冰川冻土, 2020, 42(3): 937-951 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0068

冰冻圈水文与水资源

黑河上游降水同位素特征及其水汽来源分析

孟鸿飞,1,2, 张明军,1, 王圣杰1,3, 邱雪1, 周苏娥1, 张亚宁1, 余秀秀1, 王雯4

1.西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070

2.中国科学院 西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000

3.陕西省 河流湿地生态与环境重点实验室，陕西 渭南 714099

4.北京师范大学 防沙治沙教育部工程研究中心，北京 100875

Precipitation isotope characteristics and water vapor source analysis in the upper reaches of the Heihe River

MENG Hongfei,1,2, ZHANG Mingjun,1, WANG Shengjie1,3, QIU Xue1, ZHOU Su’e1, ZHANG Yaning1, YU Xiuxiu1, WANG Wen4

1.College of Geography and Environmental Science，Northwest Normal University，Lanzhou 730070，China

2.Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

3.Key Laboratory for Ecology and Environment of River Wetlands in Shaanxi Province，Weinan 714099，Shaanxi，China

4.MOE Engineering Center of Desertification and Blown-sand Control，Beijing Normal University，Beijing 100875，China

通讯作者: 张明军， 教授， 从事气候变化与冰川研究. E-mail：mjzhang2004@163.com.

编委: 周成林

收稿日期: 2019-01-30   修回日期: 2020-07-02  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41461003.  41771035
甘肃省高等学校科研项目.  2018C-02

Received: 2019-01-30   Revised: 2020-07-02  

作者简介 About authors

孟鸿飞（1993-），男，甘肃宁县人，2016年在兰州城市学院获学士学位，现为西北师范大学在读硕士研究生，从事全球变化与可持续发展研究.E-mail：mhf824061@163.com , E-mail：mhf824061@163.com

摘要

为了加深对黑河上游水循环过程的理解， 以研究区5个站点2015年8月至2016年8月的降水同位素实测数据和气象数据为基础， 除对降水同位素特征进行分析外， 主要利用TrajStat软件中的后向轨迹计算模块与潜在源贡献因子分析（PSCF）方法， 对研究区降水的水汽来源进行了分析， 并结合水汽通量等方法进行了补充分析。结果表明： 降水同位素呈夏高冬低趋势， 大气水线斜率（8.02）和截距（11.02）均高于全球大气水线的斜率（8.00）和截距（10.00）， 存在温度效应（δ18O=0.43x-10.82， r=0.54， P<0.0001）， 不存在降水量效应（δ18O=-0.05x-7.81， r=0.03， P<0.0001）； 研究区降水受多种水汽影响， 西风水汽影响最大。夏季除受西风水汽影响外， 还受东南季风水汽影响显著且水汽来源复杂； 研究区夏季的潜在蒸发源地集中在一些相对湿度和蒸发量较大的地区， 如祁连山区、 河西地区、 柴达木盆地北部、 青藏高原东南部及酒泉地区西南部等； 当降水量小、 温度高时， 持续性降水的大气水线方程的斜率和截距较小， 暴雨稳定同位素值较贫化， 受东南季风水汽影响最大， 其次是北方和西风水汽， 多种水汽辐合是暴雨事件发生的必要条件。

