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深藏洞穴的石筍，如同大自然的“錄像帶”，記錄著地球過去的氣候變遷。石筍的氧同位素（δ¹⁸O）信號(hào)已成為探討氣候和環(huán)境變化的“金鑰匙”。在東亞季風(fēng)區(qū)，華南中部的石筍δ¹⁸O記錄被視為響應(yīng)夏季降水δ¹⁸O變化、指示亞洲夏季風(fēng)強(qiáng)度變化的基準(zhǔn)。然而，為何華南中部甚至東亞石筍δ¹⁸O記錄未呈現(xiàn)出全球氣候系統(tǒng)普遍存在的冰期-間冰期氣候旋回特征，以及它們記錄的是什么氣候信號(hào)，這一謎題始終困擾科學(xué)界。

近日，中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西安交通大學(xué)、南京大學(xué)、美國俄亥俄州立大學(xué)等的科研人員，開展地質(zhì)記錄與數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合研究，破解了上述氣候謎題。研究發(fā)現(xiàn)，華南中部石筍δ¹⁸O記錄保存了夏季降水的信號(hào)，包含冬、春、秋季等其他季節(jié)降水的信號(hào)。這一多季節(jié)混合效應(yīng)的識(shí)別，為重新理解石筍δ¹⁸O記錄的氣候意義打開了新視角。

現(xiàn)代觀測顯示，在華南地區(qū)，δ¹⁸O值偏負(fù)的夏季降水占全年降水不足50%，而其他季節(jié)降水占比較高，且δ¹⁸O值顯著偏正。這意味著，長期以來將石筍δ¹⁸O簡單解釋為夏季降水δ¹⁸O信號(hào)的觀點(diǎn)存在偏差，原因在于石筍主要由不同季節(jié)降水混合的地下滴水形成。評估夏季和其他季節(jié)降水混合效應(yīng)影響的關(guān)鍵難點(diǎn)在于缺乏獨(dú)立記錄夏季降水δ¹⁸O信號(hào)的地質(zhì)記錄。

該團(tuán)隊(duì)利用黃土沉積中的次生碳酸鹽——生物微鈣體，重建了過去40萬年以來夏季降水δ¹⁸O變化歷史。結(jié)果顯示，生物微鈣體δ¹⁸O記錄在2.3萬年歲差周期上與石筍δ¹⁸O記錄表現(xiàn)出相似變化，但其在間冰期強(qiáng)夏季風(fēng)時(shí)期出現(xiàn)明顯偏負(fù)的δ¹⁸O值，展現(xiàn)出10萬年冰期-間冰期氣候周期特征，與石筍δ¹⁸O記錄僅顯示2.3萬年歲差周期不同。這一差異表明，華南中部石筍δ¹⁸O記錄確實(shí)受到夏季和其他季節(jié)氣候信號(hào)混合效應(yīng)的影響，不能簡單等同于夏季降水δ¹⁸O或夏季風(fēng)強(qiáng)弱變化的信號(hào)。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，在強(qiáng)夏季風(fēng)時(shí)期，夏季降水的δ¹⁸O趨于偏負(fù)，但華南地區(qū)其他季節(jié)降水占全年降水的比重甚至超過60%，降低了夏季信號(hào)在石筍δ¹⁸O記錄中的主導(dǎo)作用，解釋了間冰期強(qiáng)夏季風(fēng)時(shí)期δ¹⁸O值未展現(xiàn)出顯著偏負(fù)狀況的原因，掩蓋了10萬年冰期氣候旋回的節(jié)律。

上述研究破解了我國東部石筍δ¹⁸O記錄研究中長期懸而未決的科學(xué)謎題，強(qiáng)調(diào)了在解讀“自然氣候檔案”時(shí)要關(guān)注氣候季節(jié)性的關(guān)鍵作用。同時(shí)，這一研究為東亞和全球石筍δ¹⁸O記錄物理意義的再認(rèn)識(shí)提供了新思路。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目等的支持。

論文鏈接

研究地點(diǎn)和區(qū)域氣候背景