高寒干旱區(qū)降水氫氧穩(wěn)定同位素組成及其水汽來源：以昆侖山北坡格爾木河流域為例

饒文波，李垚煒，譚紅兵，李永國，溫 川，張西營

（1.河海大學地球科學與工程學院，江蘇南京 211100；2.青海省水文地質工程地質環(huán)境地質調(diào)查研究院，青海西寧 810008；3.青海省水文水資源測報中心格爾木分中心，青海格爾木 816099；4.中國科學院青海鹽湖研究所，青海西寧 810008）

1 研究背景

青藏高原海拔高、氣候寒冷、生態(tài)環(huán)境脆弱，是全球極為典型的高寒區(qū)［1］。東昆侖山系位于青藏高原的北部。該山系北坡發(fā)育幾條大的河流，那棱格勒河、格爾木河、諾木洪河等。這些河流為寒冷干旱的柴達木盆地輸送了寶貴的地表水資源，在維系脆弱的生態(tài)環(huán)境、平衡地下水循環(huán)、保障當?shù)毓まr(nóng)業(yè)及居民生活等方面充當極為重要的角色［2］。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，河徑流量年內(nèi)變化極大，直接影響下游城鎮(zhèn)與工農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［3］。這些河流的盆地段氣候異常干旱，降水稀少，而山區(qū)段是流域降水的主要發(fā)生區(qū)和徑流的形成區(qū)［3］。因此，山區(qū)降水是影響河流水文循環(huán)與水資源變化的重要因素。深入認識降水變化特征與水汽來源有助于正確理解高寒干旱區(qū)河流水文循環(huán)理論與合理指導當?shù)赜邢薜牡乇硭偷叵滤Y源利用［4］。

氫氧穩(wěn)定同位素（2H、18O）是構成水分子的兩種主要同位素，對氣候與環(huán)境變化極為敏感，隨氣候參數(shù)或環(huán)境因子表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性變化特征，在水文循環(huán)中有顯著的標記效應，能夠反映水源、蒸發(fā)、混合等水文信息［5-8］。因此，在水文學領域中H-O穩(wěn)定同位素示蹤已被視為有效的研究方法［9-12］。近年來，這一方法在大氣降水來源研究中得到了廣泛應用［13-16］。隨著氣候振蕩加劇和人類活動的增強，青藏高原水文循環(huán)已成為學者關注的焦點［17-20］。目前，利用H-O穩(wěn)定同位素示蹤方法開展青藏高原大氣降水的研究也因此逐漸增多。例如，田立德等［21］基于降水及河水同位素數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)青藏高原氘盈余值在唐古拉山南北兩側顯示不同的特征，認為與水汽來源不同有關；Wu等［22］對黑河流域降水δ18O與δ2H的時空變化特征進行了深入研究，指出降水同位素組成受凝結作用和水汽來源所控制；Gao等［23］通過冰芯同位素分析發(fā)現(xiàn)北印度上空的對流活動控制青藏高原南部降水δ18O的季節(jié)變化規(guī)律。模型模擬也是水文領域中應用較廣且流行的方法與手段，在模擬水文循環(huán)過程與趨勢、評估其對氣候環(huán)境因子的響應等方面有獨到的優(yōu)勢［24-27］。同位素示蹤與模型模擬獲得的結果可交叉驗證、相互補充，兩者有機融合有助于更客觀全面地理解局地乃至區(qū)域尺度的水汽循環(huán)機理。然而，多數(shù)研究集中在青藏高原南部及祁連山地區(qū)［20-22，28］，而較少涉及東昆侖山-柴達木盆地一帶［29-31］，制約了對高寒干旱區(qū)水汽循環(huán)的整體性認識，也不利于對當?shù)厮Y源利用的科學指導。

