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user: 4. 结果与讨论 4.1. 月均降水同位素变化趋势分析 由图2可看出，昆明月均降水量和气温的变化大致都呈单峰型分布，属典型的季风降水和气温分布特征；同时也可看出昆明的降水主要集中5~10月期间，降水量变化较大，以6~8月三个月降水量为最大，由此用5至10月代表雨季，11月至次年4月代表旱季。根据1951~1980年气象观测数据，昆明年均气温14.7℃，平均降雨量1006.5 mm，雨季平均降水量为895.7 mm，旱季仅为110.8 mm，雨季降水量占全年降水量的88.99%。 从图2可看出，昆明降水同位素季节变化幅度较大，δD从−8.95‰到−97.58‰，δ 18 O从−2.43‰到−13.69‰。研究表明，全球降水平均同位素组成，δD介于+50‰~−350‰之间，δ 18 O介于+10‰~−50‰之间 [ 27 ] 。陈中笑等研究表明中国降水δD和δ 18 O分别为+10‰~−271‰，+1.5‰~−33.5‰ [ 28 ] 。由此可见，昆明降水δD和δ 18 O均落在中国和全球降水同位素的变化范围之中，且处于一个比较集中的范围内。进一步分析发现，多年月均值降水中δD和δ 18 O与气温呈现出负相关关系(δ 18 O/‰ = −0.57T/℃ + 1.19， r = −0.663; δD/‰ = −4.76T/℃ + 23.20， r = −0.695)，这种在年际尺度上的反相关性(反温度效应)与我国中纬度地区降水中同位素的温度效应特点 [ 29 ] 相符合。 在雨季即季风盛行期，降水中δ 18 O与温度和降水量的关系分别为：δ 18 O/‰ = −0.22T/℃ − 6.26，r = −0.134；δ 18 O/‰ = −0.03P/mm − 6.60，r = −0.599，根据相关系数进行计算，昆明雨季降水氧同位素值81.7%受当地降水量控制，18.3%受气温影响。在旱季或非季风期，降水中δ 18 O与气温和降水量的关系分别为：δ 18 O/‰ = −0.01T/℃ − 4.69，r = −0.016；δ 18 O/‰ = −0.20P/mm − 0.90，r = −0.735，由相关系数可以看出，非季风期降水δ 18 O主要也是由降水量控制的。降水中δD和δ 18 O与降水量和气温之间这种不同程度的反相关性表明，降水δD和δ 18 O受降水量和气温的协同影响，这是中纬度季风区降水独一无二的同位素效 图2. 昆明站月均气温、降水量和氢氧同位素变化趋势 应特点。但是在不同季节，由于大气降水水汽来源不同，导致不同季节中气温和降水量对δD和δ 18 O影响权重存在一定差异，并且昆明雨季降水虽然主要是由西南季风输送，但可能还含有锋面降水，所以降水量效应比温度效应显著。无论雨季还是旱季，δ 18 O与降水量的关系相对较为密切，说明季风区降水δ 18 O主要受降水量的影响。由图2可知，昆明降水δ 18 O和δD的变化趋势一致，季节变化明显。昆明大气降水中偏正的δ 18 O、δD主要出现在旱季，其中最大值出现在2月。随着西南季风开始逐渐增强，δ 18 O、δD逐渐偏负，并在7月达到最小值。总体来说，昆明降水氢氧同位素均呈现雨季偏负，旱季偏正的特点。这与章新平等研究的昆明 [ 30 ] 及李平等研究的腾冲地区 [ 31 ] 的降水同位素季节变化趋势一致。 