亚洲水塔的水循环受中纬度西风与印度夏季风的季节性交替调控。尽管印度夏季风贡献了亚洲水塔南部约70%的年总降水量，但越来越多的研究表明，西风是亚洲水塔水循环演变的重要动力调控因素。西风不仅主导亚洲水塔北部和西部地区的水文气候过程，还通过西风—季风相互作用，调控降水季节变化和印度夏季风强度，进而影响该地区春季积雪、冰川物质平衡以及水资源空间异质性。因此，准确约束西风水汽传输的时空变化，对于理解和预估亚洲水塔未来水资源稳定性及风险管理具有重要意义。然而，由于观测资料匮乏，西风平流输送的水汽如何集成于亚洲水塔的大气水循环及其发生机制仍不清楚。特别是在无降水条件下，复杂地形、边界层过程及残余水汽如何与西风传输的外源水汽相互作用改变区域大气水汽含量和分布，仍缺乏系统认知。该过程的解析对非季风期的大气水汽来源及区域水循环变化尤为重要。为破解这一关键难题，在第二次青藏高原综合科学考察研究支持下，中国科学院青藏高原研究所环境变化与多圈层过程团队高晶研究员和姚檀栋院士联合法国国家科学院LSCE实验室、俄亥俄州立大学伯德极地中心、德国AWI研究所、挪威卑尔根大学、中国科学院空天信息创新研究院等国内外多个研究团队，经过八年科学攻关，成功完成了32次高海拔区浮空艇大气水汽稳定同位素（δDᵥ和d-excessᵥ）和气象要素三维综合观测，并结合同位素理论模型及同位素示踪大气环流模式（ECHAM6-wiso）模拟，揭示了在西风主导的冬春季稳定天气条件下亚洲水塔水汽输送的垂直输送带调控机制。
研究发现，大气水汽稳定同位素是理解亚洲水塔大气动力过程的有力示踪指标。32组大气水汽稳定同位素垂直廓线揭示出大气水汽分层结构（图1），且其存在显著的季节差异。d-excessᵥ的跃变特征识别出鲁朗冬季和春季的边界层高度为～600m和～900m，d-excessᵥ的垂直变率及深夜-清晨廓线差异揭示出鲁朗冬季和春季的自由对流层分布在～1600m和～1800m以上。在自由对流层与边界层之间，存在一个约600-1600m的大气水汽混合层。边界层最底部（高度～100m）表现出同位素、比湿和气温的最大垂直变率。
研究表明，亚洲水塔垂直水汽输送由双重“输送带”驱动（图2）。大尺度西风平流输送的水汽主要分布于高空自由对流层，而局地来源水汽则在日尺度上塑造边界层内的水汽分布。在夜间，西风输送的外源水汽下沉并与热力学性质不同的局地残留水汽相互作用，引发逆温和冷凝过程，从而抑制水汽的层间垂直混合，进而导致自由对流层水汽与大气边界层水汽发生解耦。地表凝结进一步抑制了边界层内的向上水汽输送，维持其下方近似稳态的大气条件。模拟结果表明，在无降水情况下，西风平流输送的自由对流层水汽通量中约有30%可通过这一夜间垂直“输送带”集成于局地大气水循环。这一过程是西风平流水汽净输入亚洲水塔的局地水循环和维持边界层内水汽积累的重要途径。局地地表覆被可通过改变局地水汽蒸发和夜间边界层高度调制上述动力过程。由于本研究使用的浮空艇观测仅在相对静稳天气条件下进行，因此，本文结论更适宜对干季或干旱环境中无强对流天气情况下的持续水汽传输机制的识别，而非对全年所有天气尺度的完整刻画。本研究结果可为改进大气模式、优化亚洲水塔加速水循环的气候预估、推进区域冰芯等同位素记录的气候解释等提供关键依据。
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”为题，在线发表于Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS）。我所高晶研究员为论文第一作者，高晶研究员、姚檀栋院士、Ellen Mosley-Thompson院士和Lonnie Thompson院士为共同通讯作者；法国国家科学院LSCE实验室Valérie Masson-Delmotte、Jean Jouzel、Mathieu Casado，德国AWI研究所Martin Werner，挪威卑尔根大学Hans Christian Steen-Larsen，东京大学Alexandre Cauquoin，中国科学院空天信息创新研究院何泽青、蔡榕、张泰华等为论文共同作者。本研究得到第二次青藏高原综合科学考察研究（2024QZKK0400和2019QZKK0208）等项目资助。
原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2529749123
图1 冬季和春季大气水汽稳定同位素揭示的大气分层结构。(A，B) 冬季鲁朗大气水汽δDᵥ和d-excessᵥ垂直变化，(C，D) 春季鲁朗大气水汽δDᵥ和d-excessᵥ垂直变化，(E) 冬季鲁朗大气比湿（q）垂直变化，(F) 冬季鲁朗气温（Temperature）垂直变化，(G)春季鲁朗大气比湿垂直变化，(H) 春季鲁朗气温垂直变化
图2 亚洲水塔大气水汽垂直输送带机制示意图
