石家庄降水中稳定同位素不同算法的大气水线方程及环境效应毕业论文.docx
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石家庄降水中稳定同位素不同算法的大气水线方程及环境效应毕业论文
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题目：
石家庄降水中稳定同位素不同
算法的大气水线方程及环境效应
（NorthwestNormalUniversity,CollegeOfGeographyAndEnvironmentalScience,Postal
Address:
LantianApartment,anningdistrict,lanzhoucity,gansuprovince）
Abstract:
ThispapercalculatestheatmosphericwaterlineequationwithsixdifferentalgorithmsbasedonthequantityandmeteorologicaldataofhydrogenandoxygenisotopesinthefloodwaterofShijiazhuangfrom1985to2003fromtheInstituteofHydrogeologicalEngineeringGeology（Shijiazhuang,Hebei）inGNIP.ThermSSEavofthisalgorithmisthesmallestinspring,summerandautumnPWRMA.ThermSSEavofwinterPWMAisthesmallest,sochoosePWMAtocalculatetheatmosphericwaterlineequationinShijiazhuangwinter.dvaluesinprecipitationarehighfromJulytoMarchandlowfromApriltoJune.Becausethelocalclimateisdry,theslopeandinterceptaresmallerthanthenationalatmosphericwaterlineequation.TheδDandδ18Omonthlychangesinshijiazhuangareawereshowntobehighinthesecondhalf（april-oct）,lowinthefirsthalf（november-march）,andexcessivedeuteriumwassubjectedtovaporpressure,temperatureandprecipitation.Amongthem,temperatureeffectisdominant,positivecorrelationandobviouscorrelation.
Keywords:
Shijiazhuangarea;differentalgorithms;atmosphericwaterlineequation;Environmentaleffects;
1引言
首次国际大气降水同位素研究开始于20世纪50年代［1］，1961年与世界气象组织（WMO）和国际原子能机构（IAEA）合作建立的全球氢氧稳定同位素监测网（GNIP）为监测全世界大气降水同位素奠定了基础。
环境同位素δD和δ18O之间存在的线性关系被称为大气水线，其数学表达式为δD=aδ18O+b［2］，式中a反映δ18O和δD分馏的速率，b表示δD相对于平衡状态的偏差［3］。
大气水线作为研究水汽循环必不可少的参考线。
Craig（1963）［4］在北美大陆不同水体的稳定同位素研究中发现，δD和δ18O之间存在截距为10斜率为8的线性关系，此后它被称为全球大气水线方程（GMWL）。
我国的降水同位素监测研究起步较晚，1983年以前在我国只有香港一个站点［5］，后来又建立了银川、桂林、昆明、乌鲁木齐等长期观测站点［6］。
到目前为止，我国在大气降水稳定同位素研究已经取得了许多成就，对降水在局部地区，甚至在大尺度，大空间［7-18］的稳定同位素分布特征、水汽输送过程、变化规律与机制、同位素效应等已获得了一系列重要的认识。
郑淑蕙等［19］首次计算了我国大气水线方程，其表达式为δD=7.9δ18O+8.2;分析造成不同大气水线的原因，不但与降水样本采集的年限、数量的多少和地点不同有关，还与算法的选取有关。
目前大气水线计算常用最小二乘法（OLSR），其缺点是对降水样品赋予了相同的权重（IAEA，1992）。
王圣杰［20］基于6种不同的算法，研究了天山地区的大气水线方程。