本文著重從同位素示蹤的角度出發(fā)，選擇位于格爾木流域中上游的納赤臺水文站為研究監(jiān)測點，收集2019年6—10月期間的每一次降水事件樣品，監(jiān)測降水量、氣溫等主要氣象參數(shù)，擬查明山區(qū)降水同位素變化特征及影響因素，闡明降水水汽來源。預期成果可助于深入理解高寒山區(qū)水汽循環(huán)理論，為區(qū)域性水文模型構建提供資料，同時為當?shù)厮Y源管理決策提供科學依據(jù)。

2 研究區(qū)域

格爾木河發(fā)源于東昆侖山北坡，是流入柴達木盆地的第二大河流，總長468 km，由南向北流經(jīng)山區(qū)、山前沖洪積扇，經(jīng)格爾木市后分為東、西河，最終流入盆地中部的達布遜湖（圖1）。格爾木河流域位于柴達木盆地的南緣中段，行政上隸屬青海省海西蒙古族藏族自治州格爾木市管轄，平均海拔約2800 m，面積約6750 km2［3］，由昆侖山山地、洪積平原和沉積平原三個地貌單元組成。該流域地勢由南向北逐漸降低，以南山口為界（圖1），以南為昆侖山，地基巖裸露，部分覆蓋薄層風積砂，植被稀疏；以北為洪積平原和沉積平原，洪積平原礫石裸露，植被稀少，呈典型的戈壁荒漠帶，沉積平原由南至北植被由茂密轉向稀疏，地表逐漸出現(xiàn)鹽霜及鹽殼分布［4］，其生態(tài)環(huán)境極為脆弱。格爾木流域干旱少雨，蒸發(fā)強烈，日照強，多風，晝夜溫差大，其氣候屬于典型的高原內(nèi)陸高寒干旱氣候。該流域降水主要受西風環(huán)流和高原季風環(huán)流的共同影響［32-33］，年平均降水量為42.47 mm，年平均蒸發(fā)量為1540.95 mm，降水分布極為不均，在空間上，山區(qū)降水較多，平原降水極少，時間上降水主要集中于每年6—8月，約占全年降水量的60%～70%［4］。研究區(qū)納赤臺水文站（N35°52′26.11″，E94°33′47.50″）設于格爾木河的山區(qū)段，海拔為3552 m，距離格爾木市約92 km。根據(jù)該水文站2019年氣象監(jiān)測資料，月均氣溫在1月和12月最低，達到-15℃，在8月份最高，為9℃。12月份基本沒有降水，1月降水僅為1.5 mm，6—9月為雨季，每月降水均在33 mm之上（圖2）。格爾木河年均徑流量為6.9億m3/a［3］，由于山區(qū)降水影響，該河流在雨季時常突發(fā)洪水，對下游格爾木市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活帶來一定的不利影響。

圖1 格爾木河流域及納赤臺水文站位置

3 樣品采集與測試方法

3.1 樣品采集納赤臺水文站協(xié)助采集了2019年6月至10月之間的降水事件樣品。降水收集器在采用超純水洗凈、烘干之后放置于離地面2 m的位置。降水事件發(fā)生前后，用防塵蓋遮擋降水收集器，防止干沉降或其它雜物污染，降水事件發(fā)生時，打開防塵蓋，開始接收降水。本次研究共采集51個降水樣品。降水盛裝于事先洗凈的高密度聚乙烯（HDPE）樣品瓶中。根據(jù)所接收的降水量大小，選擇不同體積的HDPE樣品瓶，盡量使降水裝滿樣品瓶。同時，采用美國Parafilm公司分子生化級封口膜對瓶口密封。其目的是防止蒸發(fā)影響。樣品采集后立即運往河海大學地球科學與工程學院穩(wěn)定同位素實驗室，在同位素與化學分析之前于冰箱中4℃條件下保存。另外，在納赤臺水文站監(jiān)測了降水和氣溫等氣象參數(shù)（圖2）。

