2018, Vol. 39
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 青海省天峻县气象局, 天峻 817200;
4. 西北师范大学地理与环境科学学院, 兰州 730070;
5. 兰州理工大学能源与动力工程学院, 兰州 730050
, FENG Qi1 , XIAO Lian-gui3 , LÜ Yue-min1,2 , GUI Juan4 , YUAN Rui-feng4 , ZHANG Bai-juan5
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Meteorological Administration of Tianjun, Tianjun 817200, China;
4. College of Geography and Environmental Science, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China;
5. College of Energy and Power Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China
大气降水是水循环的重要组成部分, 也是水资源的根本来源[1].降水中氢氧稳定同位素非常敏感地响应环境的变化, 同时作为水循环的重要示踪元素, 记载着水循环演化的重要历史信息[2~5].我国西北地区较干旱的气候条件和人类活动强度逐年加快, 致使水资源短缺和如何合理利用水资源成为亟待解决的严峻问题.大气降水氢氧同位素组成和时空分布规律为研究水汽来源、大气环流模式及深入认识水循环过程提供了重要的依据, 进而有利于合理利用水资源[6, 7].目前, 环境同位素技术及其在水循环研究中的优越性已广泛被应用到西北地区的水文水资源研究中[8, 9], 针对各流域的研究已经取得明显进展, 在降水稳定同位素方面, 以乌鲁木齐河流域[10~12]、黑河流域[13~17]、石羊河流域[18, 19]、河西走廊[20]为主、也包括党河[21]、葫芦沟[22]、托来河[23]等小流域和单一站点及周边地区, 如张掖、兰州、乌鲁木齐等[24~26], 研究主要集中在降水稳定同位素的组分、时空分布特征、变化趋势、模拟、水汽来源以及和各气象要素的关系等方面.但对于托来(讨赖)河流域的研究, 目前主要是极端气候变化、潜在蒸发量、气温、降水和径流变化等方面[27~30], 具体针对该流域降水稳定同位素的研究较少, 本文分析不同海拔地区嘉峪关和托勒站的降水氢氧稳定同位素的时间变化、局地大气降水线、海拔变化, 并讨论降水稳定同位素与气象要素(降水、气温、平均水汽压、相对湿度)的关系, 通过探讨该流域不同海拔地区降水稳定同位素的环境意义, 以期为托来河流域同位素水文过程的进一步研究提供理论依据.
1 研究区概况托来河(又名讨赖河)流域位于我国西北干旱地区、河西走廊中西部, 发源于青海省祁连山中段、托来南山的托来掌, 是黑河西支北大河的主要支流及源区[23], 流域东起马营河, 西以嘉峪关境内黑山为界, 南与疏勒河流域毗邻, 北至金塔盆地的马鬃山, 地理位置介于97°16′~99°12′E, 38°24′~39°36′N之间(图 1), 海拔为2 000~5 300 m左右, 出山口以上面积为7 095 km2.气候为高寒半干旱气候, 年均气温为0.5℃, 降水多集中于夏季, 年降水量从低山带的150 mm增加到高山区的450 mm, 降水随海拔升高100 m而增加15.5~16.4 mm[31].依据1960~2010年的观测数据, 年均径流量为6.2×108 m3, 且主要集中在夏、秋季.植被类型以灌木林和草原植被为主, 土壤类型主要有高寒荒漠土、高寒草甸土和山地栗钙土[28].与黑河东支相似, 流域内植被和土壤表现出明显的垂直地带性.依据最新的黑河冰川变化研究结果, 2010年托来河流域内共有435条冰川, 其面积为153.95 km2[32].
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图 1 托来河流域位置及降水采样点分布示意 Fig. 1 Source of the Tuolai River and sampling of precipitation |
本文选取了位于托来河流域上游的托勒站(国家气象站, 38.80°N, 98.42°E, 海拔3 367 m)和中游出山口的嘉峪关站(国家级水文站, 39.75°N, 98.27°E, 海拔1 658 m)为降水样品采集点(图 1).虽然该流域只有2个采样站点, 但托勒站分布在流域上游的产流区, 嘉峪关站分布在中游区, 能够代表整个流域的降水稳定同位素变化情况.采样时间为2013年11月到2014年12月, 委托气象观测人员完成降水样品的采集, 期间共采集降水样品78个, 托勒和嘉峪关站分别采集53和25个.
