西風水汽融入亞洲水塔大氣水循環的垂直輸送帶調控機制
亞洲水塔的水循環受中緯度西風與印度夏季風的季節性交替調控。盡管印度夏季風貢獻了亞洲水塔南部約70%的年總降水量，但越來越多的研究表明，西風是亞洲水塔水循環演變的重要動力調控因素。西風不僅主導亞洲水塔北部和西部地區的水文氣候過程，還通過西風—季風相互作用，調控降水季節變化和印度夏季風強度，進而影響該地區春季積雪、冰川物質平衡以及水資源空間異質性。因此，準確約束西風水汽傳輸的時空變化，對于理解和預估亞洲水塔未來水資源穩定性及風險管理具有重要意義。然而，由于觀測資料匱乏，西風平流輸送的水汽如何集成于亞洲水塔的大氣水循環及其發生機制仍不清楚。特別是在無降水條件下，復雜地形、邊界層過程及殘余水汽如何與西風傳輸的外源水汽相互作用改變區域大氣水汽含量和分布，仍缺乏系統認知。該過程的解析對非季風期的大氣水汽來源及區域水循環變化尤為重要。為破解這一關鍵難題，在第二次青藏高原綜合科學考察研究支持下，中國科學院青藏高原研究所環境變化與多圈層過程團隊高晶研究員和姚檀棟院士聯合法國國家科學院LSCE實驗室、俄亥俄州立大學伯德極地中心、德國AWI研究所、挪威卑爾根大學、中國科學院空天信息創新研究院等國內外多個研究團隊，經過八年科學攻關，成功完成了32次高海拔區浮空艇大氣水汽穩定同位素（δD?和d-excess?）和氣象要素三維綜合觀測，并結合同位素理論模型及同位素示蹤大氣環流模式（ECHAM6-wiso）模擬，揭示了在西風主導的冬春季穩定天氣條件下亞洲水塔水汽輸送的垂直輸送帶調控機制。
????研究發現，大氣水汽穩定同位素是理解亞洲水塔大氣動力過程的有力示蹤指標。32組大氣水汽穩定同位素垂直廓線揭示出大氣水汽分層結構（圖1），且其存在顯著的季節差異。d-excess?的躍變特征識別出魯朗冬季和春季的邊界層高度為～600m和～900m，d-excess?的垂直變率及深夜-清晨廓線差異揭示出魯朗冬季和春季的自由對流層分布在～1600m和～1800m以上。在自由對流層與邊界層之間，存在一個約600-1600m的大氣水汽混合層。邊界層最底部（高度～100m）表現出同位素、比濕和氣溫的最大垂直變率。
????研究表明，亞洲水塔垂直水汽輸送由雙重“輸送帶”驅動（圖2）。大尺度西風平流輸送的水汽主要分布于高空自由對流層，而局地來源水汽則在日尺度上塑造邊界層內的水汽分布。在夜間，西風輸送的外源水汽下沉并與熱力學性質不同的局地殘留水汽相互作用，引發逆溫和冷凝過程，從而抑制水汽的層間垂直混合，進而導致自由對流層水汽與大氣邊界層水汽發生解耦。地表凝結進一步抑制了邊界層內的向上水汽輸送，維持其下方近似穩態的大氣條件。模擬結果表明，在無降水情況下，西風平流輸送的自由對流層水汽通量中約有30%可通過這一夜間垂直“輸送帶”集成于局地大氣水循環。這一過程是西風平流水汽凈輸入亞洲水塔的局地水循環和維持邊界層內水汽積累的重要途徑。局地地表覆被可通過改變局地水汽蒸發和夜間邊界層高度調制上述動力過程。由于本研究使用的浮空艇觀測僅在相對靜穩天氣條件下進行，因此，本文結論更適宜對干季或干旱環境中無強對流天氣情況下的持續水汽傳輸機制的識別，而非對全年所有天氣尺度的完整刻畫。本研究結果可為改進大氣模式、優化亞洲水塔加速水循環的氣候預估、推進區域冰芯等同位素記錄的氣候解釋等提供關鍵依據。
????上述研究成果以“Vertical conveyor driving the integration of moisture transported by the Westerlies to the Asian Water Towers’ atmospheric water cycle”為題，在線發表于Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS）。中國科學院青藏高原研究所高晶研究員為論文第一作者，高晶研究員、姚檀棟院士、Ellen Mosley-Thompson院士和Lonnie Thompson院士為共同通訊作者；法國國家科學院LSCE實驗室Valérie Masson-Delmotte、Jean Jouzel、Mathieu Casado，德國AWI研究所Martin Werner，挪威卑爾根大學Hans Christian Steen-Larsen，東京大學Alexandre Cauquoin，中國科學院空天信息創新研究院何澤青、蔡榕、張泰華等為論文共同作者。本研究得到第二次青藏高原綜合科學考察研究（2024QZKK0400和2019QZKK0208）等項目資助。
????原文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2529749123?
圖1?冬季和春季大氣水汽穩定同位素揭示的大氣分層結構。(A，B) 冬季魯朗大氣水汽δD?和d-excess?垂直變化，(C，D) 春季魯朗大氣水汽δD?和d-excess?垂直變化，(E) 冬季魯朗大氣比濕（q）垂直變化，(F) 冬季魯朗氣溫（Temperature）垂直變化，(G)春季魯朗大氣比濕垂直變化，(H) 春季魯朗氣溫垂直變化
圖2?亞洲水塔大氣水汽垂直輸送帶機制示意圖