高寒干旱區(qū)降水氫氧穩(wěn)定同位素組成及其水汽來(lái)源：以昆侖山北坡格爾木河流域?yàn)槔?/h1>
2021-10-20 08:10饒文波李垚煒譚紅兵李永國(guó)張西營(yíng)
水利學(xué)報(bào) 2021年9期
饒文波，李垚煒，譚紅兵，李永國(guó)，溫 川，張西營(yíng)
（1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 211100；2.青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查研究院，青海西寧 810008；3.青海省水文水資源測(cè)報(bào)中心格爾木分中心，青海格爾木 816099；4.中國(guó)科學(xué)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(dá)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(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)及居民生活等方面充當(dāng)極為重要的角色［2］。近年來(lái)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(rèn)識(shí)降水變化特征與水汽來(lái)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(dǎo)當(dāng)?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(gòu)成水分子的兩種主要同位素，對(duì)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(biāo)記效應(yīng)，能夠反映水源、蒸發(fā)、混合等水文信息［5-8］。因此，在水文學(xué)領(lǐng)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(lái)，這一方法在大氣降水來(lái)源研究中得到了廣泛應(yīng)用［13-16］。隨著氣候振蕩加劇和人類活動(dòng)的增強(qiáng)，青藏高原水文循環(huán)已成為學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)［17-20］。目前，利用H-O穩(wěn)定同位素示蹤方法開(kāi)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?cái)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)青藏高原氘盈余值在唐古拉山南北兩側(cè)顯示不同的特征，認(rèn)為與水汽來(lái)源不同有關(guān)；Wu等［22］對(duì)黑河流域降水δ18O與δ2H的時(shí)空變化特征進(jìn)行了深入研究，指出降水同位素組成受凝結(jié)作用和水汽來(lái)源所控制；Gao等［23］通過(guò)冰芯同位素分析發(fā)現(xiàn)北印度上空的對(duì)流活動(dòng)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(lǐng)域中應(yīng)用較廣且流行的方法與手段，在模擬水文循環(huán)過(guò)程與趨勢(shì)、評(píng)估其對(duì)氣候環(huán)境因子的響應(yīng)等方面有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)［24-27］。同位素示蹤與模型模擬獲得的結(jié)果可交叉驗(yàn)證、相互補(bǔ)充，兩者有機(jī)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(jī)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(dá)木盆地一帶［29-31］，制約了對(duì)高寒干旱區(qū)水汽循環(huán)的整體性認(rèn)識(shí)，也不利于對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源利用的科學(xué)指導(dǎo)。
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(tái)水文站為研究監(jiān)測(cè)點(diǎn)，收集2019年6—10月期間的每一次降水事件樣品，監(jiān)測(cè)降水量、氣溫等主要?dú)庀髤?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(lái)源。預(yù)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(gòu)建提供資料，同時(shí)為當(dāng)?shù)厮Y源管理決策提供科學(xué)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(dá)木盆地的第二大河流，總長(zhǎng)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(dá)布遜湖（圖1）。格爾木河流域位于柴達(dá)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(gè)地貌單元組成。該流域地勢(shì)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(fēng)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(zhuǎn)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(qiáng)烈，日照強(qiáng)，多風(fēng)，晝夜溫差大，其氣候?qū)儆诘湫偷母咴瓋?nèi)陸高寒干旱氣候。