结果发现，在最小二乘回归（OLSR）、主轴回归（MA）、简化主轴回归（RMA）、加权最小二乘回归（PWLSR）、加权主轴回归（PWMA）和加权简化主轴回归;（PWRMA）中，天山地区的大气水线计算方法中最适合的是PWLSR算法。
因此，本文结合GNIP数据，将这6种不同计算方法应用到石家庄地区的大气水线中，并对计算结果进行比较。
结合降水中同位素与水汽压、温度、降雨量的关系以及大气降水中d的值和该地区的大气降水线方程的研究分析，为进一步对该地区的大气水线特征提供数据基础。
2研究区概况及研究方法
2.1研究区概况
石家庄市地处中纬度河北省中南部，属于温带季风气候区。
石家庄市域跨太行山和华北平原。
西部地处太行山中段，东部为冲积平原。
该地区春温夏热秋凉冬冷，四季分明，寒暑悬殊，雨量分布不均多集中在夏秋两季。
夏季（6―9月）受海洋温湿气流的影响，降水占全年总降雨量的63%～70%，特别在7―8月空气湿度达100%;虽然秋季晴朗少雨，但空气湿度平均也达到了78%。
石家庄地区位于东北季风区和南部季风区之间，属于敏感的过渡地带，这使其大气降水氢氧同位素变化的影响因子更为复杂［21］。
2.2研究方法
本研究所引用来自于全球大气降水监测网（GNIP）中石家庄大气降水同位素资料，包括全球观测站点的δ18O、δD值以及水汽压、降水量和温度等气象数据。
所得到的监测数据均记录日期是每月15日，故此同位素数据表示本月上半月和上个月下半月的平均数值。
本文采用的是大气降水的δD与δ18O算术平均值和加权平均值计算，公式分别为:
;
.式中:
δavg为氢氧同位素算术平均值;δwei则表示氢氧同位素降水量的加权平均值;Pi为月降水量;δi为月降水同位素。
氢氧同位素的算术平均数反映该地区的总的气候状况，而氢氧同位素降水量加权平均数则表示降水对同位素浓度大小的影响。
最小二乘回归（OLSR）是研究大气水线方程最常用的方法，此外还有主轴回归（MA）、简化主轴回归（RMA）、加权最小二乘回归（PWLSR）、加权主轴回归（PWMA）和加权简化主轴回归;（PWRMA平均标准化均方根误差（rmSSEav）由rmSSEvrnmSSEt.和mSSEp的算术平均数算得rmSSEav.值越接近1，表示回归模型效果越稳定。
三种加权的计算中rmSSEav也采用求算术平均数，上述6种算法的大气水线斜率、截距以及mmSSEav等主要参数采用LocalMeteoricWaterLineFreeware.软件计算得到，此软件是澳大利亚核科学技术组织（ANSTO）研发。
3降水同位素数据的大气水线
3.1大气降水线
大气降水线是指全球或特定区域大气降水中δD与δ18O之间的线性关系，能够很好地反映研究区域的自然条件，对水循环中稳定同位素的变化的研究具有很重要意义，同时也是水文地质研究中应用的主要依据。
Craig［22］对全球范围内的大气降水样本的分析，得到全球大气水线（GMWL）方程:
δD=8δ18O+10。
降水线的斜率表示的是稳定同位素D和18O之间分馏效应的对比关系，截距说明了氘关于平衡状态的偏离程度，这是由海洋表面蒸发时的动力同位素效应引起［23］。
GMWL则为各局地大气降水线（LMWL）同位素组成提供了标准和参照，但由于各地气象条件、地理因素和降水过程的不同，各个站点GMWL与LMWL都会发生一定的偏离。
部分学者分析了我国及各局地大气降水同位素的资料，如郑淑蕙等［19］提出了我国大气降水线方程δD=7.9δ18O+8.2。
依据GNIP所提供的δD和δ18O数据资料，用最小二乘法得础的石家庄地区大气降水线方程为δD=4.99δ18O－15.77（Ｒ2=0.8561）（见图1。
该方程的斜率和截距均显著小于我国大气降水线方程，同柳鉴容等［24］提出的东部季风区局地大气降水线方程（δD=7.46δ18O+0.90，Ｒ2=0.94）相对比，截距和斜率都偏小。
表明，石家庄地区水汽来源很是复杂，不同水汽来源会得到不同的氢氧稳定同位素比率，并且该地区降水过程中也进行一定程度的二次蒸发，其蒸发模式与全球大气降水线有明显的不同。
图1最小二乘法得出的大气降水线
Fig.1Precipitationlinefromleastsquaremethod
3.2不同季节6种不同算法下大气水线的差异
表1春季不同算法的斜率截距和平均标准化均方根误差分布
Table1SlopeInterceptandMeanStandardizedRootMeanSquareErrorDistributionofDifferentAlgorithmsinSpring
a
b
rmSSEav
OLSR
RMA
MA
PWLSR
PWRMA
PWMA
3.6665
7.2976
14.3220
4.3132
6.7848
