积云对流过程是影响地球气候的关键过程,但其模拟是目前气候模拟最大的不确定因素之一。大气中水汽同位素在相变时会分馏,因此可以示踪水的演变历史,也可以指示难以直接测量的物理量。本论文研究利用大气水汽同位素来约束积云对流过程模拟的有效性。积云对流过程中的夹卷率和降水效率是对流模拟中最不确定的问题,也是本文的主要关注对象。前人研究认为大气中的水稳定同位素能有效地揭示次网格对流过程,因为它们能提供相较普通水汽具有差异性的分辨特征。然而,本论文通过用大气水同位素的单柱分析模型表明,自由对流层大气中的热带平均HDO廓线不能有效地约束对流夹卷率或降水效率的模拟。该模型有三个参数:夹卷率,降水效率和蒸发凝结物的蒸发距离。在给定的相对湿度下,HDO的可能变化范围很小:其范围与其热带平均廓线的测量不确定度和单柱模型的结构不确定度相当。因此热带平均HDO廓线很难增加我们除了能从相对湿度上得到的关于对流过程的有效信息。我们对单柱分析模型的简化假设进行了敏感性测试,结果表明分析模型中的简化假设不会影响本文的主要结论。研究结果并不排除水同位素在揭示热带对流层顶层(TTL)和边界层中水汽来源的效用。本文指出,将大气稳定水同位素用于当前气候研究时,更有价值的方向是用于区分影响TTL水汽含量的收支过程以及区分边界层中的水汽来源,而非用于研究对流层自由大气中的次网格对流过程,比如夹卷和雨滴蒸发。本论文挑战了前人研究的论断,并指出未来大气水汽同位素最有效的利用方向。此外,本文还分析了夏季极端日最高温度相对于夏季平均日最高温度的变化,并发现在湿度较大的大陆地区,极端温度随全球变暖的增加高于平均温度的增加。论文研究表明,这种极端温度的放大增暖与地表蒸发蒸腾受抑制和其所导致的更高的Bowen比有关。论文进一步讨论了当前和过去气候中水同位素在约束地表过程和边界层水汽来源的模拟上的潜在应用。这种约束将有助于评估和提升陆面和大气边界层相互作用的参数化,比如蒸发和蒸腾对地表水汽通量的分配。