該流域降水主要受西風(fēng)環(huán)流和高原季風(fēng)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(shí)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(tái)水文站（N35°52′26.11″，E94°33′47.50″）設(shè)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(cè)資料，月均氣溫在1月和12月最低，達(dá)到-15℃，在8月份最高，為9℃。12月份基本沒(méi)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(shí)常突發(fā)洪水，對(duì)下游格爾木市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活帶來(lái)一定的不利影響。
圖1 格爾木河流域及納赤臺(tái)水文站位置
3 樣品采集與測(cè)試方法
3.1 樣品采集納赤臺(tái)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(shí)，打開(kāi)防塵蓋，開(kāi)始接收降水。本次研究共采集51個(gè)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(shí)，采用美國(guó)Parafilm公司分子生化級(jí)封口膜對(duì)瓶口密封。其目的是防止蒸發(fā)影響。樣品采集后立即運(yùn)往河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室，在同位素與化學(xué)分析之前于冰箱中4℃條件下保存。另外，在納赤臺(tái)水文站監(jiān)測(cè)了降水和氣溫等氣象參數(shù)（圖2）。
圖2 納赤臺(tái)2019年月降水、氣溫與蒸發(fā)變化特征
3.2 測(cè)試方法所有水樣的氫氧穩(wěn)定同位素組成在河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院同位素實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。所用儀器為L(zhǎng)GR水同位素分析儀（IWA-45EP，美國(guó)Los Gatos Research 公司），樣品δ2H和δ18O的測(cè)量精度分別為±1‰和±0.1‰。水樣測(cè)試之前用0.22 mm 孔徑的濾膜過(guò)濾，測(cè)量的結(jié)果用相對(duì)于VSMOW（維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水）標(biāo)準(zhǔn)的δ（‰）表示：
3.3 HYSPLIT 模型HYSPLIT（Hybrid-Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory）模型由美國(guó)海洋大氣局（NOAA）設(shè)計(jì)，可用來(lái)追蹤氣流所攜帶的離子或氣流移動(dòng)方向［34］，也可用來(lái)識(shí)別水汽源區(qū)與遷移路徑［28，35］。本研究使用該模型對(duì)2019年6—10月期間的51次降水事件水汽遷移路徑進(jìn)行了后向氣團(tuán)軌跡模擬分析。該模型所使用的氣象資料來(lái)源于NCEP（美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心）的全球再分析資料，軌跡的起始位置為納赤臺(tái)水文站（35°52′26.11″N，94°33′47.50″E，海拔3552 m），軌跡的起始時(shí)間按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間選取，后向軌跡延伸時(shí)間為72 h，模擬層高度分別設(shè)為500、1000和2000 m。通過(guò)模擬，獲得每一次降水事件在3 個(gè)高度層面上的水汽遷移軌跡。結(jié)合HYSPLIT 模擬得到的kmz 數(shù)據(jù)，應(yīng)用MeteoInfo Map 軟件進(jìn)行聚類分析，計(jì)算得到51次降水事件水汽遷移在3個(gè)高度的平均軌跡與分量。該模型的詳細(xì)說(shuō)明與操作參見(jiàn)文獻(xiàn)［34-35］。
4 結(jié)果與討論
4.1 納赤臺(tái)降水同位素特征及其影響因素2019年6—10月期間納赤臺(tái)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(gè)月降水的H-O穩(wěn)定同位素組成加權(quán)均值都低于其算術(shù)均值，暗示了降水量大的日降水事件由較負(fù)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(quán)均值來(lái)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(fù)，10月的最負(fù)（表1與圖3）。
表1 納赤臺(tái)2019年6—10月的降水同位素組成統(tǒng)計(jì)
