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气候变暖对全球许多地区的自然生态系统、能量水分循环过程以及人类的社会经济活动等均产生了深刻的影响。青藏高原作为全球气候变化的敏感区域，已经成为全球关注的焦点地区。受全球变暖的影响，青藏高原现代环境与地表过程相互作用，引起当地气候、水循环和生态系统等发生一系列变化。但是，由于高原广袤复杂的地表状况和极端的气候环境，气象水文台站仍然十分稀少，利用传统的水文观测方法很难长时间系统地获取有效的水文数据对高原地区流域水文过程进行研究，然而，利用稳定同位素方法却可以有效地解决这一问题。随着对稳定同位素分馏机制认识的深入以及同位素分析技术的发展，同位素已经广泛应用于水文和气候研究，其中，氢(D)和氧(18O)作为水分子的组成部分，由于在其水循环不同阶段(主要是蒸发和凝结)发生同位素分馏而表现出系统的时空变化，从而成为最理想的天然示踪剂广泛应用于区域和全球规模的水文气候过程研究。
为了洞察变化环境下的水文循环过程和重建高原的气候变化，本研究首先利用模型建立了中国降水δ18O与纬度和海拔的定量关系，并结合纬度、海拔和水汽来源影响等产生了较高分辩率的中国降水δ18O空间分布图，为中国，尤其是青藏高原地区的气候和水文过程研究提供了参考信息，接着又以高原中部的那曲河流域作为研究对象，通过在流域内开展降水、河水和湖水中稳定同位素监测研究，揭示了该流域稳定同位素水文循环过程。主要的研究结果体现在以下几个方面：
(1)确定了我国降水中δ18O与纬度和海拔的定量关系模型为：δ18Oppt=-0.0073LAT2+0.3261LAT-0.0015ALT-9.7776。利用地理信息系统分析软件ArcGIS，综合纬度、海拔、水汽源地以及循环过程等影响因素，产生了较高分辨率的中国降水中δ18O空间分布图，揭示了我国降水中δ18O空间分布规律。
(2)建立了那曲河流域大气降水线、蒸发线以及河水中δD和δ18O的关系大气降水线(IMwL)δD=7.93δ18O+14.04(R2=0.95，n=545)(降水事件)δD=8.05δ18O+16.25(R2=0.97，n=32)(月加权平均值)蒸发线(LEL)：δD=5.2δ18O-32.3(R2=0.98，n=18)河水δD-δ18O关系线：δD=5.70δ18O-30.12(R2=0.93，n=91)
(3)那曲河流域降水稳定同位素主要受不同季节环流模式控制，夏季受印度季风控制时，流域降水同位素值比较低，且波动比较频繁，而在其它季节，尤其是春季受大陆气团控制时，降水同位素值一般比较高；在夏季，流域内降水同位素的空间变化受到地理要素的影响，尤以地形为主，其和地理要素的关系为：δ18Oppt=6.4344LAT+2.8595LONG。0.0020ALT-474.8110(R2=0.90，n=6)。在夏季季风降水期间，降水同位素的频繁波动和水汽输送过程密切相关，一般情况下，来源于印度洋的水汽，由于强烈的季风活动、水汽的厚层输送以及翻越喜马拉雅山等都会导致降水中的稳定同位素产生低值现象，反之季风活动较弱、水汽的薄层输送以及来源于西风带或当地蒸发的水汽，多使得降水中的同位素为高值。另外，在流域夏季降水期间，降水量小于4mm的降水事件会受到二次蒸发的影响，受其影响，大气降水线的斜率和截距均会降低。
(4)流域内降水稳定同位素展示了一定的降水量效应，其中降水δ18O的降水量效应为：δ18O=-0.54P-14.00(R=-0.21，P＜0.0001，n=545)，而当气温在-4℃以下时流域内降水同位素则展示了一定的温度效应，其中降水δ18O的温度效应为：δ18O=1.40T-1.62(R=0.51，P＜0.005，n=32)。
(5)流域河水中δ18O和δD平均值分别为-12.1‰和-99.3‰，显著高于同期的降水稳定同位素，但其变化幅度则显著小于降水稳定同位素，其春高夏低的季节变化趋势及季风期间的波动均同降水比较一致，反映了降水是流域河水重要的补给来源，通过对流域夏季流量过程线的划分，结果表明夏季径流量的47％来源于降水，而其它水体(主要为地下水和融水)大致贡献了53％；在空间变化上，由于受流域海拔、集水区规模和湖水等的影响，上游河水的同位素值和波动幅度均低于下游。
(6)错那湖水δ18O和δD的平均值分别为-9.6‰和-83.3‰，显著高于流域同期降水和河水的同位素值，其变化幅度虽然小于后者但展示了明显的季节变化，这种变化同降水同位素的变化比较一致，表明降水是湖水主要补给来源之一。在非结冰期，错那湖水受到蒸发的影响，基于稳定同位素质量平衡方法，并结合相关的气象数据，计算出了湖面解冻期间输入错那湖的水量24％消耗于蒸发，其余水体则通过那曲河注入怒江。
(7)蒸发是那曲河流域水体的主要支出部分，利用稳定同位素水量平衡方法，估算了流域内表面水体蒸发通量和土壤及植被蒸散的通量，二者分别为24mm和395.4mm。