全球季风系统为地球上约三分之一人口提供了重要的淡水资源，也支撑着丰富的陆地生物多样性。随着全球气候快速变暖，季风区未来水资源的可获得性存在不确定性，认识季风变化的控制因素对于理解全球水循环及其气候响应至关重要。全球季风主要受热带辐合带（Intertropical Convergence Zone，ITCZ）位置及南北半球太阳辐射差异控制，因此两半球季风通常呈反相变化。然而，现有南半球季风记录主要覆盖最近2个冰期旋回，全球季风的跨半球联系及其动力机制仍缺乏充分认识。
针对这一问题，美国纽约州斯克内克塔迪联合学院E. J. Olson团队利用南美亚马孙流域（图1）石笋氧同位素记录，重建了过去45万年南美夏季风（South American Summer Monsoon，SASM）变化。研究发现，南美与亚洲夏季风在轨道尺度上总体呈反相变化，但过去45万年中发生了10次南北半球夏季风同步变化事件。这些事件可能与温室气体、跨赤道热力梯度以及大西洋和太平洋海温异常有关，表明全球季风系统可能在气候边界条件快速变化期间发生重组。相关成果发表于Nature期刊。
首先，作者在安第斯山脉东坡3个洞穴（图1）采集了30根石笋，建立了覆盖过去45万年、平均分辨率约50年的石笋δ18O合成记录。
图1 石笋样品所在的洞穴位置。a-d分别为Antipayarguna洞穴、Pacupahuain洞穴、Huagapo洞穴和Junín湖泊钻孔位置。颜色表示海拔。插图指示亚马孙流域边界（绿色）及研究区所在的位置（红框）
石笋δ18O受到当地气温、降水及水汽输送过程中瑞利分馏等因素影响。为提取区域季风信号，作者将标准化后的安第斯石笋δ18O记录与距洞穴约30 km的Junín湖泊热带冰川指数（GI）相减，扣除局地气候信号，所得南美夏季风降水指数与过去25万年亚马孙西部石笋记录一致（图2）。该指数与南北纬30°夏季太阳辐射差异显著相关（r=0.35，P<0.001），而与当地（11°s）夏季太阳辐射的相关性较弱（r=−0.26，p<0.001）（图2），表明南美季风降水与跨赤道太阳辐射梯度及其驱动的大尺度环流密切相关。跨赤道辐射梯度增大时，哈德莱环流和东风增强，有利于海洋水汽向大陆输送。<>
图2 安第斯石笋δ18O记录包含的局地与区域气候信号评估。灰色竖条表示冰期终止期。a，海洋氧同位素阶段（MIS）；b，石笋U-Th年龄及2σ误差；c，石笋δ18O（蓝色）与南北纬30° 7月21日太阳辐射差异（黑色）；d，Junín湖泊冰川指数（GI，绿色）与LR04全球冰量记录（蓝色）；e，南美夏季风指数（标准化后的石笋δ18O减GI，蓝色），与当地（11°S）夏季太阳辐射（黑色）；f，南美夏季风指数与亚马孙西部石笋δ18O记录。季风指数负值表示较湿润
与中国石笋记录对比发现，南美与亚洲夏季风在过去45万年的大部分时间里呈反相变化（图3）。地球轨道岁差控制南北半球夏季在公转轨道上的相对位置，周期约为2.3万年。当一个半球的夏季发生在地球近日点时，该半球夏季太阳辐射较强，而另一半球夏季太阳辐射较弱，由此形成南北半球季风的反相变化。亚洲与南美夏季风记录的差值与跨赤道太阳辐射梯度显著相关（r=0.67，P<0.001）（图3），表明岁差驱动的太阳辐射差异是两大季风系统在轨道尺度上反相变化的重要因素。
图3 安第斯石笋记录与其他记录比较。灰色竖条表示冰期终止期。a，海洋氧同位素阶段（MIS）；b，安第斯与亚洲石笋δ18O记录；c，跨赤道太阳辐射差异（7月30°N与1月30°S）（黑色），安第斯与亚洲石笋δ18O记录之差（黄色），后者表征南北半球季风跷跷板关系的强度；d，南极温度（绿色），安第斯与亚洲石笋δ18O标准化后的平均值（粉色），后者表征南北半球季风同步性。NH表示北半球，SH表示南半球
然而，这种反相关系并非始终成立。将标准化后的南美与亚洲石笋δ18O记录取平均作为衡量季风同步性指标（图4）。有10个时段指标偏离平均值超过±2σ，指示两大季风在这些时段同步变化。每个事件发生数千年后又恢复反相关系（图4）。其中，每个冰期终止期均出现季风同步减弱事件，周期约10万年；间冰期出现4次同步干旱事件；倒数第二次冰期（MIS 6）则记录到2次同步湿润事件（图4）。为探究这些事件的气候背景，作者比较了季风记录与温室气体浓度、跨赤道太阳辐射梯度、北大西洋海温、ITCZ位置及热带太平洋东西向海温梯度等指标（图4）。
