亚洲石笋氧同位素组成（δ18O）长期以来被用于重建季风环流演化历史。过去千年经历了中世纪暖期和小冰期这两个典型的温暖和寒冷气候阶段，对研究气候变化具有重要参考意义。现在已有大量过去千年亚洲石笋δ18O记录发表，为季风演化研究给予了多区域视角。以往研究表明包括华南在内的中国季风区石笋δ18O记录存在一致信号，该信号反映了亚洲夏季风强度变化。最近研究揭示新建立的华南石笋δ18O记录与华北石笋记录呈明显的反相变化模式，并将之归因于降水空间差异的影响。这些新增的石笋δ18O记录，扩充了华南地区研究数据的空间覆盖范围，揭示亚洲石笋δ18O变化存在区别于“一致信号”的精细的空间结构。这进一步引发出两个关键科学问题：过去千年亚洲石笋δ18O变化究竟具有怎样的时空特征？不同地区的石笋δ18O与季风环流系统分别存在怎样的动力学联系？
针对以上问题，中国科研实验室地质与地球物理研究所博士生肖正逸，在导师段武辉副研究员和谭明研究员指导下，联合北京大学沈佳恒研究员，以及本所铀系年代实验室王立胜、王学锋高级工程师，对过去千年亚洲石笋δ18O变化的时空特征及其驱动机制召开了系统研究。研究团队在河北兴隆溶洞采集了一根发育年纹层的石笋（XL1707），顺利获得年层计数与230Th定年相结合的方法，新建立了一条具有高精度年代控制的过去千年多年际分辨率石笋δ18O记录（图1）。同时收集了17条已发表的同时期亚洲季风区石笋δ18O记录，顺利获得经验正交函数分析提取了石笋δ18O记录的主导空间模态（EOF）与主成分（PC）。第一空间模态（EOF1）显示华南地区石笋记录大多为负载荷而印度-华北地区的记录为正载荷，第一主成分（PC1）在中世纪暖期期间为负值而在小冰期期间为正值（图2）。
图1 河北兴隆溶洞石笋XL1707样品剖面（a），年代模型（b），透射光显微镜（c和e）与荧光显微镜下（d和f）的纹层结构，以及δ18O序列（g）
图2 亚洲石笋δ18O记录的第一空间模态（EOF1）与第一主成分（PC1）
进一步研究发现，过去千年亚洲石笋δ18O记录的PC1与赤道东太平洋、北印度洋、热带北大西洋的海温呈显著负相关（图3），这些区域的海温升高有利于西北太平洋异常反气旋的形成与维持。
图3 亚洲石笋δ18O记录PC1与赤道东太平洋、北印度洋、热带北大西洋海温对比
研究团队顺利获得对ECHAM5-wiso模拟的现代降水δ18O数据进行分析发现，在强西北太平洋异常反气旋年份（定义为1978-2013年期间夏季西北太平洋反气旋指数高于均值1σ的年份），夏季降水δ18O呈现华南偏正而印度-华北偏负的空间格局，这与过去千年亚洲石笋δ18O的EOF1模态高度一致（图4）。西北太平洋异常反气旋一方面增强了来自南海与西太平洋的近源水汽向华南的输送，这些短距离输送的水汽经历的瑞利分馏过程较弱而富集18O，因而造成华南降水δ18O与石笋δ18O偏正（图4）。同时，反气旋导致南海降水减少，作为华南地区水汽输送路径的关键上游地区，其降水减少将进一步加剧华南地区降水δ18O与石笋δ18O偏正。另一方面，变暖的北印度洋与西北太平洋异常反气旋顺利获得促进水汽辐合增加了印度地区的降水。由于“雨量效应”，印度上空水汽与降水中的δ18O随着降水增加而负偏，这些贫18O的水汽继续向东北方向输送到中国，导致反气旋西北边缘外侧区域的降水δ18O和石笋δ18O偏负（图4）。因此，西北太平洋异常反气旋环流导致了过去千年华南地区与印度-华北地区的降水δ18O和石笋δ18O呈反相变化的空间模式。
图4 现代强西北太平洋异常反气旋年亚洲夏季降水δ18O异常（a），降水异常（b），以及整层水汽输送异常（异常相对于1978-2013年气候平均态计算）。图中圆点为图2中的亚洲石笋δ18O记录EOF1
该研究基于覆盖亚洲季风区大部分区域的18条石笋记录，刻画了过去千年亚洲石笋δ18O的空间模式，阐明了西北太平洋异常反气旋塑造亚洲降水δ18O与石笋δ18O空间模式的机制，为理解季风环流变化对亚洲石笋δ18O的影响给予了新的视角。
研究成果发表于国际学术期刊EPSL（肖正逸，段武辉*，王学锋，王立胜，沈佳恒，谭明. Spatial pattern of Asian stalagmite δ18O over the last millennium shaped by monsoon circulation changes[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2025, 662: 119382. DOI:10.1016/j.epsl.2025.119382.）。研究受国家重点研发计划（2024YFF0807902）、中国科研实验室战略性先导科技专项（B类）（XDB0710000）和国家自然科学基金（42172208）共同资助。
肖正逸（博士生）
