降水稳定同位素的逆温度效应对古气候重建工作提出了挑战

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：The inverse temperature effect of precipitation stable isotopes poses a challenge to the paleoclimate reconstructions

全球降水稳定同位素研究表明，传统温度效应（TE）假设不成立，低纬度地区（如东亚季风区、安第斯山脉）存在显著相反温度效应（ITE），δ1?O-温度回归系数达-0.46 ‰/°C，而高纬度（>40°N）仍保持正TE（0.44 ‰/°C）。时空异质性源于大气环流差异：低纬度季风区ITE与 moisture source shifts 和对流降水相关，高纬度TE反映直接温度控制。不同时间尺度（日、月、年际）受不同驱动因素影响，月尺度ITE在低纬度显著，年际尺度TE在高纬度更明确。研究结果强调气候类型与时间尺度对同位素温度效应选择的重要性，为古气候重建提供新视角。

　　

白俊尚|李彤|高辉|王峰|傅同刚

中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心农业节水河北省重点实验室，石家庄050021，中国

摘要

长期以来，降水中的稳定同位素（δ¹⁸O和δD）一直被用作古气候重建的关键指标，这基于一个普遍的温度效应（TE）假设，即同位素富集与温度升高相关。然而，本研究揭示了在不同气候类型和时间尺度上存在的显著的反温度效应（ITE）——即同位素耗竭伴随着温度的升高。通过对全球降水同位素数据的分析，研究发现低纬度地区（如东亚季风区、安第斯山脉）表现出明显的月尺度ITE，表现为δ¹⁸O-温度回归斜率（δ-T_ITE）在热带夏季低至?0.46 ‰/°C。相反，高纬度地区（> 40°N）保持了明显的TE，δ¹⁸O-温度回归斜率（δ-T_TE）在极地气候中高达0.44 ‰/°C。TE/ITE的时空变化受大气环流模式的驱动：季风地区的月尺度ITE可能与水分来源的变化和对流性降水的主导有关，而高纬度地区的TE则反映了温度对凝结过程中同位素分馏的直接影响。季节性/年际尺度上，由于厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、季风动态和热带辐合带（ITCZ）的调节作用，中低纬度的TE/ITE效应减弱或不显著，这些因素引入了其他影响因素，如降水量和水汽循环。这些结果表明，忽略时间尺度和气候类型的依赖性可能导致古气候重建的不准确性，而识别稳定同位素的ITE为古气候重建研究提供了新的视角。

引言

稳定同位素（δ¹⁸O和δD）是古气候重建的重要载体（Shang等人，2024年）。由于不同稳定同位素（¹⁸O和¹⁶O）的相对分子质量不同，存储在古气候档案中的同位素（如冰芯、树轮、湖沉积物、石笋等）在不同气候环境中的分馏情况也有所不同。因此，精细表征古气候档案中的同位素组成并结合气候模式可以反映古气候变化信息。古气候重建的理论基础是稳定同位素的温度效应（TE），通常认为稳定同位素会随着温度的升高而富集。基于稳定同位素记录，古气候重建已在南极高原（Servettaz等人，2023年）、西北北极（Porter等人，2016年）、青藏高原（Huang等人，2019年）、加拿大西北部（Porter等人，2019年）和东亚季风区（Yuan等人，2004年；Wang等人，2005年）等地广泛进行。然而，稳定同位素的TE具有高度不确定性，在某些地区甚至存在反温度效应（ITE：定义为同位素与温度之间的统计负相关）（Wang等人，2020年；Islam等人，2021年），这无疑增加了稳定同位素古气候重建的不确定性。此外，Wan等人（2018年）发现当温度低于0?°C时，δD具有显著的TE，δ-T_TE（δ-T：稳定同位素与温度的回归系数）为8.5902；而当温度高于20?°C时，δD具有显著的ITE，δ-T_ITE为?2.2619，这表明稳定同位素在不同温度梯度下可能会从TE变为ITE。另外，由于温度和降水与气候类型密切相关，δ-T也可能相应变化。然而，目前使用稳定同位素进行的古气候重建很少考虑不同气候类型对δ-T的影响。