所有降水样品的采集, 按照气象观测规定的降水事件定义进行, 即当日20:00到次日20:00的所有降水定义为一个降水事件, 并采集一个样品.样品的采集用降水收集器完成, 降水收集器被放在屋顶(离地面8 m), 这样可以远离地面土壤和任何具体的污染源.降水收集器配有5L聚乙烯收集瓶(底部)和直径为26 cm聚乙烯漏斗.每次降水事件之后, 收集到的雨水或者降雪被存入提前净化好的聚乙烯样品瓶中.为了避免降水样品可能的污染, 所有的采样设备在采样之前均作了洁净化清洗处理.样品采集完成后, 采样瓶口立即用封口膜封住, 以防蒸发影响.所有样品收集后立即存放在冰箱中, 然后以冷冻状态运回实验室开展测试分析.在样品采集期间, 同时记录降水量、风速和湿度等气象参数.
降水氢氧稳定同位素的测试分析在中科院内陆河流域生态水文重点实验室内完成.采用基于稳定同位素红外光谱技术的液态水稳定同位素分析仪(Model DLT-100, Los Gatos Research, Inc., Mountain View, CA)对降水中的δ18O和δD进行测定, 测试精度分别为0.2‰(18O/16O)和0.5‰(D/H).测定结果用VSMOW和实验室工作标准进行校准, 最终结果以相对于维也纳标准平均海洋水(vienna standard oceanic water, VSMOW)的千分差形式表示：
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式中, Rsample和RⅤ-SMOW分别代表降水样与维也纳标准平均海洋水中的氧或氢稳定同位素比率R(18O/16O、D/H).
Dansgaard[2]将全球降水中氢氧同位素比率出现的差值, 定义为过量氘(d-excess或d), 其计算方程为d=δD-8δ18O, 降水中过量氘主要受制于水汽源区的温度、相对湿度和风速等气象条件, d-excess值反映形成降水过程的气团同位素, 含有形成暖湿气团源区蒸发过程性质的重要信息, 包括蒸发过程的平衡或不平衡状态和蒸发速率等[33], 过量氘是示踪水汽源区的一个重要参数.
3 结果与分析 3.1 降水稳定同位素的时间变化依据托勒和嘉峪关站的次降水稳定同位素数据(图 2), 采样期间降水δ18O(δD)值的变化范围从-23.40‰~5.48‰(从-196.18‰~33.13‰), 均值分别为-7.18‰、-48.60‰, d-excess的均值为8.91‰, 变化范围从-40.33‰~35.06‰. δ18O、δD和d-excess的6~8月的均值分别为-4.79‰、-30.97‰、7.34‰, 9~12月的均值分别为-10.58‰、-71.90‰、12.74‰.明显6~8月δ18O和δD值偏正, 9月以后偏负, d-excess变化则相反.由于同一气团在输送、凝结过程中d-excess保持不变[34], d-excess的变化表明流域内6~8月与9月以后形成降水的水汽来源存在差异.已有研究表明:在托来河流域, 6~8月以西风水汽为主, 夏季强烈的蒸散发过程, 使水汽再循环影响大, 在天气尺度下, 季风水汽可以到达研究区, 9月以后, 全部以西风水汽为主[35~37].较高的d-excess值反映了干燥的西风气团沿途经过温暖水体时会携带的蒸发水汽或干旱气候条件下强烈的蒸散发所导致的局地再循环水汽[38].