关键词： 黑河上游 ; 降水同位素 ; 水汽来源 ; 潜在蒸发源地 ; 典型降水事件

Abstract

In order to deepen the understanding of the process of water circulation in the upper reaches of Heihe River， based on the measured data of precipitation isotopes and meteorological data from 5 sites in the study area from August 2015 to August 2016， in addition to the analysis of precipitation isotope characteristics， TrajStat software is mainly used. The backward trajectory calculation module and the potential source contribution function analysis （PSCF） method focus on the analysis of the water vapor source of the precipitation in the study area， and supplement the analysis with the method of water vapor flux. The results show that： （1） The precipitation isotope is obviously low in summer and high in winter， and the slope （8.02） and intercept （11.02） of the meteoric water line in the study area are higher than the slope （8） and intercept （10） of the global atmospheric waterline. There is a temperature effect （δ18O=0.43x-10.82， r=0.54， P<0.0001）， there is no precipitation effect （δ18O=-0.05x-7.81， r=0.03， P<0.0001）； （2） Precipitation in the study area is affected by many kinds of water vapor， and the west wind water vapor has the greatest influence. In summer， except the west wind water vapor， the southeast water vapor has obvious influence and the source of water vapor is complicated； （3） The potential evaporation sources in the study area are mainly concentrated in some areas with large evaporation and relatively high humidity， such as： Qilian Mountains， Hexi area， northern part of the Qaidam Basin， the southeastern part of the plateau and the southwestern part of the Jiuquan area are the main potential evaporation sources for summer precipitation in the study area； （4） When precipitation is small and temperature is high， the slope and intercept of atmospheric water line equation of continuous precipitation are small. The stable isotope value of rainstorm is relatively depleted， which is most affected by water vapor of southeast monsoon， followed by water vapor of north and west wind， a variety of water vapor convergence is a necessary condition for the occurrence of heavy rain events.

Keywords： the upper reaches of Heihe River ; precipitation isotope ; water vapor source ; potential evaporation source ; typical precipitation event

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本文引用格式

孟鸿飞, 张明军, 王圣杰, 邱雪, 周苏娥, 张亚宁, 余秀秀, 王雯. 黑河上游降水同位素特征及其水汽来源分析[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 937-951 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0068

MENG Hongfei, ZHANG Mingjun, WANG Shengjie, QIU Xue, ZHOU Su’e, ZHANG Yaning, YU Xiuxiu, WANG Wen. Precipitation isotope characteristics and water vapor source analysis in the upper reaches of the Heihe River[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(3): 937-951 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0068

0 引言

水循环是水圈中重要的能量和物质流动的形式［1］， 降水又是水循环过程中最主要的环节［2］。黑河是我国第二大内陆河， 保障着流域内人们的生活， 然而受气候变化和人为活动的影响， 水资源十分短缺， 流域大部分属干旱气候区， 仅上游的祁连山区较湿润， 是流域内降水的主要发生区和径流的主要形成区［3］。其次， 近年来流域内强降水事件的强度和频率加大［4］， 使得原本脆弱不堪的水系统变得更不稳定［5］， 鉴于此， 对黑河上游研究时段内降水持续时间最长和降水量最大的几次典型降水事件进行了分析研究［4］。因此， 对黑河上游降水进行分析研究可以为该区域乃至整个西北干旱区环境保护和水汽循环模式提供理论支撑［6］。氢氧稳定同位素作为水分子的重要组成部分， 对环境变化的响应十分敏感， 已成为研究复杂的水文和气候过程的有效手段［7-8］。

目前， 水汽来源分析方法主要有： HYSPLIT和FLEXPART模式［9-10］、 同位素分析法［11］和欧拉方法［12］等， 大都使用单一方法进行分析。关于黑河上游及其周边地区降水同位素和水汽来源已有不少研究［13-18］， 但水汽来源鉴定方法较传统， 运用同位素和水汽来源方法综合研究典型降水事件也不多见。综上， 本文除对研究区降水同位素特征进行分析外， 重点在水汽来源方面， 将后向轨迹和水汽d-excess（d-excess=δD-8δ18O）数据结合起来， 使用潜在源贡献因子（potential source contribution function， PSCF）分析法定性分析了研究区夏季降水的潜在蒸发源区， 已有学者［19-20］利用类似方法进行了各自研究区的潜在蒸发源地的研究， 表明了此方法在水汽源地鉴定方面的适用性［21］。此方法的优越性在于d-excess的影响因素较少， 蒸发形成的水汽d-excess值很高， 可以明显区别于水体的d-excess［22］， 此外， PSCF的可视化分析结果， 便于理解和识别潜在蒸发源区， 对于理解区域水汽循环过程具有深刻意义。