圖2 納赤臺2019年月降水、氣溫與蒸發(fā)變化特征

3.2 測試方法所有水樣的氫氧穩(wěn)定同位素組成在河海大學地球科學與工程學院同位素實驗室測定。所用儀器為LGR水同位素分析儀（IWA-45EP，美國Los Gatos Research 公司），樣品δ2H和δ18O的測量精度分別為±1‰和±0.1‰。水樣測試之前用0.22 mm 孔徑的濾膜過濾，測量的結果用相對于VSMOW（維也納標準平均海水）標準的δ（‰）表示：

3.3 HYSPLIT 模型HYSPLIT（Hybrid-Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory）模型由美國海洋大氣局（NOAA）設計，可用來追蹤氣流所攜帶的離子或氣流移動方向［34］，也可用來識別水汽源區(qū)與遷移路徑［28，35］。本研究使用該模型對2019年6—10月期間的51次降水事件水汽遷移路徑進行了后向氣團軌跡模擬分析。該模型所使用的氣象資料來源于NCEP（美國國家環(huán)境預報中心）的全球再分析資料，軌跡的起始位置為納赤臺水文站（35°52′26.11″N，94°33′47.50″E，海拔3552 m），軌跡的起始時間按照國際標準時間選取，后向軌跡延伸時間為72 h，模擬層高度分別設為500、1000和2000 m。通過模擬，獲得每一次降水事件在3 個高度層面上的水汽遷移軌跡。結合HYSPLIT 模擬得到的kmz 數(shù)據(jù)，應用MeteoInfo Map 軟件進行聚類分析，計算得到51次降水事件水汽遷移在3個高度的平均軌跡與分量。該模型的詳細說明與操作參見文獻［34-35］。

4 結果與討論

4.1 納赤臺降水同位素特征及其影響因素2019年6—10月期間納赤臺日降水δ18O與δ2H值分別在-23.38‰至2.56‰和-158.6‰至30.5‰之間變化（表1 與圖3）。此期間，氘盈余（d-excess）的變化也很大，變化范圍為-7‰至38.6‰（表1與圖3）。這幾個月降水的H-O穩(wěn)定同位素組成加權均值都低于其算術均值，暗示了降水量大的日降水事件由較負的H-O穩(wěn)定同位素組成。不同月份降水同位素組成也存在較明顯的差異（表1與圖3）。從同位素月加權均值來看，6月、7月和9月降水同位素組成較為接近，而8月的較負，10月的最負（表1與圖3）。

表1 納赤臺2019年6—10月的降水同位素組成統(tǒng)計

圖3 納赤臺日降水同位素組成及氣象參數(shù)

如圖3所示，6、7月份日降水δ18O值在2‰～10‰之間，高低振蕩變化與降水量、蒸發(fā)量似乎沒有太大的一致性，而與氣溫有一定的對應。自8月份以后，隨著氣溫下降，日降水δ18O值呈現(xiàn)降低的趨勢。如表2所示，日降水δ18O和d-excess值與降水量的相關性都較差，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水平上與氣溫存在極顯著的相關關系，即，隨著氣溫的升高，δ18O值增加而d-excess 值降低（表2）。同時，蒸發(fā)量與日降水δ18O在p=0.01水平上極顯著相關，與d-excess值在p=0.05水平上顯著相關（表2）。另外，氣溫與蒸發(fā)量之間在p=0.01水平上極顯著相關（表2）。因此，氣溫是引起蒸發(fā)的主要因素，也是控制日降水同位素組成變化的驅動力［36］。這主要是因為干旱地區(qū)氣溫升高后降水過程中雨滴的再蒸發(fā)引起其中的重同位素濃縮［6］。

表2 納赤臺2019年6—10月日氣象因素與日降水氫氧穩(wěn)定同位素值的相關性分析

4.2 流域降水線方程基于2019年6—10月納赤臺降水同位素數(shù)據(jù)，建立了格爾木河流域山區(qū)當?shù)卮髿饨邓€：δ2H=7.4×δ18O+13.2（圖4）。絕大部分日降水同位素數(shù)據(jù)點落在全球降水線（GMWL）之上，多數(shù)月加權均值也是如此（圖3）［37-38］。這表明降水與當?shù)厮w的蒸發(fā)-凝結密切相關［39-40］。8月降水同位素組成的月加權均值落在GMWL線上，表明這個月份的水汽與其它月份的在來源上有差異。