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图 2 托勒和嘉峪关站δ18O和d-excess的时间变化 Fig. 2 Daily variation of δ18O and d-excess in precipitation at Tuole and Jiayuguan |
托勒站降水稳定同位素具有显著的季节性变化, 夏秋较高值, 冬春为较低值.就其日变化而言, 托勒站降水稳定同位素δ18O值在6~9月较高, 其他月份其值较低.例如：较高的δ18O值出现在2014年7月9日、8月的19、22、28、29日.从2013年11月逐渐升高, 到次年5月略有降低, 然后从6~7月波动上升, 直到8月末达到最大值, 之后波动下降, 最低值出现在10月, 这些极值可能与8月强烈的蒸发和10月的低温降雪有关, 但也不排除其他气候条件和地形条件的影响. d-excess在2013年11月逐渐下降, 到次年5月略有上升, 然后从6~7月波动下降, 之后波动上升, 直到10月达到最大值(图 2).托勒站δ18O和d-excess值在一些降水事件或季节尺度上表现出反向变化趋势.对于一些夏秋季降水事件, 偏负的δ18O伴随高d-excess, 托勒站的这些情况出现在2014年6月20日、7月7日、8月10日、9月16~17日.嘉峪关站则出现在同年的6月27日、7月20日、10月3日、12月20日.这可能是受来自海洋暖湿气团或局地水汽再循环的影响.已有研究表明降水中的d-excess主要受水汽来源地水体蒸发时周围环境空气相对湿度的影响, 干旱地区强烈的蒸发形成的局地水汽再循环, 致使该区降水中出现极高的d-excess值[39].
嘉峪关站降水稳定同位素也表现出一定的季节性变化, 与托勒站不同, 春季较高, 其他季节较低. 4~6月中旬δ18O值较高, 其他月份较低. δ18O值在2014年2月逐渐升高, 到6月达到最大值, 之后波动下降, 在7~9月保持相对稳定状态, 然后10月开始波动下降, 但最低值出现在2月.嘉峪关站δ18O和d-excess值在降水事件上展现出比托勒站更明显地随时间变化的反向变化趋势, 且在所有降水事件中嘉峪关站的δ18O和d-excess的变化趋势相反(图 2).类似的降水稳定同位素时间变化不仅在托来河流域, 在其他地区表现得更为明显, 例如, 在黑河流域的张掖站(1 483 m)[24]、乌鞘岭北坡地区(2 368 m)[40]、乌鲁木齐地区(平均海拔800 m)[41], 而与黑河流域的葫芦沟站(3 260 m)、野牛沟(3 320 m)和俄堡站(3 452 m)的变化特征不一致[22, 42], 这反映了内陆河流域低海拔地区存在较强的云下蒸发, 同时高海拔地区受局地水汽再循环的强烈影响[43, 44].
3.2 局地大气降水线由所有站点次降水稳定同位素数据计算得到托来河流域、上游(托勒站)、中游(嘉峪关站)局地大气水线, 如图 3所示, R2值较高, δD和δ18O有较好的相关性, 由托勒和嘉峪关站得到托来河流域局地大气水线的斜率(7.34)和截距(4.16)明显低于石羊河流域、黑河流域、乌鲁木齐河流域、我国北方地区、全球大气降水线(GMWL：δD=8δ18O+10)[3] [图 3(a)和表 1], 表明该地区的降水过程可能受到了强烈的蒸发影响.已有研究表明较低的斜率在干旱区十分普遍, 主要是较为干燥的大气环境和较强的蒸发过程所导致[46~48].但略高于我国西北地区大气水线(δD=7.05δ18O -2.17)[49], 表明除受干燥的环境和较强的蒸发外, 这一现象可能还与强烈的局地再循环水汽有关, 已有研究表明局地再循环水汽将引起大气水线斜率和截距的升高, 而且局地再循环水汽被认为是区域大气水汽和水循环的重要组成部分[50~52].
