任行闊， 高 晶， 楊育龍， 陳曼麗， 牛曉偉， 趙愛(ài)斌

（1.中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所青藏高原環(huán)境變化與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

在自然界中，水由氫、氧兩種元素組成。氫的兩種同位素氕（H）、氘（D）和氧的三種同位素16O、17O、18O 都有不同的原子質(zhì)量。不同同位素組合方式的水分子（H216O，H218O，HDO）存在分子質(zhì)量和組合方式上的差異，使得在不同氣象條件下水體相變轉(zhuǎn)化時(shí)會(huì)發(fā)生同位素分餾，由此導(dǎo)致的水體穩(wěn)定同位素組成的差異可以反映其形成過(guò)程中蒸發(fā)、傳輸、對(duì)流、冷凝等過(guò)程，因此，其被廣泛運(yùn)用于古氣候的重建［1］和現(xiàn)代水循環(huán)過(guò)程研究［2］。在過(guò)去幾十年里，水體穩(wěn)定同位素的研究主要集中在降水穩(wěn)定同位素研究。從1961 年以來(lái)，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）和世界氣象組織（WMO）聯(lián)合，在全世界建立了全球降水同位素觀測(cè)網(wǎng)（GNIP），收集了800 多個(gè)站點(diǎn)的降水同位素?cái)?shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)氣象數(shù)據(jù)，使我們對(duì)降水穩(wěn)定同位素的時(shí)空分布和影響因素有了清晰認(rèn)識(shí)［3-5］。

大氣水汽是水循環(huán)過(guò)程中的核心組分，對(duì)大氣水汽氫氧穩(wěn)定同位素的研究有助于我們進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)現(xiàn)代水循環(huán)過(guò)程。與降水穩(wěn)定同位素研究相比，大氣水汽穩(wěn)定同位素的研究相對(duì)很少，但是，大氣水汽穩(wěn)定同位素研究具有一定的優(yōu)勢(shì)。降水穩(wěn)定同位素研究所采取的樣品為降水，采樣本身限制了氫氧穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)的空時(shí)分辨率。天氣狀況和區(qū)域條件制約著降水樣品的獲取。大氣水汽穩(wěn)定同位素觀測(cè)不受季節(jié)（例如是否降雨季節(jié)）和天氣（例如是否有雨）的影響，可以獲得連續(xù)的大氣水汽氫氧穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)。在少雨甚至無(wú)雨的地區(qū)，大氣水汽同位素觀測(cè)依然可以進(jìn)行［6］。

在國(guó)外，大氣水汽氫氧穩(wěn)定同位素研究開(kāi)展相對(duì)較早。在歐美、南大洋、格陵蘭島等地都展開(kāi)過(guò)相關(guān)的研究［7-10］。White 等［11］對(duì)紐約的帕利塞德午后水汽樣品進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)水汽穩(wěn)定同位素與相對(duì)濕度和比濕存在顯著的正相關(guān)關(guān)系；Jacob 等［7］利用德國(guó)海德?tīng)柋?981—1998年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在年際尺度上水汽穩(wěn)定同位素組成與降水穩(wěn)定同位素組成表現(xiàn)的顯著相關(guān)性并沒(méi)有在月尺度上表現(xiàn)出來(lái)，而且冬季的溫度效應(yīng)比夏季大；Gat 等［9］分析地中海大氣水汽同位素?cái)?shù)據(jù)，證明了海岸附近強(qiáng)烈的海-氣相互作用；Bastrikov 等［10］對(duì)西西伯利亞大氣水汽同位素?cái)?shù)據(jù)的研究，發(fā)現(xiàn)大氣水汽同位素組成和濕度的季節(jié)性變化依賴于天氣條件；Guilpart 等［8］分析了印度洋西南部留尼汪島1年的水汽穩(wěn)定同位素記錄，發(fā)現(xiàn)大氣水汽穩(wěn)定同位素夜晚貧化，白天富集，認(rèn)為其日變化是受海-陸風(fēng)和上下坡流相互作用控制。

