早在1964年，丹麦哥本哈根大学威利·丹斯加德(Willi Dansgaard) 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（Pradeep Aggarwal）博士等人于2016年在《自然·地球科学》（Nature Geoscience）上撰文，从不同云类型的视角提出一种新理论，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（以下称为“层状分数理论”）。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。然而，层状分数理论是否忠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。
为此，中国科学院青藏高原研究所环境变化与多圈层过程团队余武生研究员联合美国俄亥俄州立大学朗尼·汤普森（Lonnie Thompson）教授和澳大利亚詹姆斯库克大学斯蒂芬·刘易斯（Stephen Lewis）博士等，重新审视了层状分数理论，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。
该文章的通讯作者余武生介绍，研究团队基于泛热带地区（35°N-35°S）观测站点数据（图1），在日、月、年等不同时间尺度上，分别揭示了降水稳定同位素与层状分数及对流强度之间的关系（图2）。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（图2）。
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。但是，研究团队从不同角度提供了一系列证据反驳了他们的观点。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。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（图3）。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”（图3）。另外，层状雨稳定同位素还与其降水形成过程密切相关。这些过程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）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”）（图3）。研究团队进一步强调，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。
因此，研究团队的这项系统的研究成果纠正了该理论，并破译了泛热带地区降水稳定同位素的真实信号。研究团队建议，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。
该成果以“Water isotope ratios reflect convection intensity rather than rain type proportions in the pan-tropics”为题，8月14日在线发表于《科学-进展》（Science Advances）。我所余武生研究员为论文通讯作者和第一作者，在读博士生郭蓉为共同第一作者。该研究获得国家自然科学基金项目和第二次青藏高原综合科学考察研究资助。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado3258
图 1 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
该38个站点选取发表的文献。在月尺度上，包括了阿加瓦尔博士等人分析的26个有效的全球降水稳定同位素观测计划（GNIP）站点（绿色圆点）以及本研究增加的满足条件的其它27个GNIP站点（黄色圆点）。
图2 不同时间尺度上泛热带地区降水稳定氧同位素（δ18O）、层状分数与对流强度（OLR）的相关性
A, B，日尺度。C, D，月尺度。E, F，年尺度。
图3 层状雨稳定同位素富集机制示意图
与对流雨类似，层状雨稳定同位素值也跨越很宽的范围，有时甚至更高，这是由于“印记效应”（向上的直箭头）和“再富集效应”（向下的直箭头）的共同影响。实心（空心）的冰晶符号代表WBF（无WBF）过程。向上弯曲箭头的实心（空心）圆表示强（弱）再蒸发过程。
