岳曉博, 張明軍, 王圣杰, 田媛媛
(1.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省綠洲資源環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展重點實驗室,甘肅 蘭州 730070)
保存在冰芯[1]、石筍[2]、湖泊沉積物[3]、樹輪[4]等自然檔案中的降水同位素記錄是古氣候和水循環(huán)研究的理想載體。在過去幾十年中,國內(nèi)外學(xué)者對此進行了大量研究[1-8]。然而,對這些檔案中δ18O數(shù)據(jù)的解釋卻一直存在爭議[5-8]。例如在對青藏高原南部冰芯δ18O的解釋上,一些學(xué)者認為冰芯中δ18O的變化是由溫度主導(dǎo)[5],而另一些學(xué)者則主張從南亞季風強度的角度去解釋數(shù)據(jù)[7-8]。這極大地限制了對這一數(shù)據(jù)的應(yīng)用。因此,對現(xiàn)代降水同位素變化特征及影響因素的研究就顯得尤為重要。
降水同位素的研究始于20世紀50年代對水循環(huán)過程的研究,研究內(nèi)容主要關(guān)注降水同位素的時空分布特征及影響因素。Dansgaard[9]提出的“溫度效應(yīng)”、“降水量效應(yīng)”長期以來被認為是降水同位素變化的主要控制因素。一般認為,溫度是中高緯度地區(qū)特別是內(nèi)陸地區(qū)降水同位素的主要控制因素[10-11],而降水量效應(yīng)主要在低緯度地區(qū)特別是在具有海洋環(huán)境背景的地方體現(xiàn)[9,12]。水汽來源也被認為是影響降水同位素變化的主要因素之一[13-16]。Tian等[13]從水汽來源的角度研究了中國西部不同氣候區(qū)降水同位素的季節(jié)分布。Wang等[14]利用三元混合模型對天山地區(qū)再循環(huán)水汽對降水同位素影響進行了研究。越來越多的研究表明,對流活動會對季風區(qū)降水同位素產(chǎn)生重要影響[17-20]。Cai等[17]的研究表明ENSO事件會影響到東亞季風區(qū)的對流活動,進而解釋了東亞季風區(qū)降水同位素的年際變化。Aggarwal等[18]從降水類型的角度研究了對流降水和平流降水對降水同位素的影響。但大多數(shù)研究關(guān)注的是對流活動和降水同位素的同步變化。然而近期的研究發(fā)現(xiàn),在降水事件前幾天的對流活動會對降水同位素產(chǎn)生更為重要的影響[21-23]。對這一問題的研究,Gao等[21]在青藏高原南部的研究具有代表性,其研究表明降水事件前幾天的對流活動會對降水同位素產(chǎn)生綜合影響,并且累積時間與對流活動的強度和頻率有關(guān)。
蘭州位于東部季風區(qū)、西北干旱區(qū)、青藏高原區(qū)三個氣候區(qū)的過渡地帶,氣候受到東亞季風、高原季風、西風帶等大氣環(huán)流模式的影響[24],氣候條件較為復(fù)雜。盡管前人已經(jīng)對蘭州市降水同位素做了一些研究[25-28],但重點探討的是降水同位素的環(huán)境效應(yīng)以及與水汽來源的關(guān)系。而對流活動對蘭州市降水同位素的影響尚未可知?;诖耍狙芯繉⒗锰m州市2018年4月—2021年4月的降水事件數(shù)據(jù),在降水同位素環(huán)境效應(yīng)的基礎(chǔ)上,進一步研究降水同位素與水汽來源以及對流活動之間的聯(lián)系,旨在深化對蘭州市降水同位素的認識,并為季風邊緣區(qū)氣候及水文過程的研究提供新的視角。
蘭州市(35°34′~37°07′N,102°35′~104°34′E)位處中國西北內(nèi)陸地區(qū),黃土高原西緣,黃河穿城而過從西南流向東北(圖1)。該區(qū)為典型的溫帶大陸性氣候[29],但由于地處東亞季風邊緣區(qū),同時受東亞季風,高原季風,西風帶等大氣環(huán)流模式的影響[24],使研究區(qū)氣候狀況較為復(fù)雜。根據(jù)1981—2010年的歷史氣象數(shù)據(jù),月平均氣溫7月最高,1月最低,年平均降水量為293.7 mm(圖2)。降水事件主要集中發(fā)生在夏半年(5—9月),占全年降水量的80%以上;在冬半年(10月至翌年4月)西風帶以及北極的氣團會影響到該區(qū),氣候寒冷干燥。
