朱 璇 肖 薇2)* 王晶苑 楚淏然 胡勇博 謝成玉 鄭有飛

1)(南京信息工程大學(xué)大氣環(huán)境中心， 南京 210044)2)(江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210044)3)(中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100101)4)(無錫太湖學(xué)院蘇格蘭學(xué)院， 無錫 214064)

引 言

降水同位素在水循環(huán)和氣候變化研究中起著重要作用。以往研究認(rèn)為，降水同位素組成主要受水汽源地、溫濕條件[1-2]和局地蒸發(fā)、蒸騰、凝結(jié)[3-7]等過程控制，在高緯度地區(qū)尤為明顯。中緯度地區(qū)尤其是季風(fēng)區(qū)，影響降水同位素組成的因素更加復(fù)雜，大尺度環(huán)流系統(tǒng)[3]、行星尺度天氣系統(tǒng)[8]、對(duì)流活動(dòng)[9]等均有顯著影響。因此，為了更好地分析大氣環(huán)流過程[10-11]、理解區(qū)域水循環(huán)[12-13]，需要對(duì)局地不同類型降水同位素組成進(jìn)行研究，這也有助于降水反演和古氣候重建[14]。

降水同位素研究從早期依賴氫氧同位素組成已發(fā)展到結(jié)合降水氘盈余增加指示信息。降水氘盈余是反映水中氫氧同位素組成的二級(jí)參數(shù)，是氣團(tuán)水平傳輸過程中的保守量，其變化僅受動(dòng)力學(xué)分餾過程影響，在全球和區(qū)域尺度水循環(huán)中可以提供獨(dú)特的示蹤信息[15-16]。降水氘盈余能夠反映局地降水中水汽源地的溫濕條件和地表蒸發(fā)過程[17-19]，盡管降水氘盈余會(huì)因云下蒸發(fā)作用[6,20-21]有所改變，但強(qiáng)降水時(shí)云下空氣柱飽和，二次蒸發(fā)影響減弱[22]，此時(shí)二次蒸發(fā)對(duì)降水氘盈余造成的影響可以忽略。鑒于蒸發(fā)過程中動(dòng)力分餾對(duì)降水氘盈余的主導(dǎo)影響[6,23]，以蒸發(fā)為主的大陸水分循環(huán)可將降水氘盈余作為指示劑[7]，用于準(zhǔn)確分析水分循環(huán)過程。

在時(shí)間尺度上，降水同位素研究也從月尺度逐漸精細(xì)到日尺度和降水事件尺度。不同類型降水的水汽源地、降水強(qiáng)度、傳輸中的蒸發(fā)過程是造成局地降水同位素組成差異較大的原因，但這種差異無法由時(shí)間分辨率為月的全球同位素觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(GNIP)[24]識(shí)別，只能通過基于降水事件的同位素觀測(cè)識(shí)別[25]。

20世紀(jì)90年代后長(zhǎng)江中下游降水偏多，主要表現(xiàn)為夏季降水增加[26-27]。梅雨降水和熱帶氣旋降水是長(zhǎng)江中下游的主要夏季降水[28-30]，有學(xué)者分析其中的降水同位素組成[31-32]發(fā)現(xiàn)，雖然受到地理?xiàng)l件、氣候特征等影響[4,33-37]，但二者降水同位素組成差異明顯。因此，為深入理解降水及水循環(huán)，需要分析各種類型降水的同位素組成特征，進(jìn)行主導(dǎo)因素的對(duì)比和歸類。特別地，熱帶氣旋降水作為極端降水的重要來源，其降水同位素分餾過程受到廣泛關(guān)注[38]。在熱帶氣旋發(fā)展的不同階段以及熱帶氣旋移動(dòng)的過程中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)[39-40]及降水同位素組成[41]變化已經(jīng)開展相應(yīng)研究，但針對(duì)不同熱帶氣旋降水氘盈余差異的研究仍存在不足。Qu等[32]的研究發(fā)現(xiàn)，盡管4次熱帶氣旋降水同位素組成特征總體類似，但其中1次的降水氘盈余明顯偏高，說明有關(guān)熱帶氣旋對(duì)降水氘盈余的影響有待進(jìn)一步研究。

