中亞高山區(qū)云下與地表降水氫氧穩(wěn)定同位素時(shí)空分布特征及其水汽來(lái)源分析

孫從建，周思捷，陳亞寧，陳 偉，喬 鵬

(1.山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030031；2.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011)

大氣降水作為區(qū)域水資源的原始補(bǔ)給，是區(qū)域水循環(huán)過(guò)程的重要輸入因子和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，降水中氫氧穩(wěn)定同位素是大氣降水的重要組成部分，能敏感地響應(yīng)環(huán)境變化[1-2]，是定量研究水循環(huán)過(guò)程的重要示蹤劑[3-5]。

中亞地區(qū)水資源匱乏，大氣降水的變化直接決定了區(qū)域水資源的時(shí)空分布特征，合理認(rèn)識(shí)降水穩(wěn)定同位素對(duì)研究水資源的時(shí)空分布、優(yōu)化配置水資源、保護(hù)生態(tài)都具有十分重要的意義。大氣降水由于在形成、凝結(jié)和降落過(guò)程中會(huì)受到不同程度的分餾過(guò)程影響，使得降水穩(wěn)定同位素組成表現(xiàn)出時(shí)空差異性[6]，而云下與地表降水穩(wěn)定同位素由于區(qū)域氣候環(huán)境的影響也具有顯著差異，挖掘降水中蘊(yùn)含的氫氧穩(wěn)定同位素信息，探討云下與地表降水中的氫氧穩(wěn)定同位素的差異，可以更好地揭示在不同水汽來(lái)源地與輸送路徑影響下的中亞高山區(qū)氫氧穩(wěn)定同位素的時(shí)空變化特征。

降水穩(wěn)定同位素由于溫度效應(yīng)、降水量效應(yīng)、高程效應(yīng)、水汽來(lái)源及降水二次蒸發(fā)等因素的影響，往往表現(xiàn)出顯著的時(shí)空差異，因此被廣泛用于水汽來(lái)源的示蹤與古環(huán)境的反演[7]。相較于地表降水，云下降水更能反映降水水汽來(lái)源的信息。近年來(lái)，地理工作者對(duì)降水穩(wěn)定同位素的研究多基于不同區(qū)域地表降水的長(zhǎng)期觀測(cè)，而云下降水的研究相對(duì)較少，地表和云下降水的對(duì)比研究也相對(duì)匱乏。車存?zhèn)サ萚8]探討了黃河流域的云下二次蒸發(fā)與各氣象要素間的關(guān)系。在地表觀測(cè)方面，靳曉剛等[9]通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)黃河流域全年都存在二次蒸發(fā)現(xiàn)象，在夏季風(fēng)盛行期間最為明顯，其中溫度對(duì)二次蒸發(fā)影響最大，海拔對(duì)其影響最小；曾帝等[10]在分析西北干旱區(qū)降水穩(wěn)定同位素時(shí)發(fā)現(xiàn)，溫度是其主要控制因素，部分區(qū)域夏季存在降水量效應(yīng)，水汽來(lái)源主要是西風(fēng)輸送，但也會(huì)受到季風(fēng)和極地氣團(tuán)的影響；李廣等[11]在云南騰沖地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，在季風(fēng)環(huán)流影響下，騰沖地區(qū)降水中δ18O值的變化不一定遵循降水量效應(yīng)。而在高空水汽研究方面，任行闊等[12]通過(guò)對(duì)青藏高原西北部慕士塔格地區(qū)大氣水汽穩(wěn)定同位素的研究發(fā)現(xiàn)，濕度和溫度對(duì)大氣水汽中的δ18O影響顯著，且濕度的影響更顯著。上述的研究豐富了區(qū)域降水穩(wěn)定同位素的認(rèn)知，但針對(duì)氣候環(huán)境惡劣、人煙稀少的亞洲高山地區(qū)的相關(guān)研究較為匱乏。中亞高山區(qū)深居內(nèi)陸，氣候干旱，降水自云下降落到地表的過(guò)程中受局地環(huán)境(氣象因素、地理位置、二次蒸發(fā)、水汽來(lái)源)影響顯著，降水中的過(guò)量氘很大程度上受到云下不飽和空氣蒸發(fā)的影響，且地表降水穩(wěn)定同位素并不能完全反映該區(qū)域降水的原始水汽來(lái)源信息[13]，需分析云下降水穩(wěn)定同位素的時(shí)空分布特征，才能更好地認(rèn)識(shí)區(qū)域水循環(huán)過(guò)程。而中亞高山區(qū)由于野外采集條件惡劣，區(qū)域降水穩(wěn)定同位素的觀測(cè)以及相關(guān)研究較為匱乏，該區(qū)域作為“亞洲水塔”[14]，是周邊地區(qū)重要的原始水源補(bǔ)給，研究其降水來(lái)源對(duì)認(rèn)識(shí)我國(guó)的水循環(huán)過(guò)程和科學(xué)合理利用水資源具有重要意義[15]。