圖1 研究區(qū)位置及采樣站點分布Fig.1 Location of study area and distribution of the sampling sites
圖2 1981—2010年蘭州市月平均降水量及氣溫Fig.2 Monthly average precipitation and air temperature in Lanzhou from 1981 to 2010
本研究選取2018年4月—2021年4月分布在蘭州市的四個采樣站點所收集的降水事件樣品,共計349個(表1)。永登、皋蘭、榆中的降水樣品由當?shù)貧庀缶值挠^察員收集。安寧站點的降水樣品在西北師范大學(xué)新校區(qū)氣象園內(nèi)由研究人員收集。對于液體降水樣品,每次降水事件結(jié)束后立即將樣品裝入50 mL高密度聚乙烯窄口瓶中密封保存;對于固體降水樣品,則將其裝入低密度聚乙烯密封袋中,待其在室溫下融化后,密封在HDPE中。樣品收集完成之后立即放入冰箱中冷凍保存直至實驗分析。樣品分析在西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院穩(wěn)定同位素實驗室中進行。所使用的分析儀器為美國ABB-Los Gatos Research公司研發(fā)的T-LWIA-45-EP型液態(tài)水同位素分析儀,其對δ2H的測試誤差不超過±1‰,對δ18O的測試誤差不超過±0.3‰。分析結(jié)果表示為相對于維也納標準平均海洋水(V-SMOW)的千分差值。
表1 采樣站點的基本信息Table 1 Basic information of the sampling sites
式中:R樣品為樣品中重同位素(2H、18O)與輕同位素(1H、16O)的比值;R標準為V-SMOW中的同位素比率。
每月δ2H和δ18O根據(jù)當月降水日δ2H和δ18O及降水量進行加權(quán)平均,公式為
式中:δ為同位素加權(quán)平均值;Pi為降水量;δi為降水量對應(yīng)的同位素值。
在討論對流活動對降水δ18O影響時,將四個站點的降水同位素數(shù)據(jù)整合為一個時間序列,整合方式根據(jù)降水量進行加權(quán)平均[30]。
蘭州市的長期氣象數(shù)據(jù)(1981—2010)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/),長期氣象數(shù)據(jù)用于描述研究區(qū)的氣候條件,以及用于劃分研究區(qū)的冬半年、夏半年[31]。用于研究環(huán)境效應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)主要來自實測數(shù)據(jù),對降水過程起始時刻和終止時刻的氣象數(shù)據(jù)進行了采集和記錄,安寧站2018年4月至2019年5月的氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。此外利用美國國家環(huán)境預(yù)測中心(NCEP)的全球數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(GDAS ftp://arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/gdas1)數(shù)據(jù)計算后向軌跡,其空間分辨率為1°×1°。射出長波輻射(OLR)數(shù)據(jù)來自美國國家海洋和大氣管理局(NOAAhttps://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.interp_OLR.html)分辨率為2.5°×2.5°。本研究中,射出長波輻射數(shù)據(jù)被用作對流活動(夏半年)和溫度(冬半年)的指標[22]。