圖4 格爾木河流域降水同位素關系線

孫存熠［29］早在1990年代利用格爾木河流域降水、昆侖山雪、冰雪融水及河水的同位素數(shù)據(jù)建立了流域降水線：δ2H=7.113×δ18O+7.25。王宇航［3］利用格爾木地區(qū)降水觀測資料修正了孫存熠建立的格爾木地區(qū)當?shù)亟邓€方程［3］。修正的降水線方程為δ2H=6.98×δ18O+9.6。朱建佳等［41］基于格爾木2010年6—9月份的降水同位素特征建立了一個降水線：δ2H=7.84×δ18O-4.57。Yang等［38］測定了昆侖山口2013年6月24日—8月28日之間的降水H-O 穩(wěn)定性同位素組成，并且獲得一條當?shù)亟邓€方程：δ2H=8.5×δ18O+18.39。本研究建立的當?shù)亟邓€與孫存熠［29］和王宇航［3］的較為接近，而與朱建佳等［41］和Yang等［38］的差別較大。由于山區(qū)的降水較多而格爾木地區(qū)的降水很少（圖2），已有研究獲得的降水線不能代表整個格爾木河流域，也不能正確反映山區(qū)流域的降水信息。昆侖山口位于格爾木流域源頭區(qū)域附近，海拔在4700 m之上，其降水線也只能反映源頭區(qū)域的信息［38］。納赤臺站位于格爾木河流域的中上游，其降水線能夠反映山區(qū)降水的基本信息，可為精確刻畫格爾木流域山區(qū)段的水循環(huán)提供較好的參考。

表3列出了中國西部主要地點的降水同位素關系線。青藏高原降水同位素關系線斜率與截距明顯高于其它地區(qū)（表3）；同時，位于青藏高原上的拉薩、沱沱河、格爾木及納赤臺等地降水同位素關系線也存在差異，即格爾木、納赤臺降水同位素關系線斜率稍低于拉薩和沱沱河的?？傮w上，從青藏高原南部至內(nèi)蒙古西部沙漠當?shù)亟邓€斜率與截距都存在變小的趨勢。這些差異的存在反映了不同地區(qū)降水來源及環(huán)境條件有一定的差異：青藏高原南部較濕潤，水汽主要受印度洋季風控制，而其北部及以北地區(qū)較干旱，水汽由西風帶或當?shù)厮w蒸發(fā)輸送而來［23，43］。關于德令哈降水同位素關系線，田立德等［21］報道的與朱建佳等［41］報道的差別較大，其中的原因還需要進一步探究。

