高寒干旱区降水氢氧稳定同位素组成及其水汽来源：以昆仑山北坡格尔木河流域为例

饶文波，李垚炜，谭红兵，李永国，温 川，张西营

（1.河海大学地球科学与工程学院，江苏南京 211100；2.青海省水文地质工程地质环境地质调查研究院，青海西宁 810008；3.青海省水文水资源测报中心格尔木分中心，青海格尔木 816099；4.中国科学院青海盐湖研究所，青海西宁 810008）

1 研究背景

青藏高原海拔高、气候寒冷、生态环境脆弱，是全球极为典型的高寒区［1］。东昆仑山系位于青藏高原的北部。该山系北坡发育几条大的河流，那棱格勒河、格尔木河、诺木洪河等。这些河流为寒冷干旱的柴达木盆地输送了宝贵的地表水资源，在维系脆弱的生态环境、平衡地下水循环、保障当地工农业及居民生活等方面充当极为重要的角色［2］。近年来的研究发现，河径流量年内变化极大，直接影响下游城镇与工农业的可持续发展［3］。这些河流的盆地段气候异常干旱，降水稀少，而山区段是流域降水的主要发生区和径流的形成区［3］。因此，山区降水是影响河流水文循环与水资源变化的重要因素。深入认识降水变化特征与水汽来源有助于正确理解高寒干旱区河流水文循环理论与合理指导当地有限的地表水和地下水资源利用［4］。

氢氧稳定同位素（2H、18O）是构成水分子的两种主要同位素，对气候与环境变化极为敏感，随气候参数或环境因子表现出明显的规律性变化特征，在水文循环中有显著的标记效应，能够反映水源、蒸发、混合等水文信息［5-8］。因此，在水文学领域中H-O稳定同位素示踪已被视为有效的研究方法［9-12］。近年来，这一方法在大气降水来源研究中得到了广泛应用［13-16］。随着气候振荡加剧和人类活动的增强，青藏高原水文循环已成为学者关注的焦点［17-20］。目前，利用H-O稳定同位素示踪方法开展青藏高原大气降水的研究也因此逐渐增多。例如，田立德等［21］基于降水及河水同位素数据发现青藏高原氘盈余值在唐古拉山南北两侧显示不同的特征，认为与水汽来源不同有关；Wu等［22］对黑河流域降水δ18O与δ2H的时空变化特征进行了深入研究，指出降水同位素组成受凝结作用和水汽来源所控制；Gao等［23］通过冰芯同位素分析发现北印度上空的对流活动控制青藏高原南部降水δ18O的季节变化规律。模型模拟也是水文领域中应用较广且流行的方法与手段，在模拟水文循环过程与趋势、评估其对气候环境因子的响应等方面有独到的优势［24-27］。同位素示踪与模型模拟获得的结果可交叉验证、相互补充，两者有机融合有助于更客观全面地理解局地乃至区域尺度的水汽循环机理。然而，多数研究集中在青藏高原南部及祁连山地区［20-22，28］，而较少涉及东昆仑山-柴达木盆地一带［29-31］，制约了对高寒干旱区水汽循环的整体性认识，也不利于对当地水资源利用的科学指导。

本文着重从同位素示踪的角度出发，选择位于格尔木流域中上游的纳赤台水文站为研究监测点，收集2019年6—10月期间的每一次降水事件样品，监测降水量、气温等主要气象参数，拟查明山区降水同位素变化特征及影响因素，阐明降水水汽来源。预期成果可助于深入理解高寒山区水汽循环理论，为区域性水文模型构建提供资料，同时为当地水资源管理决策提供科学依据。