南京位于長(zhǎng)江中下游，地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水季節(jié)變率大，降水類型多[42-43]。本文以南京為研究區(qū)，利用2018年7月—2019年6月開展的基于降水事件的降水同位素觀測(cè)，討論南京不同降水類型的降水同位素組成特征，研究不同路徑的熱帶氣旋影響下，南京降水同位素的組成特征。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 氣象數(shù)據(jù)

本文使用來源于2018年7月—2019年6月中國(guó)氣象局地面和高空氣象數(shù)據(jù)，包括全國(guó)850 hPa風(fēng)場(chǎng)和水汽通量以及南京氣象站6 h和12 h降水量。熱帶氣旋數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象局熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集[44-45]。

1.2 降水同位素觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理

降水同位素觀測(cè)數(shù)據(jù)來自2018年7月1日—2019年6月30日南京信息工程大學(xué)采樣點(diǎn)。

水樣采集裝置為改裝的雨量筒，筒中放置容量為500 ml的干凈塑料瓶，在集水口處放置1個(gè)乒乓球，以避免水樣蒸發(fā)引起同位素分餾。對(duì)持續(xù)時(shí)間較短(不超過1 d)且強(qiáng)度不大的降水過程，降水過程結(jié)束后取出水樣瓶，迅速蓋上蓋子，并用封口膜纏繞密封。隨后在雨量筒中放置新的干凈塑料瓶，等待下一次降水。水樣瓶帶回實(shí)驗(yàn)室，放置在4℃的冰箱保存。定期將水樣寄送至中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所同位素分析實(shí)驗(yàn)室測(cè)量水樣的氫同位素組成(δ2H)和氧同位素組成(δ18O)[33]，以維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水(V-SMOW)為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[34]。氫同位素標(biāo)準(zhǔn)同位素比值為(155.76±0.10)×10-6，氧同位素標(biāo)準(zhǔn)同位素比值為(2005.2±0.43)×10-6。

對(duì)于持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)(超過1 d)或強(qiáng)度較大(大雨及以上量級(jí))的降水過程，為了避免水樣外溢，每日08:00(北京時(shí)，下同)和20:00各增加1次采樣，直到降水過程結(jié)束完成最后1次采樣。每次水樣保存和測(cè)量步驟同上。對(duì)于這類降水過程，將每次采樣的同位素組成按照降水量計(jì)算加權(quán)平均值，得到該次降水過程的降水加權(quán)平均同位素組成：

(1)

式(1)中，Pi為第i次降水的降水量，δi為第i次降水的穩(wěn)定同位素組成。

由全球大氣降水線方程提出的氘盈余定義為氫同位素組成與8倍氧同位素組成的差值[4]。

1.3 降水類型的劃分

①熱帶氣旋降水：利用中國(guó)氣象局熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集，研究所選時(shí)段內(nèi)在中國(guó)登陸的熱帶氣旋，通過熱帶氣旋登陸時(shí)間和登陸后的移動(dòng)路徑，挑選影響南京降水的熱帶氣旋，根據(jù)南京具體降水時(shí)間以及熱帶氣旋的移動(dòng)路徑確定熱帶氣旋降水時(shí)段。

②梅雨降水：以南京市氣象局公布的入梅和出梅時(shí)間為參考(2018年梅雨期為6月22日—7月9日；2019年梅雨期為6月18日—7月21日)，確定梅雨期內(nèi)發(fā)生的降水。

