北半球中低纬度轨道尺度降水氧同位素变化的区域特征与驱动机制

《Global and Planetary Change》：Orbital-scale precipitation oxygen isotope variations at Northern Hemisphere mid-low latitudes: Characteristics and causes

本文系统分析了北半球中低纬度降水氧同位素（δ18Op）在轨道尺度上的空间分异规律，通过聚类分析识别出六种典型变化模式，并重点探讨了东亚与中亚（以23ka周期为主）、北美与东太平洋（以100ka周期为主）的反相位变化特征及其物理机制（如温度效应、冰盖变化等），为古气候重建提供重要理论依据。

　　

Highlight

基于CAM3提取的300ka氧同位素与气候数据，本研究通过K均值聚类分析将北半球中低纬度的轨道尺度δ¹⁸O_p变化归纳为六种类型。我们重点比较了以东北亚（NEA）和中亚（CA）为代表的岁差尺度变化，以及以北美（NAM）和东太平洋（EP）为代表的冰期-间冰期尺度变化的差异及其物理机制。结果表明，NEA与CA的δ¹⁸O_p序列呈反相位关系，而NAM与EP的δ¹⁸O_p变化亦呈现相反相位特征。

模型信息

本研究所用数据来自Liu等人（2022）利用社区气候系统模型第3版（CCSM3）开展的300ka瞬态模拟结果。其数值实验分两步进行：首先利用CCSM3在轨道强迫、全球冰量（GIV）强迫和温室气体强迫等外部驱动下完成300ka瞬态模拟；随后基于同位素模块进一步模拟了过去300ka的δ¹⁸O_p变化。

聚类结果与北半球中低纬度δ¹⁸O_p变化特征

为解析北半球中低纬度δ¹⁸O_p的空间特征与时间演变规律，我们首先绘制了气候平均态（过去300ka平均值）的δ¹⁸O_p空间分布及基于年尺度δ¹⁸O_p序列的K均值聚类成员分布图（图1）。如图1a所示，气候平均态δ¹⁸O_p呈现出经典的同位素环境效应：即从低纬向高纬逐渐递减（纬度效应），从沿海向内陆逐渐贫化（大陆效应）。聚类分析将研究区δ¹⁸O_p序列划分为六类（图1b），各类别在周期强度和相位关系上表现出显著差异。例如，NEA和CA区域主要表现为23ka主导周期，且两者变化反相；而NAM和EP区域则以100ka周期为主，同样呈现反相位行为。

结论与展望

基于CAM3的300ka氧同位素与气候数据，本研究通过K均值聚类分析将北半球中低纬度的轨道尺度δ¹⁸O_p变化归纳为六种类型。我们重点探讨了以NEA和CA区域为代表的岁差尺度变化，以及以NAM和EP区域为代表的冰期-间冰期尺度变化的δ¹⁸O_p差异及其物理机制。结果表明，这些区域间的δ¹⁸O_p变化存在反相位关系，其驱动机制分别受控于不同季节的太阳辐射变化（如NEA和CA的4–7月与10–2月辐射）以及冰盖扩张/消退（如NAM的北美冰盖）与海水δ¹⁸O波动（如EP）等物理过程。