本文在變化環(huán)境下基于中亞高山地區(qū)4個(gè)區(qū)域(中天山、西天山、喀喇昆侖山、西喜馬拉雅山)7個(gè)降水站點(diǎn)(Kargil站、西合休站、沙曼站、江卡站、沙里桂蘭克站、巴音布魯克站、黃水溝站)的降水穩(wěn)定同位素觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用Stewart雨滴蒸發(fā)模型計(jì)算云下降水氫氧穩(wěn)定同位素，借助HYSPLIT(hybrid single-particle Lagrangian integrated trajectory)模型分析區(qū)域的水汽來(lái)源，揭示中亞高山地區(qū)的云下及地表降水穩(wěn)定同位素時(shí)空分布特征及其與環(huán)境要素和水汽來(lái)源的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況與研究數(shù)據(jù)

中亞高山區(qū)位于亞歐大陸中南部，地處26°40′N～45°20′N、67°20′E～88°20′E之間，北有天山，南有喀喇昆侖山和喜馬拉雅山，是亞洲中部山系最發(fā)育地區(qū)之一，地勢(shì)東高西低，地形以山地與高原為主，山脈與盆地相間分布[16]。研究區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)，溫度高，蒸發(fā)旺盛，降水稀少，極其干燥，全年冬冷夏熱，氣溫年較差與日較差大，屬溫帶大陸性氣候，區(qū)域內(nèi)的河流多為內(nèi)陸河，東南緣青藏高原阻隔印度洋、太平洋的暖濕氣流，海洋氣流勢(shì)力大大削弱，雨水稀少。

根據(jù)區(qū)域環(huán)境特征將研究區(qū)分為中天山、西天山、喀喇昆侖山和西喜馬拉雅山4大區(qū)域(圖1)，并選取西喜馬拉雅山的Kargil站，喀喇昆侖山的西合休站、沙曼站、江卡站，西天山的沙里桂蘭克站以及中天山的巴音布魯克站與黃水溝站7個(gè)站為代表性樣點(diǎn)[17]。其中西合休站、沙曼站、江卡站、沙里桂蘭克站、巴音布魯克站及黃水溝站分別在當(dāng)?shù)厮恼鹃_展地表降水的觀測(cè)，具體信息見表1。

圖1 研究區(qū)與采樣點(diǎn)分布

表1 主要站點(diǎn)的相關(guān)信息

地表降水的樣品以次降水事件為單位開展，以不銹鋼分體式雨量計(jì)收集，待降雨結(jié)束，將雨量筒中的雨水存入10 mL的凍存管中，備份一個(gè)，并編號(hào)記錄降雨的起止時(shí)間、實(shí)時(shí)降水量、溫度、相對(duì)濕度等氣象要素[18-20]，野外由于條件限制可將采集的樣品放入便攜冰箱中，避免水樣產(chǎn)生分餾，帶回實(shí)驗(yàn)室迅速使用Parafilm封口膜密封并低溫冷藏保存。實(shí)測(cè)樣品的室內(nèi)分析主要在中國(guó)科學(xué)院荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，利用Los Gatos Research公司生產(chǎn)的LWIA-V2(DLT-100)液態(tài)氫氧同位素分析儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)定，δ2H和δ18O的測(cè)量誤差均不超過(guò)±1‰和±0.3‰[19]，測(cè)量所得結(jié)果采用維也納平均海洋水(V-SMOW)的千分差表示:

(1)

式中Rsample、Rstandard分別為降水樣品和V-SMOW中重同位素與輕同位素絕對(duì)豐度之比，即同位素比率。

2 研究方法

2.1 云下降水的估算

云下降水的氫氧穩(wěn)定同位素δ2Hc(δ18Oc)可由地表的降水穩(wěn)定同位素δ2Hg(δ18Og)減去地表與云下降水穩(wěn)定同位素差值Δδ2H(Δδ18O)得到，其中地表與云下降水的穩(wěn)定同位素差值用Stewart雨滴蒸發(fā)模型估算，Δδ2H和Δδ18O[21-25]的計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

式中：2α、18α分別為氫和氧同位素的平衡分餾參數(shù)[25-26]；f為雨滴剩余比，即雨滴降落過(guò)程中經(jīng)歷云下二次蒸發(fā)后，剩余的質(zhì)量占雨滴降落時(shí)質(zhì)量的百分比[13]。參數(shù)2γ、18γ、2β和18β的計(jì)算公式[21]如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：HR為相對(duì)濕度；D、D′分別為1H2H16O和1H1H18O在空氣中的擴(kuò)散常數(shù)，根據(jù)Stewart[21]的研究可知，2D/2D′和18D/18D′分別為1.024和1.028 9；n為0.58[25]。在本研究中，參數(shù)f可以通過(guò)下式計(jì)算得到：

(8)

式中：Pg為地面降水量，mm；Pe為蒸發(fā)掉的降水量，mm，其公式為

Pe=et

(9)

式中：e為雨滴蒸發(fā)速率(單位時(shí)間蒸發(fā)的水的質(zhì)量)；t為云底下降到地面的時(shí)間，可用下式計(jì)算：

(10)

式中：Hc-g為云底到地面的高度，m；Vdrop為降水雨滴的降落速度，m/s，根據(jù)孔彥龍[22]的研究，干旱高山區(qū)降水的Vdrop可由下式計(jì)算[22,26]：

Vdrop=9.58e0.035 4Hc-g[1-1.147e-(R/1.77)]

(11)

式中R為雨滴直徑，mm。

式(9)中蒸發(fā)速率e由兩部分組成，即e=A1(T,R)A2(T,HR)，其中A1是環(huán)境溫度T和雨滴直徑R的函數(shù)，cm；A2是環(huán)境溫度T和相對(duì)濕度HR的函數(shù)，g/(cm·s)。根據(jù)周蘇娥等[24-25]的研究，A1和A2的值因具體情況而異。本文采用雙線性插值方法獲取每個(gè)采樣事件在特定氣象條件下的A1和A2，計(jì)算公式為

A1=(-0.244 5T+131.28)(0.2r)×1.613 9

(12)

A2=(-0.73HR+0.726 4)e(-0.002HR+0.037 1)T

(13)

計(jì)算結(jié)果中雨滴蒸發(fā)速率的最終單位為g/s，根據(jù)孔彥龍[22]研究的經(jīng)驗(yàn)公式(干旱區(qū)1 mm降水質(zhì)量約為1 000 g)換算成單位mm/s代入式(8)中求解雨滴剩余比f(wàn)。

2.2 HYSPLIT模型

HYSPLIT模型是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于分析大氣污染物輸送及擴(kuò)散軌跡的模型。該模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)到達(dá)研究終點(diǎn)之前的軌跡路徑的模擬[27-29]，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于降水水汽來(lái)源及水汽輸送路徑的研究。結(jié)合美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心/美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National Centers for Atmospheric Research，NCEP/NCAR)提供的全球再分析資料對(duì)研究時(shí)段內(nèi)發(fā)生的降水的氣團(tuán)后向軌跡進(jìn)行模擬和聚類分析，其中HYSPLIT模型的空間精度為2.5° × 2.5°，模型運(yùn)行的時(shí)間步長(zhǎng)為6 h，由于亞洲高山海拔都在2 000 m以上，運(yùn)行高度選擇3 000 m(700 hPa)，追蹤時(shí)長(zhǎng)為120 h，模型輸出的結(jié)果為降水前5 d內(nèi)水汽的輸送路徑以及沿途的空氣比濕變化[30]。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表降水的穩(wěn)定同位素時(shí)空變化特征