③其他降水：除熱帶氣旋降水和梅雨降水之外的降水過程。

2 結(jié)果分析

2.1 南京大氣降水同位素組成概況

2018年7月1日—2019年6月30日南京降水同位素組成變化如圖1和表1所示。圖1中，氧同位素組成的變化范圍是-16.3‰～4.0‰，最大值出現(xiàn)在5月，最小值出現(xiàn)在8月；氫同位素組成的變化范圍是-103.0‰～32.9‰，最大值出現(xiàn)在5月，最小值出現(xiàn)在8月；降水氘盈余的變化范圍是-2.7‰～33.7‰，最大值出現(xiàn)在12月，最小值出現(xiàn)在9月；降水量的變化范圍是0～100 mm，最大值出現(xiàn)在8月。由表1可知，春季(2019年3—5月)降水量為60.0 mm，氧同位素組成的降水加權(quán)平均值為-3.3‰，氫同位素組成的降水加權(quán)平均值為-12.9‰，降水氘盈余的降水加權(quán)平均值為13.1‰；夏季(2018年7—8月和2019年6月)降水量為437.2 mm，氧同位素組成的降水加權(quán)平均值為-10.0‰，氫同位素組成的降水加權(quán)平均值為-69.1‰，降水氘盈余的降水加權(quán)平均值為10.8‰；秋季(2018年9—11月)降水量為115.3 mm，氧同位素組成的降水加權(quán)平均值為-7.4‰，氫同位素組成的降水加權(quán)平均值為-39.6‰，降水氘盈余的降水加權(quán)平均值為20.1‰；冬季(2018年12月—2019年2月)降水量為209.6 mm，氧同位素組成的降水加權(quán)平均值為-6.5‰，氫同位素組成的降水加權(quán)平均值為-28.8‰，降水氘盈余的降水加權(quán)平均值為23.3‰。整體而言，南京降水同位素組成變化范圍較大，夏季降水量最多，降水同位素組成顯著貧化，其余季節(jié)降水量相對(duì)較少，降水同位素組成較為富集。

圖1 2018年7月—2019年6月南京降水同位素組成及降水量變化Fig.1 Time series of the isotopic compositions and the precipitation of Nanjing from Jul 2018 to Jun 2019

表1 2018年7月—2019年6月南京降水同位素組成和降水量Table 1 Amount-weighted isotopic compositions and the precipitation of Nanjing from Jul 2018 to Jun 2019

南京降水同位素組成與降水量的關(guān)系如圖2所示。降水氧同位素與氫同位素組成呈顯著線性相關(guān)(達(dá)到0.01顯著性水平)，斜率為7.8，略低于全球大氣降水線。從季節(jié)看，春季和夏季降水主要集中在全球降水線下方，冬季主要集中在全球大氣降水線上方，秋季則較為均勻的分布在兩側(cè)，即春夏季降水線截距最大，秋季次之，冬季最小，這與水汽源地差異[33]以及各季節(jié)降水過程中蒸發(fā)作用的差

異[37,46]有關(guān)。降水氫氧同位素組成與降水量均呈顯著負(fù)相關(guān)(均達(dá)到0.01顯著性水平)，反映局地降水量效應(yīng)[4]。但降水氘盈余與降水量相關(guān)不顯著(未達(dá)到0.05顯著性水平)。

南京降水同位素組成變化受局地水汽再循環(huán)、傳輸、蒸發(fā)等過程影響，且與季風(fēng)活動(dòng)密切相關(guān)。就氧同位素和氫同位素組成而言，南京夏季降水同位素組成在春季最為富集，秋冬季次之，夏季最為貧化。湖南長(zhǎng)沙[35]、江蘇高郵[36]、安徽安慶[37]等地顯示相似的同位素組成變化特征[35-38,46]，這是因?yàn)橐陨系貐^(qū)氣候特征相似，水汽來源類似，季節(jié)性降水變化也大致相當(dāng)[47-48]。

