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区域水文循环特征和水汽来源是明确流域水资源变化和对气候变化响应的重要内容，而氢氧同位素技术是揭示其特征和来源的重要手段。本文对商州区2015年全年次降水进行采样，分析了大气降水稳定同位素变化特征及影响因素，通过采用HYSPLIT模型对该地区水汽来源进行追踪表明：商州区大气降水主要由受亚洲夏、冬季风带来的水汽组成，局地水循环对降水及δ18O变化特征影响显著。通过以上研究有助于了解丹江上游的水汽输送轨迹及水汽循环过程与特征。
商州区 氧同位素 水汽输送轨迹 HYSPLIT模型
引言
大气降水是水循环过程中的一个关键环节，是各种水体系统的重要补给来源，其大气降水同位素含量及变化大小与产生降水的气象过程、水蒸汽来源区的初始状态以及水蒸汽输送方式等密切相关。稳定同位素是自然水体的重要组成，不同来源的水体往往具有不同的同位素特征，在自然界水循环的每一个环节中，同位素都以不同的比值分配到两种物质或物相中产生同位素分馏现象，并且具有广泛的时空分布异质性，非常敏感地响应环境的变化。本文通过对商州区大气降水情况进行分析以及对相关气象资料进行了解，研究该地域大气降水同位素含量及变化特点，据此可以研究水汽的来源、地表水的蒸发与混合、土壤水入渗与消耗、地下水利用与补给、河流与湖泊或水库的混合作用等；并用HYSPLIT气流轨迹模型对水汽进行追踪，进而有助于对商洛地区水循环和气候变化做出深入了解。
研究区域概况
本文以商州區（32°33"59"N，109°52"11"E）作为研究区，商州区是陕西省商洛市辖区的建制。商州区位于以中山地貌为主体的东秦岭地区，秦岭是我国800mm降水量分界线，湿润区与半湿润区的分界线，一月0℃等温线以及亚热带与暖温带分界线。北部气候属暖温带，南部气候属亚热带，整体属于暖温带半湿润季风气候。既具有季风性气候的特点，也具有山地显著的垂直差异特征，一年四季分明，年平均气温7.9-13.9℃，最高气温在37-40.8℃，最低在―11.8℃到―21.6℃；日照1860-2130多小时，无霜期为210天。多年来平均气温由东南像西北逐渐降低。降水垂直差异较为显著，高山降水明显多于低山，并且时空分布差异大，降雨主要集中在6-9月，约占年降雨量的48%左右，由南向北降雨量逐渐减少，由山地向河谷，降雨量随海拔高度的降低而降低，降水量年均710-930mm。
样品采集与研究方法
（1）样品采集
降水发生时，以d为时间单位在陕西省商洛市商州区（33°51"N，109°57′E）对大气降水进行样本采集，采樣时间为2015年全年。采集样本前对雨量筒及量筒等用蒸馏水进行清洗，以保证数据的准确性及实验的精确度。对体积、pH值和电导率数据进行现场测定，然后将原样装入100mL塑料瓶中，注明采样时间、体积、PH值以及电导率等。对于同位素数据，带回后用Picarro-2120i同位素分析仪进行测定，该仪器具有杰出的温度和压力控制系统，能确保同位素数据的精确度和准确度不受外界环境变化的干扰；对于δ18O：确保精度<0.2‰，δD：确保精度<1.0‰。
（2）研究方法
水体在蒸发过程中，氢氧稳定同位素的平衡分馏过程同时受到动力分馏作用与热力分馏作用的共同影响，从而使大气降水降水中的δD和δ18O的之间会出现存在差值，称为氘盈余（d）。1964年，Danssaard首次提出利用d值对全球降水中的氘盈余进行特征描述，并定义氘盈余的计算公式为：d=δD-8δ18O（‰），全球的平均d值大约为10‰。
尹观等认为：一个地区的大气降水线一旦确定，大气降水的氘过量参数d将为一确定的数值，不受气候、海拔高度等因素的影响，在理论上d值会保持不变。不同地区的大气降水中氘过量参数d可以直观呈现出这个地区降水在蒸发以及凝结过程中氢氧同位素不平衡分馏的程度。来自不同区域的海洋-大气界面的水汽所产生的降水都有其特定的d值，因此可以根据d值判断水汽的来源地。在内陆地区，d值被来自内陆水汽蒸发、植物蒸腾作用产生的水汽混合以及受二次蒸发影响而发生变化，降水中较低的d值反映出了水汽来源区域的湿度比较高而且蒸发作用进行的较为缓慢，而较高的d值则反映出了水汽来源区域湿度较低并且经过重复蒸发。