本研究使用拉格朗日混合單粒子模型(HYSPLIT)計算降水日的后向軌跡[32],選擇1 500 m為起始高度,時間間隔為6 h每日進行四次(世界標準時間00:00,06:00,12:00,18:00)后向軌跡計算,計算時間為240 h。選擇地面高度1 500 m處是由于對流層下部1 000~3 000 m之間的水汽輸送濃度以及850 hPa標準水平附近的峰值輸送[33];選擇240 h是由于水汽在大氣中平均停留時間為8~9天[34]。最后,使用HYSPLIT模型中提供的聚類分析工具,將多個相似的氣團軌跡合并成簇。
PSCF(potential source contribution function)模型被廣泛應(yīng)用于空氣污染研究[35-36],是基于條件概率函數(shù)來識別潛在污染源區(qū),其原理通過計算污染軌跡與指定區(qū)域所有軌跡停留時間的比值來表示網(wǎng)格對研究區(qū)污染的貢獻程度。本研究定義經(jīng)過某一區(qū)域的所有軌跡到達研究點所對應(yīng)某一要素值(降水d-excess值)超過設(shè)定閾值(d-excess平均值)時,則認為該軌跡的水汽d-excess值較高,該網(wǎng)格對應(yīng)的下墊面蒸發(fā)強烈,是研究點的潛在蒸發(fā)源區(qū)[37]。當網(wǎng)格與研究點距離較遠時,nij會減小,使得PSCF分析的誤差增大,不確定性增加。為了控制這種不確定性,將Wij(權(quán)重函數(shù))乘以PCSF值[38],權(quán)重函數(shù)的確定參考了文獻[39-40]。
式中:nij為所選研究區(qū)網(wǎng)格單元中的軌跡總數(shù);mij為同一網(wǎng)格單元中降水d-excess超過其閾值的軌跡數(shù)。
PSCF分析只能給出潛在蒸發(fā)源區(qū)的空間分布,而對不同源區(qū)的貢獻信息表達模糊,為了克服這種限制,本研究引入了Hsu等[41]提出的濃度加權(quán)軌跡(concentration weighted trajectory,CWT)分析法,利用計算出的降水d-excess值數(shù)據(jù),計算了每條后向軌跡的d-excess值權(quán)重值,以反映不同軌跡水汽d-excess值的大小、水汽源地以及再循環(huán)水汽對降水d-excess值的影響。在CWT分析中,首先將研究區(qū)域網(wǎng)格化(0.25°×0.25°),每個網(wǎng)格均有一個權(quán)重降水d-excess值,通過計算經(jīng)過該網(wǎng)格的所有軌跡對應(yīng)的平均降水d-excess值來實現(xiàn)[37]。減小誤差的方法同樣采用了權(quán)重函數(shù)Wij。
式中:Cij為網(wǎng)格(i,j)上的平均權(quán)重降水d-excess;k為軌跡數(shù)目;m為水汽輸送軌跡經(jīng)過網(wǎng)格(i,j)時降水d-excess超過其閾值的軌跡數(shù);Ck為軌跡k經(jīng)過網(wǎng)格(i,j)時對應(yīng)研究區(qū)降水d-excess的大小;Tijk為軌跡k在網(wǎng)格(i,j)上停留的時間,計算過程中用落在網(wǎng)格內(nèi)軌跡的端點數(shù)來代替停留時間。
觀測期間,在日尺度上,降水δ18O的變化范圍為-21.05‰~5.52‰,加權(quán)平均值為-6.47‰;降水δ2H的變化范圍為-160.73‰~40.79‰,加權(quán)平均值為-38.85‰;d-excess(d-excess=δ2H-8.00δ18O)的變化 范 圍 為-18.42‰~30.33‰,加 權(quán) 平 均 值 為12.94‰(圖3)。在月尺度上,降水δ18O的變化范圍為-21.05‰~-2.15‰,加權(quán)平均值為-6.51‰;降水δ2H的變化范圍為-160.73‰~-14.3‰,加權(quán)平均值為-39.02‰;d-excess的 變 化 范 圍 為-0.59‰~30.33‰,加權(quán)平均值為13.02‰(圖3)。蘭州市降水δ18O的波動范圍比東部黃土高原降水δ18O更大[42],較大的波動范圍可能體現(xiàn)出季風邊緣區(qū)降水過程復(fù)雜的特點[43]。整體而言,蘭州市降水δ18O值在夏半年較高,冬半年較低,而d-excess則表現(xiàn)出夏季低冬季高的季節(jié)模式,在周邊地區(qū)也觀察到類似結(jié)果[44]。
