水汽是地球大气的重要组分之一，与地球水循环过程密切相关，其来源主要包括海洋蒸发和地表蒸发、蒸腾等自然过程；然而，化石燃料（如：煤，石油，天然气等）在燃烧过程中除了排放CO₂外，与之相伴的也会产生大量的水汽。据估算，每年人类活动产生的化石源水汽占全球大气水库的比例大约为0.17% (大气中的固定水汽含量约为12.7-13.0 10³ km³) ，然而，在人类聚集的城市地区，该比例可以达到10%以上。大气水汽含量的升高会给城市带来一系列的负面影响，如：大气污染加剧、太阳辐射减弱、极端天气事件增多、温室效应增强等。因此，急需准确定量化石源水汽在大气水汽中的占比，才能有效评估人类活动对于大气水汽的影响。目前，仅仅通过观测大气绝度湿度、相对湿度、水汽压或者露点温度的变化并不能准确区分自然源水汽和人为源水汽的贡献。然而，自然源水汽和化石源水汽在同位素组成上的巨大差异为我们提供了可能性（图1）。

中国科学院地球环境研究所“极端气候事件及影响”团队（EXCEIS）通过在线观测技术，测定了煤、天然气、液化气燃烧过程产生的水汽和汽车尾气排放的水汽δ¹⁸O_v、δ²H_v及d-excess_v的组成特征（图2）。研究结果表明，化石燃料燃烧过程中由于大气O₂（23.9‰）的参与，因此，产生的水汽δ¹⁸O_v继承了大气O₂同位素组成，从而造成化石源水汽δ¹⁸O_v显著偏正和d-excess_v显著偏负的特征（图3）。不同燃料燃烧产生的δ¹⁸O_v之间的差异和燃料的化学组成及空气中O₂参与燃烧时，¹⁸O原子在CO₂和H₂O之间的分配比例不同有关。大体上，我们在线观测的化石源水汽同位素组成变化范围和理论值相接近。我们研究结果能够更加精准的限定局地排放的化石源水汽同位素特征，为今后示踪城市大气水汽来源，评估人为源水汽对于大气污染贡献及对局地水循环影响等提供了重要的研究手段。

该研究近日发表于环境领域期刊Environmental Science & Technology，邢萌副研究员为第一作者，刘卫国研究员为通讯作者。研究得到了国家自然科学基金项目（42177093）、中国科学院西部之光项目（XAB2020YN01）、国家重点研发计划（2023YFF0804300）和黄土科学全国重点实验室培育项目（SKLLQGPP2503）的资助。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c08595?ref=pdf

图1 自然源水汽和化石源水汽d-excess_v组成示意图

图2 汽车排放尾气观测现场及同位素组成测定结果

图3 自然源和化石源水汽同位素组成理论值和测定值