南京降水氘盈余表現(xiàn)為夏季最低，秋冬季逐漸富集，春季回落接近夏季低值的特征。與上述氫氧同位素組成變化一致的區(qū)域相比，南京降水氘盈余存在明顯差異，但與南京多年(1987—2002年)降水氘盈余變化特征較一致[49]。這說明降水氘盈余的變化除了受到水汽源地影響外[50]，傳輸過程中蒸發(fā)過程影響也很大[48]，因此降水氘盈余對(duì)不同地區(qū)的地理、氣候差異非常敏感，相較于氧同位素組成和氫同位素組成具有顯著獨(dú)特性，更適于局地特殊性的研究[51]。

最后，就大氣降水線而言，我國(guó)降水線斜率為7.9，截距為8.2[52]；南京降水線斜率為7.8，截距為14.8。斜率小于全國(guó)平均值，說明南京降水受海洋水汽的影響略高于全國(guó)平均水平；截距大于中國(guó)平均值，說明南京蒸發(fā)強(qiáng)，受較多大陸水汽循環(huán)影響[6,53]。

2.2 不同類型降水的同位素組成特征

南京2018年7月—2019年6月不同類型降水的同位素組成和降水量如表2所示。本文將南京降水分為熱帶氣旋降水、梅雨降水和其他降水3類。觀測(cè)期間共收集106個(gè)降水樣品，包括4個(gè)熱帶氣旋降水過程，5個(gè)梅雨降水過程，43個(gè)其他降水過程，其中梅雨降水和熱帶氣旋降水集中發(fā)生在6—9月。強(qiáng)降水主要發(fā)生在梅雨降水和熱帶氣旋降水過程中，降水氫氧同位素組成明顯貧化；其余季節(jié)其他降水的降水量相對(duì)較少，氫氧同位素組成總體更為富集。熱帶氣旋降水中氧同位素組成的降水加權(quán)平均值為-10.5‰，氫同位素組成的降水加權(quán)平均值為-75.4‰，降水氘盈余的降水加權(quán)平均值為8.9‰，平均單次降水過程的降水量為54.7 mm。梅雨降水的氧同位素組成的降水加權(quán)平均值為-10.4‰，氫同位素組成的降水加權(quán)平均值為-71.1‰，降水氘盈余的降水加權(quán)平均值為12.2‰，平均單次過程降水量為32.6 mm。其他降水的氧同位素組成的降水加權(quán)平均值為-6.3‰，氫同位素組成的降水加權(quán)平均值為-30.6‰，降水氘盈余的降水加權(quán)平均值為19.9‰，單次過程平均降水量為10.0 mm。在所有降水類型中，熱帶氣旋降水的單次平均降水量最多，降水氫氧穩(wěn)定同位素組成最為貧化，降水氘盈余低于全球平均水平(10.0‰)。梅雨降水的單次平均降水量也很大，氫氧穩(wěn)定同位素組成貧化，但降水氘盈余高于全球平均水平。其他降水的單次平均降水量較少，氫氧穩(wěn)定同位素組成比較富集，降水氘盈余約為全球平均值的兩倍，遠(yuǎn)高于全球平均水平。

不同類型降水的水汽來源、降水強(qiáng)度和蒸發(fā)等差異可以反映在降水同位素組成上，以下對(duì)比分析不同類型降水中較強(qiáng)單次過程的850 hPa風(fēng)場(chǎng)及水汽通量分布(圖3)和降水同位素組成特征(其他降水次數(shù)較多故選取兩個(gè)環(huán)流特征不同的過程)，其中熱帶氣旋、梅雨和其他降水(2次)的單次過程降水量分別為148 mm，103 mm和15.3 mm及35 mm。

降水氫氧同位素組成反映降水強(qiáng)度的信息。由于氫氧穩(wěn)定同位素組成和降水量呈負(fù)相關(guān)，熱帶氣旋和梅雨降水強(qiáng)度大，降水的氫氧同位素組成顯著貧化，這主要由熱帶氣旋短時(shí)強(qiáng)降水、梅雨高強(qiáng)度降水特征所決定[54]，該現(xiàn)象在我國(guó)東南部也存在[31]。強(qiáng)度較弱的其他降水中氫氧同位素組成相對(duì)比較富集。