然而青藏高原的大氣水汽穩(wěn)定同位素研究開(kāi)展很少。余武生等［12］利用冷阱法采集青藏高原那曲地區(qū)大氣水汽樣品，發(fā)現(xiàn)季風(fēng)結(jié)束前后，降水事件和水汽來(lái)源會(huì)影響該流域的水汽δ18O的變化。尹常亮等［13］分析了德令哈大氣水汽穩(wěn)定同位素，發(fā)現(xiàn)德令哈水汽δ18O 的季節(jié)變化明顯，呈現(xiàn)夏季值高于冬季值，并且降水事件影響德令哈水汽δ18O 值。崔江鵬等［14］通過(guò)分析了青藏高原中部的那曲河流域2013 年10 月15 日—16 日水汽δ18O 變化，發(fā)現(xiàn)在季風(fēng)結(jié)束期，印度洋的水汽依舊影響到青藏高原中部地區(qū)，帶來(lái)δ18O 極低的水汽。Yu等［15］分析塔什庫(kù)爾干大氣水汽穩(wěn)定同位素，發(fā)現(xiàn)了溫度是水汽δ18O 變化的主要影響因素。Tian 等［16］分析了2012 年1 月—2014 年9 月的拉薩的大氣水汽穩(wěn)定同位素，說(shuō)明了季風(fēng)期和非季風(fēng)期間大氣水汽穩(wěn)定同位素變化差異。在季風(fēng)期，水汽δ18O的低值與季風(fēng)水汽有關(guān)；在非季風(fēng)期，水汽δ18O 與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)性；d-excess的微弱的季節(jié)變化反映了水汽來(lái)源地的季節(jié)性特征。這些研究都表明大氣水汽穩(wěn)定同位素能夠提供有效的水汽傳輸和局地影響過(guò)程信息。

青藏高原是世界上海拔最高的高原，平均海拔超過(guò)4 000 m，總面積約250 萬(wàn)km2［17］。由于其較高的地勢(shì)，青藏高原是中低緯度冰川分布最多的區(qū)域。青藏高原受西風(fēng)和季風(fēng)交替控制，同時(shí)，其較高的地勢(shì)對(duì)西風(fēng)產(chǎn)生了阻擋。在冬季，西風(fēng)帶南移，受高原阻擋分為南北兩支，北支的氣流給高原西北部地區(qū)帶來(lái)一定的濕度，加強(qiáng)了高原地面的冷高壓，南支氣流加強(qiáng)了高原西南部的干旱；在夏季，西風(fēng)帶北移，南支氣流消失［18］。西風(fēng)不但影響著青藏高原的氣候模式，而且還影響青藏高原上的現(xiàn)代冰川、湖泊以及生態(tài)系統(tǒng)［19］。高分辨率的大氣水汽同位素觀測(cè)研究可以更清楚地了解西風(fēng)傳輸下水汽時(shí)空變化特征和水汽穩(wěn)定同位素變化的影響因子，為區(qū)域水循環(huán)研究提供必要數(shù)據(jù)和關(guān)鍵認(rèn)知。

因此，我們于2017 年7 月26 日—11 月6 日 和2018 年7 月30 日—12 月10 日在中國(guó)科學(xué)院慕士塔格西風(fēng)帶環(huán)境綜合觀測(cè)研究站對(duì)地表大氣水汽穩(wěn)定同位素進(jìn)行了高精度連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以闡明不同時(shí)間尺度下大氣水汽穩(wěn)定同位素的變化特征及其影響因素。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域特征

2017 年7 月，作者所在課題組開(kāi)始在中國(guó)科學(xué)院慕士塔格西風(fēng)帶環(huán)境綜合觀測(cè)研究站（簡(jiǎn)稱慕士塔格站）進(jìn)行高精度連續(xù)大氣水汽穩(wěn)定同位素和同期氣象數(shù)據(jù)觀測(cè)，數(shù)據(jù)觀測(cè)分辨率為1 s。

中國(guó)科學(xué)院慕士塔格西風(fēng)帶環(huán)境綜合觀測(cè)研究站（38.41° N，75.04° E）位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克陶縣布倫口鄉(xiāng)，緊鄰慕士塔格峰和卡拉庫(kù)里湖，地處帕米爾高原東部，屬于高寒、荒漠氣候，是典型的西風(fēng)帶影響區(qū)［20］，發(fā)育了許多規(guī)模較大的山地冰川［21］，雪線高度在海拔4 900～5 300 m。2017年到2018年的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，該地區(qū)日均氣溫為0.7 ℃，日均風(fēng)速為3.3 m·s-1，日均比濕為3.2 g·kg-1，年均降水量為167.5 mm。溫度、比濕夏季高，冬季低。風(fēng)速夏季低，冬季高。降雨量主要集中在夏秋季。

