西風(fēng)水汽融入亞洲水塔大氣水循環(huán)的垂直輸送帶調(diào)控機制
亞洲水塔的水循環(huán)受中緯度西風(fēng)與印度夏季風(fēng)的季節(jié)性交替調(diào)控。盡管印度夏季風(fēng)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(fēng)是亞洲水塔水循環(huán)演變的重要動力調(diào)控因素。西風(fēng)不僅主導(dǎo)亞洲水塔北部和西部地區(qū)的水文氣候過程，還通過西風(fēng)—季風(fēng)相互作用，調(diào)控降水季節(jié)變化和印度夏季風(fēng)強度，進而影響該地區(qū)春季積雪、冰川物質(zhì)平衡以及水資源空間異質(zhì)性。因此，準確約束西風(fēng)水汽傳輸?shù)臅r空變化，對于理解和預(yù)估亞洲水塔未來水資源穩(wěn)定性及風(fēng)險管理具有重要意義。然而，由于觀測資料匱乏，西風(fēng)平流輸送的水汽如何集成于亞洲水塔的大氣水循環(huán)及其發(fā)生機制仍不清楚。特別是在無降水條件下，復(fù)雜地形、邊界層過程及殘余水汽如何與西風(fēng)傳輸?shù)耐庠此嗷プ饔酶淖儏^(qū)域大氣水汽含量和分布，仍缺乏系統(tǒng)認知。該過程的解析對非季風(fēng)期的大氣水汽來源及區(qū)域水循環(huán)變化尤為重要。為破解這一關(guān)鍵難題，在第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究支持下，中國科學(xué)院青藏高原研究所環(huán)境變化與多圈層過程團隊高晶研究員和姚檀棟院士聯(lián)合法國國家科學(xué)院LSCE實驗室、俄亥俄州立大學(xué)伯德極地中心、德國AWI研究所、挪威卑爾根大學(xué)、中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院等國內(nèi)外多個研究團隊，經(jīng)過八年科學(xué)攻關(guān)，成功完成了32次高海拔區(qū)浮空艇大氣水汽穩(wěn)定同位素（δD?和d-excess?）和氣象要素三維綜合觀測，并結(jié)合同位素理論模型及同位素示蹤大氣環(huán)流模式（ECHAM6-wiso）模擬，揭示了在西風(fēng)主導(dǎo)的冬春季穩(wěn)定天氣條件下亞洲水塔水汽輸送的垂直輸送帶調(diào)控機制。
????研究發(fā)現(xiàn)，大氣水汽穩(wěn)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(wěn)定同位素垂直廓線揭示出大氣水汽分層結(jié)構(gòu)（圖1），且其存在顯著的季節(jié)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(xiàn)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(qū)動（圖2）。大尺度西風(fēng)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(nèi)的水汽分布。在夜間，西風(fēng)輸送的外源水汽下沉并與熱力學(xué)性質(zhì)不同的局地殘留水汽相互作用，引發(fā)逆溫和冷凝過程，從而抑制水汽的層間垂直混合，進而導(dǎo)致自由對流層水汽與大氣邊界層水汽發(fā)生解耦。地表凝結(jié)進一步抑制了邊界層內(nèi)的向上水汽輸送，維持其下方近似穩(wěn)態(tài)的大氣條件。模擬結(jié)果表明，在無降水情況下，西風(fēng)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(huán)。這一過程是西風(fēng)平流水汽凈輸入亞洲水塔的局地水循環(huán)和維持邊界層內(nèi)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(fā)和夜間邊界層高度調(diào)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(wěn)天氣條件下進行，因此，本文結(jié)論更適宜對干季或干旱環(huán)境中無強對流天氣情況下的持續(xù)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(jié)果可為改進大氣模式、優(yōu)化亞洲水塔加速水循環(huán)的氣候預(yù)估、推進區(qū)域冰芯等同位素記錄的氣候解釋等提供關(guān)鍵依據(jù)。
????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(fā)表于Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS）。中國科學(xué)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(xué)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(xué)Hans Christian Steen-Larsen，東京大學(xué)Alexandre Cauquoin，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院何澤青、蔡榕、張?zhí)┤A等為論文共同作者。本研究得到第二次青藏高原綜合科學(xué)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(wěn)定同位素揭示的大氣分層結(jié)構(gòu)。(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