 Autumn 冬季 Winter 路径
Pathway占比
Proportion /%路径
Pathway占比
Proportion /%路径
Pathway占比
Proportion
/%路径
Pathway占比
Proportion
/%桥东
Qiaodong701 40.75°N /
114.90°E正北
Due north42.93 东南
Southeast53.53 西北
Northwest61.82 正西
Due west62.22 西北
Northwest31.79 西北
Northwest41.03 正西
Due west36.06 西北
Northwest35.83 正南
Due south25.27 正西
Due west5.43 西南
Southwest2.12 正北
Due north1.94 张北
Zhangbei1 366 41.39°N /
114.93°E西北
Northwest49.41 东南
Southeast55.43 西北
Northwest75.75 正西
Due west60.39 东北
Northeast48.82 西北
Northwest25.00 正西
Due west22.16 西北
Northwest37.64 正西
Due west1.78 正西
Due west19.57 正西
Due west2.10 正北
Due north1.97 康保
Kangbao1 421 41.85°N /
114.60°E正北
Due north53.85 正南
Due south52.17 西北
Northwest64.50 西北
Northwest83.99 西北
Northwest44.38 西北
Northwest23.91 正西
Due west33.43 正西
Due west14.04 正西
Due west1.78 正西
Due west23.91 西南
Southwest2.07 正北
Due north1.97
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