1.2 觀測(cè)方法與數(shù)據(jù)處理

我們利用Picarro L2130i 水汽穩(wěn)定同位素分析儀開(kāi)展了地表以上8 m 處大氣水汽穩(wěn)定同位素的實(shí)時(shí)連續(xù)觀測(cè)。采集到的大氣水汽直接進(jìn)入汽化室和主機(jī)進(jìn)行測(cè)量。標(biāo)樣發(fā)生器配備兩個(gè)不同值的標(biāo)樣，用于測(cè)量結(jié)果校準(zhǔn)。每天進(jìn)行標(biāo)樣與大氣水汽交叉測(cè)試。大氣水汽穩(wěn)定同位素的測(cè)試結(jié)果用“維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水（VSMOW）”的千分差表示，計(jì)算公式為：

圖1 慕士塔格站地理位置、主要控制大氣環(huán)流以及降水（P）、比濕（q）、風(fēng)速（WS）、溫度（T）日變化示意圖Fig.1 Map showing the location of the Muztagh Ata Station，the main circulations of controlling atmosphere and precipitation amount（P），specific humidity（q），wind speed（WS），temperature（T）

式中：δ*為δ18O 或δD，表示樣品中18O 或D 同位素比相對(duì)于維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水（VSMOW）的值；Rsample是樣品的18O 或D 的同位素比，RVSMOW是維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水的18O或D的同位素比。此外，定義過(guò)量氘d-excess=δD-8×δ18O。

由于激光水汽穩(wěn)定同位素分析儀具有水汽濃度依賴性，大氣水汽穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)的校準(zhǔn)決定了觀測(cè)結(jié)果的有效性。因此，利用Picarro 儀器觀測(cè)到的大氣水汽氫氧穩(wěn)定同位素必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格校準(zhǔn)才能進(jìn)行使用。本研究中校準(zhǔn)流程如下：

（1）儀器配備的兩個(gè)標(biāo)樣分別為A1和A2。

（2）消除記憶效應(yīng)。利用Picarro 水汽同位素分析儀自帶的“SDM Data Processor”軟件刪除儀器每次測(cè)量的A1 和A2 標(biāo)樣的最開(kāi)始5 分鐘和結(jié)束前30 秒數(shù)據(jù)。當(dāng)標(biāo)樣水汽濃度_SD＜200，δ18O_SD＜0.2，δD_SD＜1 時(shí)，選擇此數(shù)據(jù)做記憶效應(yīng)擬合計(jì)算。

（3）濃度效應(yīng)校正。計(jì)算第（2）步處理過(guò)的標(biāo)樣A1和標(biāo)樣A2在不同水汽濃度下的測(cè)量值與其真值的差值，將此差值與水汽濃度差值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到濃度效應(yīng)方程。利用此方程，消除觀測(cè)結(jié)果的濃度效應(yīng)。

（4）建立線性關(guān)系。用每天所選的3 個(gè)不同水汽濃度梯度的標(biāo)樣同位素測(cè)量值與標(biāo)樣同位素真值建立線性關(guān)系。

（5）大氣水汽穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)真值校準(zhǔn)：

利用第（3）步得出的δ18O 與H2O 方程和δD 與H2O 方程，以大氣水汽濃度作為自變量求出水汽氫氧穩(wěn)定同位素偏移值。用測(cè)得的大氣水汽氫氧穩(wěn)定同位素值減去偏移值。再利用第（4）步線性方程，得到大氣水汽氫氧穩(wěn)定同位素真值。

氣象數(shù)據(jù)采集方法：按照氣象觀測(cè)要求，

慕士塔格西風(fēng)帶環(huán)境綜合觀測(cè)研究站在海拔3 650 m 的觀測(cè)場(chǎng)架設(shè)了一套Campbell 自動(dòng)氣象站，用于自動(dòng)觀測(cè)風(fēng)、溫、濕、壓和降水量，記錄頻率為半小時(shí)。降水量數(shù)據(jù)的記錄頻率為天。

降水樣品的收集與測(cè)試：按照氣象觀測(cè)規(guī)范要求，對(duì)每次降水過(guò)程都實(shí)施取樣。在收集降水同時(shí)還記錄每次降水的起止時(shí)刻，用雨量桶收集雨水后，直接裝入塑料水樣品瓶里進(jìn)行編號(hào)，并標(biāo)明日期，將瓶蓋擰緊并加以密封以防瓶中水樣品蒸發(fā)。密封有降水的塑料瓶保存在低溫室內(nèi)。樣品的測(cè)試是在中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所環(huán)境變化與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Picarro 儀器上進(jìn)行的。測(cè)試結(jié)果以V-SMOW“維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水”的千分差表示：