2 研究区域

格尔木河发源于东昆仑山北坡，是流入柴达木盆地的第二大河流，总长468 km，由南向北流经山区、山前冲洪积扇，经格尔木市后分为东、西河，最终流入盆地中部的达布逊湖（图1）。格尔木河流域位于柴达木盆地的南缘中段，行政上隶属青海省海西蒙古族藏族自治州格尔木市管辖，平均海拔约2800 m，面积约6750 km2［3］，由昆仑山山地、洪积平原和沉积平原三个地貌单元组成。该流域地势由南向北逐渐降低，以南山口为界（图1），以南为昆仑山，地基岩裸露，部分覆盖薄层风积砂，植被稀疏；以北为洪积平原和沉积平原，洪积平原砾石裸露，植被稀少，呈典型的戈壁荒漠带，沉积平原由南至北植被由茂密转向稀疏，地表逐渐出现盐霜及盐壳分布［4］，其生态环境极为脆弱。格尔木流域干旱少雨，蒸发强烈，日照强，多风，昼夜温差大，其气候属于典型的高原内陆高寒干旱气候。该流域降水主要受西风环流和高原季风环流的共同影响［32-33］，年平均降水量为42.47 mm，年平均蒸发量为1540.95 mm，降水分布极为不均，在空间上，山区降水较多，平原降水极少，时间上降水主要集中于每年6—8月，约占全年降水量的60%～70%［4］。研究区纳赤台水文站（N35°52′26.11″，E94°33′47.50″）设于格尔木河的山区段，海拔为3552 m，距离格尔木市约92 km。根据该水文站2019年气象监测资料，月均气温在1月和12月最低，达到-15℃，在8月份最高，为9℃。12月份基本没有降水，1月降水仅为1.5 mm，6—9月为雨季，每月降水均在33 mm之上（图2）。格尔木河年均径流量为6.9亿m3/a［3］，由于山区降水影响，该河流在雨季时常突发洪水，对下游格尔木市工农业生产生活带来一定的不利影响。

图1 格尔木河流域及纳赤台水文站位置

3 样品采集与测试方法

3.1 样品采集纳赤台水文站协助采集了2019年6月至10月之间的降水事件样品。降水收集器在采用超纯水洗净、烘干之后放置于离地面2 m的位置。降水事件发生前后，用防尘盖遮挡降水收集器，防止干沉降或其它杂物污染，降水事件发生时，打开防尘盖，开始接收降水。本次研究共采集51个降水样品。降水盛装于事先洗净的高密度聚乙烯（HDPE）样品瓶中。根据所接收的降水量大小，选择不同体积的HDPE样品瓶，尽量使降水装满样品瓶。同时，采用美国Parafilm公司分子生化级封口膜对瓶口密封。其目的是防止蒸发影响。样品采集后立即运往河海大学地球科学与工程学院稳定同位素实验室，在同位素与化学分析之前于冰箱中4℃条件下保存。另外，在纳赤台水文站监测了降水和气温等气象参数（图2）。

图2 纳赤台2019年月降水、气温与蒸发变化特征

3.2 测试方法所有水样的氢氧稳定同位素组成在河海大学地球科学与工程学院同位素实验室测定。所用仪器为LGR水同位素分析仪（IWA-45EP，美国Los Gatos Research 公司），样品δ2H和δ18O的测量精度分别为±1‰和±0.1‰。水样测试之前用0.22 mm 孔径的滤膜过滤，测量的结果用相对于VSMOW（维也纳标准平均海水）标准的δ（‰）表示：

3.3 HYSPLIT 模型HYSPLIT（Hybrid-Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory）模型由美国海洋大气局（NOAA）设计，可用来追踪气流所携带的离子或气流移动方向［34］，也可用来识别水汽源区与迁移路径［28，35］。本研究使用该模型对2019年6—10月期间的51次降水事件水汽迁移路径进行了后向气团轨迹模拟分析。该模型所使用的气象资料来源于NCEP（美国国家环境预报中心）的全球再分析资料，轨迹的起始位置为纳赤台水文站（35°52′26.11″N，94°33′47.50″E，海拔3552 m），轨迹的起始时间按照国际标准时间选取，后向轨迹延伸时间为72 h，模拟层高度分别设为500、1000和2000 m。通过模拟，获得每一次降水事件在3 个高度层面上的水汽迁移轨迹。结合HYSPLIT 模拟得到的kmz 数据，应用MeteoInfo Map 软件进行聚类分析，计算得到51次降水事件水汽迁移在3个高度的平均轨迹与分量。该模型的详细说明与操作参见文献［34-35］。

4 结果与讨论

4.1 纳赤台降水同位素特征及其影响因素2019年6—10月期间纳赤台日降水δ18O与δ2H值分别在-23.38‰至2.56‰和-158.6‰至30.5‰之间变化（表1 与图3）。此期间，氘盈余（d-excess）的变化也很大，变化范围为-7‰至38.6‰（表1与图3）。这几个月降水的H-O稳定同位素组成加权均值都低于其算术均值，暗示了降水量大的日降水事件由较负的H-O稳定同位素组成。不同月份降水同位素组成也存在较明显的差异（表1与图3）。从同位素月加权均值来看，6月、7月和9月降水同位素组成较为接近，而8月的较负，10月的最负（表1与图3）。

