极端天气事件通常会在短时间内对生态系统和人居环境造成巨大破坏。2021年7月20日，郑州遭遇了极为罕见的特大暴雨（“7.20”特大暴雨），超过1300万人受灾，398人死亡或失踪，直接经济损失超过1200亿元。这场暴雨在三日内的降水量达到了当地以往一年的水平，在气象统计中被认为是“千年一遇”。然而，所谓的“千年一遇“是基于过去不足百年的器测资料计算获得的。随着全球快速变暖，极端天气事件的气候背景也在迅速变化。因此，“7.20”特大暴雨究竟是一次“千年一遇”的偶然灾害，还是全球变暖后的“新常态”，仍是一个亟待厘清的关键科学问题。鉴于这种不确定性，全面了解不同气候条件下的极端降水事件变异性，可以极大地提高我们对极端降水事件机制和动力学的理解。然而，由于现代器测资料的时间跨度过短(一般不超过200年)，而传统古气候研究时间分辨率较低(从年到千年)，无法准确重建天-小时尺度极端天气事件，我们目前对过去极端降水长期演变规律及其与气候背景态之间联系的认识几乎为空白。

为此，中国科学院地球环境研究所气候变化集成-模拟-同化-预测团队（CLIMAP）在" 7.20 "特大暴雨中心之一的郑州-荥阳地区采集了四只现代蜗牛（图1）。利用包埋制片和二次离子质谱（SIMS）结合的方法，突破传统古气候研究分辨率上限，获得了2021年6月至9月天分辨率蜗牛壳体氧同位素（δ¹⁸O_shell）记录。结果显示，2021/06/18至2021/09/18期间的日分辨率δ¹⁸O_shell发生了一次剧烈的负跃变（~12‰）。根据通量平衡模型估算了“7.20”特大暴雨导致的跃变幅度理论值，发现其与实测跃变值在误差范围内相一致（图2），表明这一δ¹⁸O_shell负跃变很可能是由“7.20”特大暴雨造成的。这项研究首次指出，蜗牛壳体可以定量重建陆地天气尺度极端降水事件。将当前研究应用于蜗牛化石，则有潜力重建过去不同气候背景下极端降水事件的发生频率和强度（图3）。相关研究有望为重建地质历史时期超级暴雨事件的特征与变率奠定基础，推动古天气研究的发展，进而为理解极端天气气候态演变、评估气候模式和预测未来变暖背景下极端天气事件发展趋势提供科学依据。

本研究由地球环境研究所、地质与地球物理研究所、广州地球化学研究所、西安地球环境创新研究院、新南威尔士大学、西安交通大学和云南大学的多位研究者共同完成。该成果近期以Article的形式发表于Science Bulletin。地球环境研究所博士研究生王国桢为第一作者。晏宏研究员和董吉宝副研究员为论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（42221003，42025304，42103084）和中科院青年交叉团队等项目的支持。

原文信息：

Guozhen Wang, Jibao Dong, Tao Han, Chengcheng Liu, Fan Luo, Haotian Yang, Miaohong He, Guoqiang Tang, Nanyu Zhao, Qian Zhang, Gang Xue, John Dodson, Qiuli Li, Hong Yan,Quantitative reconstruction of a single super rainstorm using daily resolved δ¹⁸O of land snail shells, Science Bulletin, Volume 69, Issue 14, 2024, Pages 2281-2288, ISSN 2095-9273,

https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.04.037.

(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927324002718)

图1 研究区域概况和蜗牛样本。（a）东亚的盛行季风气候以及采样点位置。地形图来自https://www.gebco.net/data_and_products/gridded_bathymetry_data/，红色圆点和白色圆点分别代表郑州和北京。缩写ISM：印度夏季风；EASM：东亚夏季风；EAWM：东亚冬季风。（b）郑州多年平均的月均气温、降水量和降水氧同位素（数据来源于http://www.iaea.org/water）。灰色阴影代表郑州当地条华蜗牛（Cathaica fasciola）主要的生长季（温度 > 10 ℃）。（c）条华蜗牛及其切割和测试分析的流程图。红线代表GSMS测试的粉末样的采样路径；黄色箭头代表采样方向，与蜗牛生长方向相反。放大部分的黑色圆点为蜗牛壳体横截面中SIMS测试分析的位置。

图2 超高分辨率δ¹⁸O_shell记录了“7.20”特大暴雨。（a）SIMS测定的日分辨率δ¹⁸O_shell。黑色箭头代表壳体生长方向。（b）郑州逐日降水记录（数据来源：http://data.cma.cn/）。（c）为（a）图中虚线矩形部分的放大图，为“7.20”特大暴雨导致的样本0918-1和样本1218-1实测δ¹⁸O_shell振幅的对比。（d）“7.20”特大暴雨造成的δ¹⁸O_shell振幅的理论值（红色）和实测值（黑色）的概率密度分布，以及（e）理论值（红色）和实测值（黑色）的平均值及90%置信区间。

图3 当前成果应用于未来古气候研究的技术路线。该方法主要包括以下几步：1）根据高分辨率黄土剖面可靠年代学框架和常规气候变化代用指标（如磁化率、粒度等），建立气候变化模式的大致框架。2）在选定时段内随机抽取138只化石蜗牛样本，根据扫描电镜（SEM）分析，获取可能与极端降水事件有关的微结构变化的化石样品，并排除可能的成岩蚀变。3）在此基础上，进一步开展蜗牛壳体SIMS δ¹⁸O分析，确认SEM分析结果，从而探究选定时段内，类似“7.20”特大暴雨的极端降水事件的发生频率。