在水文循环过程中，稳定水同位素的组成与变化，发端于水汽进入大气层的阶段以及降水通过大气层的过程，由此形成的同位素标记随后传递给其他水体并记载水循环的演化信息^[1]. 降水是水圈与大气圈之间物质能量交换最为活跃的因子，降水中稳定同位素的组成随着时间和空间的变化而变化^[2]，并与产生降水的气象条件、 水汽源区的初始状态以及大尺度环流形势存在紧密联系^[3]. 因此，监测大气降水中稳定同位素的组成变化对于研究现在与过去气候条件下的水文循环特征及大气环流特征均具有重要意义.

国际原子能机构(IAEA)联合世界气象组织(WMO)，于1961年开始运行全球降水同位素监测网(Global Network for Isotopes in Precipitation,GNIP)，此后对降水中稳定同位素的研究逐渐增多. Dansgaard^[4]依据当时在北极与大西洋观测到的降水稳定同位素资料，开创性地提出了诸如“温度效应”、 “降水量效应”等同位素效应，Craig^[5]通过分析来自不同地理位置的多种水体样，发现水体中δD与δ¹⁸ O之间存在非常好的线性关系：δD=8.0δ¹⁸ O+10.0，该方程后来也被定义为全球大气水线(GWML)，以上研究的发现为国内外学者的相关研究提供了最为基础的理论支持. 我国学者对水体中δD、 δ¹⁸ O的研究始于1966年的珠穆朗玛峰科学考察^[6]，通过近几十年的相关研究，取得了明显进展. 研究表明，我国大气降水中δD、 δ¹⁸ O的时空分布差异较为明显，空间尺度上表现为东南沿海及西北干旱区的降水稳定同位素值偏高，东北地区与青藏高寒区的降水稳定同位素值偏低，而在时间尺度上，冬半年降水稳定同位素值普遍高于夏半年，存在一个明显的季节变化趋势. 在我国，温度效应主要出现在中高纬地区，并且越深入大陆内部，其正相关越显著； 而降水量效应一般出现在低纬度地区，与强对流天气过程有着密切关系^[7]. 具体某地区的降水稳定同位素特征主要归因于区域气候背景及局地地理因素，例如水汽来源性质，降水时气象要素特征，当地经纬度等^[8]. 此外，采用后向轨迹模型追踪降水水汽来源也已成功应用在我国东北地区、 西北地区、 洞庭湖流域等研究区^{[9, 10, 11]}，并有效地佐证了不同水汽来源对降水稳定同位素的影响作用.

近年来，对云南省不同区域大气降水稳定同位素的研究取得一定进展，某些研究结论也引起有关学者的关注. 例如，庞洪喜等^[12]研究表明，在天气尺度下丽江地区降水中δ¹⁸ O变化存在一定程度温度效应，而章新平等^[13]对腾冲地区日尺度下降水中δ¹⁸ O的研究发现，该区降水中δ¹⁸ O与温度之间呈现显著负相关. 但需说明的是，上述两位学者对研究区降水样品的采集工作分别只进行了4个月及1 a. 因此，为了减除可能因降水样品序列长度对研究结果造成的影响，本研究选择在滇南蒙自地区进行长时间连续性采样工作，进而深入分析蒙自地区降水稳定同位素变化特征及其与水汽来源之间的关系，这可以指导本地区水资源的合理利用，以期为探讨区域水循环以及季风区古气候、 古环境的重建工作提供更多依据.

蒙自地区位于云南省南部，为红河哈尼族彝族自治州首府，其土地面积约为2.23×10³ km²，属云贵高原的组成部分，主要地形为山地和坝区. 该区属于典型的亚热带季风气候区，其降水的水汽来源与影响降水的因素比较复杂，年平均气温18.6℃，极端最高气温33.8℃，极端最低气温2.9℃，年均降水量815.8 mm，干季(10月～翌年4月)降水稀少，湿季(5～10月)降水充沛. 但在2009～2012年间，云南省遭遇史无前例的特大旱灾，各地年降水量下降明显^[14].

本研究于2009年1月1日至2011年12月31日在蒙自气象站(23.23°N，103.23°E，海拔1 301.7 m)进行了长达3 a的连续性降水采样工作(图 1). 所有降水均通过标准口径集雨器收集，并于每日08:00、 20:00分别进行一次降水观测，对≥0.1 mm的降水事件，直接倒入已编号的30 mL聚乙烯塑料瓶中，随即密封，进行低温保存处理，并记录好每次降水事件的起止时间、 站点降水量、 站点平均气温、 站点平均水汽压等气象要素. 通过对该区连续3 a的大气降水采样，共收集到降水样239个(若一日出现两次降水事件，其δD与δ¹⁸ O值均将进行加权处理，故最终只计作一个降水样).