式中：Rsample和RVSMOW分別為降水樣品和V-SMOW 中D/H（18O/16O）的比率。同位素D 和18O 含量分別用δD和δ18O表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 慕士塔格地區(qū)大氣水汽氫氧穩(wěn)定同位素時(shí)間變化特征

圖2 給出了2017 年和2018 年夏季和秋季大氣水汽中δ18O、d-excess、風(fēng)速（WS）、溫度（T）和比濕（q）的日內(nèi)變化特征。在對(duì)應(yīng)的時(shí)間范圍內(nèi)，我們計(jì)算多日平均的小時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)時(shí)刻為00：00—23：00（北京時(shí)間，下同）。2017 年夏季，大氣水汽中δ18O最大值為-12.25‰，最小值為-13.86‰，平均值為-13.04‰；d-excess 最大值為21.96‰，最小值為16.90‰，平均值為19.70‰。2017 年秋季，大氣水汽δ18O 明顯低于夏季，其最大值為-18.67‰，最小值為-24.72‰，平均值為-21.44‰；而d-excess 顯著高于夏季，平均值為25.90‰，其最大值比夏季最大值高出約10‰，最小值也高于夏季最小值5‰。這表明秋季水汽來(lái)自于更干冷的來(lái)源。2018 年夏季，大氣水汽δ18O 范圍與2017 年夏季相近，為-12.87‰～-14.96‰；其d-excess 平均值較2017 年同期增大約4‰，最大值和最小值都高于2018 年同期約3‰。2018 年秋季，大氣水汽δ18O 平均值低于2017 年秋季平均值約9‰，其范圍為-28.77‰～-31.36‰，而d-excess 低于2017 年同期約10‰，最小值接近全球平均值10‰。這很可能是2018 年的水汽源地與2017年相比發(fā)生了變化，但這需要其他數(shù)據(jù)分析來(lái)證實(shí)，此文不做分析討論。

在圖2 中，水汽δ18O、水汽d-excess、氣溫和比濕都具有明顯的日變化特征。夏季，溫度最低值出現(xiàn)在08：00，最高值出現(xiàn)在18：00。秋季，溫度最低值出現(xiàn)在09：00，最高值出現(xiàn)在17：00—18：00。溫度極值出現(xiàn)的時(shí)間差異受控于日照的季節(jié)差異。風(fēng)速在夏季的夜間出現(xiàn)最大值，而在秋季的下午16：00 左右出現(xiàn)最大值。水汽δ18O 在夏季和秋季12：00—19：00 都明顯低于其他時(shí)間，并且該時(shí)段的比濕值也低于全天其他時(shí)段，但是水汽δ18O 的最大值出現(xiàn)時(shí)間不確定，分別為03：00［圖2（a）］，09：00［圖2（b）］，04：00［圖2（c）］和11：00［圖2（d）］，即，夏季水汽δ18O 的最大值出現(xiàn)在凌晨，而秋季出現(xiàn)在日出之后。其出現(xiàn)時(shí)間不對(duì)應(yīng)于氣溫、比濕和風(fēng)速的極值出現(xiàn)時(shí)間。我們還發(fā)現(xiàn)，夏季，d-excess 與δ18O反相位，其值在10：00—13：00 達(dá)到每日最大值，其峰谷變化與比濕較一致；秋季，d-excess 值在12：00—18：00 顯著高于其他時(shí)段，其峰值早于溫度峰值出現(xiàn)時(shí)間約6 小時(shí)，也早于比濕和風(fēng)速的峰值出現(xiàn)時(shí)間。這表明該地區(qū)大氣水汽穩(wěn)定同位素變化的主導(dǎo)因素不是單一局地氣象要素。

圖2 水汽δ18O、d-excess、溫度、比濕以及風(fēng)速日變化特征Fig.2 Intra-daily changes of water vapor δ18O，d-excess，temperature，specific humidity，wind speed：picture belongs to the summer of 2017，2017-07-26—2017-08-31（a）；picture belongs to the autumn of 2017，2017-09-01—2017-11-06（b）；picture belongs to the summer of 2018，2018-07-30—2018-08-31（c）；picture belongs to the autumn of 2018，2018-09-01—2018-11-30（d）

表1 大氣水汽穩(wěn)定同位素組成與氣象參數(shù)統(tǒng)計(jì)值Table 1 Atmospheric water vapor stable isotopes and corresponding meteorological data

