中国西南部昆明地区降水稳定同位素的双重水分来源及热力学控制因素

《Atmospheric Research》：Dual moisture sources and thermodynamic controls on precipitation stable isotopes in Kunming, southwest China

降水稳定同位素研究揭示西南中国两大水汽源（孟加拉湾与南海）对昆明降水同位素组成及季节变率的差异化影响，发现热带太平洋温度梯度是主导因子，并验证了Rayleigh分馏模型适用性。

　　

Niranjan Adhikari|Lide Tian|Xuejie Wang|Zhangfei Ding|Di Wang|Zhongyin Cai|Yiliang Chen

中国云南省昆明市西南联合研究生院国际河流与生态安全研究所，邮编650500

摘要

尽管中国西南部的云南省被认为是印度夏季季风和东亚季风之间的过渡带，但不同水分来源及其传输路径对该地区降水同位素变化的影响程度仍缺乏定量研究。本文分析了昆明市四年半的降水同位素数据，区分了来自孟加拉湾（BoB）和南海（SCS）的降水。研究发现，来自孟加拉湾的降水在δ¹⁸O值上具有明显的季节性差异（7.4‰），这类降水占昆明市降水总量的约61%；而来自南海的降水δ¹⁸O值的季节性变化较小（1.8‰）。分析表明，孟加拉湾地区蒸发条件的季节性变化及其传输路径上的气象条件是造成这种差异的原因，而相对稳定的南海水源和传输条件导致降水同位素的季节性变化较小。模拟结果表明，南海来源的降水δ¹⁸O值主要遵循瑞利蒸馏规律，而孟加拉湾来源的降水δ¹⁸O值则偏离这一简单模型，说明存在其他影响因素。此外，对流层温度梯度是影响降水δ¹⁸O值的关键热力学因素，这种影响在不同季节和水分来源间均保持稳定负相关。降水d-excess值对两种水分来源的反应也有所不同：孟加拉湾来源的降水d-excess值部分反映了来源区域和传输路径的条件，而南海来源的降水则没有这种一致性关系。总体而言，本研究量化了这两种主要水分来源对中国西南部降水的独特同位素特征，为区域水循环建模和解读同位素古气候记录提供了依据。

引言

气候变化正在改变全球水资源状况并加剧水文循环的强度，导致地区间差异显著（Zhang等人，2024年）。中国西南部（SW China）由于其复杂的地形、脆弱的喀斯特生态系统以及位于印度夏季季风（ISM）和东亚季风（EAM）的交汇处，对气候变化尤为敏感。近期研究表明，气候变化扰乱了该地区的水文循环，导致降水模式改变、干旱-洪水事件频繁发生以及极端气候事件增多（Guo等人，2021年；Xu等人，2021年）。

云南、广西和贵州的水文气候响应存在差异：广西/贵州的极端降水事件增多，而云南则因季节性降雨不均而频繁发生干旱（Liu等人，2014年；Chen等人，2015年）。夏季降水量呈下降趋势（-7.58毫米/十年），进一步加剧了区域水资源压力（Chen等人，2015年），同时极端降水事件的频率也在增加（Li等人，2015年）。这些变化与孟加拉湾（BoB）和南海（SCS）的水分传输路径以及孟加拉湾与青藏高原之间的热力对比变化有关（Cao等人，2017年）。鉴于中国西南部依赖于这两种季风系统带来的水分，该地区是研究水分传输路径变化及其相关气象过程如何调节降水变化的理想场所。

降水稳定同位素（δ¹⁸O、δ²H和d-excess = δ²H - 8 × δ¹⁸O）是大气水分历史的强大自然示踪剂，可以记录来源、传输路径和凝结过程的信息（Yoshimura，2015年；Saranaya等人，2018年）。它们的变化受多种因素影响，从局部气候控制（如温度、降水量）到区域大气环流和水分来源动态（Dansgaard，1964年；Rozanski等人，1993年；Deshpande等人，2010年；Yao等人，2013年）。然而，在亚洲季风地区，传统的局部效应（如温度和降水量关系）往往被掩盖，表明非局部、由环流驱动的过程起着重要作用（Pape等人，2010年；Yang等人，2011年）。

