0 引言

水体稳定同位素不仅是研究全球水循环的天然示踪剂，也是重建过去地球气候变化历史的重要代用指标。水体氢氧稳定同位素在极地冰芯研究中作为古温度重建的温度计^[1~2]。除冰芯外，石笋、树轮、湖泊沉积、珊瑚、砗磲等稳定同位素记录也广泛用于高分辨率古气候研究，但在季风区，由于赤道与季风区大气环流与水循环的特殊性，有关降水同位素的气候意义研究存在不同认识。季风区降水同位素是温度信号还是降水信号，或者是季风活动强度的信号，过去一直存在争议^[3~6]。通过开展现代过程研究，明确现代降水同位素的控制因子，将今论古，无疑是解决这一问题的一种途径。

青藏高原降水同位素气候意义研究经过了30年历程，从最初的基于经典降水同位素效应的解释^[7]，到后期发现两大环流系统(印度季风与西风带)对降水同位素时空变化的深远影响^[8~9]，再到现代赤道海洋过程相关的ENSO循环影响整个亚洲季风区降水同位素的机制的发现^[10~12]，对于亚洲季风区降水同位素气候意义的认识在不断提高。

本文基于以前的研究结果，浅述亚洲季风区降水稳定同位素气候意义研究的历程以及对于降水同位素控制因素研究的最新进展，总结不同因素，包括局地气候因子、不同水汽来源、大气环流驱动、赤道海洋过程等对降水稳定同位素的影响，讨论与稳定同位素古气候意义相关的几个关键科学问题，并提出了面临的挑战与应用前景。

1 降水同位素的“温度效应”与“降水量效应”

由IAEA(International Atomic Energy Agency)与WMO(World Meteorological Organization)共同发起的“全球降水同位素监测网(GNIP)”计划初衷是研究全球同位素水循环，但该计划的最主要应用是古气候研究。1964年Dansgaard^[7]发表了其经典的降水同位素效应的论文，特别是“温度效应”，为通过冰芯同位素重建古气候记录开启了一个新的时代。通过空间尺度建立起来的降水同位素与温度显著正相关关系，也被后来在北极开展的浅冰芯同位素与当地气象观测温度的显著相关证实^[13]。在理论上，结合同位素分馏的大气环流模型也验证了降水同位素温度的指标意义^[14]，为利用冰芯同位素记录重建地球气温变化历史奠定了理论基础。

现代降水同位素影响因子的关系研究大部分基于近期实测的降水同位素及气候因子的关系，包括季节尺度上的关系与年际尺度上的关系^[15~16]。降水中稳定同位素的“温度效应”与纬度有关，越向极地其相关性越显著而且同位素与温度的线性关系斜率越高^[17]。在中纬度地区，降水同位素与温度变化在气候时间尺度上的关系也很受关注。从统计关系上看，中高纬度地区降水δ¹⁸O的确与气温存在气候尺度上的正相关性，温度每变化1℃，降水δ¹⁸O变化0.6 ‰ ^[18]。在我国的西北部，这种正相关性也非常显著^[19]。但是，在低纬度与显著受季风降水影响区，有限的观测结果发现降水同位素存在“降水量效应”，即降水同位素与降水量存在相反的变化^{[5, 9]}。在中国，这种效应的空间分布与不同的水汽来源有关，在西风带区与我国东北的季风区，存在显著的“温度效应”，但原因不同，东南沿海出现“降水量效应”^[20]。

以受印度季风影响显著的青藏高原为例，该地区高山冰川分布广泛，是开展中低纬度地区冰芯研究的理想场所。从1987年在敦德冰帽钻取第一支透底冰芯以来，目前已在高原不同位置钻取了20多支冰芯^[21]。稳定同位素是冰芯研究中最重要的指标之一。但由于青藏高原处于中低纬度，而且受印度夏季风降水影响显著，解释冰芯中稳定同位素的气候意义需要现代监测结果的支持。最初的监测研究工作主要是考虑通过对比降水同位素与降水时当地气象因子，解决局地气象条件对降水同位素的影响问题^[22]。在青藏高原面上的研究结果表明青藏高原东北部降水中δ¹⁸O与气温在季节变化上存在显著的正相关关系^[15]。但高原南北存在明显差异，与北部相反，南部降水同位素在季节尺度上不存在“温度效应”^[5]。但在冰芯记录中，即使是位于喜马拉雅山的希夏邦马达索普冰芯，δ¹⁸O上升趋势在百年尺度上似乎更与北半球的气温变化较一致^[4]。因此，从季节尺度建立的降水同位素与温度的关系可能不能用于解释百年尺度上的降水同位素变化。

