消长大草原：新研究揭示古代气候变化的成因

赫尔辛基大学的一项新研究为几千年前发生在北美洲的毁灭性干旱提供了一个令人信服的新解释。这段时期被称为全新世，涵盖了末次冰期之后气候普遍温暖的时期。这些异常持久的干旱对森林枯萎和生态系统转变产生了严重影响；了解其成因对于提高社会对未来气候变化的适应能力至关重要。

然而，这些长期干旱的原因一直不明确。在发表于《自然通讯》的新研究中，赫尔辛基大学的研究人员与美国、德国和瑞典研究机构的合著者合作，分析了北美东部（从落基山脉延伸到大西洋的广阔区域）干旱的发展和成因。

“过去11,000年的证据凸显出，北美供水在过去发生了巨大变化，有时将干旱严重程度延续至堪比1930年代‘沙尘暴’干旱的水平，且持续数百年至数千年。了解这些干旱的成因和后果有助于提高我们预测未来变化的能力，”该研究的合著者、怀俄明大学的布莱恩·舒曼解释道。

在这项新研究中，研究人员使用了化石花粉粒的数据集，这些花粉粒在过去几十年中从北美多个地点采集获得。研究人员利用基于机器学习的计算机算法，能够根据化石花粉重建全新世期间湿度水平的变化。

该研究由赫尔辛基大学地球科学与地理系、芬兰科学院研究员J·萨卡里·萨洛宁领导。根据萨洛宁的说法，该研究证实湿度条件在数千年间持续低于现代水平。

然而，萨洛宁指出，北美不同地区经历了不同的干旱历史。“干旱条件首先出现在美国东北部和加拿大邻近地区，该地区如今是北美较湿润的区域之一。在这里，我们看到干旱高峰出现在11,000年前，”萨洛宁说。

随后，干旱向西转移。萨洛宁解释道：“在大陆中部，即现今的大草原区域，我们看到最严重的干旱出现在大约7,000年前，比大西洋沿岸晚了数千年。此时，大西洋沿岸已变得更加湿润，仿佛导致持续数千年干旱的整个气候异常现象开始向西迁移。”

“特别是在美国东部，如今人们常常认为水总是充足的。然而，过去的研究表明，即使在东部，这些长期干旱也可能引发火灾模式和树木死亡率的重大转变。因此，了解这些干旱的空间格局及其成因至关重要，”同样参与该研究的威斯康星大学麦迪逊分校的杰克·威廉姆斯说。

研究人员将他们重建的全新世气候与针对相同时期运行的数值气候模拟进行了比较。这些超级计算机实验使科学家能够探索导致长期干旱的可能原因。

斯德哥尔摩大学大气物理学家、赫尔辛基大学客座科学家弗雷德里克·申克表示，新一代气候模型以比以往高2到4倍的分辨率运行，这在揭示干旱成因方面起到了决定性作用。

申克指出，气候模拟揭示的成因是双重的。“模拟显示，在全新世早期，残留在北美大陆北部冰盖上的高压系统引导了水分输送，这解释了干旱条件的空间转移，”申克说。冰盖融化后，随着夏季变得越来越温暖干燥，整个区域陷入干旱。

全新世干旱与未来几十年人为气候变化影响下预计将在北美出现的气候状况有着耐人寻味的相似之处。预计到本世纪末，尽管降水逐渐增加，北美大部分地区将变得越来越干燥。这是因为气候变暖导致的蒸发增加预计将耗尽表层土壤水分，即使降雨量有所增加。

研究人员指出，这恰恰是他们在全新世干旱模拟中观察到的现象。“总体而言，气候变暖将使全球更湿润。但这并不适用于所有区域。正如我们的结果所示，降雨量在平衡变暖驱动的蒸发方面存在明显的区域限制。对于过去的强烈夏季变暖，降雨量的增加不足以平衡蒸发的增加，从而导致持续数千年的干旱，”申克解释道。

然而，过去和未来干旱的根本原因不同。在全新世早期，干燥化是由地球轨道的缓慢变化引起的，该变化导致夏季变暖，最终使北美大部分地区陷入干旱。而现在，持续的变暖和预测的更干燥条件是由于大气中温室气体的快速增加所致。

“如果本世纪的气候预测成立，我们看到的将是万年前由自然原因引发的干旱，以加速版的方式重演，”萨洛宁说。

地球轨道变化驱动长期气候变化

长期的天然气候变化深受地球轨道逐渐变化的影响。这些变化（例如影响地球自转轴倾角及地球绕太阳椭圆轨道形状）被称为米兰科维奇旋回，其周期范围约为26,000至100,000年。

在第四纪（过去260万年）期间，米兰科维奇旋回导致了冰期的反复出现以及其间的温暖期（称为间冰期）。大约20,000年前，末次冰盛期发生的原因是，由于地球轨道的几何形状，北半球接收到的日照相对较少，使得巨大的冰盖得以在北美和欧洲的北部地区积累。

到10,000年前，轨道变化逆转导致北部大部分冰盖融化，迎来了当前间冰期——全新世。在大约10,000至4,000年前最温暖的时期（称为全新世大暖期），地球许多地区比工业化前时代显著温暖。赫尔辛基大学研究人员及其合著者的新结果表明，这种温暖也是北美持续数千年干旱的关键驱动因素。

在过去的几千年里，地球在全新世大暖期之后一直在逐渐变冷。然而，这一长期气候趋势被人为增加大气温室气体导致的急剧变暖所打断。据估计，继过去一个世纪的变暖之后，地球目前比至少100,000年以来的任何时期都要温暖，因为气候变率已被迫偏离其长期的自然周期。

资助

本研究由芬兰研究理事会、瑞典可持续发展研究理事会（FORMAS）、瑞典研究理事会（Vetenskapsrådet）以及美国国家科学基金会资助。