表3 中國西部各地區(qū)降水氫氧同位素關系

4.3 山區(qū)水汽來源降水中的氘盈余（d-excess）被定義為：d-excess=δ2H-8δ18O［44］，能反映水汽來源地及其環(huán)境特征，是追蹤水汽來源的有效指標［45］。一般地，來自高緯度內(nèi)陸蒸發(fā)的降水d-excess值>10‰，而來自低緯度海洋蒸發(fā)的降水d-excess 值<10‰［6，46］。在干旱氣候條件下雨滴在降落過程中蒸發(fā)強烈也會造成降水d-excess值偏低［21，47］。如圖3所示，51個降水事件中，僅有8次降水事件的d-ex?cess值小于10，且多數(shù)集中在8月份。8月份的月加權d-excess值明顯低于其它月份的值（圖3）。這表明8月份水汽來源與其它月份的明顯不同。HYSPLIT模型模擬結果顯示此月份存在東西南北等各個方向的水汽來源（圖5和表4），表明了8月份水汽來源具有一定的復雜性。東亞夏季風盡管到達柴達木盆地已是強弩之末但仍可能是導致8月份降水d值低的一個重要因素［41］。其它月份降水事件d-excess值基本大于10，絕大多數(shù)在20以上。多數(shù)學者對青藏高原水體同位素特征的研究發(fā)現(xiàn)［21，23，43］：印度季風難以越過唐古拉山，而唐古拉山以北地區(qū)的降水受大陸性氣候的影響，區(qū)域性蒸發(fā)明顯，d-ex?cess值較大。田立德等［48］對喜馬拉雅山中段的氘盈余分析進一步表明：低的氘盈余值反映強的季風降水和較弱的西風水汽輸送時期，而高的氘盈余值對應弱的季風活動與強的西風輸送時期。HYSPLIT模型模擬結果顯示了大部分的水汽來源于北、西北、西及西南方向（圖5和表4），表明了西風帶及局地水汽循環(huán)造成了格爾木河流域降水d-excess 值的偏高。HYSPLIT 模型結果分析進一步發(fā)現(xiàn)：2000 m高程的水汽主要來自西部，1000 m高程的水汽除來自西部以外相當一部分來自西北部，500 m高程的水汽有一半以上來自西北部及北部（圖5 和表4）。大西洋、地中海等位于西風環(huán)流的路徑上。而且，地中海及歐亞大陸腹地為降水氘盈余d-excess的峰值區(qū)［49］。因此，納赤臺2000 m以上的大氣降水可能是由西風環(huán)流攜帶大西洋、地中海等地水體蒸發(fā)的濕氣而來并形成的。納赤臺1000 m高程的降水除了由西風環(huán)流攜帶而來的濕氣補給之外，也可能受來自北方向的西伯利亞氣流影響。除西風環(huán)流和西伯利亞氣流影響之外，納赤臺500 m高程的降水也接受近地面氣流作用下柴達木盆地及周邊地區(qū)水體蒸發(fā)的補給。盡管這些地區(qū)蒸發(fā)強烈［3］，但是其水體面積小，水體蒸發(fā)不足以顯著影響當?shù)亟邓?。因此，由高空西風環(huán)流長距離攜帶而來的水汽是納赤臺乃至格爾木流域降水的主要貢獻者。

表4 納赤臺地區(qū)降水水汽來源貢獻比例

圖5 基于HYSPLIT模型模擬的納赤臺2019年6月—10月水汽遷移軌跡路徑

5 結論

本文于2019年6—10月在格爾木河流域山區(qū)段納赤臺水文站接收了日降水樣品，查明了日降水的氫氧穩(wěn)定同位素組成特征與影響因素，建立了山區(qū)降水線方程，追蹤了山區(qū)降水水汽來源。研究期間日降水δ18O 與δ2H 值分別在-23.38‰至2.56‰和-158.6‰至30.5‰之間變化，氣溫是其變化的主控因素。建立的山區(qū)降水線方程為δ2H=7.4×δ18O+13.2。由于格爾木河流域降水主要發(fā)生在山區(qū)而在平原區(qū)很少，該降水線能基本反映整個流域的降水信息，為流域水循環(huán)研究提供可靠的參考。山區(qū)降水水汽主要與西風環(huán)流及局地水汽循環(huán)密切相關。高空水汽主要由西風環(huán)流攜帶而來，而低空水汽還與內(nèi)陸水體蒸發(fā)有關。值得注意的是，與其它月份不同，8月份的降水還受東亞季風的影響。因此，今后的流域水資源管理工作宜針對不同月份適當調(diào)整流域節(jié)水用水方案。雖然本研究成果是基于較短的時間尺度獲得的，但是其可為高寒干旱區(qū)流域乃至區(qū)域性降水水汽循環(huán)模擬提供基礎資料，為揭示該地區(qū)降水水汽長時間尺度（季節(jié)、年際甚至年代際）的變化規(guī)律起到借鑒與啟示作用。