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)院青年交叉團隊等項目的共同資助。

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；橙色點表示本研究中的采樣地點。（C-E）靈武（LW）、洛川（LC）和西安（XA）三個站點的多年月平均（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）站點的日分辨率 δ18Oshell及其一階導(dǎo)數(shù)與器測降水數(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。