圖3 蘭州市四個站點降水δ18O在日尺度和月尺度上的時間序列Fig.3 Time series of precipitation δ18O on daily and monthly scales at four sampling sites in Lanzhou:Anning District(a),Yuzhong County(b),Gaolan County(c)and Yongdeng County(d)
對于降水同位素的空間分布,蘭州市降水δ18O在夏半年期間最大值(5.52‰)在永登站測得,最小值(-19.50‰)在榆中站測得;在冬半年期間最大值(-2.11‰)與最小值(-21.05‰)均在安寧站測得,降水δ2H的空間分布與δ18O類似。由此看來,蘭州市夏半年降水δ18O的空間變異性比冬半年顯著。
通過對研究區(qū)所有降水同位素數(shù)據(jù)計算得出,蘭州市的局地大氣降水線(LMWL)為δ2H=7.34δ18O+7.28(R2=0.96,n=349,P<0.01)(圖4),可以看出其斜率與截距均小于全球大氣降水線(δ2H=8.00δ18O+10.00)[45],這表明雨滴在降落過程中經(jīng)歷了較為強烈的云下二次蒸發(fā),反映了蘭州較為干旱的氣候環(huán)境。此外,將蘭州市的LMWL的斜率和截距與中國其他地區(qū)的LMWL進行了比較,發(fā)現(xiàn)蘭州市 的LMWL的 斜 率 和 截 距 小 于 廣 東[46](δ2H=8.46δ18O+15.00)、長沙[47](δ2H=8.44δ18O+15.01)等東亞季風區(qū)站點以及羊卓雍措[30](δ2H=8.31δ18O+10.04)、阿里[22](δ2H=8.47δ18O+15.20)等青藏高原區(qū)站點,但高于塔里木河流域[48](δ2H=6.19δ18O-4.79)以及由阜康、策勒等西北內(nèi)陸站點數(shù)據(jù)計算得出的LMWL(δ2H=7.05δ18O-2.17)[49]的斜率和截距,這反映出蘭州位于季風邊緣區(qū)獨特的水文循環(huán)和氣候特點。
圖4 蘭州市局地大氣降水線方程Fig.4 Local meteoric water line equation in Lanzhou
溫度、降水量、相對濕度等氣象參數(shù)被認為是影響降水同位素的主要環(huán)境因子,因此在本研究中,首先探討了降水δ18O與各氣象因子分別在日尺度和月尺度上的關(guān)系。結(jié)果表明,降水δ18O與溫度表現(xiàn)出較強的正相關(guān)(圖5),在日尺度上,δ18O=0.3T-10.41(R2=0.19,P<0.01);在月尺度上,δ18O=0.26T-10.55(R2=0.31,P<0.01),因此蘭州市降水δ18O表現(xiàn)出顯著的溫度效應(yīng)。然而,降水δ18O與降水量Pr的相關(guān)性較弱(圖5),在日尺度上,δ18O=-0.01Pr-6.32(R2=0.002,P=0.75);在月尺度上,δ18O=0.04Pr-9.58(R2=0.19,P<0.01);降水δ18O與相對濕度也觀測到類似結(jié)果(圖5),在日尺度上,δ18O=-0.07RH-0.66(R2=0.05,P<0.01);在月尺度上,δ18O=-0.04RH-4.69(R2=0.01,P=0.39),由此看來,降水量和相對濕度對蘭州市降水δ18O的影響有限。
圖5 蘭州市降水δ18O與日尺度和月尺度氣溫、降水量及相對濕度的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlations between precipitation δ18O and air temperature,precipitation and relative humidity on daily and monthly scales in Lanzhou