图 1

Fig. 1

图 1 蒙自地区降水采样点位置示意 Fig. 1 Precipitation sampling site in Mengzi region

所有降水样品中δD、 δ¹⁸ O值的分析测定均采用LGR(Los Gatos Research)公司研发的液态水同位素分析仪(DLT-100，型号：908-0088，产地：美国)，其原理是通过红外激光技术测定光腔内水汽中H₂¹⁸O、 HD¹⁶O的分子浓度，最终获得降水样与标准样中¹⁸ O／¹⁶O与D／H的比值. 所有测试结果用相对于维也纳标准平均海洋水的千分差法(‰)表示：

此外，对于一日出现两次降水事件，将进行日加权平均计算：

图 2

Fig. 2

图 2 蒙自地区降水中δD、 δ18 O与近地面气象要素的日变化 Fig. 2 Daily variations of δD and δ18 O in precipitation and near-surface meteorological parameters in Mengzi region

本研究中的高空风速资料来自于欧洲中期数值预报中心(ECMWF)提供的0.75°×0.75°NC格式再分析数据； 后向轨迹追踪模型(HYSPLIT_4.8)所采用的气象数据来源于美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)提供的2.5°×2.5°GBL格式再分析资料.

拉格朗日混合单粒子轨迹模型(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory)由美国国家海洋与大气管理局(NOAA)空气资源实验室(ARL)研制. 该模型采用地形跟随坐标系，其水平网格与输入的气象场一致，并在垂向上分成28层^{[15, 16]}，模型可以用来追踪气流所携带粒子的运移轨迹，实时预报风场形势. 模型包括前向轨迹追踪模块与后向轨迹追踪模块，本研究采用该模型的后向轨迹追踪模块.

根据滇南蒙自地区2009年1月至2011年12月降水中δD、 δ¹⁸ O值以及温度、 降水量等气象要素的日变化可知(图 2)，本地区降水中δD值介于-152‰～52‰之间，均值-51‰； δ¹⁸ O值介于-19.9‰～5.9‰之间，均值-7.3‰. 可以看出，蒙自地区降水中δD、 δ¹⁸ O的均值接近郑淑蕙等^[17]通过研究我国8个台站的大气降水中δD、 δ¹⁸ O变化范围的均值(δD值为-50‰，δ¹⁸ O值为-8‰)； 而张小娟等^[18]于2014年7～8月在同属红河哈尼族彝族自治州管辖的元阳县进行了大气降水的采样，发现降水中δD的均值为-70‰，δ¹⁸ O的均值为-9.4‰，远低于本研究中蒙自地区全年降水中δD、 δ¹⁸ O的平均值，这也表明在受夏季风影响期间，滇南地区的降水水汽团由于经过长距离的运移，导致水汽中D、 ¹⁸ O等重同位素在沿途不断被“冲刷”，最终使得本地区降水中δD、 δ¹⁸ O值更加偏负.

由图 2可知，蒙自地区降水中δD、 δ¹⁸ O值呈现出较为明显的季节变化规律，干季降水中δD、 δ¹⁸ O值整体偏高，而湿季降水中δD、 δ¹⁸ O值整体偏负，周而复始，并与本地区的温度及降水量变化存在明显反位相关系. 这也是中低纬季风区普遍存在的一种现象，根本原因在于降水水汽来源以及蒸发条件的季节性差异^[19].

氘盈余(d=δD－8δ¹⁸ O)是由降水中δD、 δ¹⁸ O组成的一个二级指标，是描述降水中氢氧稳定同位素特征的重要参数，在全球范围内，其平均值为10‰. 某地区大气降水中的d值变化主要与水汽源地的气象条件(相对湿度、 风速、 水体表面温度等)存在密切关系. 此外，当地的气象状况与降水过程也会影响到降水中d值的变化. 通过分析降水中d值变化，可以在宏观层面上追踪降水水汽从源地到降落地的复杂气象过程^[20].