参考GMWL, 结合次降水稳定同位素数据在局地大气水线的分布状况, 托勒站降水稳定同位素数据可分为3组(图 3), 3组数据大多位于全球大气降水线之上, d-excess大于10‰.第1组数据具有偏正的δ18O, 并位于该图的右上角, 这些点位于局地大气水线之下, 其d-excess小于16‰, 多是发生在夏秋季节温度较高的降水事件.第2组数据δ18O偏负, 位于左下角, 这些点位于局地大气水线之上, 其d-excess大于16‰, 主要代表的是温度低或空气的水含量比较充裕时的冬、春降水事件.第3组数据位于第1组和第2组之间, 正好在局地大气水线上, 这些点的δ18O值居中, 反映了主要受平衡分馏的影响.嘉峪关站位于托来河中游, 它的降水稳定同位素数据也可分为3组(图 3), 与托勒站相比, 3组数据大多位于全球大气降水线的下方, d-excess小于10‰.第1组δ18O值较高, 位于局地大气降水线之下, 其d-excess小于-18‰; 第2组δ18O均为低值, 位于局地大气水线之上, 其d-excess大于-18‰, 第3组数据位于局地大气水线上, 其值主要受平衡分馏的影响.托来河流域的局地大气降水线存在明显的差异(图 3), 托勒站和嘉峪关站的局地大气水线分别为：δD=7.69δ18O+15.53, R2=0.97(P < 0.05)、δD=6.86δ18O-17.7, R2=0.92(P < 0.05), 这两个采样站点的大气水线的斜率都低于全球大气水线, 同时从托勒到嘉峪关站大气降水线的斜率和截距都明显降低, 表现出从低海拔到高海拔的增加趋势, 这与前人研究的乌鲁木齐河流域从河源区到下游地区大气降水线截距和斜率呈逐渐减小趋势相一致[10].托来河流域为高寒半干旱气候, 其发源于祁连山中段, 年降水量随海拔升高在一定范围内呈增加趋势[31], 受祁连山海拔抬升作用影响, 流域具有自然条件垂直分带性, 导致流域内两站点降水过程不同, 也导致两站点局地大气降水线存在差异.
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图 3 托来河流域大气降水线 Fig. 3 Local meteoric water line for the Tuolai River basin based on the data from individual samples from November 2013 to December 2014 |
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表 1 部分研究区域局地大气降水线比较 Table 1 Comparison of local meteoric water line for the different regions in China |
3.3 降水稳定同位素的海拔变化
当气团沿着山坡不断抬升时, 降水稳定同位素逐渐贫化[53].如图 4所示, 除8月以外, 从嘉峪关到托勒站, δ18O的月均值随海拔升高基本呈下降趋势, 相反地, d-excess随海拔升高呈增加趋势.采样期间, 相应的温度从低海拔站到高海拔站降低了7.3℃.由于不同的海拔和局地气候, 托勒站和嘉峪关站的稳定同位素组成存在显著差异.嘉峪关站δ18O、δD和d-excess的均值分别为-6.83‰、-64.60‰和-9.93‰, 托勒站分别为-7.36‰、-41.06‰和17.80‰.这表明低海拔地区强烈动力分馏的不平衡性将对降水稳定同位素浓度产生影响; 对于d-excess而言, 在4~10月, 托勒站和嘉峪关站的d-excess月均值相差很大(图 4), 表明研究时段内两个站点的降水具有不同的水汽来源.已有研究确定自海洋水汽所形成的降水中d-excess接近10‰, 而在干旱条件下, 蒸发使动力分馏系数增加, d-excess值会增高, 甚至大于10‰[2, 3, 20].除7月份外, 托勒站远大于全球降雨过量氘(10‰), 可能是干燥气候背景下, 局地再循环水汽造成较高的d-excess值.在7月, 托勒站降水的d-excess值接近10‰, 可能是受来自温暖海洋蒸发水汽的影响; 嘉峪关站的d-excess月均值偏低, 表明该地水汽来源于较湿润环境的水汽蒸发或受降水过程中云下蒸发的影响[13].总之, 托勒站比嘉峪关站具有更高的d-excess月均值.观测结果与过去研究得到的祁连山d-excess值比河西走廊平原地区更高相一致[16], 与张应华等[15]指出的黑河流域中上游地区降水中d-excess的空间分布呈现山区高平原低的趋势相一致, 也与大多湿润地区d-excess随海拔升高增加相似[44].托勒站和嘉峪关站的d-excess与δ18O变化趋势相反(图 5)：托勒(3 367 m)和嘉峪关(1 658 m)的d-excess与δ18O的相关系数为-0.21(在0.05水平上不显著)、-0.49(在0.05水平上显著).研究结果表明从低海拔到高海拔地区, 相应的相关系数呈下降趋势.
