地球環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展

降水中的氧同位素(δ18Op)是反映水循環過程和重建古氣候變化的重要指標之一，深入理解過去δ18Op時空變化規律，對于認識地球氣候演變歷史及相關環境過程具有重要意義。地質記錄表明，不同地區δ18O軌道尺度變化既存在相似性，也表現出明顯差異。然而，以往研究多限于單個站點之間的對比，導致在大范圍連續空間上，關于古δ18Op變化特征的區域差異及其機理的認識仍較為有限。

最近，中國科學院地球環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30萬年長期瞬變模擬試驗，通過K-means聚類分析識別出北半球中低緯度地區δ18Op軌道尺度上的不同模態(圖1)，并系統分析了東北亞(NEA)、中亞(CA)、北美(NAM)和東太平洋(EP) 這四個代表不同時間變化型的典型區域內δ18Op特征及其物理機制。研究發現，NEA和CA δ18Op變化均由23ka周期主導，但二者相位相反；NAM和EP δ18Op序列則均以100ka周期為主，同樣呈反相位關系。進一步分析揭示，上述四個代表區δ18Op主導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月日射調制的雨季溫度效應和西風環流水汽輸送所控制。正是歲差引起的北半球夏季與冬季日射的反相位關系，最終導致了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動，并因相關大氣-海洋過程的差異而呈現反相位特征(圖2d-f)。具體而言，NAM δ18Op變化主要響應于北美冰蓋消長所引起的大氣環流異常及溫度效應，而EP δ18Op變化則主要受冰期-間冰期循環過程中海水δ18O值波動的控制。綜上，北半球中-低緯度δ18Op軌道尺度上的變化表現出明顯的區域異質性，其驅動機制與涉及的物理過程具有多樣性和復雜性。

該研究得到國家自然科學基金(42375051)和嶗山實驗室科技創新項目 (LSKJ202203300)資助，研究成果已在線發表在國際學術期刊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時間變化型的空間分布。

圖2 (a)過去30萬年歲差參數的時間序列；(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時間序列；(f)EP年δ18Op時間序列

*號表示相關超過95%的顯著性檢驗，陰影帶指示冰期