1 数据与方法

1.1　研究区概况

黑河发源于青海省的祁连山， 进入甘肃省的河西走廊， 最终到达内蒙古自治区额济纳旗东居延海和西居延海， 全长821 km。流域面积约13×104 km2。本文研究点（图1）集中在黑河上游（上游和中游以莺落峡为界）， 海拔1 700 ~ 5 564 m， 寒冷阴湿， 多年平均气温-5 ~ 4 ℃， 年降水量在200 mm以上， 多集中在夏季， 局部高山带年降水可达600 ~ 700 mm， 年均融水量约4×108 m3［18］。

图1

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图1   黑河上游站点分布

Fig.1   Site map of the upper reaches of Heihe River


1.2　数据来源

在黑河上游均匀选取肃南、 民乐、 野牛沟、 祁连和托勒五个站点作为研究站点。降水发生时， 用容器快速采集水样， 降低蒸发带来的数据误差。对于液态水， 用塑料水样瓶密封保存； 固态水样（降雪）需要装入干净的塑料袋内， 自然融化后装入水样瓶中密封， 并记录降水发生时的基本气象要素。降水δ18O、 δD日数据时段为2015年8月 - 2016年8月， 野牛沟数据时段为2015年8月 - 2016年7月。水样实验在西北师范大学地理与环境科学学院稳定同位素实验室完成， δD和δ18O值的测试误差分别不超过±1‰和±0.3‰。后向轨迹、 PSCF使用的是由美国国家环境预报中心的GDAS气象数据， 空间分辨率为1°×1°。风速、 风向数据来自国家气象信息中心（http：//data.cma.cn/）。大气可降水量、 水汽通量的计算参照相关文献［23］， 春、 夏、 秋、 冬的水汽通量采用欧洲中期天气预报中心的ERA-Interim数据， 空间分辨率为0.75°×0.75°， 为了与后向轨迹高度相对应， 根据后向轨迹起始高度和气压高度对照表对700、 650、 600、 550、 500 hPa气压高度层进行分析。暴雨水汽通量使用分辨率为2.5°×2.5°的NCEP气象数据， 气压高度层是地面至500 hPa。降水水汽同位素数据根据公式［24］计算得到：

δ18OPV≅δ18OP-103(αw-v18-1)
δDPV≅δDP-103(αw-v2-1)

式中： α18w-v 和α2w-v 是水和水蒸气氢氧同位素之间的平衡分馏系数， 和温度T（K）存在以下关系［6，22，25］：

103lnαw-v18=1.137(106/T2)-0.4156(103/T)-2.0667
103lnαw-v2=24.844(106/T2)-76.248(103/T)+52.612

对于一天发生多次降水事件的情况， 降水中氢氧稳定同位素的大小由当天所有降水氢氧稳定同位素数据加权可得， 公式如下：

δw=∑Piδi∑Pi

式中： δ（w）为加权平均值； Pi 为降水量； δi 为对应的同位素比率。

1.3　研究方法

1.3.1　后向轨迹聚类分析

研究使用轨迹计算利用了HYSPLIT模式计算模块的TrajStat软件［26-27］。根据每对轨迹组合的空间相异度（SPVAR）、 总空间相异度（TSV）对气团轨迹进行聚类［28］， TSV等于所有聚类SPVAR的总和。本文轨迹聚类采用角度距离算法［29］， 得到各研究点主要的水汽来源方向。SPVAR计算如式（6）所示。

SPVAR=∑j=1x∑i=1tDij2

式中： Dij 为第i条轨迹中第j个小时的停留点到平均轨迹相应点的距离； t为轨迹时长； x为该聚类中的轨迹条数［30］。

1.3.2　潜在源贡献因子（PSCF）分析

PSCF是一种基于条件概率函数来识别潜在污染源的方法［31］， 通过计算污染轨迹与指定区域所有轨迹停留时间的比值来表示网格对研究区污染的贡献程度， 其定义经过某一区域的所有轨迹到达研究点所对应的某要素值（本文指水汽d-excess浓度值）超过设定阈值（本文指水汽d-excess浓度平均值， 设定的依据参考相关文献［32］）， 则认为该轨迹水汽d-excess值较高， 高PSCF值所对应网格组成的区域就是研究点的潜在蒸发源区。随着网格与采样点的距离变大， PSCF的误差会增大， 当nij减小时， 不确定性又会增加， 因此， 引入权重函数公式（8）， W（nij）函数的确定参考Zeng等［31］的研究结果。

