【古风暴学】半世纪的中国热带气旋活动重建——通过东南地区洞穴石笋记录

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通过中国东南地区洞穴石笋记录重建半世纪热带气旋活动

古风暴学是一门新兴学科，可通过地质记录以及历史文献，重建器测时代之前的百年甚至千年尺度的热带气旋活动信息。同样地，也可基于古风暴学研究方法，凭借高分辨率的代用指标分析百年内的风暴活动。就在本月，中科院地球环境研究所的研究人员发表了一项成果，他们通过我国东南部仙人岩洞石笋氧同位素（XRY δ18O）季节尺度记录，重建了1951-2018年的区域热带气旋活动。

未来全球变暖可能进一步放大热带气旋的危害性，热带气旋频率和强度可能会上升。然而，受限于较短的器测记录，如今无法确定观测到的热带气旋动趋势是否属于长期自然变率范围或与气候变化有关。开发高分辨率和更长的代用指标记录，可以促进理解热带气旋活动的长期趋势，增强对影响热带气旋成因变化的多种气候因素的认识，并且更准确地预测气旋活动的未来变化。

沿海沉积物是古风暴重建的常见代用指标，提供几个世纪到数千年记录，但缺乏年尺度等高分辨率记录，并且在很大程度上依赖于沿海地貌、水动力条件和气旋特征。台风降雨和随后的洪水也可能导致内陆地区的广泛破坏。气旋行进距离越长，其对内陆地区的潜在影响就越广泛。研究发现近几十年来，北大西洋和北太平洋西部登陆的热带气旋，其衰减显着减慢，增加其在陆上的持续时间和距离、增加降水量。因此，有望从树木年轮和石笋等陆地档案重建气旋活动及其影响。

石笋具有空间分布广泛、定年精确、记录连续等特点，是古气候研究中重要的地质档案。鉴于与正常降雨相比，热带气旋降水具有明显的同位素特征，因此在最佳条件下快速生长的石笋可能是长期、高分辨率热带气旋重建的良好档案，并有望提供对内陆热带气旋活动信息。中国东南地区台风频发，且丰富的洞穴喀斯特资源支撑了许多石笋研究。然而，鉴于中国东南部石笋氧同位素控制因素复杂，潜在的台风信号是否会被掩盖尚不清楚。

一、年代学和氧同位素结果

仙人岩洞δ18O序列存在明显的循环，与观测和模拟数据一致，表明区域降水δ18O（δ18Op）具有显著的年循环信号，δ18O序列中计算了~67个周期。时间分辨率高达0.24年。

二、仙人岩洞石笋氧同位素（XRY δ18O）反映了降水季节性和ENSO调节

在同位素平衡条件下，石笋δ18O主要受滴水δ18O和洞穴温度的控制，通常与当地年平均温度一致。近~60年来，仙人岩洞年平均气温的最大变化约为2.1°C，因此石笋δ18O的变率主要受滴水δ18O的影响，可用于推断δ18Op的变化。

年尺度上，中国东南部δ18Op主要与降水的季节性有关。XRY δ18O与东亚夏季风（EASM）与非夏季风（NSM）降水比值（EASM/NSM）呈显著负相关，表明降水的季节变化会影响XRY δ18O。这主要是由于EASM（负）和NSM（正）季节之间δ18Op的差异进一步受水汽输送途径（水汽源和输送距离）和上游对流的季节差异的控制。NSM降水主要来自西太平洋，EASM期间来自更远的印度洋和跨赤道太平洋的水汽增加。长距离输送的水汽具有更强的降雨效应（使δ18Op为负），因此EASM/NSM增加意味着EASM降水量增加或NSM降水量减少，导致年降水中远距离水分输送比例增加，δ18Op变大。

在东亚夏季风（EASM）阶段，热带水汽源区的强对流增加了局部降水量，使水汽从源区向外输送的δ18O更加负。有研究认为上游对流和降水过程在驱动δ18Op变率中起主导作用，而水汽源变率在年际时间尺度上不是影响δ18Op变率的主要因素。

如图，出射长波辐射（OLR）反映了低纬度地区的对流，OLR值越低，表明对流越强烈。在东印度洋、南海和赤道太平洋等许多水汽源区，δ18Op与OLR指数的显著正相关表明对流对δ18Op的变率有贡献。

ENSO被认为主要通过对流和西太平洋副热带高压（WPSH）影响东南太平洋的δ18Op和石笋δ18O。多元 ENSO 指数（MEI）与EASM/NSM负相关，XRY δ18O 与 MEI 呈正相关，XRY δ18O 时间序列中的1.8、3和7.5年短周期与 ENSO的2-7 年周期相似——这表明，δ18Op和XRY δ18O受ENSO 在年际时间尺度上调节的降水季节性控制。厄尔尼诺（拉尼娜）年EASM/NSM较低（较高），因为NSMδ18Op较EASMδ18Op偏正，导致全年δ18Op升高（降低），进而反映在XRYδ18O中。

在NSM季节，MEI与东南地区大部分地区的降水呈显著正相关（子图a），厄尔尼诺年份降水多于拉尼娜年份（子图c）。EASM季节的空间分布模式更加模糊，没有显著的相关性，厄尔尼诺和拉尼娜年份的降水也没有明显差异（子图b、d）。