研究區(qū)地表降水穩(wěn)定同位素季節(jié)變化明顯，呈現(xiàn)夏半年富集、冬半年貧化的特點(diǎn)(圖2和圖3)。7個(gè)站點(diǎn)中除Kargil站外，其余站點(diǎn)地表降水的δ2H、δ18O變化趨勢(shì)較為相似，大致呈現(xiàn)1—7月波動(dòng)上升、8—12月波動(dòng)下降的趨勢(shì)。研究區(qū)地表降水δ2H值介于-182.66‰～-10.60‰之間，均值為-88.47‰；δ18O值介于-25.93‰～6.25‰之間，均值為-11.91‰；可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)δ2H、δ18O均值與鄭淑蕙等[31]研究發(fā)現(xiàn)的我國(guó)大氣降水中δ2H、δ18O均值(分別為-50‰和-8‰)相差較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全國(guó)平均值。中亞高山地區(qū)主要受控于西風(fēng)水汽的輸送[32]，西風(fēng)帶輸送的水汽經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的輸送導(dǎo)致水汽中的δ2H和δ18O等重同位素沿途不斷地隨降水消耗，到達(dá)研究區(qū)的地表降水δ2H、δ18O值更加偏負(fù)，這可能是該區(qū)域降水穩(wěn)定同位素低于全國(guó)的主要原因。

(a)Kargil

(a)Kargil

對(duì)比4個(gè)區(qū)域，西天山的地表降水穩(wěn)定同位素變化范圍較大，1—8月呈上升趨勢(shì)，9—11月呈下降趨勢(shì)，最大值和最小值分別出現(xiàn)在8月和11月。在中天山地區(qū)，黃水溝站的地表降水穩(wěn)定同位素變化范圍較小，4—6月呈上升趨勢(shì)，7—12月呈下降趨勢(shì)，最大值和最小值分別出現(xiàn)在7月和12月。Kargil站的地表降水的穩(wěn)定同位素與其余站點(diǎn)不同，在8月呈現(xiàn)最小值，這可能與其水汽來(lái)源有關(guān)，該站點(diǎn)處于西喜馬拉雅山山谷，水汽受印度洋影響較嚴(yán)重。

氘盈余(d-excess)是普遍被用來(lái)示蹤水汽來(lái)源的重要綜合環(huán)境因素指標(biāo)[33-35]。研究區(qū)地表降水d-excess值(圖4)整體上呈現(xiàn)夏低冬高的趨勢(shì),變化范圍為9.63‰～24.75‰，均值為14.84‰，最大值和最小值分別出現(xiàn)在12月和8月。該區(qū)域地表降水中年均d-excess值高于10‰，表明該地區(qū)降水受到較為強(qiáng)烈的蒸發(fā)影響，云下二次蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致d-excess值發(fā)生顯著變化。

(a)Kargil

空間分布上，中亞高山區(qū)地表降水中δ2H、δ18O整體上呈現(xiàn)自南向北的減少趨勢(shì)，以年均值為例，巴音布魯克站δ2H、δ18O值最低，分別為-98.26‰和-15.19‰；黃水溝站δ2H、δ18O值最高，分別為-66.38‰和-10.09‰，年均值的變化趨勢(shì)表明該區(qū)域高山地表降水穩(wěn)定同位素具有較為明顯的緯度效應(yīng)。對(duì)比不同季節(jié)發(fā)現(xiàn)，夏季該區(qū)域空間差異較為顯著，其中江卡站降水穩(wěn)定同位素呈現(xiàn)顯著的富集效應(yīng)，而地處河谷區(qū)的Kargil站最低。這表明，特殊的地形環(huán)境以及局地氣候?qū)τ谥衼喐呱絽^(qū)地表降水的穩(wěn)定同位素影響極其顯著。