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图 4 托来河流域不同海拔台站月δ18O和d-excess的变化 Fig. 4 Comparison of monthly δ18O and d-excess at different altitudes in the Tuolai River basin |
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图 5 托勒和嘉峪关站δ18O和d-excess的变化 Fig. 5 δ18O and d-excess variation at Tuole and Jiayuguan |
图 6是托勒和嘉峪关站的次降水稳定同位素数据基于气温变化的分布模式, 据此可将所有数据分为3组.第一组数据为温度在10℃以上, 通常具有高δ18O和低d-excess, δ18O表现出温度效应, 而d-excess则随着气温的升高而降低, 反映了云下蒸发对稳定同位素富集的强烈影响, 而且强烈的云下蒸发抵消并超越了水汽再循环对稳定同位素的贫化效应, 进一步分析发现, 托勒站δ18O与气温呈显著正相关(表 2), 因为这些降水事件主要发生在高温和低湿度的情况下, 集中发生在夏秋季节, 此时当雨滴从云底降落时, 较低的饱和水汽压差和较高的气温, 导致强烈的云下蒸发使得d-excess降低和δ18O增加[54, 55].但是, 嘉峪关站却表现出相反的变化趋势, δ18O与气温呈负相关, d-excess与气温呈显著正相关, 这可能是降水水汽来源不同、受降水量效应、降水形成机制等因素的影响, 但对于气温在10℃以上的降水事件而言, 主要发生在夏季, 在嘉峪关站由于云下蒸发对高降水量事件稳定同位素的富集作用减弱, 使得呈现降水量效应; 第二组数据对应的温度范围在0℃~10℃之间(图 6), 如果去掉这两个站点的异常值, δ18O和d-excess随温度变化呈稳定状态, 稳定同位素与温度不相关, 表明水汽再循环的贫化效应抵消了云下蒸发的影响, 这被认为是水汽再循环起主导作用的标志[43, 44].第3组数据对应的温度范围为0℃以下, δ18O、d-excess与温度的相关性非常好(表 2和图 6), 托勒站展现出显著的温度效应, 这表明降雪形成过程中降水稳定同位素浓度受绝热冷却的平衡分馏影响, 当温度低于0℃时, 稳定同位素动力分馏的影响极小[40, 43], 研究结果表明气温较低时, 降水稳定同位素浓度主要受平衡分馏影响.
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图 6 托勒和嘉峪关的δ18O和d-excess随气温的分布变化 Fig. 6 Plot of temperature versus δ18O and d-excess at Tuoleand and Jiayuguan in different temperature ranges |
如表 2所示, 第3组(温度低于0℃)的δ18O与温度的相关系数显著高于第2组(温度0°~10℃).当降水事件发生在低于0℃时, 对于平衡稳定同位素分馏, 遵从瑞利模型原理.这些特征表明, 干旱区降水稳定同位素浓度的温度效应随温度变化而波动. Rozanski等[56]认为中高纬度地区, 降水稳定同位素变化主要由局地气温的变化所影响.此外, 处于高海拔地区托勒站的温度效应比低海拔地区的嘉峪关站更显著(表 2), 反映了温度效应的局地差异性.因此, 研究区温度是降水稳定同位素演化的关键决定性因素.
综上, 处于高海拔地区的托勒站降水稳定同位素的温度效应高于低海拔地区的嘉峪关, 这与姚檀栋等[11]认为乌鲁木齐河流域的δ18O与温度的关系从下游到源头具有减弱的特征相一致; 同时也与张应华等[8]认为处于中纬度干旱半干早内陆地区的黑河流域, 降水δ18O与平均温度的相关性表现出从山区到山前或山前盆地明显降低的变化相一致; 也与Li等[40]认为祁连山乌鞘岭地区降水稳定同位素与温度的变化相一致, 这反映了温度效应的局地差异性, 也表明作用于降水稳定同位素温度效应因子的复杂性.
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表 2 两个站点的δ18O和d-excess在不同温度范围内的温度效应 Table 2 Temperature effect for δ18O and d-excess at different temperature ranges at Tuole and Jiayuguan |
4.2 降水稳定同位素与降水量、饱和水压及湿度的关系 4.2.1 降水稳定同位素与降水量的关系
研究区所有次降水事件的稳定同位素与降水量的关系不明显(y=0.09x -7.86, R2=0.01), 托来河流域的降水主要集中在5~9月, 因此本文分析了夏季降水事件的降水稳定同位素变化.