10.5357
-28.3061
-7.9051
31.5604
-29.7673
-16.2953
4.1502
1.3825
1.0999
1.3923
1.2565
1.0935
1.1720
表1是基于石家庄GNIP数据下6种不同算法春季的大气水线。
从表可以看出，对比OLSR和PWLSR,后者的斜率大于前者,截距小于前者;RMA和PWRMA的比较发现，后者的斜率和截距比前者小:
对MA和PWMA，加权的斜率和截距表现为后者小于前者。
表2夏季不同算法的斜率截距和平均标准化均方根误差分布
Table2SlopeInterceptandMeanStandardizedRootMeanSquareErrorDistributionofDifferentAlgorithmsinSummer
a
b
rmSSEav
OLSR
RMA
MA
PWLSR
PWRMA
PWMA
5.4209
8.1196
12.0605
5.2545
7.6286
10.9761
-14.1165
6.9057
37.6029
-14.0622
5.0066
31.8942
1.1985
1.0619
1.1994
1.2117
1.0630
1.1442
表2是在石家庄GNIP数据下用6种不同算法计算的夏季大气水线。
从表可以看出，对比OLSR和PWLSR,aPWLSR小于aOLSR,bPWLSR大于bOLSR;RMA和PWRMA的比较发现，后者的斜率和截距比前者小:
对MA和PWMA，加权的斜率和截距表现为后者小于前者。
表3秋季不同算法的斜率截距和平均标准化均方根误差分布
Table3SlopeInterceptandMeanStandardizedRootMeanSquareErrorDistributionofDifferentAlgorithmsinAutumn
a
b
rmSSEav
OLSR
RMA
MA
PWLSR
PWRMA
PWMA
2.7683
7.2691
18.7796
5.2588
8.3383
13.1071
-28.2532
5.4157
91.5209
-10.9210
12.7113
49.3082
1.6065
1.1325
1.6397
1.1560
1.1079
1.2805
表3是石家庄GNIP数据想6种不同算法下的秋季大气水线。
从表可以看出，对比OLSR和PWLSR,aPWLSR大于aOLSR,bPWLSR大于bOLSR;RMA和PWRMA的比较发现，后者的斜率和截距比前者大:
对MA和PWMA，加权的斜率和截距表现为后者小于前者。
表4冬季不同算法的斜率截距和平均标准化均方根误差分布
Table4SlopeInterceptandMeanStandardizedRootMeanSquareErrorDistributionofDifferentAlgorithmsinWinter
a
b
rmSSEav
OLSR
RMA
MA
PWLSR
PWRMA
PWMA
4.5776
6.4636
9.0191
5.6391
6.1351
6.6477
-26.0222
-6.4634
20.0382
-9.4723
4.3902
0.8631
1.1620
1.0526
1.1624
1.0429
1.0254
1.0205
表4是基于石家庄GNIP数据下不同算法的冬季大气水线。
从表可以看出，对比OLSR和PWLSR,aPWLSR大于aOLSR,bPWLSR大于bOLSR;RMA和PWRMA的比较发现，后者的斜率比前者小，截距后者比前者大；对MA和PWMA加权的斜率和截距表现为后者小于前者。
表1-4是基于石家庄GNIP数据6种不同算法下四季大气水线。
从表可以看出，不加权的3种算法下MA算法下的截距、斜率最大，RMA算法的其次，OLSR算法的最小。
加权后斜率和截距与上述趋势也一致的。
也是PWRMA算法居中，PWLSR算法的最小，PWMA算法的最大。
3.3不同季节不同算法下的大气水线比较与选择
在6种不同算法的大气水线方程中，各算法的mSSEav都较小，相比之下在春夏秋季PWRMA算法的rmSSEav最小，最接近1，故最为稳定，因而选择算法PWRMA计算石家庄春夏秋季的大气水线。
冬季PWMA算法的rmSSEav最小，最接近1，故定，因而选择算法PWMA计算石家庄冬季的大气水线。
4石家庄地区大气降水的氢氧同位素特征分析
4.1大气降水中δ18O和δD的月均变化特征
表5石家庄地区大气降水不同月份δ18O的变化范围及平均值
Table5variationrangeandaveragevalueofδ18OindifferentmonthsofprecipitationinShijiazhuangarea.
