東南沿海廈門地區(qū)降水中氫、氧同位素的組成：受季節(jié)變化、天氣過程和臺風(fēng)影響

【背景】

在水循環(huán)過程中，由于同位素分餾作用，氫(δH, δ2H, δ3H)和氧(δ16O, δ17O, δ18O) 的同位素以不同的比例分離到不同的相中(Sun et al.， 2020)。大氣降水在全球水循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用。在水蒸氣的凝結(jié)過程中，較重的同位素(δ2H和δ18O)優(yōu)先進入液相，導(dǎo)致降水初期雨水的氫、氧同位素組成(δ2H和δ18O)為正，隨著δ2H和δ18O的凝結(jié)逐漸減少。此外，大氣降水δ2H和δ18O的空間和季節(jié)變化，揭示了對區(qū)域氣候模式的重要見解。因此，大氣降水的δ2H和δ18O可以作為追蹤水汽來源或闡明大氣動力學(xué)很有價值的指標，從而提供對季節(jié)和天氣相關(guān)氣候特征的見解。

在熱帶和亞熱帶地區(qū)，降水的同位素組成表現(xiàn)出主要受區(qū)域季風(fēng)系統(tǒng)驅(qū)動的季節(jié)變化影響。相反，在天氣尺度上，降水的同位素組成主要受當?shù)販囟?、濕度等氣象因素的影響，此外，臺風(fēng)等極端天氣事件對降水的同位素組成也有相當大的影響，不同臺風(fēng)對降水同位素的影響既有相似之處，也有差異。這些變化可能與臺風(fēng)的強度、壽命、路徑和臺風(fēng)相關(guān)降水的水汽來源等因素有關(guān)。因此，探討臺風(fēng)相關(guān)降水過程與正常降水過程的差異及其機制，進一步明確臺風(fēng)降水形成過程中水汽源的作用，分析不同臺風(fēng)過程對降水同位素的不同影響具有重要意義。這些研究為理解和研究臺風(fēng)降水的同位素分餾效應(yīng)提供了重要基礎(chǔ)。

該研究基于2018年6月至2019年8月收集的162個樣本(其中35個與臺風(fēng)有關(guān))的實測數(shù)據(jù)，分析了中國東南沿海廈門市大氣降水的δ2H和δ18O值，嘗試探討降水同位素季節(jié)和天氣變化的影響因素，以及臺風(fēng)的影響。該研究對了解和研究臺風(fēng)過程對降水同位素分餾的影響具有重要意義。

【樣品采集】

降水樣品采集于中國自然資源部第三海洋研究所(東經(jīng)118?05′20”，北緯24?26′10”)一座高約12 m的建筑物頂部。采樣地點位于廈門島，位于九龍江河口北側(cè)，毗鄰中國臺灣海峽(下圖)。

該實驗采用帶漏斗的5L塑料容器收集沉淀，對于持續(xù)時間短(<1小時)的降水事件，研究者在降雨開始后半小時內(nèi)采集樣本(只采集一個樣本)。對于降雨時間較長(>1 hr)的降水事件，則根據(jù)降水強度和持續(xù)時間進行連續(xù)采樣，采樣間隔為1 ~ 3 hr。

【PICARRO儀器使用】

使用0.45 μm膜過濾每個樣品，然后使用無空氣頂空注射器將樣品倒入20ml Labcol瓶中。這些瓶子用橡膠塞密封以防止蒸發(fā)，并儲存在2-4℃的冰箱中，直到可以進行穩(wěn)定的同位素分析。

使用L2130-i液態(tài)水同位素分析儀測定上述樣品的穩(wěn)定同位素組成(δ2H和δ18O)，在測量過程中使用四個內(nèi)部標準品(δ18O:−2.80‰，−7.69‰，−13.10‰和−16.14‰;δ2H:−9.5‰，−51.0‰，−96.4‰，−123.6‰)進行校準，測量精度一般為δ2H±1‰，δ18O±0.2‰。

【結(jié)果與圖示】

2018年6月- 2019年8月研究期間氣象參數(shù)、降水同位素(δ2H和δ18O)和d過量的變化。

廈門當?shù)卮髿馑€(MWLs)，基于(a)所有單個樣本數(shù)據(jù)，(b)臺風(fēng)相關(guān)數(shù)據(jù)降水樣本，(c) 5月至9月的夏季風(fēng)樣本，(d) 10月至2月的冬季風(fēng)樣本，(e) 3月至4月的季節(jié)轉(zhuǎn)移期樣本。填充的圓圈表示臺風(fēng)降水樣本，空心圓圈表示正常情況下的降水樣本。長線表示全球大氣水線(GMWL，δ2H =8×δ18O +10)和中國大氣水線(CMWL，δ2H =7.9 8δ18O +8.2)。

(a)       δ18O與溫度的相關(guān)性，(b)δ18O與降水量的相關(guān)性。

臺風(fēng)相關(guān)降水不同階段δ2H與δ18O的相關(guān)性。

(a)總資料、(b)正常降水和(c)臺風(fēng)相關(guān)降水中同位素組成與當?shù)貧庀髤?shù)的相關(guān)統(tǒng)計

【研究結(jié)論】

1.       廈門地區(qū)降水樣品的δ2H和δ18O同位素組成具有明顯的季節(jié)波動特征。這些變化主要源于東亞季風(fēng)系統(tǒng)的影響，以及夏季臺風(fēng)事件的額外顯著影響。夏季風(fēng)期的特點是降雨多，蒸發(fā)少，導(dǎo)致大氣水線明顯變陡。

2.       降水同位素在天氣尺度上的變化大于季節(jié)尺度。在正常降水中觀測到三種類型的同位素變化:類型1：再蒸發(fā)占δ18O值主導(dǎo)地位；類型II型：冷凝過程中的平衡分餾占δ18O值主導(dǎo)地位；類型III：多種因素控制著降水同位素；主要是雨滴的再蒸發(fā)以及水分來源。

3.       臺風(fēng)不同的結(jié)構(gòu)及動力特性對臺風(fēng)相關(guān)降水的同位素組成產(chǎn)生了不同的影響，導(dǎo)致了三個不同的變化階段。臺風(fēng)相關(guān)降水初期和后期的δ18O值較高，主要受顯著的再蒸發(fā)影響。相反，第二階段表現(xiàn)出較低的δ18O值，主要是由大量降水驅(qū)動的。

4.       降水中δ2H和δ18O的變化模式，主要受前期降水事件中發(fā)生的物理過程和氣象參數(shù)的支配。然而，在正常和臺風(fēng)條件下，降水的總體同位素值主要受水汽源的控制。

致謝：感謝自然資源部第三海洋研究所、尹希杰老師對該文本的專業(yè)支持！