PSCFij=mijnij⋅W(nij)
Wnij=1.00     (80<nij)0.70     (20<nij≤80)0.42     (10<nij≤20)0.05     (nij≤10)

式中： mij 为研究区域内经过网格（i、 j）并且超过水汽d-excess阈值的轨迹数； nij 为网格（i、 j）内所有轨迹数。

2 结果与分析

2.1　降水稳定同位素特征

表1中， 研究区δ18O值范围是： -33.3‰ ~ 9.7‰， δD值范围是： -264.9‰ ~ 67.5‰， 较赵良菊等［18］研究得出的黑河上游降水稳定同位素变化范围（δ18O： -24.5‰ ~ 3.2‰， δD： -172.6‰ ~ 33.5‰）略大， 但数据还是集中在该范围内（图2）。

表1   黑河上游同位素特征

Table 1  Isotope characteristics of the upper reaches of Heihe River

站点δ18O/‰δD/‰
平均值最大值最小值平均值最大值最小值
肃南-7.83.7-31.2-50.927.6-251.9
民乐-9.33.7-32.0-64.511.3-264.9
托勒-8.89.7-33.3-58.967.5-262.0
野牛沟-4.76.3-22.6

-28.9

-39.7

33.4

47.0

-174.5

-193.5

祁连-6.75.0-24.9

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图2

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图2   黑河上游降水同位素散点密度图

Fig.2   Scatter density map of precipitation isotope in the upper reaches of Heihe River


从图3可以发现， 降水δ18O和δD的变化同步性很好。降水稳定同位素值夏高冬低， 除野牛沟外， 大多数采样点降水中δD和δ18O的中值在夏季（6 - 8月）可以达到0‰附近。

图3

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图3   黑河上游各站点降水中δ18O和δD的月变化特征

Fig.3   Monthly variation of δ18O and δD of precipitation in the upper reaches of Heihe River


2.2　当地大气水线

从表2可以看出， 除野牛沟外， 其余站点大气水线的截距和斜率均持平或高于全球大气水线（δD=8δ18O+10）， 整体来看， 黑河上游大气水线为： δD=8.02δ18O+11.02， r=0.98， P<0.0001。

表2   黑河上游各站点局地大气水线的斜率和截距

Table 2  Slope and intercept of LMWL for each sampling site in the upper reaches of Heihe River

采样点na±σa（b±σb ）/‰
肃南847.96±0.1711.05±1.76
民乐1318.22±0.1611.6±1.84
野牛沟786.44±0.231.49±1.62

祁连

托勒

93

84

8.24±0.15

8.36±0.17

15.31±1.32

14.47±1.98

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2.3　同位素环境效应

肃南、 民乐、 野牛沟、 祁连和托勒δ18O值与气温之间的回归系数分别为： 0.59‰·℃-1、 0.43‰·℃-1、 0.16‰·℃-1、 0.50‰·℃-1和0.57‰·℃-1， 相关系数分别为0.76、 0.68、 0.23、 0.54和0.51， P值均小于0.0001。整体而言， 研究区δ18O值与温度之间的线性关系为： δ18O=0.43x-10.82， r=0.54， P<0.0001， 存在温度效应。

各站点δ18O值与降水量之间的回归系数分别为： 0.04‰·mm-1、 0.10‰·mm-1、 -0.02‰·mm-1、 -0.07‰·mm-1和-0.05‰·mm-1， P值均小于0.0001， 相关系数均小于0.1。整体而言， 黑河上游δ18O值与降水量之间的线性关系为： δ18O=-0.05x-7.81， r=0.03， P<0.0001， 虽然回归系数为负， 但相关系数过小， 即并不存在降水量效应。

2.4　水汽来源及所占比例

如图4所示， 肃南春季西风水汽合计占比76.46%， 西北方向水汽占比23.54%； 夏季西风、 北方、 西南季风水汽分别占比53.86%、 33.27%、 12.87%； 秋季主要为西风水汽； 冬季， 西风、 新疆东部的局地循环水汽分别占比50.92%、 49.08%。