2 大气环流对降水同位素的影响

降水同位素“温度效应”与“降水量效应”并不能完全解释中低纬度降水同位素的变化。后期研究发现了大气环流的时空变化在降水同位素中作用不可忽略，并且会影响降水同位素气候意义的解释。我国降水δ¹⁸O季节变化存在南北差异，这种空间差异与影响我国降水的不同水汽输送气团有关^[23]。在青藏高原中部的研究，最早发现印度季风爆发会导致降水同位素大幅度降低^[24]。青藏高原降水δ¹⁸O的空间变化以及同位素效应都存在南北空间差异。降水δ¹⁸O北高南低，同样，降水δ¹⁸O与温度的相关性也存在南北空间差异^[5]。研究发现这种空间差异是由印度季风与西风带的相互作用导致的^[8]。高原南部受印度季风影响，同位素值低，而且不存在“温度效应”，而在高原北部的降水同位素在季节变化上与当地温度同步^{[8~9, 25]}。这种季节变化特征及南北差异与控制青藏高原的两大环流系统的影响有关，由印度季风与西风带的交替作用导致^{[8, 26]}。在整个青藏高原，由于印度季风与西风带的这种时空变化规律导致的降水δ¹⁸O的季节与空间变化被归纳为3种模态，即季风模态、西风模态和过渡模态^[9]。印度夏季风导致高原南部夏季降水同位素偏低，导致南部降水同位素的季节变化与高原北部相反^{[9, 26]}。我国东部降水同位素的研究也发现了大尺度大气环流的显著信号^[27]。我国东亚季风区降水稳定同位素的年际变化被认为与不同大气环流带来的水汽有关，即“环流效应”^[27]，这种年际变化或季节变化认为是由水汽源地的远近导致的，远源印度洋水汽带来的降水δ¹⁸O低，而近源西太平洋水汽带来降水δ¹⁸O偏高^[28]。

大气环流变化影响降水同位素气候意义的认识，激发了对于中低纬度地区大气环流通过什么过程与机制影响与控制降水同位素变化的深入研究，也为后期在降水同位素与南方涛动(ENSO)和太平洋十年涛动(Pacific Decadal Oscillation，简称PDO)等周期性气候事件的关系研究指明了方向。

3 年际年代际稳定同位素变化与ENSO循环

越来越多的研究意识到，季风区降水同位素单纯用当地的气温或降水量来解释时遇到困难。结合同位素分馏的大气环流模型研究发现在青藏高原，季节尺度与年际尺度上降水同位素与当地或区域的降水量有关，但与温度没有关系，否定了青藏高原冰芯同位素作为温度变化指标的观点^[3]。多项有关影响降水同位素控制因子的研究表明，在整个东亚季风区，降水量与气温变化都不足于解释降水中同位素的波动^[29~30]。印度季风区降水同位素监测发现，其实降水同位素的变化也不表现出当地“降水量效应”^[31]。近些年的研究发现，青藏高原南部季风降水同位素与沿水汽输送路径上游的强对流过程对同位素变化有显著影响，特别是与印度北部的强对流相关^[32]。基于季风区降水同位素与大空间尺度气象条件的相关性分析研究都表明，降水同位素更受降水前几天水汽输送路径沿线气象条件的影响^[33~34]，进一步说明季风降水同位素受水汽源地、水汽传输路径的影响，并由印度夏季风强度变化控制^[35]。

除了局地的气候条件，降水的形式(平流降水与对流降水)也与降水同位素变化有关，平流降水比率与降水同位素变化呈现反相关^[36]。但这种建立在短时间天气过程尺度的关系与大尺度环流观测的结果相反，亚洲季风区降水同位素随夏季强对流降水增加，降水同位素大幅度降低^[37]。在季风区，大尺度的强对流过程，会导致降水同位素大幅度降低，从而降水同位素与大空间尺度的云顶高度存在着反相关关系^[38]。因此，亚洲季风区降水同位素与大尺度的大气环流过程，特别是水汽来源地的对流过程有着机制上的显著相关性^[39]。