表1 纳赤台2019年6—10月的降水同位素组成统计

图3 纳赤台日降水同位素组成及气象参数

如图3所示，6、7月份日降水δ18O值在2‰～10‰之间，高低振荡变化与降水量、蒸发量似乎没有太大的一致性，而与气温有一定的对应。自8月份以后，随着气温下降，日降水δ18O值呈现降低的趋势。如表2所示，日降水δ18O和d-excess值与降水量的相关性都较差，表明降水量不是降水同位素的主控因素。日降水δ18O和d-excess值在p=0.01水平上与气温存在极显著的相关关系，即，随着气温的升高，δ18O值增加而d-excess 值降低（表2）。同时，蒸发量与日降水δ18O在p=0.01水平上极显著相关，与d-excess值在p=0.05水平上显著相关（表2）。另外，气温与蒸发量之间在p=0.01水平上极显著相关（表2）。因此，气温是引起蒸发的主要因素，也是控制日降水同位素组成变化的驱动力［36］。这主要是因为干旱地区气温升高后降水过程中雨滴的再蒸发引起其中的重同位素浓缩［6］。

表2 纳赤台2019年6—10月日气象因素与日降水氢氧稳定同位素值的相关性分析

4.2 流域降水线方程基于2019年6—10月纳赤台降水同位素数据，建立了格尔木河流域山区当地大气降水线：δ2H=7.4×δ18O+13.2（图4）。绝大部分日降水同位素数据点落在全球降水线（GMWL）之上，多数月加权均值也是如此（图3）［37-38］。这表明降水与当地水体的蒸发-凝结密切相关［39-40］。8月降水同位素组成的月加权均值落在GMWL线上，表明这个月份的水汽与其它月份的在来源上有差异。

图4 格尔木河流域降水同位素关系线

孙存熠［29］早在1990年代利用格尔木河流域降水、昆仑山雪、冰雪融水及河水的同位素数据建立了流域降水线：δ2H=7.113×δ18O+7.25。王宇航［3］利用格尔木地区降水观测资料修正了孙存熠建立的格尔木地区当地降水线方程［3］。修正的降水线方程为δ2H=6.98×δ18O+9.6。朱建佳等［41］基于格尔木2010年6—9月份的降水同位素特征建立了一个降水线：δ2H=7.84×δ18O-4.57。Yang等［38］测定了昆仑山口2013年6月24日—8月28日之间的降水H-O 稳定性同位素组成，并且获得一条当地降水线方程：δ2H=8.5×δ18O+18.39。本研究建立的当地降水线与孙存熠［29］和王宇航［3］的较为接近，而与朱建佳等［41］和Yang等［38］的差别较大。由于山区的降水较多而格尔木地区的降水很少（图2），已有研究获得的降水线不能代表整个格尔木河流域，也不能正确反映山区流域的降水信息。昆仑山口位于格尔木流域源头区域附近，海拔在4700 m之上，其降水线也只能反映源头区域的信息［38］。纳赤台站位于格尔木河流域的中上游，其降水线能够反映山区降水的基本信息，可为精确刻画格尔木流域山区段的水循环提供较好的参考。

表3列出了中国西部主要地点的降水同位素关系线。青藏高原降水同位素关系线斜率与截距明显高于其它地区（表3）；同时，位于青藏高原上的拉萨、沱沱河、格尔木及纳赤台等地降水同位素关系线也存在差异，即格尔木、纳赤台降水同位素关系线斜率稍低于拉萨和沱沱河的。总体上，从青藏高原南部至内蒙古西部沙漠当地降水线斜率与截距都存在变小的趋势。这些差异的存在反映了不同地区降水来源及环境条件有一定的差异：青藏高原南部较湿润，水汽主要受印度洋季风控制，而其北部及以北地区较干旱，水汽由西风带或当地水体蒸发输送而来［23，43］。关于德令哈降水同位素关系线，田立德等［21］报道的与朱建佳等［41］报道的差别较大，其中的原因还需要进一步探究。

