東南沿海廈門地區降水中氫、氧同位素的組成：受季節變化、天氣過程和臺風影響

【背景】

在水循環過程中，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中起著至關重要的作用。在水蒸氣的凝結過程中，較重的同位素(δ2H和δ18O)優先進入液相，導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的凝結逐漸減少。此外，大氣降水δ2H和δ18O的空間和季節變化，揭示了對區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很有價值的指標，從而提供對季節和天氣相關氣候特征的見解。

在熱帶和亞熱帶地區，降水的同位素組成表現出主要受區域季風系統驅動的季節變化影響。相反，在天氣尺度上，降水的同位素組成主要受當地溫度、濕度等氣象因素的影響，此外，臺風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的強度、壽命、路徑和臺風相關降水的水汽來源等因素有關。因此，探討臺風相關降水過程與正常降水過程的差異及其機制，進一步明確臺風降水形成過程中水汽源的作用，分析不同臺風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降水的同位素分餾效應提供了重要基礎。

該研究基于2018年6月至2019年8月收集的162個樣本(其中35個與臺風有關)的實測數據，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和天氣變化的影響因素，以及臺風的影響。該研究對了解和研究臺風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，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，對于持續時間短(<1小時)的降水事件，研究者在降雨開始后半小時內采集樣本(只采集一個樣本)。對于降雨時間較長(>1 hr)的降水事件，則根據降水強度和持續時間進行連續采樣，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，并儲存在2-4℃的冰箱中，直到可以進行穩定的同位素分析。

使用L2130-i液態水同位素分析儀測定上述樣品的穩定同位素組成(δ2H和δ18O)，在測量過程中使用四個內部標準品(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‰。

【結果與圖示】

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

廈門當地大氣水線(MWLs)，基于(a)所有單個樣本數據，(b)臺風相關數據降水樣本，(c) 5月至9月的夏季風樣本，(d) 10月至2月的冬季風樣本，(e) 3月至4月的季節轉移期樣本。填充的圓圈表示臺風降水樣本，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與溫度的相關性，(b)δ18O與降水量的相關性。

臺風相關降水不同階段δ2H與δ18O的相關性。

(a)總資料、(b)正常降水和(c)臺風相關降水中同位素組成與當地氣象參數的相關統計

【研究結論】

1.       廈門地區降水樣品的δ2H和δ18O同位素組成具有明顯的季節波動特征。這些變化主要源于東亞季風系統的影響，以及夏季臺風事件的額外顯著影響。夏季風期的特點是降雨多，蒸發少，導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：再蒸發占δ18O值主導地位；類型II型：冷凝過程中的平衡分餾占δ18O值主導地位；類型III：多種因素控制著降水同位素；主要是雨滴的再蒸發以及水分來源。

3.       臺風不同的結構及動力特性對臺風相關降水的同位素組成產生了不同的影響，導致了三個不同的變化階段。臺風相關降水初期和后期的δ18O值較高，主要受顯著的再蒸發影響。相反，第二階段表現出較低的δ18O值，主要是由大量降水驅動的。

4.       降水中δ2H和δ18O的變化模式，主要受前期降水事件中發生的物理過程和氣象參數的支配。然而，在正常和臺風條件下，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支持！