圖3 納赤臺(tái)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(méi)有太大的一致性，而與氣溫有一定的對(duì)應(yīng)。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(shì)。如表2所示，日降水δ18O和d-excess值與降水量的相關(guān)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(guān)關(guān)系，即，隨著氣溫的升高，δ18O值增加而d-excess 值降低（表2）。同時(shí)，蒸發(fā)量與日降水δ18O在p=0.01水平上極顯著相關(guān)，與d-excess值在p=0.05水平上顯著相關(guān)（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(guān)（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(qū)動(dòng)力［36］。這主要是因?yàn)楦珊档貐^(qū)氣溫升高后降水過(guò)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(tái)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(guān)性分析
4.2 流域降水線方程基于2019年6—10月納赤臺(tái)降水同位素?cái)?shù)據(jù)，建立了格爾木河流域山區(qū)當(dāng)?shù)卮髿饨邓€：δ2H=7.4×δ18O+13.2（圖4）。絕大部分日降水同位素?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)落在全球降水線（GMWL）之上，多數(shù)月加權(quán)均值也是如此（圖3）［37-38］。這表明降水與當(dāng)?shù)厮w的蒸發(fā)-凝結(jié)密切相關(guān)［39-40］。8月降水同位素組成的月加權(quán)均值落在GMWL線上，表明這個(gè)月份的水汽與其它月份的在來(lái)源上有差異。
圖4 格爾木河流域降水同位素關(guān)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?cái)?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(cè)資料修正了孫存熠建立的格爾木地區(qū)當(dāng)?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(gè)降水線：δ2H=7.84×δ18O-4.57。Yang等［38］測(cè)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(dāng)?shù)亟邓€方程：δ2H=8.5×δ18O+18.39。本研究建立的當(dāng)?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(gè)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(tái)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(guó)西部主要地點(diǎn)的降水同位素關(guān)系線。青藏高原降水同位素關(guān)系線斜率與截距明顯高于其它地區(qū)（表3）；同時(shí)，位于青藏高原上的拉薩、沱沱河、格爾木及納赤臺(tái)等地降水同位素關(guān)系線也存在差異，即格爾木、納赤臺(tái)降水同位素關(guān)系線斜率稍低于拉薩和沱沱河的。總體上，從青藏高原南部至內(nèi)蒙古西部沙漠當(dāng)?shù)亟邓€斜率與截距都存在變小的趨勢(shì)。這些差異的存在反映了不同地區(qū)降水來(lái)源及環(huán)境條件有一定的差異：青藏高原南部較濕潤(rùn)，水汽主要受印度洋季風(fēng)控制，而其北部及以北地區(qū)較干旱，水汽由西風(fēng)帶或當(dāng)?shù)厮w蒸發(fā)輸送而來(lái)［23，43］。關(guān)于德令哈降水同位素關(guān)系線，田立德等［21］報(bào)道的與朱建佳等［41］報(bào)道的差別較大，其中的原因還需要進(jìn)一步探究。
表3 中國(guó)西部各地區(qū)降水氫氧同位素關(guān)系
4.3 山區(qū)水汽來(lái)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(lái)源地及其環(huán)境特征，是追蹤水汽來(lái)源的有效指標(biāo)［45］。一般地，來(lái)自高緯度內(nèi)陸蒸發(fā)的降水d-excess值>10‰，而來(lái)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(guò)程中蒸發(fā)強(qiáng)烈也會(huì)造成降水d-excess值偏低［21，47］。如圖3所示，51個(gè)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(quán)d-excess值明顯低于其它月份的值（圖3）。這表明8月份水汽來(lái)源與其它月份的明顯不同。HYSPLIT模型模擬結(jié)果顯示此月份存在東西南北等各個(gè)方向的水汽來(lái)源（圖5和表4），表明了8月份水汽來(lái)源具有一定的復(fù)雜性。東亞夏季風(fēng)盡管到達(dá)柴達(dá)木盆地已是強(qiáng)弩之末但仍可能是導(dǎo)致8月份降水d值低的一個(gè)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(xué)者對(duì)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(fēng)難以越過(guò)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(duì)喜馬拉雅山中段的氘盈余分析進(jìn)一步表明：低的氘盈余值反映強(qiáng)的季風(fēng)降水和較弱的西風(fēng)水汽輸送時(shí)期，而高的氘盈余值對(duì)應(yīng)弱的季風(fēng)活動(dòng)與強(qiáng)的西風(fēng)輸送時(shí)期。