表1 給 出 了2017-07-26—2017-11-06 和2018-07-30—2018-12-10 大氣水汽氫氧穩(wěn)定同位素與站內(nèi)自動(dòng)氣象站測(cè)得溫度（T）、風(fēng)速（WS）和比濕（q）的基本統(tǒng)計(jì)特征。2017 年水汽δ18O 的最低值出現(xiàn)在9月25 日06：00，最高值出現(xiàn)在7 月28 日14：00，平均值為-15.80‰；7 月水汽δ18O 日波動(dòng)幅度最小，而8月14 日至20 日的水汽δ18O 日波動(dòng)幅度最大，超過(guò)10‰。δD 的變化基本與水汽δ18O 一致；d-excess 最低值出現(xiàn)在8 月15 日23：00，最高值出現(xiàn)在9 月25日11：00，平均值為21.74‰；溫度（T）的最低值出現(xiàn)在9月26日09：00，最高值出現(xiàn)在8月1日20：00，平均值為5.68 ℃；風(fēng)速（WS）的變化范圍與2018 年相差很小，但平均風(fēng)速略低于2018年；比濕（q）的最低值出現(xiàn)時(shí)9 月25 日10：00，最高值出現(xiàn)在7 月29 日11：00，平均值為4.30 g·kg-1，顯著高于2018 年。2018 年的水汽δ18O 的變化范圍略大于2017 年的δ18O 變化范圍；δD 的變化范圍明顯大于2017 年的δD 變化范圍，而平均值為-190.17‰，顯著低于2017年的δD平均值；d-excess的變化范圍較2017年出現(xiàn)了負(fù)值。值得注意的是，當(dāng)δ18O＜-19‰時(shí)，基本以西南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向。

大氣水汽δ18O 和δD 在2017年以及2018年呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，表現(xiàn)為7 月或8 月出現(xiàn)最大值，此后逐漸減小，到12 月出現(xiàn)最低值。10 月之前d-excess 的波動(dòng)幅度小于10 月之后的波動(dòng)幅度。此期間的溫度（T）和比濕（q）總體也呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。溫度（T）有明顯的日間波動(dòng)，這是由于受日照變化影響。水汽δ18O 和δD 的波動(dòng)與比濕的波動(dòng)更為接近。兩年的比濕變化特征顯示，在10月前比濕的波動(dòng)幅度要大于10 月之后比濕的波動(dòng)幅度。這可能是由于該地區(qū)10 月之前，氣溫較高，日溫差較大，區(qū)域蒸發(fā)作用較強(qiáng)，比濕較高，比濕的波動(dòng)幅度也較大。在10 月之后，溫度降低，區(qū)域蒸發(fā)作用減小，西風(fēng)加強(qiáng)，此時(shí)的濕度較低，濕度波動(dòng)幅度較小。風(fēng)速10 月之前的波動(dòng)幅度要小于10 月之后的波動(dòng)幅度。

圖3 顯示了水汽δ18O、d-excess、降水δ18O、風(fēng)速、降水量日均值的時(shí)間變化。從圖中可以看出日變化特征與小時(shí)變化類似。降水樣品的收集主要集中在7—9月。降水δ18O顯著高于同期水汽δ18O值。降水δ18O值與同期降水量的相關(guān)性并不顯著。在10月之前，該地區(qū)溫度高，蒸發(fā)強(qiáng)烈，局地的地表水蒸發(fā)成水汽補(bǔ)充了原來(lái)空氣中的水汽，導(dǎo)致水汽重同位素貧化，而降水重同位素富集。在2018 年，風(fēng)速在10月之后波動(dòng)較大，與水汽δ18O的波動(dòng)呈反相位，并對(duì)應(yīng)于水汽d-excess 的迅速減小。這表明了水汽傳輸過(guò)程對(duì)近地面大氣水汽穩(wěn)定同位素的影響。

圖3 水汽δ18O、d-excess、降水δ18O、風(fēng)速、降水量日變化Fig.3 Daily changes of water vapor δ18O，d-excess，precipitation δ18O，wind speed and precipitation amount

在月尺度上，慕士塔格水汽δ18O 的變化特征與塔什庫(kù)爾干水汽δ18O［15］相似，都是秋、冬季較高，夏季較低。這可能是由于兩地都處于西風(fēng)控制區(qū)，降水在7月、8月、9月較多，10月、11月較少，季節(jié)性降水來(lái)源和地表蒸散發(fā)貢獻(xiàn)的差異導(dǎo)致了近地表大氣水汽穩(wěn)定同位素的差異。與拉薩的研究［16］相比，慕士塔格水汽δ18O 沒(méi)有表現(xiàn)出季風(fēng)水汽影響的特征，這主要是由于拉薩夏季主要受印度季風(fēng)水汽影響，二者水汽來(lái)源有顯著差異。

