利用地質(zhì)生物載體重建過去天氣變化，能夠極大地延伸氣象記錄的時間跨度，有望揭示現(xiàn)代器測資料中未能顯現(xiàn)的天氣特征。我們前期研究表明，陸生蝸牛對環(huán)境變化高度敏感，其殼體氧同位素組成（δ18Oshell）能夠記錄發(fā)生在天-周尺度的降水事件甚至極端降水，是研究過去天氣尺度降水變化的重要材料。然而，目前基于超高分辨率δ18Oshell追蹤天氣尺度降水變化的研究仍處于起步階段，尚缺乏有效的定量方法重建這些降水事件，限制了對過去天氣尺度降水變化的研究。

為此，中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所氣候變化集成-模擬-同化-預(yù)測團(tuán)隊（CLIMAP）在我國黃土高原的洛川和靈武采集了現(xiàn)代條華蝸牛（Cathaica fasciola）樣本（圖1），并利用二次離子質(zhì)譜（SIMS），對蝸牛殼體進(jìn)行了高分辨率的氧同位素分析，獲得了日分辨率的δ18Oshell記錄。結(jié)合蝸牛體液水氧同位素組成（δ18OBF）的長期觀測，研究團(tuán)隊有效地從SIMS δ18Oshell記錄中提取天氣尺度降水信息。研究結(jié)果顯示，使用δ18OBF和SIMS δ18Oshell記錄的一階導(dǎo)數(shù)重建的降水事件頻率與器測資料高度一致，檢出率超過85%（圖2和3）。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，黃土高原地區(qū)現(xiàn)代蝸牛生長季的降水天數(shù)與年降水量之間高度相關(guān)（圖4）。因此，過去天氣尺度降水事件的頻次可進(jìn)一步用于重建歷史時期的年均降水量及其年際變率信息。

該研究由來自地球環(huán)境研究所、核工業(yè)北京地質(zhì)研究院、西安交通大學(xué)等多家單位研究者共同完成。該成果近期發(fā)表于Nature Index期刊Geophysical Research Letters上，地球環(huán)境研究所博士研究生王國楨為第一作者，地球環(huán)境研究所晏宏研究員和董吉寶副研究員為通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金，中國科學(xué)院青年交叉團(tuán)隊等項(xiàng)目的共同資助。

Wang, G., Dong, J*., Zhang, Q., He, S., Liu, C., Luo, F., Jia, Y., Zong, X., He, M., Han, T., Xue, G., Li, Y., Dodson, J., Yan, H*. (2025). Frequency of synoptic‐scale precipitation events recorded by daily resolved δ18O of land snail shells. Geophysical Research Letters, 52, e2024GL112536.

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024GL112536

圖1. 采樣地點(diǎn)和區(qū)域氣候特征。（A）黃土高原區(qū)位及主要季風(fēng)系統(tǒng)。（B）為（A）中灰色區(qū)域的放大圖；橙色點(diǎn)表示本研究中的采樣地點(diǎn)。（C-E）靈武（LW）、洛川（LC）和西安（XA）三個站點(diǎn)的多年月平均（1960至2017年）氣溫、相對濕度和降水量。（F）三個站點(diǎn)的月平均降水δ18O。

圖2. 蝸牛δ18OBF和對應(yīng)氣相質(zhì)譜（GSMS）獲得的 δ18Oshell對西安日尺度降水事件的響應(yīng)。（A）δ18OBF記錄與樣品20210901的GSMS δ18Oshell結(jié)果對比。（B）δ18OBF記錄一階導(dǎo)數(shù)（紅色條形）與樣品20210901的 GSMS δ18Oshell一階導(dǎo)數(shù)結(jié)果（棕色線）對比。（C）西安逐日相對濕度記錄。（D）降水量（藍(lán)色條形）及其對應(yīng)的 降水δ18O（紫色線）。

圖3. 日分辨率 δ18Oshell的一階導(dǎo)數(shù)重建降水頻率。比較了 LC（A）和 LW（B）站點(diǎn)的日分辨率 δ18Oshell及其一階導(dǎo)數(shù)與器測降水?dāng)?shù)據(jù)的對比。（C）器測降水頻率與重建結(jié)果的比較。

圖4. 黃土高原年降水量與降水天數(shù)的相關(guān)性。（A）年降水量與年降水天數(shù)（上圖）和蝸牛生長季（SGS）降水天數(shù)（下圖）之間的相關(guān)系數(shù)（r）的空間分布。黑點(diǎn)表示氣象站位置。（B）年降水量與降水天數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)（r）的頻率分布。（C）黃土高原年降水量與降水天數(shù)的線性回歸關(guān)系。