如表 3所示, 在2014年6~8月, 嘉峪关的降水量效应不显著, 托勒站在8月的降水事件不存在明显的温度效应, 但δ18O和δD与降水量呈显著负相关, 反映出降水量效应的特征.同时, 托勒站的降水量与d-excess之间呈现显著的正相关(y=0.66x+14.39, R2=0.47, P < 0.05), 除个别降水事件外, 8月的d-excess值远大于全球降水过量氘(d-excess=10‰), 这一特征与受干燥气候背景下蒸发形成的局地水汽再循环有关.在2014年6月, 降水稳定同位素浓度既没有展现出温度效应也尚未呈现出降水量效应, 但在7月时展现出微弱的降水量效应.而对于纬度相差一度, 低海拔地区的嘉峪关站而言, 夏季降水事件不存在明显的温度效应和降水量效应, 反映了研究区降水水汽来源、海拔高度以及降水稳定同位素演化过程的复杂性.综上, 在整个夏季降水事件中, 嘉峪关站的δ18O尚未表现出降水量效应, 与Zhao等[17]认为中国西北内陆降水中的δ18O和δD同位素存在微弱的降水量效应相似, 证实了在内陆干旱区, 降水量并不是决定降水δ18O的根本性因素[41].托勒站在夏季天气尺度下的降水δ18O展现出一定的降水量效应.与王宁练等[16]研究发现祁连站夏季降水δ18O的降水量效应相一致.在葫芦沟流域, δ18O和δD随着连续降水事件的发生, 降水的δ18O和δD变得更加偏负[22].例如, 在托勒站, 2014年7月19~21日, 伴随连续降水事件, 降水中的δ18O和δD逐渐变得更加偏负, 达到最低时δ18O为-14.27‰、δD为-99.92‰ (表 4), 这表明降水期间水汽来源于同一个气团(表 4).虽然7月19日(21.6 mm)降水量较大, δ18O和δD相对偏负, 但8月21日降水相对较小(2.8 mm), 但δ18O和δD明显偏负.在研究时段内, 类似的现象也发生在2014年7月7~9日, 8月10~11日、19~21日、9月6~7日.同年7月20~21日, 嘉峪关也出现此类现象.原因可能是随着降水事件持续, 淋洗作用导致降水稳定同位素浓度更加偏负; 另外也可能是降水事件水汽主要源自季风环流.
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表 3 两站点夏季降水稳定同位素的温度和降水量效应 Table 3 Isotopic temperature and amount effect at Tuole and Jiayuguan in summer |
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表 4 两站点7、8月连续降水事件的天气状况及稳定同位素浓度变化 Table 4 Variation of isotopic composition and weather conditions for continuous precipitation events at Tuole and Jiayuguan in July and August |
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图 7 托勒和嘉峪关δ18O和d-excess与平均水汽压、相对湿度的关系 Fig. 7 Relationship between δ18O, d-excess, average vapor pressure and relative humidity at Tuole and Jiayuguan |
所有降水事件中托勒站和嘉峪关站的平均水汽压的均值分别为63.55 hPa和104.76 hPa.托勒站的δ18O和d-excess与平均水汽压的相关关系分别为显著正相关(y =0.13x -15.39, R2=0.22, P<0.05)和显著负相关(y=-0.12x+25.57, R2=0.10, P<0.05), 随着平均水汽压升高, δ18O会增大, d-excess则会减小.嘉峪关站的δ18O和d-excess与平均水汽压的关系都表现为微弱正相关(δ18O：y=0.05x-11.86, R2=0.15; d-excess：y=0.03x -12.70, R2=0.01)[图 7(a)和7 (b)].从托勒站到嘉峪关站, 平均水汽压升高, δ18O和d-excess与平均水汽压的正相关关系减弱, 变化幅度也明显减小.这与河西走廊中部地区研究的水汽压效应相一致[20].原因可能是从高海拔到低海拔地区, 水汽压升高, 饱和水汽压升高, 降水难以形成, 降水量较小, 降水稳定同位素受云下蒸发影响作用明显, δ18O和δD偏正, 高海拔地区受局地水汽再循环的作用明显, δ18O和δD偏负.