蒙自地区降水中d值存在一定程度的波动：介于-10.1‰～23.2‰之间，均值为7.5‰，低于全球平均值，说明该区降水受海洋水汽影响显著^[21]. 此外，本地区干湿季降水中的平均d值具有明显差异，干季平均d值高达11.2‰，而湿季平均d值却只有6.5‰，干季平均d值将近是湿季平均d值的两倍，这可能表明蒙自地区干湿季降水的水汽来源明显不同，下文将会详细讨论. 由图 3可以发现，A、 B两块区域的d值异常偏低，均小于0，最小值达-10.1‰. 对此，通过中国天气台风网(http://typhoon.weather.com.cn/)查询A、 B对应时段影响我国西南地区大范围降水的台风云图动态信息发现，2009年第4～8号台风“浪卡”、 “苏迪罗”、 “莫拉菲”、 “天鹅”、 “莫拉克”以及2010年第11号超强台风“凡亚比”均影响到蒙自地区，并带来充沛的降水，但由于台风带来的海洋水汽经过了长距离输送，加之水汽中稳定同位素经过多次分馏，最终导致该时段降水中d值异常偏负. 同时也发现某些时段降水中d值异常偏高，但是基本都处于干季期间，这可能与本地区干季受大陆性气团影响有关，加之空气湿度小，蒸发更加强烈，从而使得降水中d值异常偏正.

图 3

Fig. 3

图 3 蒙自地区降水中氘盈余值的日变化 Fig. 3 Daily variations of d-excess in precipitation in Mengzi region

由于受近地面气象条件以及大尺度海洋、 大气环流的影响，各个地区的大气水线不尽相同^[22]. 大气水线的斜率反映的是D与¹⁸ O间分馏效应的对比关系，而截距则是由于海水蒸发时的动力同位素效应引起的，表征D对平衡状态的偏离程度^[4].

基于蒙自地区连续3a的降水氢氧稳定同位素资料，采用最小二乘法求得本地区的全年大气水线方程为(图 4)：

类似地，用相同方法求得蒙自地区干、 湿季的大气水线方程(图 4)：

图 4

Fig. 4

***表示通过0.001显著性检验，下同图 4 蒙自地区大气水线方程 Fig. 4 Equation of local meteoric water line in Mengzi region

与全球大气水线方程δD=8.0δ¹⁸ O＋10.0相比，LMWL的斜率稍微偏大，截距稍微偏小. 蒙自地区全年的降水主要受夏季风影响，来自海洋的暖湿气流所形成的降水具有不稳定、 对流性强及能量高的特点，云下蒸发较弱，因此斜率一般大于GMWL的斜率； 而截距小于10‰，这与非平衡分馏因素以及局地气象条件有很大联系^[22]. 与地理位置相近的腾冲地区大气水线方程δD=8.0δ¹⁸ O＋9.0相比^[13]，其斜率与截距均比较接近，表明两地区的大气环流背景相似，基本在同一条水汽通道上.

通过对比蒙自地区干湿季大气水线方程发现，干季大气水线的斜率与截距均要大于湿季，但是干湿季大气水线的斜率相差不大，截距的差异比较明显，说明本地区冷凝成雨过程基本属于平衡分馏，并且干湿季的动力分馏过程也明显不同，这与卫克勤等^[19]对腾冲地区不同季节大气水线的研究发现一致，造成这一现象的原因可能与蒙自地区干湿季CPAHsΣ度差异，特别是不同季节的蒸发效应有着密切联系，但干湿季降水的不同水汽来源应是引起大气水线变化的重要原因.

为了探讨蒙自地区降水稳定同位素是否存在云底二次蒸发效应，将其239个降水样品依据降雨等级分成4组，并对比分析不同降雨等级下大气水线方程的斜率、 截距以及相关系数(表 1).

表 1 (Table 1)

表 1 蒙自地区不同降雨等级的δD～δ18 O相关关系参数 1) Table 1 The δD-δ18 O correlation parameters for different precipitation levels in Mengzi region 降雨等级 样品数目 降雨量/mm MWL斜率/‰ MWL截距/‰ 相关系数(r) P≤1 mm 61 33.20 7.57 8.23 0.982*** 1 mm＜P≤5 mm 79 214.40 8.28 8.32 0.994*** 5 mm＜P≤10 mm 44 306.85 8.31 11.75 0.991*** P＞10 mm 55 1166.40 8.33 12.09 0.995*** 全部降水样品 239 1720.85 8.16 8.70 0.992*** 1)***表示通过0.001显著性检验，下同

表 1 蒙自地区不同降雨等级的δD～δ18 O相关关系参数 1) Table 1 The δD-δ18 O correlation parameters for different precipitation levels in Mengzi region

结果表明，随着降雨等级的增加，其大气水线的斜率与截距也随着变大，其中斜率由7.57‰(P≤1 mm)增至8.33‰(P＞10 mm)，相应的截距由8.23‰升至12.09‰. 可以发现，对于P≤1 mm的降雨事件，大气水线的斜率与截距明显小于其他降雨等级，这说明小降雨事件中的雨滴在降落过程中更易受云底二次蒸发影响，稳定同位素的动力分馏也会随之加剧，从而致使大气水线的斜率与截距下降明显^[23]. 而对于大的降雨或者持续性降雨事件，由于云底大气更加趋于饱和状态，因此雨滴在降落过程中受二次蒸发的影响将会减弱，最终大气水线的斜率与截距也将相应增大.

