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利用地质生物载体重建过去天气变化，能够极大地延伸气象记录的时间跨度，有望揭示现代器测资料中未能显现的天气特征。我们前期研究表明，陆生蜗牛对环境变化高度敏感，其壳体氧同位素组成（δ18Oshell）能够记录发生在天-周尺度的降水事件甚至极端降水，是研究过去天气尺度降水变化的重要材料。然而，目前基于超高分辨率δ18Oshell追踪天气尺度降水变化的研究仍处于起步阶段，尚缺乏有效的定量方法重建这些降水事件，限制了对过去天气尺度降水变化的研究。
为此，中国科学院地球环境研究所气候变化集成-模拟-同化-预测团队（CLIMAP）在我国黄土高原的洛川和灵武采集了现代条华蜗牛（Cathaica fasciola）样本（图1），并利用二次离子质谱（SIMS），对蜗牛壳体进行了高分辨率的氧同位素分析，获得了日分辨率的δ18Oshell记录。结合蜗牛体液水氧同位素组成（δ18OBF）的长期观测，研究团队有效地从SIMS δ18Oshell记录中提取天气尺度降水信息。研究结果显示，使用δ18OBF和SIMS δ18Oshell记录的一阶导数重建的降水事件频率与器测资料高度一致，检出率超过85%（图2和3）。此外，研究还发现，黄土高原地区现代蜗牛生长季的降水天数与年降水量之间高度相关（图4）。因此，过去天气尺度降水事件的频次可进一步用于重建历史时期的年均降水量及其年际变率信息。
该研究由来自地球环境研究所、核工业北京地质研究院、西安交通大学等多家单位研究者共同完成。该成果近期发表于Nature Index期刊Geophysical Research Letters上，地球环境研究所博士研究生王国桢为第一作者，地球环境研究所晏宏研究员和董吉宝副研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金，中国科学院青年交叉团队等项目的共同资助。
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Wang, G., Dong, J*., Zhang, Q., He, S., Liu, C., Luo, F., Jia, Y., Zong, X., He, M., Han, T., Xue, G., Li, Y., Dodson, J., Yan, H*. (2025). Frequency of synoptic‐scale precipitation events recorded by daily resolved δ18O of land snail shells. Geophysical Research Letters, 52, e2024GL112536.
图1. 采样地点和区域气候特征。（A）黄土高原区位及主要季风系统。（B）为（A）中灰色区域的放大图；橙色点表示本研究中的采样地点。（C-E）灵武（LW）、洛川（LC）和西安（XA）三个站点的多年月平均（1960至2017年）气温、相对湿度和降水量。（F）三个站点的月平均降水δ18O。
图2. 蜗牛δ18OBF和对应气相质谱（GSMS）获得的 δ18Oshell对西安日尺度降水事件的响应。（A）δ18OBF记录与样品20210901的GSMS δ18Oshell结果对比。（B）δ18OBF记录一阶导数（红色条形）与样品20210901的 GSMS δ18Oshell一阶导数结果（棕色线）对比。（C）西安逐日相对湿度记录。（D）降水量（蓝色条形）及其对应的 降水δ18O（紫色线）。
图3. 日分辨率 δ18Oshell的一阶导数重建降水频率。比较了 LC（A）和 LW（B）站点的日分辨率 δ18Oshell及其一阶导数与器测降水数据的对比。（C）器测降水频率与重建结果的比较。
图4. 黄土高原年降水量与降水天数的相关性。（A）年降水量与年降水天数（上图）和蜗牛生长季（SGS）降水天数（下图）之间的相关系数（r）的空间分布。黑点表示气象站位置。（B）年降水量与降水天数之间的相关系数（r）的频率分布。（C）黄土高原年降水量与降水天数的线性回归关系。
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