近些年降水同位素研究的重要成果之一，是揭示了ENSO决定季风区降水同位素年际变化的机制^{[10~11, 37]}。模拟结果显示，亚洲季风区降水同位素由大尺度的季风强度和水汽输送路径上游的赤道印度洋-太平洋的降水强度决定，发现ENSO调节着降水同位素年际变化^[11]。通过与云顶高度与云顶温度的相关性分析，揭示了ENSO如何通过影响沃克环流的强度，控制东亚季风区降水同位素年际变化的机理^[37]。在印度季风区，降水同位素的年际变化信号也与ENSO循环显著相关^[40]。这种年际尺度上降水同位素与ENSO的关系也可以通过大气环流模型模拟出来^[41]。导致同位素变化的直接原因是赤道海洋水汽源区的同位素变化，而这一变化与海洋表面的降水强度有关^[37]。海洋表面温度的年际变化还导致西太平洋暖池地区降水与珊瑚同位素记录与印度洋偶极子出现同步的波动^[42]。水汽输送过程及降水地的天气过程也会影响季风区降水同位素的变化，导致降水同位素出现空间差异^{[7, 32, 43]}，但没有证据表明能够影响到年际及更长时间尺度上同位素的变化。

整合东亚季风区与印度季风区夏季降水与冰芯δ¹⁸O，发现两个季风系统降水δ¹⁸O都受ENSO循环的控制^[10]。赤道中东太平洋的温度变化影响印度洋与西太平洋对流强度的变化，进而导致整个亚洲季风区降水δ¹⁸ O的年际波动^[10](图 1)。如图 1所示，整合的亚洲季风区夏季降水氧同位素指数^[10](Asian Summer Monsoon Oxygen Isotope，简称ASMOI)与赤道中东太平洋海面温度高度相关，其时间变化与Oceanic Niño Index(ONI)变化同步，其相关性R²=0.64(图 1)。这一结果说明整个亚洲季风区(印度季风区与东亚季风区)降水同位素的变化应该同步。其实ENSO对降水同位素的控制在空间上的影响是深远的，甚至是全球性的，在非洲^[44]与美洲^[45]的季风区降水同位素也保留了显著的ENSO循环信号。这些现代过程的认识为开展长时间尺度冰芯、石笋、树轮等同位素记录对比研究奠定了理论基础。

4 高原冰芯稳定同位素记录与古气候重建

冰芯作为过去降水的载体，高保真地保存了过去降水同位素的信息。冰芯同位素记录被认为是重建过去温度变化的重要指标^{[1, 46]}。青藏高原冰芯保存了不同时间尺度的稳定同位素记录^{[2, 4, 47]}，目前对于长时间尺度的变化认为是温度信号^{[2, 47~48]}。西昆仑古里雅冰芯是中低纬度最深与时间尺度最长的冰芯，其同位素变化存在明显的岁差周期，并认为是反映末次间冰期以来温度变化的指标^[2]。但在附近崇侧冰芯，过去7000年的同位素记录作为温度变化的信号却表现出不一致的变化，研究发现了过去温度上升趋势持续到了近2000年，然后再转入冷期^[47]。

在过去的1000年，青藏高原冰芯同位素波动存在空间差别，但所有冰芯记录都显示过去的20世纪，特别是后半叶，是过去1000年温度最高的时期，是全球气候转暖的证据^[49~50]。20世纪以来的同位素升高可能是全球性的^[50~51]。在南极多个冰芯记录中也发现了这一结果，而且冰芯δ¹⁸O与赤道太平洋Niño3.4指数高度相关，并且近代冰芯同位素值升高是由ENSO活动增强导致的(图 2)^[51]。

但在更短的时间尺度上，中低纬度地区冰芯中的稳定同位素记录的高频波动应该反映ENSO这种赤道地区最强的气候变化信号^[12]。模型模拟研究显示青藏高原南部达索普冰芯钻取点降水δ ¹⁸O与南方涛动指数(Southern Oscillation Index，简称SOI)显著负相关^[3]。青藏高原南部冰芯上部分定年结果较可靠，从过去几十年δ¹⁸O年际变化与夏季ONI对比中可以看出，高原南部冰芯δ¹⁸O波动与ONI总体同步^{[4, 12, 52]}(图 2)。这种冰芯同位素空间变化的一致性，也间接表明大尺度大气环流对降水同位素的决定性影响，而非当地气候条件。但之前有关ENSO与古里雅冰芯积累量变化相关，而与同位素信号无关的研究结果^[53]，也可能是冰芯定年精度导致的。南极冰芯同位素记录也保存了ENSO高频波动^[51]。

