降水中的氧同位素(δ18Op)是反映水循環(huán)過(guò)程和重建古氣候變化的重要指標(biāo)之一，深入理解過(guò)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(guò)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(guò)程的全球氣候模式開(kāi)展的過(guò)去30萬(wàn)年長(zhǎng)期瞬變模擬試驗(yàn)，通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)去30萬(wàn)年平均δ18Op的空間分布；(b)基于過(guò)去30萬(wàn)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(guò)去30萬(wàn)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(chóng)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(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)，陰影帶指示冰期