形成降水的物理过程对降水中δD、 δ¹⁸ O变化有着不可忽视的影响，尤其是水相变过程中的蒸发与凝结阶段^[24]. 而温度又制约着蒸发与凝结过程，并影响着降水中稳定同位素的分馏. Dansgaard^[4]发现降水中δ¹⁸ O与温度之间存在显著正相关，并将此现象定义为温度效应.

图 5(a)显示，蒙自地区全年降水中δ¹⁸ O与温度之间表现出负相关关系，通过0.001显著性检验. 这也就意味着随着温度的升高，降水中δ¹⁸ O值反而减小. 很显然，这种现象与温度效应的内涵截然相反，但是在中低纬季风区却普遍存在，并习惯将此现象称之为反温度效应. 反温度效应的显现可能是受中低纬地区显著的季风气候，以及冷凝成雨时的温度、 云底蒸发、 空气湿度等因素的综合影响，从而掩盖了其温度效应.

降水中稳定同位素的组成是空气湿度的函数^[4]，因此降水量大小与雨水中稳定同位素的丰度也会存在一定联系. 所谓降水量效应，主要表现为降水中稳定同位素比率与降水量之间存在显著的负相关，其本质可以理解为“淋洗”作用，表示同一水汽团经过多次降雨过程，由于同位素分馏作用导致剩余水汽中同位素比值不断偏小的现象.

由图 5(b)可知，蒙自地区全年降水中δ¹⁸ O与降水量之间呈现出显著负相关关系，降水量效应明显. 对于雨热同期的中低纬季风区，降水量效应的产生与强对流天气的降水过程有密不可分的联系^[25]，并且降水量效应在某种程度上也会掩盖该地区温度效应的凸显.

图 5

Fig. 5

图 5 蒙自地区降水中δ18 O与气象要素的相关关系 Fig. 5 Correlations between δ18 O in precipitation and meteorological parameters in Mengzi region

在季风区，温度、 降水量以及风速是体现季风活动的3个重要气候参数，季风区的风场信息能够较好体现季风活动的变化情况^[26]. 对此，采用欧洲中期数值预报中心(ECMWF)再分析资料，分析了蒙自地区在300、 500、 700、 800 hPa高空风速与降水中δ¹⁸ O的相关关系.

表 2列出了线性方程的回归系数与相关系数. 可以看出，不同高度的风速与降水中δ¹⁸ O之间均呈现出正相关关系，并且都通过0.001显著性检验，回归系数由高空300 hPa的0.18迅速增加到低空800 hPa的1.19，但是相关系数的最大值出现在500 hPa. 庞洪喜等^[27]对昆明降水中δ¹⁸ O与不同高度风速之间的相关关系也做了类似分析，发现降水中δ¹⁸ O与各气压层风速均表现出显著正相关，并且相关系数的最大值也出现在500 hPa. 研究表明^[13]，温度越低，同位素分馏效应越大，所以降水水汽在云中凝结，将致使雨滴中重同位素含量偏低； 而中低纬季风区在高空一定高度存在水汽层，并且该水汽层中重同位素含量往往偏高，当雨滴经过该水汽层时，将与之发生稳定同位素交换，风速越大，越利于雨滴中水分子的扩散，从而加快雨滴同周围水汽的稳定同位素交换^[28]，这可能是风速与降水中δ¹⁸ O之间存在正相关的原因. 蒙自与昆明地理位置相近，并且风速与降水中δ¹⁸ O相关关系的最大系数值均出现在500 hPa，这可能说明两地区的高空水汽层主要出现在500 hPa高度.

表 2 (Table 2)

表 2 蒙自地区降水中δ18 O与不同高度风速的关系 Table 2 Relations between δ18 O in precipitation and wind speed at different pressure levels in Mengzi region 气压层/hPa 回归系数/‰ 相关系数 300 0.18 0.457*** 500 0.37 0.501*** 700 0.61 0.432*** 800 1.19 0.258***

表 2 蒙自地区降水中δ18 O与不同高度风速的关系 Table 2 Relations between δ18 O in precipitation and wind speed at different pressure levels in Mengzi region

降水中δD、 δ¹⁸ O变化不仅受局地气象要素的影响，大气降水的水汽来源与输送过程对降水中δD、 δ¹⁸ O影响更为直接^[29]. 鉴于此，分别选取干、 湿季有代表性的4组降水事件，利用HYSPLIT_4.8后向轨迹模块追踪每次降水事件的水汽来源及运移路径. 本研究选取在800、 700以及500 hPa高度对水汽来源进行追踪，并将模块的回溯时间调整为144 h(6 d)，这样便可覆盖连续性降水事件，提高水汽来源及其输送路径的追踪精度.

