中外科学家合作破译泛热带地区降水稳定同位素真实信号

中新网北京8月28日电(记者孙自法)中国科学院青藏高原研究所8月28日向媒体发布消息说，该所环境变化与多圈层过程团队余武生研究员联合美国、澳大利亚同行最新完成一项合作研究，重新审视并纠正了“层状分数理论”，破译了泛热带地区(北纬35度至南纬35度)降水稳定同位素的真实信号，发现热带地区降水稳定同位素能够反映对流强度，不能反映层状分数或降水类型。

这项全球气候研究领域重要成果论文，由余武生研究员和美国俄亥俄州立大学朗尼·汤普森(LonnieThompson)教授、澳大利亚詹姆斯库克大学斯蒂芬·刘易斯(StephenLewis)博士等共同完成，近日在国际学术期刊《科学-进展》(ScienceAdvances)在线发表。

泛热带地区38个日尺度降水采样点和53个月尺度降水采样点分布图。中国科学院青藏高原研究所/供图论文通讯作者余武生表示，研究团队基于泛热带地区观测站点数据，在日、月、年等不同时间尺度上，分别揭示出降水稳定同位素与层状分数及对流强度之间的关系。他们研究发现，与层状分数理论相反，降水稳定同位素与层状分数之间的负相关均非常微弱，与对流强度始终保持显著的正相关。

据余武生介绍，早在1964年，丹麦哥本哈根大学威利·丹斯加德(WilliDansgaard)教授发现热带地区降水稳定同位素与降水量呈现负相关，并开创性地定义其为“降水量效应”。这一发现为利用低纬度地区冰芯、石笋和树轮等稳定同位素记录重建古气候变化奠定了重要的理论基础。

然而，国际原子能机构普拉迪普·阿加瓦尔(PradeepAggarwal)博士等人于2016年在《自然·地球科学》上撰文，从不同云类型(泛热带地区的云通常可分成对流云、层状云两大类，相应的降水可分为对流雨和层状雨)的视角提出一种新理论即“层状分数理论”，认为热带地区降水稳定同位素能够反映层状分数或降水类型。因为他们发现热带地区降水稳定同位素与层状分数(层状雨占总降水的比例)呈现显著负相关，与“降水量效应”无关。

该新理论逐渐被科学界广为接受并引用。不过，“层状分数理论”是否真实地反映了热带地区降水稳定同位素的真实信号尚不清楚。

不同时间尺度上泛热带地区降水稳定氧同位素、层状分数与对流强度的相关性。中国科学院青藏高原研究所/供图余武生指出，“层状分数理论”最重要的理论基础是层状雨稳定同位素值更低，而对流雨稳定同位素值更高。阿加瓦尔博士等人试图从云物理过程证明该论断。在本次研究中，合作团队从不同角度提供了一系列证据反驳了“层状分数理论”的观点。

首先，泛热带地区大量实地观测结果表明，层状雨稳定同位素不但可以出现低值，也出现高值，甚至可以比对流雨稳定同位素值更高；其次，在泛热带地区，对流系统非常旺盛，对流云要比层状云更多，因此泛热带地区对流雨占主导，层状雨次之。

更关键的是，泛热带地区的层状云不是孤立存在，通常是在中尺度对流系统中由对流云演化而来。因此，对流活动的强弱变化对层状雨稳定同位素具有强烈的“印记效应”。另外，层状雨稳定同位素还与其降水形成过程密切相关，包括发生在融化层之上的WBF冷凝过程(即冰晶以牺牲周围云滴为代价的快速增长。这一过程以活跃在20世纪上半叶的三位杰出科学家Wegen、Bergeron、Findeisen的名字命名)和发生在融化层之下的雨滴再蒸发过程。这些过程均可以进一步导致层状雨稳定同位素出现富集而表现出高值，称为“再富集效应”。

层状雨稳定同位素富集机制示意图。中国科学院青藏高原研究所/供图合作团队强调，即使部分地区降水稳定同位素对层状分数可能很敏感，但这种现象背后的机制仍然受对流强度的调控。针对此次研究纠正“层状分数理论”并破译泛热带地区降水稳定同位素的真实信号，他们建议，一项新理论在获得广泛认可与接受之前，需要在不同时间尺度上、在更广泛的站点上进行严格检验。(完)

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