3.2 云下降水的穩(wěn)定同位素時(shí)空變化特征

降水是水循環(huán)過(guò)程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，雨滴從云下降落到地面的過(guò)程中，受到不飽和大氣壓的影響發(fā)生非平衡分餾，進(jìn)而影響同位素的比率，因此明確云下降水中δ2H和δ18O的變化特征對(duì)研究本區(qū)域水循環(huán)具有重要意義[36]。

研究區(qū)云下降水穩(wěn)定同位素季節(jié)變化趨勢(shì)與地表降水穩(wěn)定同位素較為相似，即1—8月上升，9—12月下降，呈現(xiàn)夏半年富集、冬半年貧化的特點(diǎn)。全區(qū)云下降水中δ2H值介于-185.20‰～-9.97‰之間，均值為-90.80‰；δ18O值介于-28.72‰～-4.36‰之間，均值為-15.03‰，與地表降水穩(wěn)定同位素相比，δ2H值和δ18O值均減小，說(shuō)明雨滴自云下降落到地表的過(guò)程中，區(qū)域云下二次蒸發(fā)作用導(dǎo)致地表降水δ2H和δ18O富集。研究區(qū)內(nèi)除Kargil站以外的6個(gè)站點(diǎn)的云下降水穩(wěn)定同位素變化趨勢(shì)相似，處于西喜馬拉雅山的Kargil站在8月云下δ2H和δ18O發(fā)生驟降，δ2H降為-91.81‰，δ18O降為-13.12‰，與地表δ2H(-91.66‰)和δ18O(-12.85‰)相比，差距較小，表明該站點(diǎn)8月集中降水時(shí)受到了不同水汽來(lái)源的影響。

對(duì)比云下與地表降水中d-excess值(圖4)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)云下降水中d-excess值在12月達(dá)到最高值為44.54‰，5月達(dá)到最低值為18.67‰，全年d-excess均值為25.71‰；云下降水d-excess值年內(nèi)整體為冬季高而夏季低，這可能與水汽來(lái)源輸送具有一定關(guān)系，冬夏間d-excess值的顯著變化表明該區(qū)域年內(nèi)水汽來(lái)源較為復(fù)雜。與地表d-excess年均值(14.84‰)相比，云下降水中d-excess值偏高，很有可能是因?yàn)樵葡滤麣鈭F(tuán)相對(duì)濕度較大且雨滴自云下降落到地面的過(guò)程中發(fā)生了強(qiáng)烈的二次蒸發(fā)，致使到達(dá)地表的d-excess值大幅降低。

3.3 云下與地表大氣降水線

大氣降水線可揭示大氣降水中δ2H和δ18O之間的線性關(guān)系，由于不同地區(qū)降水的氣象條件、地形因素、季節(jié)變化和水汽來(lái)源的不同，大氣降水中的同位素分餾會(huì)存在差異，因此各地的大氣降水線都具有不同的斜率和截距，大氣降水線的斜率代表δ2H和δ18O的分餾速率對(duì)比關(guān)系，截距代表氘對(duì)平衡狀態(tài)的偏離程度[35]。對(duì)中亞高山區(qū)及其7個(gè)站點(diǎn)的δ2H和δ18O進(jìn)行一元線性回歸分析，擬合得到局地大氣降水線(圖5)。

