东南沿海厦门地区降水中氢、氧同位素的组成：受季节变化、天气过程和台风影响

【背景】

在水循环过程中，由于同位素分馏作用，氢(δH, δ2H, δ3H)和氧(δ16O, δ17O, δ18O) 的同位素以不同的比例分离到不同的相中(Sun et al.， 2020)。大气降水在全球水循环中起着至关重要的作用。在水蒸气的凝结过程中，较重的同位素(δ2H和δ18O)优先进入液相，导致降水初期雨水的氢、氧同位素组成(δ2H和δ18O)为正，随着δ2H和δ18O的凝结逐渐减少。此外，大气降水δ2H和δ18O的空间和季节变化，揭示了对区域气候模式的重要见解。因此，大气降水的δ2H和δ18O可以作为追踪水汽来源或阐明大气动力学很有价值的指标，从而提供对季节和天气相关气候特征的见解。

在热带和亚热带地区，降水的同位素组成表现出主要受区域季风系统驱动的季节变化影响。相反，在天气尺度上，降水的同位素组成主要受当地温度、湿度等气象因素的影响，此外，台风等极端天气事件对降水的同位素组成也有相当大的影响，不同台风对降水同位素的影响既有相似之处，也有差异。这些变化可能与台风的强度、寿命、路径和台风相关降水的水汽来源等因素有关。因此，探讨台风相关降水过程与正常降水过程的差异及其机制，进一步明确台风降水形成过程中水汽源的作用，分析不同台风过程对降水同位素的不同影响具有重要意义。这些研究为理解和研究台风降水的同位素分馏效应提供了重要基础。

该研究基于2018年6月至2019年8月收集的162个样本(其中35个与台风有关)的实测数据，分析了中国东南沿海厦门市大气降水的δ2H和δ18O值，尝试探讨降水同位素季节和天气变化的影响因素，以及台风的影响。该研究对了解和研究台风过程对降水同位素分馏的影响具有重要意义。

【样品采集】

降水样品采集于中国自然资源部第三海洋研究所(东经118◦05′20”，北纬24◦26′10”)一座高约12 m的建筑物顶部。采样地点位于厦门岛，位于九龙江河口北侧，毗邻中国台湾海峡(下图)。

该实验采用带漏斗的5L塑料容器收集沉淀，对于持续时间短(<1小时)的降水事件，研究者在降雨开始后半小时内采集样本(只采集一个样本)。对于降雨时间较长(>1 hr)的降水事件，则根据降水强度和持续时间进行连续采样，采样间隔为1 ~ 3 hr。

【PICARRO仪器使用】

使用0.45 μm膜过滤每个样品，然后使用无空气顶空注射器将样品倒入20ml Labcol瓶中。这些瓶子用橡胶塞密封以防止蒸发，并储存在2-4℃的冰箱中，直到可以进行稳定的同位素分析。

使用L2130-i液态水同位素分析仪测定上述样品的稳定同位素组成(δ2H和δ18O)，在测量过程中使用四个内部标准品(δ18O:−2.80‰，−7.69‰，−13.10‰和−16.14‰;δ2H:−9.5‰，−51.0‰，−96.4‰，−123.6‰)进行校准，测量精度一般为δ2H±1‰，δ18O±0.2‰。

【结果与图示】

2018年6月- 2019年8月研究期间气象参数、降水同位素(δ2H和δ18O)和d过量的变化。

厦门当地大气水线(MWLs)，基于(a)所有单个样本数据，(b)台风相关数据降水样本，(c) 5月至9月的夏季风样本，(d) 10月至2月的冬季风样本，(e) 3月至4月的季节转移期样本。填充的圆圈表示台风降水样本，空心圆圈表示正常情况下的降水样本。长线表示全球大气水线(GMWL，δ2H =8×δ18O +10)和中国大气水线(CMWL，δ2H =7.9 8δ18O +8.2)。

(a)       δ18O与温度的相关性，(b)δ18O与降水量的相关性。

台风相关降水不同阶段δ2H与δ18O的相关性。

(a)总资料、(b)正常降水和(c)台风相关降水中同位素组成与当地气象参数的相关统计

【研究结论】

1.       厦门地区降水样品的δ2H和δ18O同位素组成具有明显的季节波动特征。这些变化主要源于东亚季风系统的影响，以及夏季台风事件的额外显著影响。夏季风期的特点是降雨多，蒸发少，导致大气水线明显变陡。

2.       降水同位素在天气尺度上的变化大于季节尺度。在正常降水中观测到三种类型的同位素变化:类型1：再蒸发占δ18O值主导地位；类型II型：冷凝过程中的平衡分馏占δ18O值主导地位；类型III：多种因素控制着降水同位素；主要是雨滴的再蒸发以及水分来源。

3.       台风不同的结构及动力特性对台风相关降水的同位素组成产生了不同的影响，导致了三个不同的变化阶段。台风相关降水初期和后期的δ18O值较高，主要受显著的再蒸发影响。相反，第二阶段表现出较低的δ18O值，主要是由大量降水驱动的。

4.       降水中δ2H和δ18O的变化模式，主要受前期降水事件中发生的物理过程和气象参数的支配。然而，在正常和台风条件下，降水的总体同位素值主要受水汽源的控制。

致谢：感谢自然资源部第三海洋研究所、尹希杰老师对该文本的专业支持！