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1985
-7.3
-7.6
-11.2
-10.0
-7.5
-15.4
1986
-5.4
-12.4
-5.3
-1.5
-2.1
-10.2
-7.5
-7.7
-7.7
-6.3
-4.7
-10.0
1987
-9.9
-14.9
-12.2
-4.1
-4.1
-8.7
-4.7
-8.7
-5.6
-8.2
-7.2
1988
-16.0
-9.4
-5.0
-3.0
-8.1
-6.1
-5.8
1989
-8.3
-12.5
-4.8
-3.0
-9.5
-7.8
-9.8
-7.2
-4.8
-6.7
-6.4
1990
-12.8
-12.9
-12.0
-7.5
-3.9
-6.5
-11.9
-5.4
-8.5
-6.4
-10.2
-5.8
1991
-8.5
-9.1
-6.8
-9.8
-5.3
-9.5
-5.2
-5.2
-6.1
-3.0
-11.6
1992
-4.1
-10.3
-8.3
-6.3
-5.1
-7.9
1995
-9.4
-12.2
-12.6
-6.2
1996
-14.2
-7.9
-1.1
-2.1
-5.1
-10.0
-8.8
-2.6
1997
-4.2
-9.1
-3.8
-9.4
-5.2
-7.1
-6.3
-4.8
-12.2
1998
-14.1
-8.4
-4.5
-2.4
-5.0
-8.2
-8.5
-8.3
-6.2
1999
-0.3
-3.5
-3.6
-9.0
-8.0
-5.3
-15.3
2000
-14.0
-8.6
-7.2
-10.1
-5.1
-7.8
-9.0
2001
-13.3
-3.2
-9.9
-7.4
-7.6
-10.6
-8.2
2002
-2.6
-0.6
-5.5
-9.7
-7.0
-4.2
-7.9
-20.6
-11.5
2003
-11.5
-2.5
-5.8
-2.0
-7.4
-8.9
-7.5
-10.8
-8.0
-4.0
均值
-11.9
-4.2
-7.6
-2.3
-4.4
-6.7
-8.8
-7.3
-7.5
-8.8
-10.5
-11.8
表6石家庄地区大气降水不同月份δD的变化范围及平均值（‰）
Table6variationrangeandaveragevalueofδDindifferentmonthsofprecipitationinShijiazhuangarea（‰）
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1985
-48
-47.6
-83.5
-61.6
-41.8
-97.2
1986
-45.1
-82.2
-30.2
-15
-9.5
-71.1
-58.6
-54.9
-53.6
-39.6
-32.4
-69.9
1987
-57.1
-111.3
-103.7
-14.6
-21.5
-58.9
-29.5
-60.2
-41.7
-55
-44.9
1988
-100.5
-60.6
-21.5
-23.4
-53.6
-37.8
-33.2
1989
-53.4
-90.1
-23.1
-34.2
-67.7
-55.7
-69.7
-55.5
-30.3
-55.9
-47
1990
-91.9
-80.2
-82.1
-50.3
-45.7
-56.3
-95.1
-37.6
-57.3
-47.7
-60.3
-36.4
1991
-54.2
-63.1
-64.7
-71.9
-46
-82.4
-42.6
-29.4
-43
-26.9
-65.1
1992
-30.1
-58.8
-30.2
-66.1
-46.1
-31.4
-50.4
H3
1995
-48.1
-47.7
-83.6
-61.7
-41.9
-97.3
-45.2
1996
-82.3
-30.3
-15.1
-9.6
-71.2
-58.7
-54.1
-53.7
-39.7
-32.5
-69.1
-57.2
1997
-111.4
-103.8
-14.7
-21.6
-58.1
-29.6
-60.3
-41.8
-55.1
-44.1
-100.6
1998
-60.7
-21.6
-23.5
-53.7
-37.9
-33.3
-53.5
1999
-90.2
-23.2
-34.3
-67.8
-55.8
-69.8
-55.6
-30.4
-55.1
-47.1
-91.1
2000
-80.3
-82.2
-50.4
-45.8
-56.4
-95.2
-37.7
-57.4
-47.8
-60.4
-36.5
-54.3
2001
-63.2
-64.8
-71.1
-46.1
-82.5
-42.7
-29.5
-43.1
-26.1
-65.2
-30.2
2002
-58.9
-30.3
-66.2
-46.2
-31.5
-50.5
H4
2003
-48.2
-47.8
-83.7
-61.8
-41.1
-97.4
-45.3
均值
-91.1
-66.5
-33.6
-33.5
-53.0
-60.5
-55.1
-50.3
-44.7
-51.1
-60.1
-61.7
根据所得到的资料数据，石家庄站点大气降水的δ18O范围为－20.62‰～－0.3‰，均值为－7.74‰;δD变化范围为－111.3‰～9.5‰，平均值为－54.37‰，变化幅度较大，但都在郑淑慧等［19］得出的我国降水δ18O（－24‰～2.0‰）、δD（－190‰～20‰）的大致范围之中。
大气降水的稳定同位素比率受到气象条件的限制。
按月份分析了该地区δ18O和δD的变化特征。
结果表明，石家庄地区大气降水中氢氧稳定同位素月变化特征均表现为（4―10月）高、（11月―次年3月）低。
图2石家庄大气降水δ18O平均值随月份的变化
Fig.2variationofδ18OmeanvalueofprecipitationinShijiazhuangwithmonth
图3石家庄大气降水δD平均值随月份的变化
Fig.3variationofδDmeanvalueofprecipitationinShijiazhuangwithmonth
图4石家庄大气降水δ18O和δD的加权平均值随月份的变化
Fig.4variationofweightedaverageofδ18OandδDinShijiazhuangwithmonth
由图4可以得出，石家庄地区大气降
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