根據(jù)地表降水中δ2H和δ18O同位素?cái)?shù)據(jù)，用最小二乘法得到中亞高山區(qū)的地表降水線方程為δ2H = 7.46δ18O+7.45。該方程與Craig[36]提出的全球大氣降水線方程(以下簡(jiǎn)稱GMWL)δ2H = 8δ18O+10及中國(guó)大氣降水線方程δ2H = 7.9δ18O+8.2[31]相比，其斜率和截距都偏低，造成這種差異的原因可能是該地區(qū)深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，氣候干燥，降水過(guò)程受到蒸發(fā)作用，引起同位素不平衡分餾[37]。研究區(qū)云下降水線方程為δ2H = 7.56δ18O+25.01，與地表降水線相比斜率和截距都偏高，反映出雨滴降落過(guò)程中云下氫氧穩(wěn)定同位素的不平衡分餾效應(yīng)較弱且大氣濕度高于地表氫氧穩(wěn)定同位素。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)各區(qū)域大氣降水線呈現(xiàn)顯著空間差異(圖5)。西喜馬拉雅山的Kargil站以及中天山的巴音布魯克站、黃水溝站的云下和地表大氣降水線截距都顯著低于8，表明這些區(qū)域的云下和地表的降水穩(wěn)定同位素普遍受到蒸發(fā)的影響，降水線體現(xiàn)顯著的干旱影響特征，而西天山的沙里桂蘭克站云下和地表大氣降水線斜率差異顯著，表明這一區(qū)域云下降水降落過(guò)程中蒸發(fā)對(duì)雨滴影響顯著。位于喀喇昆侖山的西合休站和沙曼站的地表降水線的斜率和截距均高于GMWL，這兩個(gè)站點(diǎn)位于海拔較高的山谷，局地蒸發(fā)的水汽(穩(wěn)定同位素較貧化)對(duì)區(qū)域降水影響較大，使得該區(qū)域的大氣降水線方程的斜率和截距都偏高。喀喇昆侖山3個(gè)站點(diǎn)的云下降水線的截距均大幅高于GMWL，該區(qū)域降水時(shí)云下氫氧穩(wěn)定同位素分餾偏離平衡，d-excess值顯著增加，導(dǎo)致云下降水線截距較高。

(a)Kargil

4 討 論

4.1 氣象因素與氫氧穩(wěn)定同位素的相互關(guān)系

氣象因素、地理位置、水汽來(lái)源被證明對(duì)區(qū)域降水穩(wěn)定同位素具有顯著的影響，其中氣象因素由于直接影響穩(wěn)定同位素的分餾過(guò)程，是降水穩(wěn)定同位素變化最重要的影響因子。眾多研究者基于氣象因素與區(qū)域降水穩(wěn)定同位素變化間的關(guān)系開展了相關(guān)研究，如：張百娟等[32]研究祁連山降水穩(wěn)定同位素時(shí)發(fā)現(xiàn)其溫度效應(yīng)顯著，即溫度每升高1℃，δ18O增加0.64‰；周海等[38]基于河西走廊降水穩(wěn)定同位素的研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)域降水δ18O變化具有顯著的季節(jié)變化特征，與溫度呈正相關(guān)關(guān)系。本文基于中亞高山區(qū)地表降水穩(wěn)定同位素的觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，該區(qū)大氣降水中的氫氧穩(wěn)定同位素與溫度亦存在較為明顯的正相關(guān)關(guān)系，即氣溫越低，降水氫氧穩(wěn)定同位素的分餾越大，大氣降水的δ18O值越低。如表2所示，中亞高山區(qū)中除沙曼站和黃水溝站外，氣溫均與δ18O呈正相關(guān)，且R2>0.5，說(shuō)明具有顯著的溫度效應(yīng)，其中喀喇昆侖山區(qū)的西合休站斜率最大，西喜馬拉雅山的Kargil站斜率最小，說(shuō)明西合休站降水δ18O與溫度波動(dòng)的關(guān)系最為顯著，而Kargil站的溫度效應(yīng)不明顯，表明這一地區(qū)受大陸氣團(tuán)的控制較弱。

表2 地表降水δ18O、d-excess值與氣象控制因子的關(guān)系

降水量的變化對(duì)區(qū)域大氣降水穩(wěn)定同位素的變化具有一定影響[39]，通過(guò)對(duì)比7個(gè)站點(diǎn)降水δ18O與降水量的關(guān)系發(fā)現(xiàn)研究區(qū)所有站點(diǎn)降水δ18O與降水量的關(guān)系并不明顯，Kargil站、西合休站、沙曼站、江卡站、黃水溝站的降水δ18O與降水量呈現(xiàn)低的負(fù)相關(guān)關(guān)系，沙里桂蘭克站、巴音布魯克站的降水δ18O與降水量呈現(xiàn)低的正相關(guān)關(guān)系，這主要是因?yàn)橹衼喐呱絽^(qū)深居內(nèi)陸，距海遙遠(yuǎn)，海拔較高，大陸性氣候顯著，氣候干旱，受季風(fēng)影響較小，降水量效應(yīng)表現(xiàn)不明顯。

