盈缩的草原：新研究破解远古气候变化成因

赫尔辛基大学的一项新研究为数千年前发生在北美洲的毁灭性干旱提供了令人信服的新解释。这段被称为全新世的时期涵盖了末次冰期后总体气候温暖的时期。这些异常持久的干旱对森林枯死和生态系统转变产生了巨大影响；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。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共同分析了北美东部（范围从落基山脉延伸至大西洋的广阔区域）干旱的发展过程及成因。

"过去11000年的证据表明，北美供水系统曾在过去发生剧变，有时会引发持续数百年至数千年的干旱，其严重程度堪比1930年代的'沙尘暴'干旱。理解这些干旱的成因和后果有助于提升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。

在新研究中，研究人员使用了化石花粉颗粒数据集，这些数据来自过去几十年在北美多个地点采集的样本。通过基于机器学习的计算机算法，研究人员得以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、芬兰科学院研究员萨卡里·萨洛宁领导。根据萨洛宁的说法，研究证实数千年来湿度条件持续低于现代水平。

但萨洛宁指出，北美不同地区经历了不同的干旱历史。"干旱最初出现在美国东北部和加拿大邻近地区——该区域如今是北美较湿润的地区之一。这里早在11000年前就出现了干旱峰值，"萨洛宁表示。

随后干旱向西转移。萨洛宁解释道："在大陆中部（即现代草原区域），我们观察到约7000年前出现最严重干旱，这比大西洋沿岸晚了数千年。此时大西洋沿岸已逐渐湿润，整个导致数千年持续干旱的气候异常现象似乎正在向西迁移。"

"尤其在当今美国东部，人们常认为水资源永不枯竭。然而，对过去的研究表明，即使在该地区，长期干旱也能引发火灾模式和树木死亡的重大转变。因此理解这些干旱的空间格局及其成因至关重要，"同样参与研究的威斯康星大学麦迪逊分校的杰克·威廉姆斯强调。

研究人员将他们的全新世气候重建结果与同期运行的数值气候模拟进行了对比。这些超级计算机实验使科学家能够探究长期干旱的可能成因。

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，分辨率比以往提高2-4倍的新一代气候模型在揭示干旱成因方面发挥了决定性作用。

申克指出，气候模拟揭示的成因具有双重性。"模拟显示在全新世早期，残留在北美北部的大陆冰盖高压系统引导了水汽输送路径，这解释了干旱状况的地理转移。"冰盖消融后，随着夏季日益温暖干燥，整个区域陷入干旱。

全新世干旱与未来几十年预计在北美形成的气候存在耐人寻味的相似性——随着人为气候变化的推进。到本世纪末，尽管降水逐渐增加，但北美大部分地区预计将日益干旱。这是因为气候变暖导致的蒸发量增加预计将使表层土壤变干，即使降雨量有所增加。

研究人员指出，这正与他们对全新世干旱的模拟结果一致。"总体而言，更温暖的气候会更湿润。但这不适用于所有区域。正如我们的结果所示，通过降水来平衡变暖驱动蒸发的效应存在明确的地域限制。对于过去剧烈的夏季变暖而言，这种平衡无法实现，从而导致持续数千年的干旱，"申克解释道。

然而，过去与未来干旱的根本成因不同。在全新世早期，干旱化由地球轨道缓慢变化引起，该变化导致夏季变暖，最终使北美大部分地区陷入干旱。而当前的持续变暖及预测的干旱状况则源于大气中温室气体的急剧增加。

"如果本世纪的气候预测成立，我们将目睹万年前由自然原因引发的干旱在加速重演，"萨洛宁警示道。

地球轨道变化驱动长期气候变化

长期自然气候变化深受地球轨道渐变的影响。这些被称为米兰科维奇周期的变化（例如影响地轴倾角和地球绕日椭圆轨道形状）具有约26,000至100,000年的周期性。

在第四纪时期（过去260万年），米兰科维奇周期引发了反复的冰期和间冰期（温暖期）。约20,000年前的末次冰盛期发生时，由于地球轨道几何形态导致北半球接收日照较少，促使北美和欧洲北部形成巨大冰盖。

到10,000年前，轨道变化逆转使北部冰盖大面积消融，开启了当前间冰期——全新世。在约10,000至4,000年前的最暖时期（即全新世大暖期），地球许多区域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，这种温暖也是北美数千年持续干旱的关键驱动因素。

过去数千年间，地球在全新世大暖期后逐渐变冷。然而这种长期气候趋势被大气中人为温室气体增加导致的急剧变暖所打断。经历过去世纪的变暖后，据估计当前地球温度已超过至少10万年来的水平，气候变率已脱离其长期自然循环轨道。

资金支持

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