图4

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图4   肃南后向轨迹聚类高度分析图

Fig.4   Backward trajectory clustering height analysis of Sunan


如图5所示， 民乐春季西风、北方水汽分别占比74.91%、 25.09%； 夏季西风和北方水汽分别占比45.94%、 33.84%， 东南季风水汽占比21.22%； 秋季受西风水汽影响； 冬季， 塔里木盆地的局地循环水汽占比40.11%， 西风水汽占比59.89%。

图5

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图5   民乐后向轨迹聚类高度分析图

Fig.5   Backward trajectory clustering height analysis of Minle


如图6所示， 野牛沟春季受西风水汽影响； 夏季西风、 塔里木盆地、 祁连山的局地再循环水汽分别占比21.15%、 47.87%、 30.98%； 秋季主要受西风水汽影响； 冬季， 西风、 新疆东部的局地循环水汽分别占比63.49%、 36.51%。

图6

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图6   野牛沟后向轨迹聚类高度分析图

Fig.6   Backward trajectory clustering height analysis of Yeniugou


如图7所示， 祁连春季主要是西风水汽； 夏季西风、柴达木盆地的局地循环水汽分别占比48.86%、 41.14%； 秋、 冬季受西风水汽影响。

图7

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图7   祁连后向轨迹聚类高度分析图

Fig.7   Backward trajectory clustering height analysis of Qilian


如图8所示， 托勒春季主要是西风水汽； 夏季西风水汽、 塔里木盆地和河西走廊的局地循环水汽水汽分别占比43.50%、 31.04%、 25.46%； 秋季西风、 新疆东部的局地循环水汽分别占比42.68%、 57.33%； 冬季西风、塔里木盆地的局地循环水汽分别占比22.63%、 77.37%。

图8

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图8   托勒后向轨迹聚类高度分析图

Fig.8   Backward trajectory clustering height analysis of Tuole


根据图4 ~ 8， 结合下垫面地形和后向轨迹的高度变化（颜色变化）情况可以看出， 后向轨迹下垫面是天山、 帕米尔高原时高度较高， 下垫面是塔里木盆地、准噶尔盆地时较低， 北方、 东南方向后向轨迹下垫面较为平缓， 高度较低。

由图9可知， 大气可降水量从大到小依次是夏季（7月）、 春季（4月）、 秋季（10月）和冬季（1月）。夏季受东南季风水汽影响明显， 水汽来源复杂， 春、 秋季主要受西风水汽影响， 冬季则由西风水汽主导。水汽通量与大气可降水量的大小表现出一定程度的空间相似性。

图9

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图9   黑河上游及其周边地区大气可降水量（PW/mm）与水汽通量（kg⋅m-1⋅s-1）

Fig.9   Atmospheric precipitation （PW/mm） and moisture flux （kg⋅m-1⋅s-1） in the middle section of the upper reaches of Heihe River and its surrounding areas


2.5　潜在蒸发源地分析

通过肃南夏季PSCF分析图［图10（a）］可以看出， 河西地区东部和西南部、 青海省西北部、 新疆东部均是PSCF分析的高值区， 部分研究［33-35］表明这些区域夏季高温干燥， 蒸发量大。值得注意的是青藏高原东南部也是一个高值区， 这是因为高原东南部作为一个“高湿区”［36］， 在夏季蒸发旺盛， 高值概率在30%以上， 也是研究区的潜在蒸发源地， 这与已有研究结果相似［20］。图10（b）显示， 民乐夏季PSCF值的高值区集中在研究点附近及河西地区东部， 高值概率在40%以上。图10（c）显示， 祁连夏季PSCF值的高值区集中在研究点周围的祁连山区、 河西地区东部及西南部、 青藏高原东南部， 已有研究表明［37-38］， 上游的祁连山区在夏季蒸发强烈。图10（d）显示， 托勒夏季PSCF值的高值区集中在祁连山区、 新疆东部、 河西地区东部及西南部， 高值概率在40%以上。