图 6(a)～6(d)为干季4组降水事件的水汽运移轨迹结果； 图 6(e)～6(f)则为湿季4组降水事件的水汽运移路径结果. 上文研究已表明，蒙自地区降水中δD、 δ¹⁸ O值存在明显的季节变化，干季整体偏高，湿季整体偏低，这与水汽来源的季节性差异存在密切关系. 在干季期间，蒙自地区降水的水汽主要来源于西风带的输送，也有局地再蒸发水汽及近源海洋水汽的补充. 来自西风带的水汽比较稳定，沿途发生的降水事件较少，并且其水汽中的重同位素含量较高^[7]； 近源海洋水汽以及局地再蒸发水汽，由于运移路径较短，水汽中重同位素经历的“冲刷”作用并不强烈. 因此，上述三类水汽到达蒙自地区形成降水后必将导致降水中δD、 δ¹⁸ O值的整体偏高. 而在湿季期间，蒙自地区降水水汽主要来源于远源海洋水汽的输送，位于印度洋的阿拉伯海、 孟加拉湾，以及中国南海、 西太平洋的水汽是蒙自地区湿季降水的重要水汽来源. 远源海洋水汽经过长距离的运移输送，沿途经历了多次降水事件，水汽团中的重稳定同位素不断被“淋洗”，所以当水汽抵达蒙自地区形成降水时，降水中δD、 δ¹⁸ O值也将普遍偏低. 此外，在受台风影响期间，降水中稳定同位素的变化将呈现出独特特征，图 6(f)、 6(g)表示受热带气旋“康森”、 “灿都”的影响. 可以看出，“康森”、 “灿都”均生成于西太平洋，其水汽经过长途跋涉到达蒙自地区，并带来丰沛降水，但降水中稳定同位素值异常偏低，受“康森”影响降水期间，其降水中δD、 δ¹⁸ O加权平均值为-106.9‰、-14.6‰； 受“灿都”影响降水期间，其降水中δD、 δ¹⁸ O加权平均值更加偏负，分别为-139.4‰、-18.2‰. 受台风影响期间，降水中δD、 δ¹⁸ O值远低于全年平均值，这表明台风输送的水汽在运移过程中，其水汽中稳定同位素发生了强烈的分馏，最终导致降水中δD、 δ¹⁸ O更加偏负.

图 6

Fig. 6

图 6 蒙自地区不同时间水汽输送轨迹 Fig. 6 Backward trajectory of water vapor at different time in Mengzi region 红色线条代表 800 hPa，蓝色线条代表 700 hPa，绿色线条代表 500 hPa

(1)蒙自地区降水中δD、 δ¹⁸ O值表现出明显的季节变化，干季整体偏高，湿季整体偏低； 干湿季降水中平均d值也存在明显差异，并且在受台风影响期间，降水中d值异常偏负，表明水汽来源对降水中稳定同位素的变化具有至关重要的影响.

(2)本地区全年大气水线方程为δD=8.16δ¹⁸ O＋8.70，说明蒙自地区受夏季风携带的海洋水汽影响明显； 而干湿季大气水线的差异则表明，水汽来源及区域气象条件的季节性差异是引起大气水线变化的重要原因.

(3)蒙自地区降水中稳定同位素存在一定程度的云底二次蒸发效应，随着降雨等级的升高，其大气水线的斜率与截距也增大，并且对小降雨事件的影响更为显著； 本地区降水量效应显著，在一定程度上掩盖了温度效应，从而表现出显著的反温度效应； 雨滴经过高空水汽层时将与之发生同位素交换，风速越大，越有利于雨滴水分子的扩散，表明高空风速也是影响降水中稳定同位素变化不可忽视的因素.

(4)干季期间，蒙自地区降水水汽主要来源于西风带输送及局地再蒸发水汽与近源海洋水汽的补充，而在湿季期间，本地区降水水汽主要来源于阿拉伯海、 孟加拉湾、 中国南海以及西太平洋的远源海洋水汽，并且在受热带气旋影响期间，蒙自地区降水中δD、 δ¹⁸ O值更加偏负，佐证了不同水汽来源是影响降水中稳定同位素变化的根本原因.

致谢 ：感谢湖南师范大学孙广禄、 吴华武同学对降水样品的测定分析.