2.2 大氣水汽穩(wěn)定同位素不同時(shí)間尺度主要控制因素分析

為了進(jìn)一步分析日尺度上影響大氣水汽穩(wěn)定同位素的氣象因素，我們將氣象參數(shù)與水汽δ18O 進(jìn)行了相關(guān)分析。

圖4給出了小時(shí)平均水汽δ18O 與溫度以及比濕的擬合關(guān)系。在小時(shí)尺度上，水汽δ18O 與溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系（r2=0.51，n=2637，P＜0.001），與比濕呈對(duì)數(shù)關(guān)系（r2=0.79，n=2637，P＜0.001）。這表明該地區(qū)大氣水汽δ18O 受局地大氣濕度的顯著影響，同時(shí)也受到溫度變化的影響。外來(lái)水汽輸入和局地蒸散發(fā)會(huì)導(dǎo)致大氣濕度的顯著變化，而溫度降低會(huì)導(dǎo)致大氣水汽不斷凝結(jié)，水汽中的重同位素不斷減少，隨之大氣水汽δ18O 減小。這與周邊和田、喀布爾（阿富汗）［22］的降水穩(wěn)定同位素研究結(jié)果相似。

圖4 水汽δ18O小時(shí)平均值與對(duì)應(yīng)溫度、比濕的關(guān)系Fig.4 Relationship between hourly water vapor δ18O and corresponding temperature，specific humidity

為了進(jìn)一步討論在小時(shí)尺度上氣象要素對(duì)水汽δ18O 的影響，將水汽δ18O 與溫度、比濕進(jìn)行了多元回歸分析。設(shè)定多元回歸模型為：δ18O=a×T+b×ln（q）-c（a、b為系數(shù)，c為常數(shù)），分為模型1（包括自變量溫度、比濕）、模型2（排除自變量溫度）、模型3（排除自變量比濕），運(yùn)行三次。得到三個(gè)多元回歸方程（模型1：δ18O=0.29T+10.76ln（q）-35.86；模型2：δ18O=12.89ln（q）-37.24；模型3：δ18O=0.93T-25.59），其調(diào)整r2分別為0.82、0.79、0.51。說(shuō)明在小時(shí)尺度上比濕對(duì)大氣水汽δ18O 的影響顯著強(qiáng)于氣溫，這與單一要素的相關(guān)分析結(jié)果一致。

圖5 給出了日平均水汽δ18O 與溫度和比濕以及風(fēng)速的擬合關(guān)系。結(jié)果表明，日平均水汽δ18O 與溫度也呈正相關(guān)關(guān)系（r2=0.80，n=152，P＜0.001），與比濕也呈對(duì)數(shù)關(guān)系（r2=0.80，n=152，P＜0.001），而且與溫度的相關(guān)性顯著提高。這表明在不同時(shí)間尺度上，溫度和比濕對(duì)水汽δ18O的影響發(fā)生了變化。此外，日平均水汽δ18O 與風(fēng)速呈現(xiàn)顯著反相關(guān)關(guān)系（r2=0.31，n=152，P＜0.001），即當(dāng)風(fēng)速越大時(shí)，水汽δ18O 值越低，而當(dāng)風(fēng)速越小時(shí)，水汽δ18O 值越高，但是這一關(guān)系并未在小時(shí)尺度上表現(xiàn)出來(lái)。這可能是由于氣溫、濕度和風(fēng)速在不同季節(jié)的水汽來(lái)源下，在近地表過(guò)程中產(chǎn)生的影響不同，在此文中不做詳細(xì)討論。

圖5 水汽δ18O日平均值與對(duì)應(yīng)溫度、比濕、風(fēng)速的關(guān)系Fig.5 Relationship between daily water vapor δ18O，temperature，specific humidity，and wind speed