图10

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图10   黑河上游夏季PSCF分析

Fig.10   PSCF analysis in summer of the upper reaches of Heihe River


图11中， 肃南夏季的水汽d-excess高值区主要位于该地区西北、 东北及西南方向， 尤其是西北方向， 平均风速在1 ~ 5 m·s-1之间， 以西风为主。民乐夏季的水汽d-excess高值主要位于该地区以北及周围。此外， 研究点以南出现小范围水汽d-excess值在2‰·m-3以上的区域， 以西北风和东南风为主， 高d-excess（蒸发强）值区域佐证了PSCF的分析结果。

图11

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图11   肃南和民乐2016年夏季风玫瑰污染图

Fig.11   Wind rose pollution map in Summer 2016 of Sunan and Minle


3 典型降水事件中同位素特征及水汽输送

3.1　持续性降水过程中同位素特征及水汽来源

根据图12， 结合表3和表4可以发现， 肃南大气水线的斜率（6.24）和截距（3.86）明显低于野牛沟大气水线的斜率（8.97）和截距（18.92）， 这是因为受降水量少、 温度高及相对湿度低等因素影响， 此次降水过程云下二次蒸发强烈。此外， 两次持续性降水事件相比， 野牛沟的降水同位素值更低， 这是因为野牛沟的降水量明显比肃南多， 温度又明显偏低。

图12

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图12   肃南和野牛沟持续性降水大气水线

Fig.12   Sustained precipitation meteoric water line in Sunan and Yeniugou


表3   肃南2016年7月5日 - 7月9日降水气象和同位素数据

Table 3  Precipitation meteorological and isotope data from July 5th to July 9th of Sunan

日期（mm-dd）降水量/mm温度/℃相对湿度/%δ18O/‰δD/‰d-excess/‰
07-050.419.4558.53.5827.16-1.45
07-060.116.4576.03.6827.58-1.87
07-070.418.8576.0-1.38-9.461.58
07-087.016.9589.0-3.43-15.6111.82
07-098.014.1099.0-5.74-30.9315.00

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表4   野牛沟2016年7月9日 - 7月13日降水气象和同位素数据

Table 4  Precipitation meteorological and isotope data from July 9th to July 13th of Yeniugou

日期（mm-dd）降水量/mm温度/℃相对湿度/%δ18O/‰δD/‰d-excess/‰
07-092.912.791.5-10.78-76.869.38
07-107.710.994.0-10.38-76.086.97
07-112.47.480.5-10.39-73.859.28
07-1211.911.477.5-10.41-74.109.22
07-139.67.287.5-4.31-19.6714.80

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根据图13（a）， 将肃南此次降水过程分为四个阶段：

图13

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图13   肃南（a）和野牛沟（b）持续性降水后向轨迹分析

Fig.13   Backward trajectory analysis of sustained precipitation in Sunan and Yeniugou


第一阶段： 7月5日， 西南季风水汽为该日降水的主要水汽来源， d-excess值为负证明西南季风水汽较为湿润， 受降水量少、温度高、 相对湿度较低等因素影响， 同位素值较高；

第二阶段： 7月6 - 7日， 水汽发源于西北内陆， 主要为西风水汽，在自西向东运移的过程中受宁夏南部的东南季风影响， 由干燥的西风转为湿润的东南水汽， d-excess值较小， 受温度降低和相对湿度增加的影响， 7日同位素值较5日低；

第三阶段： 7月8日， 刚开始受东南季风水汽影响， 此后受发源于甘肃西部的内陆水汽的影响， 因此d-excess值明显增大， 此阶段降水量较大， 温度降低及相对湿度增加， 导致δ18O值不断地贫化， 从1.38‰降为-3.43‰， 符合瑞利分馏过程；

第四阶段： 7月9日， 该日降水量最大、 温度最低且相对湿度最高， δ18O、 δD值均为此次持续性降水过程的最小值， 水汽主要来源于青海省西南部的局地循环水汽， d-excess值高达15‰。