实验结果与讨论
（1）降水氘盈余研究（见表1）
商州区地区降水的氘盈余与月平均降水量的关系见图1所示。
商州区月平均降水量与d值呈明显的反相关关系，全年d值的变化幅度较大，说明冬、夏半年水汽来源不同，秋冬季节d值较高，春夏季节d值较低。10-2月，d值处于高位，说明秋冬季节的降水水汽主要是来自于西伯利亚及北冰洋湿度较低的地区，由西风带输送。同时1-4月d值不断下降，说明来自海洋地区的水汽逐渐增多；进入夏半年时，4-6月降水丰沛而d值逐渐升高，可能是水汽在输送过程中经过多次凝结降雨使同位素累积。7月相较于6月、8月两个月而言雨量较多，此时正是西南季风和东南季风更替的时间节点，d值在七月出现了极低值点，说明水汽来源于潮湿的印度洋和西太平洋海域。由于商州区距太平洋相对较远，因而与6-7月相比，d值较高，可能受大陆效应的影响。10月之后，东南季风逐渐退去，西风及北方冷气流影响加剧，蒸发旺盛，d值升高。
（2）基于HYSPLIT模型的水汽来源验证
HYSPLIT-4模型是由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的空气资源实验室和澳大利亚气象局（BOM）的联合研究成果，利用气象场中的四维数据，用欧拉-拉格朗日混合计算模式计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型。通过分析本地区降水气团的移动路径，追踪其水汽来源。
利用HYSPLIT-4模型，采用经纬度坐标为32°86"N，109°57"E的NCEP/NCAR全球再分析（Global Reanalysis）气象数据，用轨迹模式计算四个季节有降雨发生日期内00：00、06：00、12：00和18：00到达该地区气团的质点运移轨迹。各月份降雨天逐日的5日后向轨迹模拟的结果如图所示。
由图中可以看出，在春季（3-5月），商州区的水汽主要由来自东部、西南的近源水汽和一支北方南下的水汽组成，其中，蒙古高原、北冰洋的水汽占比为41%，大陆水汽与近源陆地蒸发水汽的共同作用，造成了春季商州区d值的升高；夏季（6-8月）是季风全盛时期，来自西南的印度洋和东部太平洋的水汽成为降水的主要来源，占比高达82%，此时期的d值也处于全年的最低点；秋季（9-11月）是商州区西南季风转为东南的时间节点，来自东部的水汽成为降水的主要来源，占比为44%，由于水汽来源为远源加之高温下来自局地的内循环水汽，这与一时期降水丰沛而d值较高的情况相吻合；冬季（12-2月），蒙古高原、北冰洋与大西洋的水汽通过西风带混合输送至该地区，水汽的长途输送导致δ18O不断贫化，但是由于蒸发作用导致冬季δ18O数值为全年最高。
综上所述，夏秋两季，商州区降水主要由夏季风输送的印度洋、西太平洋水汽为主，由于近源水汽与局地蒸发的影响，δ18O值呈波动下降趋势。冬春两季，北方大陆季风与西风势力强劲，降水主要来自北冰洋与大西洋，这一时期δ18O值较高，局地水循环也占较大比例。由于商州区距海相对较远，因此其δ18O值相对于其他季风区而言总体较高。
結论
（1）通过对商洛地区氘盈余的研究得出该地区氘盈余季节变化明显，雨季小于旱季，表明雨季与旱季的降水水汽来源于湿度不同的地区，雨季δ18O值相对较低；旱季北方大陆内部的水汽与局地水循环共同推高δ18O值。
（2）通过对水汽来源轨迹模拟，说明商州区大气降水主要受到季风活动的影响。夏半年，水汽主要来自于印度洋、西太平洋，通过西南季风与东南季风交替输送，占总降水量的80%以上；冬半年，来自北方大陆内部的水汽与局地水循环占总降水量的70%以上。
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