先前的研究表明,降水δ18O的季節(jié)變化與水汽來源的季節(jié)變化有關(guān)[50]。選擇安寧站為研究地點,利用HYSPLIT模型,對降水事件的水汽軌跡進行模擬,并對模擬結(jié)果進行聚類分析,以此研究蘭州市降水δ18O與水汽來源的關(guān)系。圖6顯示了蘭州市夏半年、冬半年的后向軌跡模擬結(jié)果,總的來看,蘭州市夏半年降水的水汽來源要比冬半年復(fù)雜。根據(jù)聚類結(jié)果,在夏半年蘭州市的水汽來源大致可分為兩類。第一類為內(nèi)陸水汽來源,首先是來自西北方向的水汽,T1軌跡較長發(fā)源于東歐,占比為18.99%;T2軌跡較短發(fā)源于中亞地區(qū),占比為22.15%,來自東歐和中亞的水汽在西風帶的作用下向東輸送至蘭州,此外還有來自北方的水汽,這類軌跡較短,發(fā)源于蒙古地區(qū),占比為18.67%。根據(jù)前人的研究結(jié)果[51],在夏半年由于溫度較高,內(nèi)陸地區(qū)蒸發(fā)強烈,這使得來自內(nèi)陸地區(qū)的水汽以及之后生成的降水,其同位素值較為富集。第二類為季風水汽,一部分為來自東亞季風的水汽,占比為31.33%,另一部分為來自西南季風的水汽,占比為8.46%。季風水汽會帶來大量的降水,加之水汽在向蘭州輸送過程中受地勢抬升的影響,使得降水同位素值較低[52],這可能是夏半年部分降水事件δ18O值較低的原因。冬半年蘭州市的水汽軌跡主要是在西風帶的影響下,來自阿富汗和中國新疆的水汽向東輸送至蘭州。
圖6 蘭州市夏半年和冬半年降水水汽來源的后向軌跡聚類Fig.6 Backward trajectory clustering of sources of precipitation and water vapor in summer(a)and winter(b)in Lanzhou
利用HYSPLIT模型只能確定蘭州市降水水汽來源的主要方位和位置。值得注意的是局地再循環(huán)水汽對降水δ18O具有重要影響。因此,還利用PSCF分析法和CWT分析法研究了蘭州市的潛在蒸發(fā)源區(qū)。PSCF分析和CWT分析均能反映出潛在蒸發(fā)源區(qū)對研究區(qū)降水同位素影響的大小,不同的是CWT分析能夠體現(xiàn)出潛在蒸發(fā)源區(qū)的具體貢獻值。由圖7可知,蘭州市夏半年和冬半年的PSCF分析結(jié)果存在明顯差異。從圖7(a)可以看出,在夏半年,PSCF分析的高值區(qū)域呈片狀分布于蘭州市東部區(qū)域,高值概率在20%以上,特別是在白銀、定西地區(qū),高值概率在30%以上。而在冬半年[圖7(b)],只有零星的幾個高值點分布在蘭州市周圍,總的來看,并無明顯的高值區(qū)域。CWT的分析結(jié)果與PSCF的分析結(jié)果類似(圖8),在夏半年CWT的分析的高值區(qū)域主要分布在蘭州東部區(qū)域,對研究區(qū)d-excess的貢獻度普遍大于4‰·m-3,在靠近蘭州的地區(qū)其貢獻度甚至在6‰·m-3以上[圖8(a)]。而在冬半年[圖8(b)],并無明顯的高值區(qū)域。由此看來,潛在蒸發(fā)源區(qū)對蘭州市降水同位素的影響主要集中在夏半年,而冬半年主要受到外來水汽輸送的影響。
圖7 蘭州市夏半年和冬半年降水過量氘潛在源的貢獻因子分析Fig.7 Contribution factor analysis of potential sources of d-excess in summer(a)and winter(b)precipitation in Lanzhou
先前的研究表明,對流活動是影響季風區(qū)降水同位素的主要因素之一[17-20],但大多數(shù)研究關(guān)注的是對流活動和降水同位素的同步變化。然而在青藏高原南部和西北部的研究發(fā)現(xiàn),降水事件前幾天的對流活動會對降水同位素產(chǎn)生綜合影響,并且累積時間與對流活動的強度和頻率有關(guān)[21-22]。首先將蘭州市四個站點的降水δ18O數(shù)據(jù)合成為一個時間序列[28],然后計算其與降水事件前d(0~20)天在2.5°×2.5°、7.5°×7.5°、12.5°×12.5°空間尺度上平均OLR之間的相關(guān)性,以此研究對流活動對蘭州市降水δ18O的影響。