根据图13（b）， 将野牛沟此次降水过程分为四个阶段：

第一阶段： 7月9日，受东南季风主导， d-excess值较小， 受降水量和相对湿度较大的影响， 降水同位素值较低；

第二阶段： 7月10日，受西南季风主导， d-excess值最小， 受降水量较大、 相对湿度较高、 温度较低影响， 降水同位素值维持低值；

第三阶段： 7月11 - 12日， 水汽主要来源是新疆东部的局地循环水汽， d-excess值较10日高， 气象因素与10日相差不大， 降水同位素值依旧较小；

第四阶段： 7月13日， 受西风水汽主导， d-excess值为14.8‰， 明显较7月9 - 12日高， 可能是由于西风水汽中混入局地蒸发水汽， δ18O、 δD值也达到此次降水事件的最大值。

3.2　强降水事件的同位素特征及水汽来源

根据黑河上游降水的气候特征和实际情况， 将研究区的降水量级标准规定为： 0 ~ 5 mm为小雨， 5 ~ 10 mm为中雨， 10 ~ 20 mm为大雨， 大于20 mm为暴雨， 大于40 mm为大暴雨［39］。

本研究统计了8次暴雨以上的强降水事件的相关气象参数和同位素值（表5）。整体来看， 8次降水事件温度相差较小， 相对湿度较高。δ18O、 δD的均值分别为-8.00‰、 -46.99‰， 同位素值较贫化， 这与降水水汽可能来源于海洋， 重同位素沿途被冲刷严重有关， 此外， d-excess值较高说明云下二次蒸发弱［40］。

表5   黑河上游暴雨气象数据及稳定同位素特征

Table 5  Meteorological data and stable isotope characteristics of heavy rain in the upper reaches of Heihe River

日期（yyyy-mm-dd）站点降水量/mm温度/℃相对湿度/%δ18O/‰δD/‰d-excess /‰
2015-09-07民乐20.69.698.5-8.15-43.4421.79
2015-09-08民乐23.77.196.0-8.35-43.7723.07
2016-07-10民乐24.714.4100.0-6.48-35.0416.84
2016-08-24民乐24.012.6100.0-7.98-46.8617.01
2016-07-08野牛沟33.313.584.0-6.39-40.9810.18
2015-08-12祁连33.012.977.0-6.82-36.0718.51
2016-08-18祁连33.715.676.0-12.63-86.9514.07
2015-09-02托勒26.59.176.0-7.16-42.8214.43

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8场强降水的大气水线方程为： δD=7.97δ18O+16.726， 斜率接近于全球大气水线的斜率， 截距较全球大气水线的斜率大， 说明强降水过程空气湿度较大， 云下二次蒸发弱［41］。

综合图14和表5， 大气可降水量的高值均出现在东南方向， 说明东南季风水汽与暴雨事件发生存在一定关系。从水汽来源看， 8月12日受西风、 东南季风水汽主导， d-excess值较高， 9月2日主要是东南、 西南季风水汽主导， d-excess值较小， 9月7 - 8日受北方、 东南季风水汽主导， d-excess值高。

图14

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图14   2015年黑河上游暴雨降水天气地面至500 hPa大气可降水量（PW/mm）及水汽通量（kg·m-1·s-1）

Fig.14   The ground induced 500 hPa atmospheric precipitation （PW/mm） and moisture flux （kg·m-1·s-1） of heavy rain in the upper reaches of Heihe River in 2015


综合图15和表5， 8月18日同位素值较小与当日的降水量大和水汽主要来源于东南季风有关， 7月8日受东南季风水汽影响明显， 西风水汽较弱， d-excess值最小， 8月18日主要受东南季风及微弱的北方水汽影响， d-excess值较小， 7月10日受东南季风和西风水汽的共同影响， d-excess值较大， 而8月24日受北方水汽影响， d-excess值最大。

图15

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图15   2016年黑河上游暴雨降水天气地面至500 hPa大气可降水量（PW/mm）及水汽通量（kg·m-1·s-1）

Fig.15   The ground induced 500 hPa atmospheric precipitation （PW/mm） and moisture flux （kg·m-1·s-1） of heavy rain in the upper reaches of Heihe River in 2016


