地球環(huán)境所在北半球中低緯度軌道尺度降水氧同位素變化特征和成因研究方面取得新進(jìn)展

降水中的氧同位素(δ18Op)是反映水循環(huán)過程和重建古氣候變化的重要指標(biāo)之一，深入理解過去δ18Op時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)于認(rèn)識(shí)地球氣候演變歷史及相關(guān)環(huán)境過程具有重要意義。地質(zhì)記錄表明，不同地區(qū)δ18O軌道尺度變化既存在相似性，也表現(xiàn)出明顯差異。然而，以往研究多限于單個(gè)站點(diǎn)之間的對(duì)比，導(dǎo)致在大范圍連續(xù)空間上，關(guān)于古δ18Op變化特征的區(qū)域差異及其機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍較為有限。

最近，中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所博士生李媛媛與劉曉東研究員等合作，基于采用包含水同位素分餾過程的全球氣候模式開展的過去30萬年長(zhǎng)期瞬變模擬試驗(yàn)，通過K-means聚類分析識(shí)別出北半球中低緯度地區(qū)δ18Op軌道尺度上的不同模態(tài)(圖1)，并系統(tǒng)分析了東北亞(NEA)、中亞(CA)、北美(NAM)和東太平洋(EP) 這四個(gè)代表不同時(shí)間變化型的典型區(qū)域內(nèi)δ18Op特征及其物理機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，NEA和CA δ18Op變化均由23ka周期主導(dǎo)，但二者相位相反；NAM和EP δ18Op序列則均以100ka周期為主，同樣呈反相位關(guān)系。進(jìn)一步分析揭示，上述四個(gè)代表區(qū)δ18Op主導(dǎo)周期及其相位的成因各不相同：(1)NEA和CA年δ18Op分別取決于5-8月和11-3月(即各自雨季)的δ18Op，而二者雨季δ18Op則分別由北半球4-7月和10-2月日射調(diào)制的雨季溫度效應(yīng)和西風(fēng)環(huán)流水汽輸送所控制。正是歲差引起的北半球夏季與冬季日射的反相位關(guān)系，最終導(dǎo)致了NEA與CA δ18Op反相位變化(圖2a-c)；(2)NAM與EP δ18Op變化則主要受全球冰量變化驅(qū)動(dòng)，并因相關(guān)大氣-海洋過程的差異而呈現(xiàn)反相位特征(圖2d-f)。具體而言，NAM δ18Op變化主要響應(yīng)于北美冰蓋消長(zhǎng)所引起的大氣環(huán)流異常及溫度效應(yīng)，而EP δ18Op變化則主要受冰期-間冰期循環(huán)過程中海水δ18O值波動(dòng)的控制。綜上，北半球中-低緯度δ18Op軌道尺度上的變化表現(xiàn)出明顯的區(qū)域異質(zhì)性，其驅(qū)動(dòng)機(jī)制與涉及的物理過程具有多樣性和復(fù)雜性。

該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金(42375051)和嶗山實(shí)驗(yàn)室科技創(chuàng)新項(xiàng)目 (LSKJ202203300)資助，研究成果已在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Global and Planetary Change上。

Li Y.,Liu X.,Xie X.,& Yin Z. (2026). Orbital-scale precipitation oxygen isotope variations at Northern Hemisphere mid-low latitudes: Characteristics and causes. Global and Planetary Change,256,105127.

https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2025.105127

圖1(a)北半球中-低緯度地區(qū)過去30萬年平均δ18Op的空間分布；(b)基于過去30萬年δ18Op變化序列K-means聚類分析確定的6類δ18Op時(shí)間變化型的空間分布。

圖2 (a)過去30萬年歲差參數(shù)的時(shí)間序列；(b)NEA年δ18Op序列與45°N4-7月日射序列；(c)CA 年δ18Op序列與45°N10-2月日射序列。(d)瞬變模擬試驗(yàn)中使用的全球冰量序列和指示冰量變化的海洋底棲有孔蟲δ18O序列；(e)NAM年δ18Op時(shí)間序列；(f)EP年δ18Op時(shí)間序列

*號(hào)表示相關(guān)超過95%的顯著性檢驗(yàn)，陰影帶指示冰期