同樣在日尺度上進(jìn)行了多元回歸分析，設(shè)定水汽δ18O 為因變量，溫度（T）、風(fēng)速（WS）、比濕（q）作為自變量，設(shè)定多元回歸模型為：δ18O=a×T+b×WS+c×ln（q）-d（a、b、c為系數(shù)，d為常數(shù)），分為模型1（包括自變量溫度、比濕、風(fēng)速）、模型2（包括自變量溫度、風(fēng)速）、模型3（包括自變量溫度、比濕）、模型4（包括自變量風(fēng)速、比濕）、模型5（包括自變量溫度）、模型6（包括自變量比濕）、模型7（包括自變量風(fēng)速），得到7 個(gè)多元回歸方程（模型1：δ18O=0.89T-2.15×WS+3.37×ln（q）-23.47；模 型 2：δ18O=1.17T-2.42WS-19.77；模 型3：δ18O=0.69T+6.94ln（q）-33.03；模型4：δ18O=-1.69WS+12.01ln（q）-31.75；模型5：δ18O=1.31T-27.11；模型6：δ18O=13.38ln（q）-38.134；模型7：δ18O=-4.15WS-11.13）。其調(diào)整r2分別為0.90、0.90、0.84、0.84、0.80、0.80、0.30，說(shuō)明在日尺度上比濕和溫度對(duì)大氣水汽δ18O的影響都很顯著，并且強(qiáng)于風(fēng)速。

2.3 大氣水汽穩(wěn)定同位素變化與水汽傳輸路徑的關(guān)系

大氣水汽是降水的基礎(chǔ)。大氣水汽在傳輸過(guò)程中，溫度降低，大氣水汽發(fā)生冷凝，因而產(chǎn)生降水。大氣中含有水汽量的多少影響降雨量的多少。因此，本文選擇有降水樣本的時(shí)間點(diǎn)作為典型時(shí)段，對(duì)其進(jìn)行水汽來(lái)源追蹤。不同源地產(chǎn)生的大氣水汽穩(wěn)定同位素不同，大氣水汽在傳輸過(guò)程中，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)、冷凝、混合等過(guò)程都會(huì)改變大氣水汽中穩(wěn)定同位素的組成。因此大氣水汽的來(lái)源和傳輸過(guò)程都會(huì)影響目的地的大氣水汽穩(wěn)定同位素組成。

利用水汽追蹤模型，本節(jié)分析了2017年和2018年水汽來(lái)源和水汽傳輸過(guò)程對(duì)慕士塔格地區(qū)大氣水汽穩(wěn)定同位素的影響。利用混合單粒子拉格朗日積分空氣后向軌跡追蹤模型（Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory model，簡(jiǎn) 稱HYSPLIT）追蹤了慕士塔格站點(diǎn)降水日當(dāng)天空氣后向軌跡以及沿空氣軌跡水汽含量的變化，以空氣軌跡終點(diǎn)和沿途水汽含量的變化來(lái)定性地判斷水汽來(lái)源。在一定時(shí)間內(nèi)的氣塊中的水汽含量的變化是凝結(jié)與蒸發(fā)之間平衡的結(jié)果［23-24］，故空氣軌跡上的水汽含量的變化可以指示水汽的源與匯［25-26］。在一定時(shí)間段內(nèi)，如果有新的水汽加入，則水汽含量會(huì)增加，如果有降水發(fā)生，則水汽含量減少。根據(jù)空氣的軌跡及水汽含量的變化，可以定性地分析水汽來(lái)源。

本研究以慕士塔格站所在坐標(biāo)（38.41° N，75.04°E）的三個(gè)不同高度（500 m、1 000 m、1 500 m）為起點(diǎn)，后向追蹤7 天（168 h）的空氣軌跡，并計(jì)算出沿空氣軌跡每一點(diǎn)的比濕用來(lái)分析沿空氣軌跡水汽含量的變化。所使用再分析氣象數(shù)據(jù)為：再分析氣象數(shù)據(jù)為空間分辨率為0.5°的GDAS（Global Data Assimilation System）數(shù)據(jù)。

圖6為慕士塔格降水日當(dāng)天的空氣軌跡和比濕變化圖，顯示了水汽含量隨傳輸軌跡的變化情況，可以看出該地區(qū)降水日水汽傳輸表現(xiàn)為西風(fēng)和局地對(duì)流為主，水汽來(lái)源地大多為距離較近的周邊地區(qū)和中亞，8月和9月偶爾也發(fā)現(xiàn)了來(lái)自西伯利亞和北大西洋的水汽，這是因?yàn)樵摰靥幱谖黠L(fēng)環(huán)流控制的地區(qū)，西風(fēng)環(huán)流可將較遠(yuǎn)地區(qū)的水汽帶至青藏高原。

圖6 慕士塔格空氣軌跡水汽含量變化圖Fig.6 variations of specific humidity along 5-day back trajectories from Muztagh Ata Station

