Brewer-Dobson (B-D)环流是平流层内一种全球尺度的环流系统：热带地区空气上升进入平流层，随后向两极运动，在极地地区下沉返回对流层。这一环流直接影响平流层臭氧、水汽、火山气溶胶等的分布，进而影响地球辐射能量平衡和全球气候。此外，它还调节着平流层与对流层之间物质的交换，对大气化学和环境也有重要影响。然而，由于B-D环流直接观测困难且缺乏合适的重建代用指标，不同时间尺度B-D环流的变化及其机制仍然不清。例如，全球变暖背景下，气候模式模拟表明B-D环流将增强，但这仍未得到观测结果的证实；此外，末次冰盛期（LGM）B-D环流是增强还是减弱，不同气候模式的模拟结果存在矛盾。

平流层水汽由于臭氧光化学反应中氧同位素的非质量分馏效应，平流层水汽¹⁷O相对于¹⁸O的值较高，称为过量氧-17（定义为：¹⁷O-excess = δ¹⁷O – 0.528 × δ¹⁸O），平流层水汽过量氧-17比对流层水汽高出3–4个数量级。南极冰盖位于B-D环流的下沉支，来自平流层的水汽输入会显著影响南极内陆降水的过量氧-17，这为利用冰芯过量氧-17记录进行B-D环流的重建提供了可能。

鉴于以上原因，庞洪喜教授课题组基于平流层-对流层交换质量平衡原理，建立了两种B-D环流定量估算模型：一是基于大尺度极地对流层水汽过量氧-17质量平衡模型，二是基于单个冰芯点过量氧-17混合模型。利用南极冰盖多支冰芯过量氧-17记录（图1），结合南极冰盖地形约束的MIROC气候模式模拟资料和氧同位素大气光化学模型模拟结果（图2），定量估算了LGM时期B-D环流的强度，发现末次冰盛期B-D环流强度较工业革命前减弱约19%。

末次冰盛期B-D环流减弱的确定及其量化具有重要科学意义。首先，它解释了LGM时期南极内陆降水过量氧-17的降低不仅与传统认为的水汽低温过饱和条件下的同位素动力学分馏有关，还与平流层水汽输入减少和B-D环流减弱密切相关（图3）。其次，末次冰盛期B-D环流的减弱会减少平流层臭氧、氧气、火山气溶胶等向下极地对流层的输送，对于极地冰芯硝酸盐和硫酸盐三氧同位素记录大气氧化能力的定量评估、冰芯包裹氧气三氧同位素记录全球生物圈初级生产力的估算、冰芯硫酸盐火山活动强度的定量重建等均具有重要意义。此外，末次冰盛期B-D环流的减弱为古气候模式模拟提供了关键约束。

上述成果以“Constraining the strength of the brewer-dobson circulation during the last Glacial maximum using water ¹⁷O-excess records from Antarctic ice cores”为题，发表在Earth and Planetary Science Letters上（//doi.org/10.1016/j.epsl.2026.120110）。枫林网 庞洪喜教授为论文第一作者和通讯作者。合作者包括美国戴顿大学吴霜叶教授，以及枫林网 侯书贵教授、许涛助理研究员和张王滨工程师。研究得到国家重点研发计划项目、枫林网 关键地球物质循环前沿科学中心项目及江苏省优势学科项目等联合资助。

图1：本研究使用的南极冰芯位置分布图，背景颜色表示南极冰盖表面物质平衡（SMB）的多年平均值

图2：大气氧同位素光化学模型模拟的末次冰盛期（LGM）和工业化前（PI）大气水汽过量氧-17的垂直剖面图

图3：南极冰芯末次冰盛期（LGM）和工业革命前（PI）过量氧-17的差值（PI-LGM）与各冰芯站点多年平均温度之间的关系