一个广泛接受的框架认为，季节性同位素变化源于大陆性和海洋性水分来源之间的转换（Breitenbach等人，2010年；Xie等人，2011年；Yao等人，2013年；Tang等人，2015年）。虽然确定水分来源至关重要，但这仅代表了水蒸气的初始状态。同位素组成在传输过程中会受到关键过程的影响。特别是水分来源处的对流强度会影响云顶高度和凝结温度，从而影响同位素的耗尽程度（Cai和Tian，2016年；Adhikari等人，2024a）。此外，传输路径上的降雨历史和混合过程也会显著改变水蒸气的同位素特征，进而影响降水到达采样点前的稳定同位素组成（Ruan等人，2019年；Adhikari等人，2024b）。因此，要全面解释降水稳定同位素，需要结合水分来源特征、上游对流条件以及传输过程中的分馏过程。

中国西南部，尤其是云南省，为应用这一综合框架提供了理想的环境。该地区位于印度夏季季风和东亚季风的过渡带，两者边界每年在约100°E-103°E之间移动（Cao等人，2012年）。这两种季风系统具有不同的环流模式，分别从孟加拉湾和南海获取水分（Cao等人，2012年；Wu等人，2012年）。因此，每种系统带来的降水会经历不同的大气过程，从而形成独特的同位素特征。东亚地区的降水δ¹⁸O值普遍低于南亚地区（Aggarwal等人，2004年），洞穴沉积物记录也反映了水分来源的变化（Cheng等人，2009年），进一步支持了这种差异。

尽管人们认识到季节性水分来源变化和上游对流活动在中国西南部的重要性（Wang等人，2021b；Wu等人，2022年），但详细的机制研究仍较为有限。主要研究空白包括：（1）明确比较孟加拉湾和南海水分来源对降水稳定同位素的影响；（2）了解上游对流强度和传输路径上的降雨历史如何改变同位素信号；（3）阐明整合热力和动力学成分的大尺度季风环流强度如何影响同位素变化。季风环流与对流层温度梯度（ΔTT）密切相关（Xavier等人，2007年），这些因素调节对流强度和水分传输效率；然而，ΔTT、季风动力学与降水稳定同位素之间的直接联系尚未被探索。这些温度梯度还会产生压力梯度，进一步影响环流，这意味着降水稳定同位素整合了热力和动力学大气过程（Fousiya等人，2022年）。

因此，本研究的目标是：（a）识别并比较昆明市两种主要水分来源（孟加拉湾和南海）对应的降水稳定同位素；（b）量化降水稳定同位素与其传输路径上关键气象参数之间的关系；（c）评估季风环流强度（Monsoon Hadley指数，MHI）和对流层温度梯度（ΔTT）对降水稳定同位素的影响。总体而言，本研究阐明了大尺度环流、对流层温度动态和水分传输历史如何影响中国西南部昆明的降水稳定同位素。

研究区域

昆明市位于中国西南部云南省省会，坐标为25.04°N，102.71°E，地处滇黔高原中部，海拔约1900米（图1a）。该地区具有亚热带高原季风气候，温度温和，雨季和旱季分明，这受到高海拔和季风影响的共同作用（Lin等人，2024年）。2020年至2024年的研究期间，昆明市的气候条件较为稳定。

δ¹⁸O与δ²H的关系

局部气象水线（LMWL）由δ¹⁸O-δ²H的线性关系定义，反映了水分来源的蒸发条件，并受降水过程的影响。图2展示了整个采样期间及不同季节尺度下昆明市降水的δ¹⁸O-δ²H关系，同时参考了全球气象水线（GMWL）方程。整个采样期间的LMWL定义为δ²H = 8.09 × δ¹⁸O + 10.69（N = 342，R² = 0.98）。

结论

本研究分析了2020年1月至2024年6月昆明市的降水稳定同位素，探讨了在两种主要水分来源（孟加拉湾和南海）影响下的同位素变化关键驱动因素。主要研究结果如下：

1.

昆明市降水稳定同位素的季节性变化主要由孟加拉湾地区的蒸发条件变化及其传输路径上的大气过程驱动，而非其他因素

作者贡献声明

Niranjan Adhikari：撰写初稿、进行正式分析、提出研究概念。Lide Tian：撰写、审稿和编辑、提供资金支持。Xuejie Wang：进行正式分析、数据管理。Zhangfei Ding：进行正式分析、数据管理。Di Wang：撰写、审稿和编辑。Zhongyin Cai：撰写、审稿和编辑。Yiliang Chen：进行正式分析、数据管理。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

为了提高文章的可读性和语言表达，作者根据需要审阅和修改了内容，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢三位匿名审稿人的宝贵意见和建议，这些意见显著提高了本文的质量。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U220220842401043）的支持。