郑州市地处中国华北平原的南部、黄河下游，是“中国八大古都”之一，东西长约166 km，南北长约75 km，总面积达7446 km²，地势西南高，东北低 ^[16]，介于东经112°42′—114°14′，北纬34°16′—34°58′之间^[20]，属北温带大陆性季风气候，风向更替明显，冬季寒冷干燥，夏季多偏南风，温暖而湿润，气温变化显著，年均气温14.44 ℃左右，1月最冷，平均气温0.07 ℃，7月最热，平均气温27.18 ℃ ^[21]。年平均降雨量641 mm^[22]。

福州市位于我国东南部边缘，地处中国东南沿海，介于东经118°08′—120°31′，北纬25°15′—26°39′^[23]之间，是福建省省会。属于亚热带季风气候，气温适宜，温暖湿润，冬夏季干湿差别不大，年平均降水量在900—2100 mm左右，年平均气温在20—25 ℃左右^[24]，该地区主导风向为东北风，夏季则以南风为主。且福州市是我国受台风影响较为严重的地区，每年台风频繁登陆本市境内。

研究区大气降水同位素数据由GNIP(全球大气降水同位素观测网)提供，其中包括δD、δ¹⁸O以及两个地区的温度、降水量和水汽压。

气象资料来自于美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR) 的全球再分析资料( global reanalysis) ，其空间分辨率为2. 5° × 2.5°，由NOAA提供。

本研究采用的大气降水同位素数据这些观测数据记录均为月加权平均值，环境同位素表示方法用千分差来表示，是相对于维也纳标准平均海水(VSOMW)的千分差表示为如下形式:

式中，$ {R}_{\mathrm{样}\mathrm{品}} $为降水样中¹⁸O /¹⁶O的比值，$ {R}_{\mathrm{S}\mathrm{M}\mathrm{O}\mathrm{W}} $为SMOW中¹⁸O/¹⁶O的比值，全球降水同位素观测网郑州与福州站点数据记录时间均为1985—1992年。大气降水中氢氧稳定同位素的加权平均值为:

式中，$ {\delta }_{\left(w\right)} $为加权平均值，$ {P}_{i} $为降水量，$ {\delta }_{i} $为其相应的同位素值 。

对降水同位素数据进行统计，计算两地区降水同位素的月加权平均值及多年月平均值，运用Origin8.0制图软件进行绘图，研究两地区的大气降水同位素的季节变化以及环境因子，从而来探讨两地区大气降水同位素特征的联系与区别，并通过研究两地区d-excess值来预测其水汽源地的特征.

运用MeteoInfo^[23]软件并结合美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心所提供的全球再分析资料，对我国郑州和福州两地区1985—1992年的后向轨迹进行追踪，并运用ArcGIS10.0软件对两地区水汽来源进行比较分析。

全球降水平均稳定同位素 ^[25]中δ¹⁸O的变化范围在−50‰—10‰之间，δD的变化范围在−350‰—50‰之间，我国大气降水同位素中δ¹⁸O和δD的组成为^[26]−24‰—2‰和−210‰—20‰，通过分析数据得出郑州地区δ¹⁸O值介于−13.15‰—0.21‰之间，δD值介于−90.80‰—−5.50‰之间，福州地区δ¹⁸O值介于−14.16‰—−0.92‰之间，δD值介于−87.20‰—0.10‰之间，两地区的δ¹⁸O和δD的值均在全球以及我国大气降水同位素变化范围之内。由图1可以看出，两地区δ¹⁸O和δD月变化明显。由图1a可以看出，郑州地区δ¹⁸O的月平均值在−9.33‰—−3.23‰范围内波动，进入春季郑州地区的δ¹⁸O值呈现逐渐上升的趋势，在4月达到最大值，从4月开始逐渐下降，7月达到最低值，随后又逐渐上升，秋季δ¹⁸O值相对平稳，10月开始下降，到12月降至最低值。郑州地区δ¹⁸O值在春秋季相对富集，夏季和冬季相对贫乏。福州地区δ¹⁸O的月平均值在−10.17‰—−3.32‰范围内波动，相比郑州地区偏小，福州地区从1月份至6月份δ¹⁸O值基本处于持续下降趋势，从6月份开始δ¹⁸O值波动显著，整体而言，郑州地区δ¹⁸O值较福州地区季节变化显著。由图1b可以看出，郑州地区δD的月平均值在−70.40‰—−23.20‰范围内波动，福州地区δD的月平均值在−59.70‰—−12.80‰范围内波动，在秋冬季比较高，而在春夏季逐渐降低，变化趋势与δ¹⁸O值一致。