从水汽循环角度来讲，影响大气降水中δ 18 O和δD的因素包括如下几个方面：(1) 区域气候环境背景 [ 5 ] [ 32 ] ，即水汽来源、性质及输送过程中氢氧同位素所发生的变化；(2) 局部地理因素，即各种气象要素(降水量、气温及大气相对湿度等)及纬度、海拔高度等 [ 17 ] 。对于昆明站点来讲，由于其特定的地理位置和海拔高度，多年来大气降水中月均δ值的季节差异是由水汽来源及蒸发条件的差异而造成的。雨季即夏季风盛行期间，印度洋季风携带的暖湿气流在向该地区输送过程中，随着不断的降水过程，水汽中重同位素不断损失，使其到达固定观测点昆明站降水中的 18 O和D不断贫化；旱季主要受大陆性气团及局地水体蒸发影响，使雨滴在降落过程中轻同位素优先蒸发而重同位素逐渐富集。 4.2. 年均降水同位素变化趋势分析 降水中氢氧同位素的年际变化特征对于分析解释沉积物种中所蕴含的气候环境信息具有极其重要的意义。根据IAEA/WMO数据资料，对昆明站年均δ 18 O和δD进行线性趋势回归(图3)。昆明站年均降水中δ 18 O和δD的范围分别为−8.29‰~−52.81‰和−11.99‰~−80.89‰，其平均值分别为−10.11‰和−69.67‰。由图3知，昆明站δ 18 O和δD的年际变化幅度较大，符合中国季风气候的特点，季风开始时间、季风强度 [ 33 ] 及进入内地的程度等都对降水量的变化产生强烈影响，进而导致降水δ 18 O和δD年际变化显著。对年均降水δ 18 O和δD与时间做线性回归(图3)可以看出，昆明站年均δ 18 O和δD序列呈上升趋势变化，其δ 18 O和δD上升率分别为：0.23‰/10a和3.5‰/10a，表明从有记录的1986~2003年昆明大气降水中逐渐富集 18 O和D。 4.3. 氘盈余(d-excess)分析 Dansgaard [ 2 ] 于1964年提出并利用过量氘对全球降水中的氘盈余进行了描述，过量氘是由水汽在蒸发、冷凝过程中D、 18 O发生动力学分馏引起的，任何地区降水的氘盈余被定义为：d = δD − 8*δ 18 O (‰)。降水中d受制于水循环相变过程中D和 18 O分馏速率的差异，其大小与形成降水水汽源地的大气相对湿度、风速及水体表面温度等有关 [ 2 ] ，因此从宏观上可利用d值推断水汽来源及形成降水时的地理环境和气象条件。全球d平均值为10‰，而我国受季风影响的地区，一般情况下，夏季风期间d < 10‰，冬季风期间d > 10‰，反映我国冬夏季风期间降水云团来源不同 [ 34 ] ，冬季降水同位素多与当地或近源水体的再蒸发相关。 15年来昆明月均降水d值变化范围(图4)：2.22‰~17.76‰，平均值为10.08‰。雨季d值分布范围7.90‰~14.10‰，平均d ≈ 9.95‰，大部分样品的d < 10‰。由于雨季主要受西南季风的影响，在暖湿水汽团的影响下，动力分馏效应小，d值偏小。同时雨季较小的d值表明昆明大气降水源区的湿度大、蒸发速率慢，并且水汽来源单一。旱季d值分布范围2.22‰~17.76‰，平均d ≈ 10.21‰，其中90%的样品d > 10‰。由于旱季受区域环流的影响，很少有长距离运移的水汽来源，主要是近源湖泊等水体的蒸发而来，因这些水体本身同位素比较偏正(我们对云贵高原湖泊水体同位素多次测量结果)，再加上长期蒸发，导致降水中同位素相应偏重，从而引起d > 10‰。昆明d值呈现旱季偏正雨季偏负的特征与李广研究2009年1月~2012年12月年昆明实时降水中的加权平均d值的季节性变化趋势相一致 [ 35 ] 。 地处海陆交互地带的香港，其降水不仅受东南季风控制，而且具有较长时间和较完整的同位素监测数据，因此我们利用香港资料对同位素变化进行分析并与昆明进行对比。