表3 中国西部各地区降水氢氧同位素关系

4.3 山区水汽来源降水中的氘盈余（d-excess）被定义为：d-excess=δ2H-8δ18O［44］，能反映水汽来源地及其环境特征，是追踪水汽来源的有效指标［45］。一般地，来自高纬度内陆蒸发的降水d-excess值>10‰，而来自低纬度海洋蒸发的降水d-excess 值<10‰［6，46］。在干旱气候条件下雨滴在降落过程中蒸发强烈也会造成降水d-excess值偏低［21，47］。如图3所示，51个降水事件中，仅有8次降水事件的d-ex⁃cess值小于10，且多数集中在8月份。8月份的月加权d-excess值明显低于其它月份的值（图3）。这表明8月份水汽来源与其它月份的明显不同。HYSPLIT模型模拟结果显示此月份存在东西南北等各个方向的水汽来源（图5和表4），表明了8月份水汽来源具有一定的复杂性。东亚夏季风尽管到达柴达木盆地已是强弩之末但仍可能是导致8月份降水d值低的一个重要因素［41］。其它月份降水事件d-excess值基本大于10，绝大多数在20以上。多数学者对青藏高原水体同位素特征的研究发现［21，23，43］：印度季风难以越过唐古拉山，而唐古拉山以北地区的降水受大陆性气候的影响，区域性蒸发明显，d-ex⁃cess值较大。田立德等［48］对喜马拉雅山中段的氘盈余分析进一步表明：低的氘盈余值反映强的季风降水和较弱的西风水汽输送时期，而高的氘盈余值对应弱的季风活动与强的西风输送时期。HYSPLIT模型模拟结果显示了大部分的水汽来源于北、西北、西及西南方向（图5和表4），表明了西风带及局地水汽循环造成了格尔木河流域降水d-excess 值的偏高。HYSPLIT 模型结果分析进一步发现：2000 m高程的水汽主要来自西部，1000 m高程的水汽除来自西部以外相当一部分来自西北部，500 m高程的水汽有一半以上来自西北部及北部（图5 和表4）。大西洋、地中海等位于西风环流的路径上。而且，地中海及欧亚大陆腹地为降水氘盈余d-excess的峰值区［49］。因此，纳赤台2000 m以上的大气降水可能是由西风环流携带大西洋、地中海等地水体蒸发的湿气而来并形成的。纳赤台1000 m高程的降水除了由西风环流携带而来的湿气补给之外，也可能受来自北方向的西伯利亚气流影响。除西风环流和西伯利亚气流影响之外，纳赤台500 m高程的降水也接受近地面气流作用下柴达木盆地及周边地区水体蒸发的补给。尽管这些地区蒸发强烈［3］，但是其水体面积小，水体蒸发不足以显著影响当地降水。因此，由高空西风环流长距离携带而来的水汽是纳赤台乃至格尔木流域降水的主要贡献者。

表4 纳赤台地区降水水汽来源贡献比例

图5 基于HYSPLIT模型模拟的纳赤台2019年6月—10月水汽迁移轨迹路径

5 结论

本文于2019年6—10月在格尔木河流域山区段纳赤台水文站接收了日降水样品，查明了日降水的氢氧稳定同位素组成特征与影响因素，建立了山区降水线方程，追踪了山区降水水汽来源。研究期间日降水δ18O 与δ2H 值分别在-23.38‰至2.56‰和-158.6‰至30.5‰之间变化，气温是其变化的主控因素。建立的山区降水线方程为δ2H=7.4×δ18O+13.2。由于格尔木河流域降水主要发生在山区而在平原区很少，该降水线能基本反映整个流域的降水信息，为流域水循环研究提供可靠的参考。山区降水水汽主要与西风环流及局地水汽循环密切相关。高空水汽主要由西风环流携带而来，而低空水汽还与内陆水体蒸发有关。值得注意的是，与其它月份不同，8月份的降水还受东亚季风的影响。因此，今后的流域水资源管理工作宜针对不同月份适当调整流域节水用水方案。虽然本研究成果是基于较短的时间尺度获得的，但是其可为高寒干旱区流域乃至区域性降水水汽循环模拟提供基础资料，为揭示该地区降水水汽长时间尺度（季节、年际甚至年代际）的变化规律起到借鉴与启示作用。