平流层–对流层交换（Stratosphere-Troposphere Exchange, STE）通过引起平流层、对流层中大气化学组分和气溶胶等的再分布，对大气的辐射平衡、化学成分具有重要影响，进而影响着气候和大气环境。在全球尺度上，STE主要受平流层Brewer-Dobson环流控制（热带地区空气上升通过热带对流层顶进入平流层后向中高纬度输送，并在中高纬地区空气下沉穿过对流层顶进入对流层的半球尺度环流系统，即BD环流），但由于缺少高空大气观测资料，BD环流的变化趋势、影响机制、及其气候环境效应仍然不清。
三氧同位素（16O、17O、18O）非质量分馏效应研究是稳定同位素地球化学研究的国际前沿之一。地球大气圈中非质量氧同位素分馏效应的产生均直接或间接地与平流层O3的气相光化学反应有关。平流层O3光解过程中产生第一电子激发态氧原子O(1D)具有异常高的17O，并通过气相光化学反应把O(1D)异常高的17O信号转移到其它气态含氧组分中（如OH自由基、过氧自由基HO2、NO2等）。由于平流层内水汽的再循环过程（O(1D)+H2O→2OH; HO2+OH→H2O+O2）、甲烷氧化过程（CH4+OH→CH3+H2O）、及水汽与NO2交换反应（NOQ+H2ONO2+H2Q, Q代表17O），使得平流层水汽的17O为异常高值（用17O-excess表示，其定义为：17O-excess = ln(δ17O+1) - 0.528ln(δ18O+1), δ17O、δ18O分别是水中17O、18O的同位素值）。理论模型计算表明，平流层水汽的17O-excess比南极内陆对流层降水17O-excess的值高约3～4个数量级（由于对流层水循环过程中三氧同位素的分馏主要受质量同位素分馏控制，因此对流层水体中17O-excess值较低）。南极内陆地区气温低、降水量较小，再加上受极涡影响下沉气流显著，因此理论上南极内陆地区降雪具有记录下平流层水汽异常高的17O-excess信号的潜力。2013年，法国研究人员发现南极内陆Vostok站雪坑17O-excess的年际变化幅度较大，理论模型模拟发现对流层影响因素（主要是局地温度和水汽源区相对湿度）远不足以解释这么大的年际变化幅度，据此推测Vostok站17O-excess较大的年际变化幅度是受平流层水汽输入影响的结果。这一研究表明，南极内陆冰芯17O-excess记录具有重建STE的潜力，但是这一重要推断由于缺少南极内陆雪坑17O-excess测试数据（受较高测试精度条件的限制）、南极内陆雪坑定年的不确定性（降水量较低，无法通过数年层法定年）、南极内陆缺少较长的气象观测资料、以及气候再分析资料在南极内陆可靠性相对较差等原因，一直未得到证实。
基于以上研究背景，庞洪喜教授课题组根据南极内陆冰盖最高点Dome A地区2个雪坑高分辨率17O-excess测试数据，利用人类核试验产生的放射性物质、火山活动喷发物质作为绝对定年参考层，对Dome A雪坑进行了相对高精度定年，利用目前已知的各种大气再分析资料（包括ERA5、NCEP、ERA-Interim、MERRA2、JRA55、ERA40，避免单一再分析资料造成分析结果的不确定性），结合混合云同位素分馏模型（MCIM）模拟，证实了南极内陆地区雪冰17O-excess受平流层水汽输入影响显著的事实。同时，发现在年际尺度上Dome A雪坑17O-excess主要受BD环流强度控制，二者表现为显著的正相关关系（图1）。此外，研究还发现Dome A 17O-excess与南半球环状模（SAM）存在显著的正相关关系（图2），主要原因是：SAM处于正相位时，南极内陆地区气温低、降水少，较少的降水对平流层水汽17O-excess信号的稀释作用较弱，因此Dome A 17O-excess值较高；反之，SAM处于负相位时，Dome A 17O-excess值较低。17O-excess与SAM显著的正相关关系，进一步证实了平流层水汽输入是影响Dome A 17O-excess变化的主控因素。本研究为利用南极内陆地区冰芯17O-excess记录进行BD环流重建奠定了理论基础，必将推动极地地区冰芯稳定同位素记录与气候变化研究的发展。
图1 过去几十年BD环流强度（a）与南极Dome A雪坑17O-excess记录之间的关系
图2 过去几十年南极Dome A雪坑17O-excess记录与南半球环状模（SAM）指数之间的关系
研究成果以“The dominant role of Brewer–Dobson circulation on 17O-excess variations in snow pits at Dome A, Antarctica”为题在线发表在Journal of Geophysical Research: Atmospheres上。该项研究得到国家优秀青年科学基金项目（41622605）、基金委重点项目（91837102）、江苏省优势学科项目等联合资助，论文的第一作者为庞洪喜教授，庞洪喜教授、公司兼职教授上海交通大学侯书贵教授为共同通讯作者，来自法国、瑞典、美国、挪威等合作者参与了该研究。
论文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JD036559