4.2 位置因素與氫氧穩(wěn)定同位素的相互關(guān)系

如圖6所示，中亞高山區(qū)地表降水δ2H和δ18O與高程呈現(xiàn)出較顯著的線性關(guān)系，δ2H和δ18O隨海拔的增加逐漸降低,且R2>0.5，地表δ2H與高程E的關(guān)系式為：δ2H=-0.0307E+21.33，海拔每上升100 m，地表同位素δ2H值減小3.07‰。在水汽輸送過(guò)程中，隨著海拔的增加，降水中的重穩(wěn)定同位素逐漸發(fā)生貧化，降水中的δ18O值減少。地表的大氣降水δ18O具有顯著的高程效應(yīng)，其中海拔每升高100 m，地表降水δ18O值減少0.31‰，高于劉忠方等[40]計(jì)算的全國(guó)降水高程效應(yīng)斜率(-0.16‰)，表明中亞高山區(qū)地表降水δ18O值受高程影響更大，高程效應(yīng)更顯著。中亞高山區(qū)地表大氣降水同位素d-excess值與高程間的相互關(guān)系并不顯著，d-excess值的變化可能與當(dāng)?shù)厮麃?lái)源間的關(guān)系更為顯著。

(a)δ2H

4.3 水汽來(lái)源與氫氧穩(wěn)定同位素的相互關(guān)系

水汽是降水的重要物質(zhì)組成，對(duì)區(qū)域降水穩(wěn)定同位素的影響十分顯著，分析研究水汽分布及其輸送有利于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)中亞高山區(qū)降水穩(wěn)定同位素的時(shí)空分布特征。基于HYSPLIT模型對(duì)研究區(qū)上空3 000 m的水汽輸送路徑進(jìn)行為期12月的模擬追蹤(圖7)，模擬的結(jié)果是降水發(fā)生前120 h的水汽輸送路徑及水汽輸送比例，括號(hào)外和括號(hào)內(nèi)的數(shù)值分別代表水汽軌跡聚類后的路徑數(shù)和路徑占比。將中亞高山區(qū)分為中天山地區(qū)(以巴音布魯克站為代表)、西天山地區(qū)(以沙里桂蘭克站為代表)、喀喇昆侖山地區(qū)(以西合休站為代表)以及西喜馬拉雅山地區(qū)(以Kargil站為代表)4個(gè)地區(qū)從夏半年(4—10月)和冬半年(11月—次年3月)分別展開討論。結(jié)果表明，夏半年西天山、中天山、喀喇昆侖山及西喜馬拉雅山的水汽降水主要源自西風(fēng)控制下中高緯度西伯利亞大陸氣團(tuán)，8—9月存在少有的西南方向的印度洋水汽。而冬半年西天山、中天山、喀喇昆侖山及西喜馬拉雅山的水汽來(lái)源相似，水汽主要源自西風(fēng)帶輸送下的北大西洋水汽以及局地再循環(huán)水汽，同時(shí)在西喜馬拉雅山發(fā)現(xiàn)有源自西南方向的印度洋水汽輸送。