大气降水线方程较好地表示了δ¹⁸O和δD的显著线性关系，可来分析两地区气候变化及水汽来源等问题。Craig^[27]研究得出全球大气降水线方程为：δD=8δ¹⁸O+10。我国大气降水线方程为^[28]：δD=7.9δ¹⁸O+8.2。受近地面气象条件等各因素不同导致各个地区的大气降水线也不尽相同^[29]，基于郑州和福州两地区的大气降水氢氧同位素资料，计算得出两地区大气降水线方程：郑州：δD=6.75δ¹⁸O−2.71；福州：δD=8.19δ¹⁸O+11.73（图2）。郑州地区大气降水线方程的斜率和截距均小于全球以及我国大气降水线方程，表明该地区大气降水过程受北太平洋季风和北方大陆气团的影响。由于地处内陆，受二次蒸发的影响，使得δ值会因蒸发而偏离我国大气降水线。福州地区大气降水线方程的斜率和截距均大于全球以及我国大气降水线方程，其属于我国低纬度地区，由于靠近水汽补给区，水汽在运移过程中并没有经过强烈的动力学分馏作用^[30]，所以大气降水线斜率接近或偏大于全球标准线的斜率。

形成降水的物理过程对降水中δD、δ¹⁸O变化有不可忽视的影响，尤其是水相变过程中蒸发与凝结阶段^[29]。在蒸发与凝结过程中，温度的影响至关重要，且影响降水中稳定同位素的分馏。Dansgaard^[3]提出降水中δ¹⁸O与温度正相关关系，即温度效应。基于两地区降水同位素资料，对其大气降水中δ¹⁸O与温度的全部数据进行拟合得以下方程：郑州：δ¹⁸O=−0.0093T−0.647；福州：δ¹⁸O=−0.1605T−2.323。

从图3可见，郑州与福州两地区降水中δ¹⁸O与温度之间均呈负相关关系，且福州地区较郑州地区负相关现象显著，即在温度逐渐升高的基础上，降水中δ¹⁸O值逐渐减小，呈现反温度效应。张琳^[31]等通过研究我国不同时间尺度下大气降水中δ¹⁸O值与气温的关系，表明在我国北回归线以北地区降水δ¹⁸O与温度呈现正相关关系，在低纬度地区，呈现负相关，在短时间尺度下，基本不存在温度效应。福州地区属于低纬度地区，与温度的拟合结果为负相关关系，符合前人研究结果，但郑州地区地处北回归线以北，其大气降水中δ¹⁸O值却与温度呈现出负相关关系，说明郑州大气降水δ¹⁸O值受多种因素影响。

通过对两地区月平均δ¹⁸O与月平均温度的关系可得，由图4a所示郑州地区只有在秋季和冬季δ¹⁸O随温度呈现一致的变化趋势外，其他月份均没有出现。而图4b中福州地区大气降水δ¹⁸O月平均值与温度月平均值均呈现相反的变化趋势，综上所述，基于降水δ¹⁸O月平均变化，福州地区较郑州地区而言，反温度效应更明显。

空气湿度对大气降水中稳定同位素的组成有着重要的影响 ^[3]，因此降水量的大小与降水中氢氧同位素的丰度有着紧密的联系，即降水量的大小与大气降水中δ¹⁸O值呈现一种负向的关系，被称之为降水量效应。也可以理解为是一种“淋洗”作用^[32]，表示同位素的分馏作用会使得同一气团在多次降雨的过程中剩余水汽同位素值不断贫化的现象。基于两地区大气降水同位素资料，对其δ¹⁸O值与降水量进行线性拟合得以下方程：郑州：δ¹⁸O=−0.0190P−5.533；福州：δ¹⁸O=−0.0089P−4.412。如图5所示从线性拟合结果来看，郑州与福州两地区降水δ¹⁸O均与降水量呈现负相关，表现为降水量效应。研究表明^[33]，降水量效应一般出现在低纬度地区，低纬度地区海洋水汽单一，且全年均受海洋性气团的影响^[34]。然而郑州地区处于中纬度内陆地区，却呈现出较福州地区更加明显的降水量效应。刘进达等^[35]认为决定降水中稳定同位素组成分布规律的主导因素是形成降水的水汽来源，其中区域地理、气候条件也是影响其变化的外在因素，因此明晰两地区水汽来源对分析其环境效应有重要意义。

通过对两地区月平均δ¹⁸O与月平均降水量的关系可得，郑州地区在秋冬两季，降水中δ¹⁸O值和月平均降水量呈现一致的变化趋势，但在春季和夏季呈现相反的变化趋势，在春季和夏季符合降水量效应。对于福州地区而言，由图6可以看出，降水δ¹⁸O值与月平均降水量的变化均呈现相反的趋势，即降水量效应明显。由于年际之间的变化会削弱不同水汽来源对降水中δ¹⁸O丰度的影响^[36]，因此会出现在对两地区降水δ¹⁸O值与降水量进行线性拟合时郑州地区比福州地区降水量效应更明显。综上所述，通过对降水δ¹⁸O值与月平均降水量的分析得出，福州地区较郑州地区降水量效应更明显。

