黄河流域上游降水稳定同位素特征与水分来源示踪研究

《Research in Cold and Arid Regions》：Stable isotopic signature of precipitation and its moisture sources in the Upper Huangshui River Basin, northwest China

本研究针对黄河流域上游水文循环机制不清的问题，通过降水稳定同位素（δ18O、δD）分析和HYSPLIT模型追踪，揭示了季风与西风带对降水的协同影响规律，建立了局部大气水线（LMWL: δD=7.74δ18O+11.22），为高寒干旱区水资源管理提供关键科学依据。

　　

在全球气候变化背景下，青藏高原作为"亚洲水塔"正经历着冰川退缩、湖泊扩张等显著水文变化。位于高原东北缘的湟水流域，既是黄河上游重要支流，又是青海省人口经济核心区，却面临水资源供需失衡的严峻挑战。传统水文研究多集中于径流模拟和水污染评估，而对降水稳定同位素特征及其水分来源的认识仍存在空白，制约着区域水循环机制的深入解析。

为破解这一难题，研究人员在湟水上游开展了为期一年的降水同位素监测，结合气象观测数据和HYSPLIT（混合单粒子拉格朗日积分轨迹）模型，首次系统揭示了该区域降水同位素时空分异规律及其控制机制。研究团队在湟源站采集了109个日降水和22个降雪样本，使用连续流同位素比值质谱仪测定δ¹⁸O和δD值，精度分别达0.08‰和1.5‰。同时整合东北 Tibetan Plateau（NETP）41个站点数据，通过同位素高程效应和纬度效应分析，构建了区域尺度的大气水线模型。

3.1. 降水稳定同位素组成特征

日尺度上δ¹⁸O值变幅达27.81‰（-21.83‰至5.98‰），加权平均值（-8.56‰）显著低于算术均值，揭示夏季富集重同位素的小降雨事件与贫化重同位素的强降水过程并存。季节尺度呈现"秋富夏贫"的独特模式，秋季δ¹⁸O加权均值（-2.95‰）异常偏正，而夏季低至-9.72‰，这与季风入侵导致的雨洗效应密切相关。月尺度分析发现7月同位素最贫化，与35.2mm强降水对应，而9月极端富集（5.98‰）仅伴随0.1mm微量降雨。

3.2. 局部大气水线

建立的日尺度局部大气水线（DLMWL）为δD=7.74δ¹⁸O+11.22（R²=0.92），斜率低于全球大气水线（GMWL）但截距更高，指示云下二次蒸发强烈。季节水线显示夏季斜率最大（7.71），秋季截距最高（13.85），反映季风水汽输入增强同位素分馏，而西风主导期干冷条件促进动能分馏。

3.3. 环境效应

年尺度上δ¹⁸O与温度（R²=0.01）、降水量（R²=0.02）相关性不显著，但月尺度3月出现温度效应（-0.57‰/℃），4月呈现降水量效应（2.36‰/mm）。海拔梯度为-0.16‰/100m，纬度效应达3.04‰/°，证实地形与气团运移路径的协同控制。氘盈余（d-excess）与温度负相关（-2.97‰/℃），与相对湿度正相关（0.16‰/%），揭示蒸发富集机制。

3.4. 水分来源

HYSPLIT轨迹聚类显示西风带全年主导（55%-75%），夏季东南季风贡献达70%，局地再循环水汽占比21%-55%。水汽通量分析证实夏季通量最高（3-4g/(m·s)），春季西风带干冷气团与西南水汽共同影响，冬季则以西风极地气团为主。

本研究通过多尺度同位素示踪，阐明湟水上游降水同位素受西风带主导、季风阶段性补充、局地蒸发协同影响的三元调控机制。建立的局部大气水线为古气候重建提供现代过程依据，揭示的云下蒸发强度为干旱区水文模拟关键参数。水分来源定量解析不仅深化了青藏高原东北缘水循环认知，更对气候变化背景下水资源可持续管理具有实践指导意义。未来需结合更长时序观测，进一步量化不同源区对降水同位素分馏的贡献率。