模拟的δ18Op空间格局表明，在东南地区，MEI与δ18Op之间存在显著的正相关性，厄尔尼诺年份的年平均δ18Op高于拉尼娜年份（子图a、b）。这些空间模式支持了ENSO对XRYδ18O的调节作用。

二、热带气旋活动对仙人岩洞石笋δ18O的影响——改变降雨分布

热带气旋降雨氧同位素（TC δ18Op）最小值范围为~-12‰至-20‰，比正常季风降水负值大（低4‰~10‰），这与水分来源和“雨屏蔽效应”（rain shield effect）有关：①水分来源意味着TC比季风降水将更远的水分带到陆地，导致δ18Op值降低。②“雨屏蔽效应”：台风在移动过程中，其云系和降雨可以阻挡后续的季风降雨，使台风前方的区域受到降雨的保护（或减少降雨），形成一个相对干燥的区域。雨屏内部的强对流导致水分在过饱和环境中凝结并迅速下降，并由于动力学分馏较弱，δ18Op变得极负。

仙人岩洞石笋δ18O（XRY δ18O）主要以δ18Op为主，因此其受区域台风活动的影响。年均XRY δ18O和累积气旋能量指数（ACE）弱相关、在5-9年尺度上显著负相关——表明XRY δ18O在一定程度上记录区域台风活动信号。当热带气旋活动增强时，强负TC δ18Op信号导致XRY δ18O更负。（子图d）

三、中国东南 δ18Op的热带气旋信号

距离仙人岩洞约300公里的香港在δ18Op和台风活动方面表现出相似的年特征。用香港长期、连续的δ18Op记录验证中国东南部热带气旋活性与δ18Op间的关系。台风主要在三个月的窗口期（7月至9月）影响香港，与最小δ18Op值的时期相吻合。在这几个月中，与台风较少年份比，台风较多的年份显示出更多的负δ18Op（子图a）。

香港年最小季节性δ18O（HKδ18Omin）可用于比较香港δ18Op和ACE。年均δ18Op和δ18Omin都与ACE负相关，ACE与δ18Omin间的相关性强于ACE与年均δ18Op间的相关性——表明δ18Omin更直接地受与更强台风活动相关的增强的负δ18Op信号影响，使其成为 TC 活性的潜在优越指标。（子图b）

四、ENSO和热带气旋对最小季节性δ18O（δ18Omin）的综合影响

ENSO可以通过对流和WPSH影响中国东南部降水δ18Omin。升高。WPSH强度和位置的变化影响了不同水源和降水季节的贡献，从而调节了δ18Op。在厄尔尼诺年的EASM中，WPSH向东撤退，降水减少。ENSO可以影响中国东南部台风的δ18Op信号。鉴于石笋δ18O主要继承δ18Op信号，由于ENSO的潜在干扰，使用石笋δ18O重建中国东南部热带气旋活性时需谨慎。

MEI与HKδ18Omin显著正相关，意味着HK δ18Omin在厄尔尼诺（拉尼娜）年增加（减少）。ACE与HK δ18Omin负相关。因此，在厄尔尼诺年，与ENSO相关的δ18Omin正信号可能会减弱TC引起的负信号，导致δ18Omin记录中的TC特征不那么突出。相反，在拉尼娜年，来自TC的负δ18Omin信号可能会被放大，从而可以更清晰地反映δ18Omin中的TC活动。

五、通过仙人岩洞最小季节性δ18O（XRY δ18Omin）识别台风活动

百分位数（P90和 P10）划分仙人岩洞热带气旋（XRY TC）活动和XRY δ18Omin：强热带气旋活动年（STYs、ACE > P90）和异常偏负事件 （δ18Omin < P10）。在1952-2016年的仙人岩洞地区，共有七年被归类为STY。7次STY中有3次发生在拉尼娜时期，2次发生在中性年份，2次发生在厄尔尼诺时期。同期共7个异常事件，其中6个事件对应于STYs。STYs的高鉴定率表明XRY δ18Omin可以有效地指示强烈的TC活性。

六、讨论与总结

东南太平洋和西北太平洋基于石笋的热带气旋记录，证明了在该地区使用石笋进行热带气旋重建的可行性。西北太平洋是全球热带气旋活动最活跃的海区，人们对热带气旋的频率、强度和活动模式进行了广泛的研究，揭示了人为和自然因素的影响，例如气溶胶、温室气体、年代际太平洋涛动和副热带高压系统。然而，由于短期观测数据的局限性和热带气旋数据集的差异，许多方面仍存在争议。预期的高质量石笋热带气旋记录将为热带气旋活动的长期趋势和变化提供有希望的见解，同时有助于阐明不同因素在调节热带气旋活动中的作用。此外，与以往的石笋研究不同，仙人岩洞远离海岸线，这表明内陆地区的石笋具有记录热带气旋活动的潜力，并有望提高我们对热带气旋内陆影响和生命周期的认识。鉴于最近的研究强调热带气旋对内陆地区的影响越来越大，这一发现非常重要。这些进展对于改进热带气旋预测模型、评估不同气候变化情景下的热带气旋风险以及为热带气旋造成重大社会经济影响的脆弱地区制定缓解战略都具有重要意义。

参考文献：

Chen, L., Wang, T., Sinha, A. et al. A seasonally resolved stalagmite δ18O record indicates the regional activity of tropical cyclones in Southeast China. npj Clim Atmos Sci 7, 168 (2024). https://doi.org/10.1038/s41612-024-00715-0