综上可以发现， 暴雨发生时水汽来源都比较复杂， 与前人研究结果吻合［42］。d-excess值与水汽来源关系密切， 东南季风水汽d-excess值较小， 北方和西风水汽d-excess值较大。

4 讨论

降水稳定同位素值夏高东低是由于研究区为内陆区， 季节变化明显［43］。黑河上游大气水线方程的斜率和截距（δD=8.02δ18O+11.02）较整个黑河流域［17］（δD=7.82δ18O+7.63）大， 这可能与黑河流域的中游平原和下游的山地戈壁［14］较上游的祁连山区干燥有关， 可以发现， 本文研究结果与相关研究在上游站点的大气水线（西水： δD=7.96δ18O+13.79［16］， 野牛沟： δD=7.65δ18O+12.40［18］， 祁连： δD=8.29δ18O+17.13［3］）相差不大， 此外， 斜率和截距均略高于全球大气水线说明黑河上游整体上气候较为湿润， 受一定的海洋性水汽影响［40］。Liu等［44］研究发现西北地区降水的温度效应明显， 降水量效应弱， 相关研究［17，43］均表明在研究区存在温度效应， 不存在降水量效应， 这主要是因为研究区夏季降水量较大， 但是温度较高使得降水蒸发强烈， 再加上局地蒸发水汽的混入， 使得夏季呈现出降水量大但降水同位素值也高的现象。而在冬季， 水汽主要来源于高纬度地区， 同位素贫化， 再加上温度低且降水多为固态， 蒸发弱， 所以降水量小但同位素值也小， 符合同位素经典理论， 即降水量效应在低纬度地区较明显， 中高纬度地区主要受温度效应控制［45］。

姚檀栋等［46］将青藏高原分为三个区， 黑河上游位于西风区（35° N以北）， 受西风主导， 从本文研究结果看， 研究区全年受西风水汽影响显著， 夏季水汽来源较复杂［16］， 会受一定程度的季风水汽影响［3］， 这与前人研究结果一致［46-49］。研究区夏季降水受局地蒸发水汽影响较大［43，50］， 本文研究得出的潜在蒸发源地集中在一些蒸发量较大或相对湿度大的地区， 且均位于水汽运移路径上， 局地蒸发水汽随气流被输送到研究区［20］。d-excess在潜在蒸发源地的鉴别及典型降水事件中的应用反映出了d-excess在鉴别水汽来源问题上的优越性［51］。

5 结论

（1） 黑河上游δ18O值范围是： -33.3‰ ~ 9.7‰， δD值范围是： -264.9‰ ~ 67.5‰； 降水同位素呈明显夏高冬低趋势； 研究区大气水线斜率和截距高于全球大气水线， 说明整体上环境较湿润； 降水同位素的温度效应明显， 不存在降水量效应， 符合在中高纬地区温度效应占主导这一规律。

（2） 研究区降水受多种水汽共同影响， 主要受西风水汽主导，在夏季，东南季风水汽影响明显。 北方水汽在春、 夏季会影响到肃南、 民乐和托勒的降水， 而西南季风水汽在夏季会影响到肃南、 野牛沟和祁连的降水。后向轨迹高度会随下垫面海拔高度的变化而变化。

（3） 研究区夏季潜在蒸发源地分布在一些相对湿度较大的山区（祁连山区、 高原东南部）和一些蒸发量较大的地区（河西地区、 柴达木盆地北部、 酒泉地区西南部和新疆东部）等。

（4） 持续性降水的大气水线方程的斜率和截距在降水量小、 温度高时均较小， 降水过程符合瑞利分馏模型。暴雨事件呈现出d-excess值较高、 稳定同位素值较低， 云下二次蒸发弱的特点。典型降水事件均受多种水汽影响， 尤其是季风水汽， d-excess值较低， 其次是北方及西风水汽， d-excess值较高， 验证了d-excess在鉴别水汽来源问题上的优越性。此外， 多种水汽辐合是暴雨事件发生的必要条件。

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