4.2.3 降水稳定同位素与相对湿度的关系托勒站降水的δ18O与形成降水时大气的平均相对湿度呈不显著负相关(y=-0.16x+3.34, R2=0.06, P<0.05), d-excess则表现出相反的变化趋势, 与平均相对湿度呈不显著正相关(y =0.12x+9.27, R2=0.02)[图 7(c)和7 (d)].托勒站降水形成时大气的相对湿度升高, δ18O值减少, 降水d-excess值增大.嘉峪关站降水的δ18O和d-excess与平均相对湿度都呈正相关(δ18O：y=0.07x-11.07, R2=0.03; d-excess：y=0.17x-20.60, R2=0.03), 且d-excess与相对湿度的变化趋势表现的更为明显一些.其原因可能为当海拔升高时, 气温降低, 托勒站相对湿度增加, 云下蒸发对于降水作用会减弱, 托勒站地区雨滴受到蒸发程度比相对湿度低的气候条件下要弱, 降水δ18O和d-excess的值相对保持不变.综上所述, 嘉峪关站降水的δ18O与平均相对湿度呈不显著正相关, 托勒站则相反.这与δ18O和平均水汽压的关系所对应, 反映了它们之间相互影响的关系.两站点的d-excess随平均相对湿度增加而升高, 这与郭小燕等[57]研究敦煌盆地的d-excess与相对湿度的变化相一致.
5 结论(1) 研究时段内托勒站降水稳定同位素具有显著的季节性变化, 夏秋季较高值, 冬春季为较低值.嘉峪关站与托勒站不同, 春季较高, 其他季节较低.嘉峪关站δ18O和d-excess值在降水事件上展现出比托勒站更明显地随时间变化的反向变化趋势, 反映了内陆河流域低海拔地区存在较强的云下蒸发, 同时高海拔地区受局地水汽再循环的强烈影响.
(2) 对观测点氢氧稳定同位素的分析, 建立了托来河流域局地大气降水线方程为δD=7.34δ18O+4.16, 它的斜率和截距明显低于全球大气降水线, 表明该地区的降水过程可能受到了强烈蒸发影响.托勒站和嘉峪关站的局地大气水线分别为δD=7.69δ18O+15.53, R2=0.97(P < 0.05)、δD=6.86δ18O-17.7, R2=0.92(P < 0.05), 这两个采样站点的斜率都低于全球大气水线, 从嘉峪关站到托勒站大气降水线的斜率和截距都明显升高, 表现出从低海拔到高海拔的增加趋势.
(3) 除8月以外, 嘉峪关站到托勒站, δ18O的月均值随海拔升高基本呈下降趋势, d-excess则相反.在4~10月, 托勒站和嘉峪关站的d-excess月均值相差很大, 除7月份, 托勒站远大于全球降雨过量氘(10‰); 嘉峪关站的d-excess月均值则相反, 表明研究时段内两个站点的降水具有不同的水汽来源.托勒站到嘉峪关站的d-excess与δ18O呈负相关减弱, 随海拔升高对应的相关系数呈下降趋势.
(4) 处于高海拔地区托勒站的温度效应比低海拔地区的嘉峪关站更显著, 反映了温度效应的局地差异性.对于气温在10℃以上的降水事件而言, 托勒站δ18O与气温呈显著正相关, 嘉峪关站却表现出相反的变化趋势.此时, 这些降水事件主要发生在夏季, 嘉峪关站由于云下蒸发对高降水量事件稳定同位素的富集作用减弱, 而呈现降水量效应.托勒站在2014年8月的δ18O和δD与降水量呈显著负相关, 在夏季天气尺度下的降水δ18O展现出一定的降水量效应.总体来看, 研究区所有次降水事件的稳定同位素降水量效应不显著.
(5) 从托勒站到嘉峪关站, 平均水汽压升高, δ18O和d-excess与平均水汽压的正相关关系减弱, 变化幅度也明显减小.原因可能是从高海拔到低海拔地区, 水汽压升高, 饱和水汽压升高, 降水难以形成, 降水量较小, 降水稳定同位素受云下蒸发影响作用明显, δ18O和δD偏正, 高海拔地区受局地水汽再循环的作用明显, δ18O和δD偏负.嘉峪关站降水的δ18O与平均相对湿度呈不显著正相关, 托勒站则相反.这与δ18O和平均水汽压的关系所对应, 反映了它们之间相互影响的关系.
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