Dansgaard^[3]把大气降水中的δD和δ¹⁸O的差值命名为d-excess，定义为d-excess=δD-8δ¹⁸O，d-excess值不仅反映了海水在蒸发过程中形成云气团时的热力条件和水汽平衡条件，同时又反映降水形成时的自然环境和气候条件^[37]。有研究表明^[38]，d-excess值的大小和降水时水汽源地的相对湿度有着密切的关系，水汽源地湿度较低时，d-excess值较高，反之，若水汽源地相对湿度较高时，d-excess值较低。因此本研究也可通过研究两地区的d-excess值来反映其水汽源地的相对湿度。

基于研究资料对两地区的多年月加权平均d-excess值进行分析，图7显示郑州地区d-excess值在−1.44—15.84范围内波动，福州地区d-excess值在4.92—36.16范围内波动，对于两地区月加权平均d-excess值而言，福州地区整体比郑州地区d-excess值偏大，然而福州地处我国东部沿海，受东南季风影响，较郑州地区空气湿度高，但d-excess值却呈现相反的结果，造成这一结论的主要原因是由于福州地区常年受台风影响，两地区降雨量差别较大，降水量在决定月加权平均d-excess值中不具有代表性；但两地区夏季降水中的d-excess值则明显低于冬季，反映出夏季降水的水汽源地的相对湿度高于冬季。

气团轨迹的后向模拟对于分析降水气团的水汽来源以及对该地区降水的贡献率有着很大的帮助^[39-40]。本研究应用MeteoInfo软件，并结合美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心所提供的全球再分析资料，对两地区水汽来源进行了模拟。为了较好的比较两地区的水汽来源，基于其大气降水同位素资料分别选取了1985—1992年间两站点各季节大气降水同位素数据(春季：3月；夏季：7月；秋季：10月；冬季：1月)。通过对各个季节每天4个时间点(00:00、06:00、12:00和18:00)到达两站点的气团轨迹进行后向10 d的模拟，并对两地区气团轨迹按其来源进行4条聚类分析。本研究使用ArcGIS10.0软件对聚类分析结果做进一步处理，得出两地区四个季节的降水水汽的后向轨迹（图8）。

图8中a、b显示了两地区春季的水汽来源。由图8可以看出，在冬季风开始逐渐减弱的春季，郑州地区水汽来源均由四支北方大陆气团组成，其中占比最大的为36.29%。而福州地区水汽来源是由两支北方大陆气团、一支印度洋气团和一支来自西太平洋的气团组成，然而来自西太平洋的水汽占比最大，达58.65%。图8c、d显示了两地区夏季的水汽来源，夏季是我国夏季风全盛时期，受夏季风影响的郑州地区夏季主要的水汽来源为来自南海的水汽团，占比44.79%，仅有17.19%来自印度洋水汽，对于受季风影响较强的福州地区夏季大部分水汽则来自低纬度的海洋，包括印度洋、南海以及西太平洋的水汽。图8e、f显示了两地区秋季的水汽来源，对于我国，秋季受西风影响逐渐加强，郑州地区秋季的气团轨迹也主要来自于北方大陆，福州地区秋季的气团轨迹则大部分来自近源气团，只有一支占比仅为6.67%的西太平洋气团。图8g、h显示了两地区冬季的水汽来源，在我国冬季风强盛时期，郑州地区的水汽全部由受西风影响的北方大陆的气团组成，福州地区的气团轨迹大部分来自北方大陆，有一支占比17.05%的水汽气团来自印度洋。

通过对两地区水汽来源进行聚类分析，发现郑州地区在夏季有来自南海和印度洋低纬度的水汽，春季、秋季和冬季的水汽均来自北方大陆，并且由于其特殊的地理位置导致其为各气团水汽来源的交汇处，影响降水的因素复杂。而福州地区受台风影响显著，且主要受低纬度海洋水汽影响，导致福州地区降水δ¹⁸O值与大气降水负相关性没有郑州地区显著。

(1)郑州地区氢氧同位素值在春秋季相对富集，夏季和冬季相对贫乏；常年均受东南季风影响的福州地区，降水氢氧同位素值较郑州地区季节变化不显著。

(2)由于受二次蒸发影响，郑州地区大气降水线方程为δD=6.754δ¹⁸O−2.71，而福州地区受复杂水汽来源影响大气降水线方程为δD=8.19δ¹⁸O+11.73；且郑州和福州地区的温度和降水量之间均表现出负相关关系。

(3)福州地区月平均d-excess比郑州地区偏大，且两地区夏季d-excess值均偏低，冬季d-excess值均偏高，反映出夏季降水水汽来源的相对湿度高于冬季；通过研究气团轨迹对水汽来源进行进一步模拟得出郑州地区在夏季有来自南海和印度洋的水汽，春季、秋季和冬季的水汽均来自北方大陆，福州地区在春季、秋季和冬季有部分来自北方大陆的水汽，夏季所有的水汽均来低纬度海洋。