降水氘盈余可反映各類型降水的水汽源地、蒸發(fā)過程等方面的差異。將長(zhǎng)江中下游地區(qū)水汽輸送特征[55]與實(shí)際風(fēng)場(chǎng)、水汽通量結(jié)合，熱帶氣旋降水存在來自中國(guó)東部洋面的強(qiáng)烈水汽輸送，南京與水汽源地距離短且熱帶氣旋移動(dòng)通常很快，因此南京受熱帶氣旋影響產(chǎn)生降水氘盈余小于全球平均水平(10‰)；梅雨降水主要受到南海濕空氣和北方小股南下冷空氣在江淮一帶形成準(zhǔn)靜止鋒的控制，來自南海、孟加拉灣一帶的水汽移動(dòng)路徑較熱帶氣旋更長(zhǎng)，到靜止鋒使水汽移動(dòng)緩慢，大陸水汽循環(huán)對(duì)其產(chǎn)生較大影響[26-27]，所以盡管水汽來自海洋，但降水氘盈余較全球平均略高，處在比較平均的水平；其他降水(2018-07-27)的水汽輸送作用更弱，主要是局地陸面蒸發(fā)產(chǎn)生降水，因此降水氘盈余相比全球平均值偏高，但受云下蒸發(fā)[6,38,53]影響，降水氘盈余僅略偏高，其他降水(2019-06-05)的水汽通量大，這是因?yàn)槎撅L(fēng)控制的干冷環(huán)境需要明顯的水汽輸送提供濕度條件，且水汽經(jīng)西南氣流的長(zhǎng)距離輸送，大陸蒸發(fā)作用影響大[56]，降水氘盈余大[5]。

圖3 不同類型降水過程850 hPa風(fēng)場(chǎng)(矢量)和水汽通量(填色,單位:g·cm-1·hPa-1·s-1)Fig.3 850 hPa wind(the vector) and water vapor flux(the shaded,unit:g·cm-1·hPa-1·s-1) in different precipitation processes

因此，熱帶氣旋降水或者梅雨降水氫氧穩(wěn)定同位素組成顯著貧化，其他降水氫氧穩(wěn)定同位素組成相對(duì)富集；熱帶氣旋降水氘盈余小于全球平均值(10‰)，梅雨降水氘盈余略大于全球平均值，其他降水氘盈余遠(yuǎn)大于全球平均值。

由此可見，降水同位素組成能夠反映影響降水過程的天氣系統(tǒng)差異，降水同位素組成研究對(duì)降水過程有指示意義。

2.3 不同路徑熱帶氣旋降水同位素組成特征

4次熱帶氣旋降水過程相關(guān)信息及降水同位素組成如表3所示。強(qiáng)熱帶風(fēng)暴安比(1810)(簡(jiǎn)稱為安比)、臺(tái)風(fēng)云雀(1812)(簡(jiǎn)稱為云雀)、熱帶風(fēng)暴摩羯(1814)(簡(jiǎn)稱為摩羯)、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴溫比亞(1818)(簡(jiǎn)稱為溫比亞)的氧同位素組成分別為-6.3‰，-6.7‰，-6.7‰和-12.4‰，氫同位素組成分別為-43.0‰，-40.3‰，-46.4‰和-90.6‰；降水氘盈余分別為7.5‰，13.4‰，7.5‰和8.6‰；降水量分別為9.0，25.9，36.0 mm和148.0 mm。安比、云雀、摩羯降水中氧同位素和氫同位素組成較為富集，溫比亞降水中氫氧同位素組成較為貧化；安比、摩羯、溫比亞降水中降水氘盈余均小于全球平均值(10‰)，云雀則高于平均值。就降水量而言，受安比影響，南京出現(xiàn)小雨；受云雀、摩羯影響，南京出現(xiàn)大雨；受溫比亞影響，南京出現(xiàn)特大暴雨。

