大气降水稳定同位素组成是古气候记录、水循环和地下水补给的重要指标。本文以西北高寒山区为研究范围,分析了西北高寒山区为主的天山地区乌恰、阿合奇、沙里桂兰克、神木园、巴音布鲁克、巴仑台、黄水沟、乌河英雄桥、巴里坤、伊吾,昆仑山地区沙曼、西合休、江卡、和田、狮泉河,祁连山地区的野牛沟、大野口、代乾、金强驿、安远的20个站点大气降水氢氧稳定同位素组成数据资料,探讨了西北高寒山区的降水稳定同位素组成的时空特征、同位素特征（大气降水线）、同位素效应（降水量、温度、高程效应）,同时对区域不同地区的过量氘变化、降水蒸发比以及水汽来源状况进行了分析和研究。得出以下结论:（1）通过对西北高寒山区20个站点降水δ¹⁸O的季节变化研究发现,降水δ¹⁸O季节变化明显,整体呈现出夏季稳定同位素组成富集、冬季稳定同位素组成贫化的变化趋势。其中天山地区降水δ¹⁸O整体变化区间为-35.4‰–3.8‰,均值为-11.67‰,昆仑山地区降水δ¹⁸O整体变化区间为-27.8‰–4.3‰,均值为-12.1‰,祁连山地区降水δ¹⁸O变化区间为-27.2‰–-3.2‰,均值为-10.0‰。（2）对西北高寒山区降水稳定同位素组成时空变化特征研究发现,降水δ¹⁸O值的时空分布特征总体表现出春夏季高、秋冬季低的变化特征,9月份大气降水δ¹⁸O的空间整体差异性较小、时空分布不明显,其余月份空间差异变化较大。其中,西北高寒山区降水δ¹⁸O的极低值出现在冬季,位于天山东部的伊吾,δ¹⁸O值为-35.35‰;极大值出现在夏季,位于昆仑山地区的江卡,δ¹⁸O值为0.31‰。（3）通过对西北高寒山区20个站点降水δ¹⁸O和氘盈余按经度自西向东排列、纬度自南向北排列、海拔由低到高排列研究发现,降水δ¹⁸O随经度变化发生规律性变化,氘盈余随经度的增加逐渐增加;降水δ¹⁸O和氘盈余随纬度的增加而呈现下降趋向;降水δ¹⁸O随高度增加有一定升高趋向、氘盈余未随高度变化呈现明显变化。（4）通过对降水δ¹⁸O与温度变化研究发现,西北高寒山区受温度效应影响,但在全年尺度下不明显,祁连山地区大野口的降水δ¹⁸O受温度的控制最显著,黄水沟受温度效应的影响较小。降水δ¹⁸O与降水量的关系上,通过对各地降水δ¹⁸O与降水量拟合方程发现,神木园的斜率最大,安远的斜率最小。另外,该地区受降水量效应影响站点除乌恰、沙里桂兰克、神木园、巴音布鲁克、沙曼、江卡、和田、狮泉河、野牛沟与月降水量呈低相关关系,其余降水δ¹⁸O与降水量的关系不明显。在降水δ¹⁸O与高程效应上,昆仑山地区在春、夏季及年均降水δ¹⁸O均有较明显的海拔效应,天山、祁连山无显著的海拔关系,其中夏季降水δ¹⁸O与高程的负相关关系最明显,拟合关系线斜率明显大于春季及全年。（5）对过量氘值的年均变化分析发现,天山地区过量氘值大多数在全球海洋平均值（10‰）以下。昆仑山地区过量氘总体表现出夏半年高、冬半年低的变化趋势。祁连山地区过量氘的均值位于全球海洋平均值（10‰）以上。（6）通过计算降水蒸发比,发现天山周边,邻近昆仑山地区降水蒸发比较大,而天山中部及西部降水蒸发比最小。（7）利用HYSPLIT-4后向轨迹模拟西北高寒山区三个主要源区水汽来源发现,西风依旧是整个西北高寒山区最主要的水汽来源,西风水汽对于西北高寒山区降水的贡献率最大。