HYSPLIT模型模擬結(jié)果顯示了大部分的水汽來(lái)源于北、西北、西及西南方向（圖5和表4），表明了西風(fēng)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(jié)果分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：2000 m高程的水汽主要來(lái)自西部，1000 m高程的水汽除來(lái)自西部以外相當(dāng)一部分來(lái)自西北部，500 m高程的水汽有一半以上來(lái)自西北部及北部（圖5 和表4）。大西洋、地中海等位于西風(fēng)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(tái)2000 m以上的大氣降水可能是由西風(fēng)環(huán)流攜帶大西洋、地中海等地水體蒸發(fā)的濕氣而來(lái)并形成的。納赤臺(tái)1000 m高程的降水除了由西風(fēng)環(huán)流攜帶而來(lái)的濕氣補(bǔ)給之外，也可能受來(lái)自北方向的西伯利亞氣流影響。除西風(fēng)環(huán)流和西伯利亞氣流影響之外，納赤臺(tái)500 m高程的降水也接受近地面氣流作用下柴達(dá)木盆地及周邊地區(qū)水體蒸發(fā)的補(bǔ)給。盡管這些地區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈［3］，但是其水體面積小，水體蒸發(fā)不足以顯著影響當(dāng)?shù)亟邓Ｒ虼?，由高空西風(fēng)環(huán)流長(zhǎng)距離攜帶而來(lái)的水汽是納赤臺(tái)乃至格爾木流域降水的主要貢獻(xiàn)者。
表4 納赤臺(tái)地區(qū)降水水汽來(lái)源貢獻(xiàn)比例
圖5 基于HYSPLIT模型模擬的納赤臺(tái)2019年6月—10月水汽遷移軌跡路徑
5 結(jié)論
本文于2019年6—10月在格爾木河流域山區(qū)段納赤臺(tái)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(lái)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(gè)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(fēng)環(huán)流及局地水汽循環(huán)密切相關(guān)。高空水汽主要由西風(fēng)環(huán)流攜帶而來(lái)，而低空水汽還與內(nèi)陸水體蒸發(fā)有關(guān)。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(fēng)的影響。因此，今后的流域水資源管理工作宜針對(duì)不同月份適當(dāng)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(shí)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(chǔ)資料，為揭示該地區(qū)降水水汽長(zhǎng)時(shí)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。
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饒文波，李垚煒，譚紅兵，李永國(guó)，溫 川，張西營(yíng)
（1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 211100；2.青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查研究院，青海西寧 810008；3.青海省水文水資源測(cè)報(bào)中心格爾木分中心，青海格爾木 816099；4.中國(guó)科學(xué)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(dá)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(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)及居民生活等方面充當(dāng)極為重要的角色［2］。近年來(lái)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(rèn)識(shí)降水變化特征與水汽來(lái)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(dǎo)當(dāng)?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(gòu)成水分子的兩種主要同位素，對(duì)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(biāo)記效應(yīng)，能夠反映水源、蒸發(fā)、混合等水文信息［5-8］。因此，在水文學(xué)領(lǐng)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(lái)，這一方法在大氣降水來(lái)源研究中得到了廣泛應(yīng)用［13-16］。隨著氣候振蕩加劇和人類活動(dòng)的增強(qiáng)，青藏高原水文循環(huán)已成為學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)［17-20］。目前，利用H-O穩(wěn)定同位素示蹤方法開(kāi)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?cái)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)青藏高原氘盈余值在唐古拉山南北兩側(cè)顯示不同的特征，認(rèn)為與水汽來(lái)源不同有關(guān)；Wu等［22］對(duì)黑河流域降水δ18O與δ2H的時(shí)空變化特征進(jìn)行了深入研究，指出降水同位素組成受凝結(jié)作用和水汽來(lái)源所控制；Gao等［23］通過(guò)冰芯同位素分析發(fā)現(xiàn)北印度上空的對(duì)流活動(dòng)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(lǐng)域中應(yīng)用較廣且流行的方法與手段，在模擬水文循環(huán)過(guò)程與趨勢(shì)、評(píng)估其對(duì)氣候環(huán)境因子的響應(yīng)等方面有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)［24-27］。