不同熱帶氣旋降水的氧同位素和氫同位素組成差異與降水強(qiáng)度密切相關(guān)。安比、云雀、摩羯造成的降水最強(qiáng)為大雨，穩(wěn)定同位素組成均較為富集，氧同位素組成的降水加權(quán)平均值約為6.6‰，氫同位素組成的降水加權(quán)平均值約為-43.0‰；溫比亞造成特大暴雨，穩(wěn)定同位素組成貧化嚴(yán)重。

表3 熱帶氣旋及降水同位素組成Table 3 Tropical cyclones and precipitation isotopic compositions

降水氘盈余受熱帶氣旋移動(dòng)路徑的強(qiáng)烈影響。以往研究認(rèn)為熱帶氣旋受海水蒸發(fā)過程影響[4]，降水氘盈余通常較低，但本文研究發(fā)現(xiàn)，安比、摩羯、溫比亞的降水氘盈余相當(dāng)，維持在7.5‰～8.6‰，而云雀的降水氘盈余遠(yuǎn)比其他熱帶氣旋降水大，高達(dá)13.4‰，這與已有研究的結(jié)論差異明顯。為了尋找降水氘盈余異常的產(chǎn)生原因，對(duì)比發(fā)現(xiàn)4個(gè)熱帶氣旋的移動(dòng)路徑存在明顯差異：安比、摩羯、溫比亞在我國(guó)東部沿海地區(qū)直接登陸，而云雀先在日本登陸后西移至我國(guó)東部沿海登陸。由于降水氘盈余對(duì)水汽來源[31]、蒸發(fā)蒸騰作用[53]非常敏感，因此這種降水氘盈余的異常值很可能與云雀登陸我國(guó)時(shí)為二次登陸有關(guān)。

以往研究也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，Qu等[32]發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋天鴿(1713)(簡(jiǎn)稱天鴿)存在異常偏大的降水氘盈余，但未給出解釋。對(duì)天鴿移動(dòng)路徑重新確定后發(fā)現(xiàn)，它在洋面上移動(dòng)過程中經(jīng)過東沙群島，因此登陸日本屬于二次登陸，降水氘盈余異常增大很有可能與其二次登陸時(shí)攜帶了移動(dòng)過程中陸面蒸發(fā)過程的信號(hào)有關(guān)。

3 結(jié) 論

本文基于2018年7月—2019年6月以降水事件為單位的降水同位素觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析南京降水同位素組成特征，對(duì)不同降水類型同位素組成特征進(jìn)行對(duì)比，探究南京熱帶氣旋降水的同位素特征及其與移動(dòng)路徑的關(guān)系，得到主要結(jié)論如下：

1) 南京降水同位素組成在不同季節(jié)存在較大差異，夏季降水量最多，降水同位素組成顯著貧化，其余季節(jié)降水量相對(duì)較少，降水同位素組成較為富集。

2) 熱帶氣旋和梅雨兩類降水的強(qiáng)度較大，降水穩(wěn)定同位素組成更為貧化；其他降水強(qiáng)度弱，降水穩(wěn)定同位素組成更富集。降水系統(tǒng)移動(dòng)路徑和陸面蒸發(fā)造成降水氘盈余存在差異，水汽來自海洋、受到陸地蒸發(fā)過程影響小的降水(如熱帶氣旋降水)，降水氘盈余較小，反之，水汽來自陸地、受到強(qiáng)蒸發(fā)影響的降水(如其他降水)，降水氘盈余通常較大。熱帶氣旋發(fā)生二次登陸時(shí)，降水氘盈余明顯偏大。

本文基于降水事件采樣的穩(wěn)定同位素觀測(cè)數(shù)據(jù)分析水汽源地、移動(dòng)路徑、降水量等因素對(duì)降水同位素組成的影響，今后可通過持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、采樣站點(diǎn)數(shù)量更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)開展深入研究，將降水同位素研究成果更好地應(yīng)用于水循環(huán)、古氣候等相關(guān)領(lǐng)域。