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蝸牛殼體超高分辨率氧同位素示蹤天氣尺度降水事件頻率

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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。

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