最重要的是，δ-T在不同时间尺度上变化显著。例如，Guo等人（2021年）展示了这种变化，报告了日尺度上的δ-T_ITE为?0.405，月尺度上的δ-T_ITE为?0.710，年际尺度上的δ-T_TE为0.539。这主要是因为影响同位素组成的主要因素在不同时间尺度上有所不同。在日尺度上，稳定同位素组成主要受当地气象因素的控制，如温度（Akers等人，2017年；Jasechko，2019年；Xing等人，2023a，Xing等人，2023b；Kino等人，2024年）、降水（Adhikari等人，2024年；Jiang等人，2024年；Sha等人，2024年）、风速和风向（Rahul等人，2016年；Vystavna等人，2021年；Bhattacharya等人，2022年）以及蒸散作用（Aemisegger等人，2015年；Wei等人，2015年；Hu等人，2023年）。在季节尺度上，季节性天气事件（如季风和西风活动（Tian等人，2001年；Tian等人，2007年）、热带辐合带（ITCZ）的移动（Lachniet等人，2007年；Ramirez等人，2023年）、梅雨事件（Li等人，2023年）和马登-朱利安振荡（MJO）事件（Kurita等人，2011年；Wang等人，2023年）显著改变了稳定同位素组成。在年际尺度上，ENSO事件显著影响稳定同位素的空间和时间分布（Tan，2014年；Cai和Tian，2016年；Bowen等人，2019年；Qiu等人，2023年）。然而，目前基于TE和ITE的古气候重建很少考虑不同时间尺度上δ-T的差异，这也无疑增加了古气候重建的不确定性。

在这里，我们使用全球降水稳定同位素数据（图S1），首先分析了不同柯本气候类型和时间尺度上的δ-T差异，并探讨了大气环流过程（驱动δ-T变化）对不同时间尺度降水稳定同位素的影响。我们的结果首次系统而全面地评估了不同气候类型和时间尺度上δ-T对古气候重建的影响。我们强调，古气候档案的气候类型和选择适当时间尺度的δ-T是可靠古气候重建的关键前提。这些结果不仅可以改进现有的古气候重建结果，还可以为未来的古气候研究提供宝贵的见解。

数据来源

本研究使用的大部分降水稳定同位素数据来自全球降水同位素网络（GNIP），国际原子能机构（IAEA）将维也纳标准平均海水（VSMOW）作为通用参考标准。在这里，正（负）δ值表示样品中的稳定同位素比VSMOW标准更富集（更贫乏）：

${\left(\frac{{}^{18}O}{O}\right)}_{\text{VSMOW}}=\left(2005.2\pm 0.45\right)\times {10}^{}$${\left(\frac{{}^{18}O}{}\right)}_{\text{VSMOW}}=\left(2005.2\pm 0.45\right)\times {10}^{}$

同位素组成是

月尺度上降水稳定同位素的温度效应

在北半球高纬度地区（> 40°N），降水δ¹⁸O的TE显著，几乎所有站点都显示出统计显著性（+表示

?18O的TE。值得注意的是，在亚洲季风区、南非高原和南美洲安第斯山脉等地区，降水δ¹⁸O表现出显著的ITE（图1a）。此外，高纬度地区的δ-T_TE较小，但

ITE对古气候重建的可能影响

准确的降水稳定同位素δ-T是可靠古气候重建的前提。然而，现有的古气候研究很少考虑δ-T随时间尺度的变化，特别是在降水稳定同位素在月尺度上表现出显著ITE的地区。本研究揭示了一个对比：北半球高纬度地区（> 40°N）的降水δ¹⁸O显示出显著的TE，而在东亚季风区和安第斯山脉

结论

本研究揭示了在不同气候类型和时间尺度上降水稳定同位素中存在的显著反温度效应（ITE）。与传统假设的普遍温度效应（TE）相反，在低纬度地区（如东亚季风区、安第斯山脉）观察到显著的月尺度ITE，δ¹⁸O-温度回归斜率（δ-T_{ITE 40°N）保持了TE。}

CRediT作者贡献声明

白俊尚：撰写——原始草稿，软件开发，数据管理，概念构思。李彤：撰写——原始草稿，验证。高辉：软件开发，调查。王峰：验证，软件开发，调查。傅同刚：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理。

未引用的参考文献

Cai等人，2017年

Wang等人，2004年

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢Y. Shi对文本编程代码的审阅。本研究得到了中国科学院青年创新促进协会（编号：2020102）、国家自然科学基金（编号：41807013）和河北省高层次人才资助项目（编号：C20231028）的支持。