同位素示蹤與模型模擬獲得的結(jié)果可交叉驗(yàn)證、相互補(bǔ)充，兩者有機(jī)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(jī)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(dá)木盆地一帶［29-31］，制約了對(duì)高寒干旱區(qū)水汽循環(huán)的整體性認(rèn)識(shí)，也不利于對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源利用的科學(xué)指導(dǎo)。
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(tái)水文站為研究監(jiān)測(cè)點(diǎn)，收集2019年6—10月期間的每一次降水事件樣品，監(jiān)測(cè)降水量、氣溫等主要?dú)庀髤?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(lái)源。預(yù)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(gòu)建提供資料，同時(shí)為當(dāng)?shù)厮Y源管理決策提供科學(xué)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(dá)木盆地的第二大河流，總長(zhǎng)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(dá)布遜湖（圖1）。格爾木河流域位于柴達(dá)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(gè)地貌單元組成。該流域地勢(shì)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(fēng)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(zhuǎn)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(qiáng)烈，日照強(qiáng)，多風(fēng)，晝夜溫差大，其氣候?qū)儆诘湫偷母咴瓋?nèi)陸高寒干旱氣候。該流域降水主要受西風(fēng)環(huán)流和高原季風(fēng)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(shí)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(tái)水文站（N35°52′26.11″，E94°33′47.50″）設(shè)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(cè)資料，月均氣溫在1月和12月最低，達(dá)到-15℃，在8月份最高，為9℃。12月份基本沒(méi)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(shí)常突發(fā)洪水，對(duì)下游格爾木市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活帶來(lái)一定的不利影響。
圖1 格爾木河流域及納赤臺(tái)水文站位置
3 樣品采集與測(cè)試方法
3.1 樣品采集納赤臺(tái)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(shí)，打開(kāi)防塵蓋，開(kāi)始接收降水。本次研究共采集51個(gè)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(shí)，采用美國(guó)Parafilm公司分子生化級(jí)封口膜對(duì)瓶口密封。其目的是防止蒸發(fā)影響。樣品采集后立即運(yùn)往河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室，在同位素與化學(xué)分析之前于冰箱中4℃條件下保存。另外，在納赤臺(tái)水文站監(jiān)測(cè)了降水和氣溫等氣象參數(shù)（圖2）。
圖2 納赤臺(tái)2019年月降水、氣溫與蒸發(fā)變化特征
3.2 測(cè)試方法所有水樣的氫氧穩(wěn)定同位素組成在河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院同位素實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。所用儀器為L(zhǎng)GR水同位素分析儀（IWA-45EP，美國(guó)Los Gatos Research 公司），樣品δ2H和δ18O的測(cè)量精度分別為±1‰和±0.1‰。水樣測(cè)試之前用0.22 mm 孔徑的濾膜過(guò)濾，測(cè)量的結(jié)果用相對(duì)于VSMOW（維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水）標(biāo)準(zhǔn)的δ（‰）表示：