香港1974~2009年的月均d值变化范围为：8.08‰~14.30‰，平均值为10.99‰ (图4)，与世界大部分地区雨水d值(~10‰)十分接近， 图3. 昆明年均降水氢氧同位素变化趋势 图4. 昆明和香港站月均氘盈余变化趋势 香港d值较低表明大气降水源区的蒸发过程缓慢。雨季(5~10月)的d值分布范围9.20‰~10.86‰，平均值d ≈ 10.18‰，绝大部分样品的d > 10‰。旱季(11月~次年4月)的d值分布范围8.08‰~14.30‰，83%样品d > 10‰，平均值d ≈ 11.79‰。相对而言，香港旱季平均d值略高于雨季，这表明旱季香港降水水汽源区蒸发过程较我国其他内陆地区慢 [ 36 ] 。香港旱季、雨季d值差别不明显与张琳等研究香港地区1986~2003年平均d值在10~次年4月为11.34‰，而其在5~9月为10.21‰基本一致 [ 37 ] 。昆明和香港站的d值都与全球降水中d值一样呈现“夏低冬高”的变化趋势，二者的d值均都接近于全球平均d = 10‰，未出现较大的变化波动，这可能与昆明和香港的降水主要集中在雨季及其特殊的气候条件有关。此外，图4清楚显示，昆明和香港旱(冬)季和雨(夏)季d值十分接近，从这一事实推断，香港地区降水水汽主要来源于西太平洋，而昆明则主要为印度洋，因为相对香港而言，昆明深居内陆，如果昆明与香港的水汽来源相同，那么在经过长距离输送后，其d值必然发生较显著的变化而有别于香港降水的d值。 章新平研究的腾冲和蒙自在2003年2月~2004年2月实时降水d算数平均值，腾冲旱季平均d ≈ 13.97‰，雨季平均d ≈ 8.35‰；蒙自旱季平均d ≈ 13.12‰，雨季平均d ≈ 7.73‰ [ 38 ] 。李广研究腾冲和蒙自在2009年1月~2012年12月年降水d值的加权平均值分别为10.33‰、7.51‰，旱季平均d值分别为11.64‰、11.21‰，雨季平均d值分别为10.22‰、6.50‰ [ 35 ] 。在不考虑降水量影响的情况下，昆明站降水中d值的季节变化与蒙自和腾冲的变化趋势一致，这是由相同的水汽来源决定的。昆明降水d值的季节变化与长江流域的变化趋势相反 [ 39 ] ，这可能是有不同的蒸发因素引起的。 进一步对昆明站15年和香港站36年旱季和雨季降水d值分析统计发现，d值年际变化明显(图5)，昆明站雨季d值分布范围3.87‰~20.24‰，平均为9.17‰；旱季d值分布范围2.96‰~23.31‰，均值为12.08‰。昆明站年均雨季d值的变化幅度较旱季小，尤其在1998年、2001年、2002年旱季d值远远大于雨季，这可能是由于近源湖泊水体的强烈蒸发，形成了极为不平衡的蒸发-凝结降水造成的。香港站站雨季d值分布范围5.11‰~13.05‰，平均为9.98‰；旱季d值分布范围4.97‰~16.55‰，均值为11.72‰。香港站旱季、雨季年均d值差异不明显，说明这么多年香港降水水汽来源比较稳定，香港地处亚洲大陆东南沿海，濒临西太平洋，受海洋性气团影响较大。昆明和香港雨季年均d值差别不大，这说明二者雨季的水汽来源不同。 4.4. 昆明大气降水线中斜率和截距变化趋势分析 1961年，Craig [ 40 ] 在研究氢氧同位素变化时，提出了全球大气降水线(GMWL)方程，即δD (‰) = 8*δ 18 O (‰) + 10，该式揭示在全球平均状况下，水汽在其源地非平衡蒸发及在凝结过程中平衡分馏条件 图5. 昆明和香港站年均旱季与雨季氘盈余变化趋势 下降水中δD和δ 18 O之间的关系。