图4 南北半球季风同步事件及其潜在驱动因素。a，海洋氧同位素阶段（MIS）；b，安第斯与亚洲石笋δ18O标准化后的平均值，表征南北半球季风同步性。虚线表示超过±2σ范围的异常同步事件。红色和蓝色分别表示同步干旱与湿润事件。c，南极冰芯CO2、跨赤道太阳辐射差异、北大西洋海表温度、ITCZ位置代用指标及太平洋东西向海表温度梯度。太平洋东西向海表温度梯度的正、负变化分别对应厄尔尼诺与拉尼娜状态。灰色竖条表示冰期终止期
冰期终止期的同步弱季风事件发生在CO2浓度和全球温度升高、经向温度梯度减弱时期（图4）。传统观点认为，冰盖消融向北大西洋释放淡水可使大西洋经向翻转环流（AMOC）减弱、北大西洋降温并推动ITCZ南移，进而造成亚洲季风减弱而南美季风增强。然而，研究发现这些事件发生时ITCZ总体位于赤道附近（+0.5σ），并未明显南移（图4），说明ITCZ南移不足以单独解释季风同步减弱。作者分析认为，全球增暖导致经向温度梯度减弱，加上跨赤道太阳辐射梯度接近零（+0.5σ）、ITCZ位于赤道附近（+0.5σ）及北大西洋偏冷（−0.5σ）（图4），可能共同促成了冰期终止期两半球季风同步衰退。
间冰期的4次同步干旱事件则与冰期终止期有不同的气候背景：跨赤道太阳辐射梯度偏向南半球（−1σ），本应有利于南半球季风增加，但安第斯石笋记录显示南美季风偏弱。作者认为，北大西洋海温异常偏暖（+0.7σ），ITCZ维持在赤道附近（+0.1σ）（图4），可能共同抑制了南美季风。这些事件在气候特征上与末次冰期Dansgaard-Oeschger事件相似。相反，MIS 6的2次同步湿润事件发生时，跨赤道太阳辐射梯度偏向北半球（+0.8σ）（图4），但南美季风也异常增强。作者推测，北大西洋偏冷及ITCZ位置相对偏南（图4）可能导致了这2次短暂的季风同步增强事件，其气候特征与Heinrich事件相似。
总体来看，南北半球季风同步变化与特定气候强迫有关。除ITCZ位置外，北大西洋海温异常也可能发挥重要作用。以往研究主要关注北大西洋对冰期南美季风的影响，本研究进一步提出，北大西洋也可能参与间冰期全球季风的同步变化。
对于大西洋海温如何影响亚洲季风，作者认为太平洋沃克环流（Pacific Walker Circulation，PWC）可能是重要环节。北大西洋降温会抑制大气对流并改变沃克环流，使全球降水分布向太平洋一侧转移，即“跨海盆气候相互作用”，进而可能削弱沃克环流及亚洲季风。
图5 热带降水及模拟的（副）热带降水对AMOC崩溃的响应。a，四个模型在工业革命前控制实验中全球主要雨季降水多模型平均。高降水区域对应季风区和ITCZ。b，四个模型在淡水注入北大西洋实验（AMOC减弱）中50年模拟期间全球主要雨季降水异常的多模型平均。点状表示所有模型模拟的降水异常符号一致的区域，圆圈指示安第斯和亚洲石笋研究区位置。
近期研究显示，过去一千年南美季风的年代际至百年尺度变化主要受PWC驱动。东太平洋增温可能改变对流位置，通过热带罗斯贝波调整高空风场、抑制亚马孙北部对流并减少降水。针对未来AMOC减弱的模拟也显示，PWC调整可能导致南北半球季风降水大范围变化，本研究洞穴所在区域将显著变干（图5）。这与冰期终止期弱季风事件发生时东太平洋海温略高的结果一致，提示热带太平洋东西向海温梯度可能参与了冰期终止期全球季风同步变化。
总体而言，该研究发现南北半球季风同步减弱既可以发生于冰期终止期，也可以发生于间冰期，而同步增强目前仅见于MIS 6强冰期。这说明全球季风的跨半球协同变化具有显著的气候背景依赖性，其主要驱动因素会随气候边界条件改变而发生变化。该研究深化了对全球季风演变机制的认识，也为评估未来热带地区水资源及生物多样性面临的气候风险提供了参考。
主要参考文献
Olson E J, Gillikin D P, Parmenter D, et al. Interhemispheric monsoon dynamics over the past 450,000 years[J]. Nature, 2026, 658: 943-950. https://doi.org/10.1038/s41586-026-11166-3.
Cheng H, Edwards R L, Sinha A, et al. The Asian monsoon over the past 640,000 years and ice age terminations. Nature, 2016, 534: 640-646.
（撰稿：段武辉/环境演变与碳循环学科中心）