5 时间尺度与稳定同位素气候意义

现代过程的观测研究结果表明不同时间尺度建立起来的降水同位素与气候因子之间的关系可能是不同的。在季节尺度上，热带辐合带(Intertropical Convergence Zone，简称ITCZ)的季节摆动是导致大范围季风区降水同位素一致性季节变化的主要原因。在年际年代际尺度上，ENSO循环起着决定作用。在青藏高原冰芯研究中，长时间尺度稳定同位素记录被认为是气温变化的信号^{[2, 47~48]}。但对于利用从季节尺度上建立的这种关系来重建长时间尺度古气候变化目前仍缺乏现代过程与机制研究上的支持。

在年际尺度上，除了冰芯记录，珊瑚骨骼的δ¹⁸O的波动模式也受ENSO的调控，并与降水与海表面温度相关^[54]。降水与溶洞滴水同位素都可以记录与保存ENSO相关的变化，并有理由相信传递到石笋同位素记录中^[55~57]。

在百年级时间尺度上，不同载体记录的过去降水同位素高频波动可能都是ENSO循环的信号，树轮^[58]、浮游生物指标^[59]、石笋^[60]、珊瑚^[61]这些具有年际分辨率的同位素时间序列都被用于重建ENSO演化历史。例如，利用台湾树轮高分辨率δ¹⁸O年际变化与中东太平洋El Niño事件的相关性，重建了过去800多年东太平洋海洋表面温度(SST)记录^[58]。ENSO在历史上长期存在，在影响范围上是全球性的，在南极冰芯中仍保留其变化信息^[62]。

基于现代过程的长时间尺度稳定同位素气候意义研究也在取得进展，并且更多研究意识到大尺度大气环流相关的气候周期性波动可能是主要影响因素。太平洋周边地区多支冰芯同位素综合时间序列的波动，在过去数百年尺度上，与年代际太平洋扰动(Interdecadal Pacific Oscillation，简称IPO)相关，似乎与热带辐合带(ITCZ)的动态变化相联系^[63]。无独有偶，有报道认为石笋稳定同位素记录中，晚全新世以来的稳定同位素升高事件是由ENSO增强相关的太平洋东西两岸南北半球夏季风减弱导致的^[64]。在过去数百万年的尺度上，冰期时冰阶与间冰期冰消期稳定同位素的波动表现出类La Niña和El Niño状态^[65]。实际上，季风边界的位置在历史上是波动的，也会导致降水同位素产生大幅度波动^[66]。东亚季风区石笋同位素在冰期间冰期的变化，单纯用气温与降水量的变化不足于解释δ¹⁸O的波动幅度，很可能有其他原因，如降水水汽来源变化、水汽输送路径的变化、大气水汽凝结蒸发过程的改变等^[29]。

6 结束语

现代降水同位素及影响因子的现代过程研究是利用同位素记录重建过去气候变化的基石。我国季风区降水同位素研究经历了从“温度效应”和“降水量效应”到大尺度大气环流影响的转变。认识到局地气候条件不能决定降水同位素的变化。发现了赤道中东太平洋地区的海温变化影响亚洲季风区水汽源地的对流强度，进而决定大尺度降水同位素变化的过程与机制，明确了ENSO对整个亚洲季风区降水同位素年际年代际变化的控制作用。这些认识也预示着在年际与年代际尺度上，不同记录，包括冰芯、石笋、树轮等记录的同位素变化有可能存在着大范围上的一致性。因此，不同高分辨率同位素记录之间有可能通过ENSO信号的一致性，对定年结果进行检验与校准。

不同时间尺度影响降水同位素变化的控制因子是不同的。虽然目前仍然存在利用季节尺度上建立的稳定同位素与气候因子的关系解释过去长时间尺度的气候变化，但仍需在其机理上加强研究，特别是在中低纬度地区，水循环对降水同位素产生深远影响，季风的进退与历史时期ITCZ北界的位置变化都是不应该忽视的重要原因。

本文主要基于亚洲季风区降水同位素的现代过程探讨了短时间尺度降水同位素的气候意义，并没有能够完全概括全部降水同位素的研究成果与进展，特别是在季节尺度上的降水同位素的气候意义的研究偏弱，对于长时间尺度不同介质同位素古气候意义的研究没有进行总结。