除了2017 年8 月4 日以外，其他時(shí)間的空氣軌跡中，比濕幾乎都是隨著距離減小而增加，說(shuō)明在水汽輸送的過(guò)程中水汽不斷地增加，到達(dá)慕士塔格附近水汽含量降低，但形成降水，這說(shuō)明了水汽傳輸過(guò)程中，沿途有水汽不斷補(bǔ)充，到達(dá)慕士塔格后發(fā)生降水。2017 年8 月4 日的空氣軌跡比濕變化圖可以看出，距離地面1 000 m 的水汽來(lái)源地為西伯利亞和北大西洋，氣團(tuán)比濕達(dá)到11 g·kg-1，并且由遠(yuǎn)到近逐漸減少，但在到達(dá)慕士塔格之前，氣團(tuán)比濕又有所增大。這說(shuō)明在傳輸過(guò)程中的水汽不斷凝結(jié)成降水，但沿途有陸面水汽補(bǔ)充。這使得該日的水汽δ18O 為-15.42 ‰，明顯偏低于前后時(shí)段水汽δ18O 約6‰（d-excess 增大約3‰）。2018 年9 月6 日的水汽追蹤圖也表明，水汽主要自來(lái)源于北部西伯利亞和周圍局地環(huán)流，經(jīng)過(guò)距離地面2 000 m 高空傳輸?shù)竭_(dá)研究站，周圍局地環(huán)流的比濕顯著高于西伯利亞傳輸水汽。此次降水使得水汽δ18O 減小約2‰，d-excess增加約2‰。

從這些水汽追蹤圖中，我們也可以明顯看出，當(dāng)水汽自地中海和北大西洋長(zhǎng)距離傳輸至慕士塔格時(shí)，水汽δ18O 顯著低于前期大氣δ18O，最大時(shí)可達(dá)約7‰，同時(shí)，d-excess 也會(huì)顯著增大。但是，當(dāng)水汽來(lái)自于短距離傳輸時(shí)，水汽同位素的差值不顯著。這表明水汽來(lái)源和傳輸距離對(duì)大氣水汽穩(wěn)定同位素的波動(dòng)幅度有重要影響。

3 結(jié)論

通過(guò) 對(duì)2017 年7 月26 日—2017 年11 月6 日 和2018年7 月30日—2018年12月10日慕士塔格站大氣水汽穩(wěn)定同位素和同期氣象因子的時(shí)間變化特征和相關(guān)性分析，得到如下結(jié)論：

（1）慕士塔格站水汽中δ18O、d-excess 與站內(nèi)氣象站測(cè)得溫度（T）和比濕（q）等參數(shù)有如下特征。在小時(shí)尺度上，水汽δ18O在下午為較低值。d-excess值在12點(diǎn)左右相對(duì)較高，高值的出現(xiàn)時(shí)段略超前于溫度高值的出現(xiàn)時(shí)段。在日尺度上，水汽δ18O 白天平均值較高，晚間平均值較低。降水δ18O 值高于同期水汽δ18O 值，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)“降水量效應(yīng)”。2017 年和2018 年大氣水汽中的δ18O、δD 和溫度、濕度呈現(xiàn)明顯的從夏季到冬季逐漸減小。

（2）在小時(shí)尺度上，大氣水汽δ18O與溫度呈正相關(guān)系，與比濕呈對(duì)數(shù)關(guān)系，通過(guò)多元回歸分析，結(jié)果顯示比濕對(duì)水汽δ18O的影響強(qiáng)于溫度；在日尺度上，大氣水汽δ18O 與溫度呈正相關(guān)系，與比濕呈對(duì)數(shù)關(guān)系，與風(fēng)速呈現(xiàn)反相關(guān)關(guān)系，多元回歸分析結(jié)果顯示比濕和溫度對(duì)大氣水汽δ18O 的影響都很顯著，并且強(qiáng)于風(fēng)速。

（3）通過(guò)降水事件后向軌跡追蹤分析，發(fā)現(xiàn)該地的水汽主要來(lái)源于由西風(fēng)傳輸?shù)奈鞑麃啞⒈贝笪餮蠛椭車貐^(qū)，沿途有水汽補(bǔ)充。水汽來(lái)源和傳輸距離對(duì)大氣水汽穩(wěn)定同位素的波動(dòng)幅度有重要影響。

以上結(jié)果只是對(duì)慕士塔格站地表大氣水汽穩(wěn)定同位素和同時(shí)期氣象參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單初步分析，后續(xù)還需要結(jié)合模型等開(kāi)展水汽傳輸路徑和水汽來(lái)源的深入分析，以闡明西風(fēng)傳輸對(duì)該區(qū)域大氣水汽穩(wěn)定同位素變化的影響。