3.3 HYSPLIT 模型HYSPLIT（Hybrid-Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory）模型由美國(guó)海洋大氣局（NOAA）設(shè)計(jì)，可用來(lái)追蹤氣流所攜帶的離子或氣流移動(dòng)方向［34］，也可用來(lái)識(shí)別水汽源區(qū)與遷移路徑［28，35］。本研究使用該模型對(duì)2019年6—10月期間的51次降水事件水汽遷移路徑進(jìn)行了后向氣團(tuán)軌跡模擬分析。該模型所使用的氣象資料來(lái)源于NCEP（美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心）的全球再分析資料，軌跡的起始位置為納赤臺(tái)水文站（35°52′26.11″N，94°33′47.50″E，海拔3552 m），軌跡的起始時(shí)間按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間選取，后向軌跡延伸時(shí)間為72 h，模擬層高度分別設(shè)為500、1000和2000 m。通過(guò)模擬，獲得每一次降水事件在3 個(gè)高度層面上的水汽遷移軌跡。結(jié)合HYSPLIT 模擬得到的kmz 數(shù)據(jù)，應(yīng)用MeteoInfo Map 軟件進(jìn)行聚類分析，計(jì)算得到51次降水事件水汽遷移在3個(gè)高度的平均軌跡與分量。該模型的詳細(xì)說(shuō)明與操作參見(jiàn)文獻(xiàn)［34-35］。
4 結(jié)果與討論
4.1 納赤臺(tái)降水同位素特征及其影響因素2019年6—10月期間納赤臺(tái)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(gè)月降水的H-O穩(wěn)定同位素組成加權(quán)均值都低于其算術(shù)均值，暗示了降水量大的日降水事件由較負(fù)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(quán)均值來(lái)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(fù)，10月的最負(fù)（表1與圖3）。
表1 納赤臺(tái)2019年6—10月的降水同位素組成統(tǒng)計(jì)
圖3 納赤臺(tái)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(méi)有太大的一致性，而與氣溫有一定的對(duì)應(yīng)。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(shì)。如表2所示，日降水δ18O和d-excess值與降水量的相關(guān)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(guān)關(guān)系，即，隨著氣溫的升高，δ18O值增加而d-excess 值降低（表2）。同時(shí)，蒸發(fā)量與日降水δ18O在p=0.01水平上極顯著相關(guān)，與d-excess值在p=0.05水平上顯著相關(guān)（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(guān)（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(qū)動(dòng)力［36］。這主要是因?yàn)楦珊档貐^(qū)氣溫升高后降水過(guò)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(tái)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(guān)性分析
4.2 流域降水線方程基于2019年6—10月納赤臺(tái)降水同位素?cái)?shù)據(jù)，建立了格爾木河流域山區(qū)當(dāng)?shù)卮髿饨邓€：δ2H=7.4×δ18O+13.2（圖4）。絕大部分日降水同位素?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)落在全球降水線（GMWL）之上，多數(shù)月加權(quán)均值也是如此（圖3）［37-38］。這表明降水與當(dāng)?shù)厮w的蒸發(fā)-凝結(jié)密切相關(guān)［39-40］。8月降水同位素組成的月加權(quán)均值落在GMWL線上，表明這個(gè)月份的水汽與其它月份的在來(lái)源上有差異。
圖4 格爾木河流域降水同位素關(guān)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?cái)?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(cè)資料修正了孫存熠建立的格爾木地區(qū)當(dāng)?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(gè)降水線：δ2H=7.84×δ18O-4.57。Yang等［38］測(cè)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(dāng)?shù)亟邓€方程：δ2H=8.5×δ18O+18.39。本研究建立的當(dāng)?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(gè)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(tái)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(guó)西部主要地點(diǎn)的降水同位素關(guān)系線。青藏高原降水同位素關(guān)系線斜率與截距明顯高于其它地區(qū)（表3）；同時(shí)，位于青藏高原上的拉薩、沱沱河、格爾木及納赤臺(tái)等地降水同位素關(guān)系線也存在差異，即格爾木、納赤臺(tái)降水同位素關(guān)系線斜率稍低于拉薩和沱沱河的。總體上，從青藏高原南部至內(nèi)蒙古西部沙漠當(dāng)?shù)亟邓€斜率與截距都存在變小的趨勢(shì)。這些差異的存在反映了不同地區(qū)降水來(lái)源及環(huán)境條件有一定的差異：青藏高原南部較濕潤(rùn)，水汽主要受印度洋季風(fēng)控制，而其北部及以北地區(qū)較干旱，水汽由西風(fēng)帶或當(dāng)?shù)厮w蒸發(fā)輸送而來(lái)［23，43］。關(guān)于德令哈降水同位素關(guān)系線，田立德等［21］報(bào)道的與朱建佳等［41］報(bào)道的差別較大，其中的原因還需要進(jìn)一步探究。