(a)1月

1—4月研究區(qū)從西南部的西喜馬拉雅山到中天山主要受單一氣團(tuán)西風(fēng)帶的控制，降水中δ18O值自西喜馬拉雅山向中天山逐漸降低，降水中d-excess值逐漸上升，1—4月平均值分別為25.41‰、21.29‰、22.34‰和19.90‰，d-excess值顯著偏高。這一時(shí)期，該區(qū)主要受大陸氣團(tuán)控制，西風(fēng)帶輸送的水汽經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離的輸送，沿途蒸發(fā)作用不斷消耗水汽，再加上氣團(tuán)本身內(nèi)部水汽相對(duì)濕度較低，使得降水較少，降水中的d-excess值顯著偏高。5月研究區(qū)除受西風(fēng)影響外，中天山和西天山地區(qū)降水水汽源地還包括西伯利亞地區(qū)，水汽比例分別占當(dāng)?shù)氐?.03%和5.65%；這一時(shí)期中天山地區(qū)云下降水中δ18O值為-9.36‰、d-excess值為28.80‰，西天山降水中δ18O值為-10.29‰、d-excess值為13.37‰。6—8月，西天山、中天山、喀喇昆侖山及西喜馬拉雅山的水汽來(lái)源相似，降水的水汽輸送來(lái)源主要有3條，分別是西方路徑、西南路徑和北方路徑。西方路徑中來(lái)自緯向西風(fēng)輸送的水汽對(duì)夏季降水貢獻(xiàn)最大，主要經(jīng)過(guò)東歐平原，翻越烏拉爾山脈，穿過(guò)哈薩克丘陵到達(dá)研究區(qū)，西方路徑的水汽貢獻(xiàn)占比最大；西南路徑的水汽輸送通道主要源自伊朗高原西北部的幼發(fā)拉底河和底格里斯河，經(jīng)過(guò)里海、圖蘭低地到達(dá)研究區(qū)，西南路徑的水汽貢獻(xiàn)較大；來(lái)自北方路徑的水汽輸送通道自西西伯利亞平原東部的葉尼塞河且一路向南翻越哈薩克丘陵，經(jīng)過(guò)巴爾喀什湖到達(dá)研究區(qū)，北方路徑的水汽貢獻(xiàn)占比最小。其中喀喇昆侖山除了西風(fēng)帶輸送的水汽之外，局地再循環(huán)水汽的影響使其在8月降水中的δ18O值全年最高，達(dá)到0.93‰，說(shuō)明近距離的局地再循環(huán)水汽由于水汽輸送距離較短，水汽中重同位素的沖刷作用較小，導(dǎo)致降水中δ18O值較高。8月中天山的水汽源地較為復(fù)雜，但其降水水汽性質(zhì)大都屬于近距離的局地再循環(huán)水汽，較高的溫度和較低的濕度使d-excess值顯著降低，且低于全國(guó)均值10‰，僅有7.14‰。9月西喜馬拉雅山約77.50%的水汽輸送來(lái)自西南方向，22.50%的水汽輸送源自印度洋，云下降水中δ18O值為-9.70‰，d-excess值為11.51‰，可以發(fā)現(xiàn)受區(qū)域強(qiáng)烈二次蒸發(fā)的影響降水呈現(xiàn)δ18O富集、d-excess值降低的特征[41]。10—12月研究區(qū)4個(gè)區(qū)域主要受西風(fēng)控制，其中12月西天山d-excess值最低，為9.30‰，中天山d-excess值最高，達(dá)72.73‰，d-excess值較高說(shuō)明其水汽主要源自濕潤(rùn)的海洋氣團(tuán)，溫度較低，大氣相對(duì)濕度高，沿途飽和大氣壓致使其蒸發(fā)作用較弱。

5 結(jié) 論

a.中亞高山區(qū)7個(gè)站點(diǎn)的地表和云下降水δ2H和δ18O季節(jié)變化明顯，主要表現(xiàn)為夏半年富集、冬半年貧化，冬半年d-excess值普遍大于夏半年，Kargil站云下與地表降水δ2H和δ18O差異最小，黃水溝站差異最大。

b.中亞高山區(qū)云下與地表大氣降水線斜率均小于8，表明研究區(qū)氣候較為干旱，其中地表大氣降水線的斜率最小，其次為云下大氣降水線和GMWL的斜率；地表大氣降水線的截距最小，其次為GMWL和云下大氣降水線的截距。

c.中亞高山區(qū)地表和云下降水的δ2H和δ18O具有明顯的溫度效應(yīng)，降水δ18O與降水量關(guān)系不明顯，地表降水δ2H和δ18O與高程具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

d.中亞高山區(qū)全年降水主要受西風(fēng)帶輸送的北大西洋水汽及局地再循環(huán)水汽補(bǔ)充，印度洋水汽對(duì)西喜馬拉雅山區(qū)降水具有一定的影響。