水汽从源区到雨滴降落的过程使稳定同位素分馏因子之间产生差异，因此各地大气水线(LMWL)方程往往偏离全球大气降水线方程，表现出不同的斜率和截距，大气降水线中斜率反映两类同位素D和 18 O的分馏速率对比，而截距反映D对平衡状态的偏离程度。 采用最小二乘法通过计算获得了昆明15年来大气降水斜率和截距的月变化(图6)及年际变化(图7)。由图6和图7可知，斜率和截距具有相似的季节和年际变化，且二者与Yurtsever [ 41 ] 于1975年获得的全球雨水线方程(δD = 8.17*δ 18 O + 10.56)及陈中笑等 [ 28 ] 提出中国大气水线方程(δD = 7.57*δ 18 O + 6.02)的斜率和截距相差不大，这反映了印度洋水汽是昆明降水的主要来源。 由图6可知，大气水线的斜率和截距月均变化趋势相同，但变化幅度不同，从另一个角度说明昆明水汽来源比较单一，雨季大气水线的斜率和截距均略大于旱季，这是由于雨季降雨量较大或出现持续降雨使大气中水汽含量趋于饱和或过饱和，水汽压变大，使云下二次蒸发减弱，引起雨滴降落过程中受到不平衡蒸发引起的同位素分馏效应减弱所致。4月份的斜率远远小于8，这可能是由于4月份处于西南季风来临前期，此时昆明气温变化频繁，变率较大，加之水汽来源不同造成。8月份斜率低的原因可能是气温较高，D和 18 O的分馏效应之比较小所致。 15年来昆明斜率和截距的年际变化趋势基本一致，都呈下降趋势且与气温和降水量的变化趋势相反(图7)。由于降水同位素对蒸发-凝结相变过程的响应很敏感，气温控制蒸发-凝结相变过程，因此可用年 图6. 斜率和截距的月变化 图7. 斜率、截距、蒸发量、气温及降水量的年际变化 降水线的斜率和截距来示踪降水过程中所发生的云底再蒸发现象。由图7可看出，昆明站15年来降水线的斜率和截距年际变化明显，这是由于昆明受季风气候的显著影响导致。斜率和截距越小，说明降水过程中受到的蒸发作用越强烈，同位素动力分馏效应越强。斜率和截距在2002年均出现最低值，这可能由于气温升高、降水量减少导致昆明气候暖干，使蒸发加剧(图7蒸发量)，同时2002年出现了多次小降雨(P < 10 mm)事件，在更大程度上引起降水过程中云下二次蒸发更为强烈、动力分馏效应显著。 4.5. 大气降水δ 18 O与西南季风强度分析 大气降水氧同位素组成在不同地区可能存在着不同的特点和规律，在此我们利用GNIP中已有资料对西南季风区从南到北，即从印度的科泽科德到昆明，再到贵阳站点的数据进行对比分析，挖掘西南季风区降水氧同位素的区域性特征，并结合印度季风指数资料，探讨西南季风与大气降水δ 18 O之间的联系。 图8是受西南季风影响强烈的地区大气降水中年均δ 18 O、降水量及印度季风指数的时间序列变化图，可以看出三地区大气降水δ 18 O与降水量呈明显的负相关性，其变化趋势相差不大，但科泽科德降水中δ 18 O值较大，这与其距离印度洋较近，水汽没有经过长距离的输送、蒸发有关。同时图8也清楚展示，西南季风对三地区降水量的影响较大，而且三地区降水量与西南季风指数呈不稳定的正相关关系。但是，由于GNIP中三个站点的观测时间较短，时间序列几乎均小于10a，只能进行这样粗略的分析。尽管如此，我们还是能够得出强季风年，降水中δ 18 O值偏负，而弱季风年，降水中δ 18 O偏正。这与已有研究结果一致 [ 42 ] [ 43 ] 。因此在季风区可以用降水中δ 18 O指示季风强度。由于科泽科德、昆明及贵阳三地区降水量比较集中，受西南季风影响强烈，因此可以用年均δ 18 O值来指示季风强弱。西南季风影响强烈地区，可大致建立季风强度-大气降水量-δ 18 O三者之间的定量关系。