如圖9所示,無論是夏半年還是冬半年,降水δ18O與當天(d=0)的OLR的相關(guān)性并非最為顯著,相關(guān)性最顯著的時間均在降水事件前幾天(d>0),這個結(jié)果與Gao等[21]在青藏高原南部的研究結(jié)果一致,這表明降水δ18O更受前幾天天氣過程的綜合影響。在夏半年[圖9(b)~(f)],5月、6月、9月降水δ18O與OLR的相關(guān)性達到最顯著的時間在降水事件發(fā)生前3~5天,要大于在7月(d=2)、8月(d=1)降水δ18O與OLR的相關(guān)性最顯著的時間。這可能與對流系統(tǒng)的強度和頻率有關(guān),在季風初期和末期,對流活動較少且強度較小,水汽同位素綜合了較長時間內(nèi)對流系統(tǒng)的特征;在季風強盛期,對流活動的強度和頻率都強于季風初期和末期,因此,需要較短的時間間隔來消除先前對流系統(tǒng)的特征。在冬半年[圖9(a),(g)~(h)],降水δ18O與OLR的相關(guān)性達到最顯著的時間較長(d>7),由于對流活動很少發(fā)生,因此這可能是由于溫度對降水同位素的綜合影響。此外,11月至翌年3月降水δ18O與平均OLR的相關(guān)性達到最顯著的時間在7天[圖9(h)],與4月(d=12)和10月(d=16)相比較短[圖9(a),(g)],這可能與11月至翌年3月頻繁南下的冷空氣有關(guān)。從空間角度上看,夏半年降水δ18O與平均OLR在7.5°×7.5°、12.5°×12.5°范圍上的相關(guān)性要大于2.5°×2.5°的范圍[圖9(b)~(f)],而冬半年的模式與夏半年相反[圖9(a),(g)~(h)]。這可能是因為夏半年強烈的對流活動使其有較大的組織范圍;而冬半年,降水δ18O更多是溫度綜合作用的結(jié)果,這使得其組織的空間范圍較小。
圖9 在降水事件發(fā)生前0~20天δ18O和平均OLR之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)Fig.9 Pearson correlation coefficient between δ18O and average OLR from 0 to 20 days before the precipitation event:April(a),May(b),June(c),July(d),August(e),September(f),October(g)and November to March(h)
本文在對蘭州市降水同位素時空分布特征分析的基礎(chǔ)上,研究了降水同位素與局地氣象參數(shù)、水汽來源、對流活動的關(guān)系,主要得出以下結(jié)論:
(1)蘭州市降水同位素夏半年富集,冬半年貧化,并且夏半年降水同位素的空間變異性比冬半年顯著。此外蘭州市的大氣降水線(LMWL)為δ2H=7.34δ18O+7.28,反映了蘭州市較為干旱的氣候特點。
(2)蘭州市降水同位素表現(xiàn)出明顯的溫度效應(yīng),而降水量和相對濕度對降水同位素的影響有限。
(3)根據(jù)HYSPLIT模型模擬,蘭州市夏半年降水受到季風水汽和西風帶水汽的影響,冬半年降水主要來自西風帶水汽的輸送;利用PSCF分析法和CWT分析法發(fā)現(xiàn)潛在蒸發(fā)源區(qū)主要分布在蘭州市的東部,并主要對蘭州市夏半年降水同位素產(chǎn)生影響,而冬半年幾乎不存在潛在蒸發(fā)源區(qū)。
(4)在夏半年,降水事件前幾天的對流活動會對降水同位素產(chǎn)生綜合影響,累積時間與對流活動的強度及頻率有關(guān),在季風初期和末期的累積時間在3~5天,在季風強盛期的累積時間在1~2天;而在冬半年,降水事件前幾天的溫度會對降水同位素產(chǎn)生綜合影響,累積時間在7天以上,并且受到冷空氣南下頻率的影響。