表3 中國(guó)西部各地區(qū)降水氫氧同位素關(guān)系
4.3 山區(qū)水汽來(lái)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(lái)源地及其環(huán)境特征，是追蹤水汽來(lái)源的有效指標(biāo)［45］。一般地，來(lái)自高緯度內(nèi)陸蒸發(fā)的降水d-excess值>10‰，而來(lái)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(guò)程中蒸發(fā)強(qiáng)烈也會(huì)造成降水d-excess值偏低［21，47］。如圖3所示，51個(gè)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(quán)d-excess值明顯低于其它月份的值（圖3）。這表明8月份水汽來(lái)源與其它月份的明顯不同。HYSPLIT模型模擬結(jié)果顯示此月份存在東西南北等各個(gè)方向的水汽來(lái)源（圖5和表4），表明了8月份水汽來(lái)源具有一定的復(fù)雜性。東亞夏季風(fēng)盡管到達(dá)柴達(dá)木盆地已是強(qiáng)弩之末但仍可能是導(dǎo)致8月份降水d值低的一個(gè)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(xué)者對(duì)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(fēng)難以越過(guò)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(duì)喜馬拉雅山中段的氘盈余分析進(jìn)一步表明：低的氘盈余值反映強(qiáng)的季風(fēng)降水和較弱的西風(fēng)水汽輸送時(shí)期，而高的氘盈余值對(duì)應(yīng)弱的季風(fēng)活動(dòng)與強(qiáng)的西風(fēng)輸送時(shí)期。HYSPLIT模型模擬結(jié)果顯示了大部分的水汽來(lái)源于北、西北、西及西南方向（圖5和表4），表明了西風(fēng)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(jié)果分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：2000 m高程的水汽主要來(lái)自西部，1000 m高程的水汽除來(lái)自西部以外相當(dāng)一部分來(lái)自西北部，500 m高程的水汽有一半以上來(lái)自西北部及北部（圖5 和表4）。大西洋、地中海等位于西風(fēng)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(tái)2000 m以上的大氣降水可能是由西風(fēng)環(huán)流攜帶大西洋、地中海等地水體蒸發(fā)的濕氣而來(lái)并形成的。納赤臺(tái)1000 m高程的降水除了由西風(fēng)環(huán)流攜帶而來(lái)的濕氣補(bǔ)給之外，也可能受來(lái)自北方向的西伯利亞氣流影響。除西風(fēng)環(huán)流和西伯利亞氣流影響之外，納赤臺(tái)500 m高程的降水也接受近地面氣流作用下柴達(dá)木盆地及周邊地區(qū)水體蒸發(fā)的補(bǔ)給。盡管這些地區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈［3］，但是其水體面積小，水體蒸發(fā)不足以顯著影響當(dāng)?shù)亟邓Ｒ虼?，由高空西風(fēng)環(huán)流長(zhǎng)距離攜帶而來(lái)的水汽是納赤臺(tái)乃至格爾木流域降水的主要貢獻(xiàn)者。
表4 納赤臺(tái)地區(qū)降水水汽來(lái)源貢獻(xiàn)比例
圖5 基于HYSPLIT模型模擬的納赤臺(tái)2019年6月—10月水汽遷移軌跡路徑
5 結(jié)論
本文于2019年6—10月在格爾木河流域山區(qū)段納赤臺(tái)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(lái)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(gè)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(fēng)環(huán)流及局地水汽循環(huán)密切相關(guān)。高空水汽主要由西風(fēng)環(huán)流攜帶而來(lái)，而低空水汽還與內(nèi)陸水體蒸發(fā)有關(guān)。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(fēng)的影響。因此，今后的流域水資源管理工作宜針對(duì)不同月份適當(dāng)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(shí)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(chǔ)資料，為揭示該地區(qū)降水水汽長(zhǎng)時(shí)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。
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