地球环境所在北半球中低纬度轨道尺度降水氧同位素变化特征和成因研究方面取得新进展

降水中的氧同位素(δ18Op)是反映水循环过程和重建古气候变化的重要指标之一，深入理解过去δ18Op时空变化规律，对于认识地球气候演变历史及相关环境过程具有重要意义。地质记录表明，不同地区δ18O轨道尺度变化既存在相似性，也表现出明显差异。然而，以往研究多限于单个站点之间的对比，导致在大范围连续空间上，关于古δ18Op变化特征的区域差异及其机理的认识仍较为有限。

最近，中国科学院地球环境研究所博士生李媛媛与刘晓东研究员等合作，基于采用包含水同位素分馏过程的全球气候模式开展的过去30万年长期瞬变模拟试验，通过K-means聚类分析识别出北半球中低纬度地区δ18Op轨道尺度上的不同模态(图1)，并系统分析了东北亚(NEA)、中亚(CA)、北美(NAM)和东太平洋(EP) 这四个代表不同时间变化型的典型区域内δ18Op特征及其物理机制。研究发现，NEA和CA δ18Op变化均由23ka周期主导，但二者相位相反；NAM和EP δ18Op序列则均以100ka周期为主，同样呈反相位关系。进一步分析揭示，上述四个代表区δ18Op主导周期及其相位的成因各不相同：(1)NEA和CA年δ18Op分别取决于5-8月和11-3月(即各自雨季)的δ18Op，而二者雨季δ18Op则分别由北半球4-7月和10-2月日射调制的雨季温度效应和西风环流水汽输送所控制。正是岁差引起的北半球夏季与冬季日射的反相位关系，最终导致了NEA与CA δ18Op反相位变化(图2a-c)；(2)NAM与EP δ18Op变化则主要受全球冰量变化驱动，并因相关大气-海洋过程的差异而呈现反相位特征(图2d-f)。具体而言，NAM δ18Op变化主要响应于北美冰盖消长所引起的大气环流异常及温度效应，而EP δ18Op变化则主要受冰期-间冰期循环过程中海水δ18O值波动的控制。综上，北半球中-低纬度δ18Op轨道尺度上的变化表现出明显的区域异质性，其驱动机制与涉及的物理过程具有多样性和复杂性。

该研究得到国家自然科学基金(42375051)和崂山实验室科技创新项目 (LSKJ202203300)资助，研究成果已在线发表在国际学术期刊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

图1(a)北半球中-低纬度地区过去30万年平均δ18Op的空间分布；(b)基于过去30万年δ18Op变化序列K-means聚类分析确定的6类δ18Op时间变化型的空间分布。

图2 (a)过去30万年岁差参数的时间序列；(b)NEA年δ18Op序列与45°N4-7月日射序列；(c)CA 年δ18Op序列与45°N10-2月日射序列。(d)瞬变模拟试验中使用的全球冰量序列和指示冰量变化的海洋底栖有孔虫δ18O序列；(e)NAM年δ18Op时间序列；(f)EP年δ18Op时间序列

*号表示相关超过95%的显著性检验，阴影带指示冰期