兴衰更替的草原：新研究揭示古代气候变化成因

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一个令人信服的新解释。这段被称为全新世的时期，涵盖了末次冰期之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剧烈影响；理解其成因对于增强社会对未来气候变化的适应力至关重要。

然而，这些长期干旱的原因一直不明朗。在发表于《自然通讯》(Nature Communications) 的新研究中，赫尔辛基大学的研究人员与来自美国、德国和瑞典研究机构的合著者一起，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。

研究的合著者、怀俄明大学的布赖恩·舒曼（Bryan Shuman）解释道：“过去11,000年的证据突显，北美供水在过去曾发生剧变，有时干旱严重程度堪比20世纪30年代沙尘暴干旱（Dust Bowl drought）的情况会持续数世纪乃至数千年。理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。”

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间从北美多处地点采集获得。利用基于机器学习的计算机算法，研究人员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学系、芬兰科学院研究员J·萨卡里·萨洛宁（J. Sakari Salonen）领导。萨洛宁表示，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。他说：“干旱状况首先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。在这里，我们观察到干旱峰值出现在1.1万年前。”

随后，干旱向西转移。萨洛宁解释说：“在北美大陆中部，即现代草原区域，我们看到最严重的干旱发生在大约7,000年前，比大西洋沿岸晚了数千年。此时，大西洋沿岸已经变得更湿润，仿佛是引发这场持续数千年干旱的整个气候异常现象正在向西迁移。”

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（Jack Williams）表示：“尤其是在美国东部，如今人们常有水资源总是充足的观念。然而，对过去的研究表明，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，理解这些干旱的空间格局及其成因至关重要。”

研究人员将他们重建的全新世气候与为相同时期运行的数值气候模拟结果进行了比较。这些超级计算机实验让科学家得以探究可能导致长期干旱的原因。

斯德哥尔摩大学大气物理学家、赫尔辛基大学访问科学家弗雷德里克·申克（Frederik Schenk）表示，新一代气候模型（分辨率比之前提高2到4倍）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有两方面。他说：“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汽输送，这解释了干旱状况的地理位移。” 冰盖消融后，随着夏季日益变暖变干，整个区域陷入干旱。

随着人为气候变化的推进，全新世干旱与未来几十年北美预期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，尽管降水量逐渐增加，北美大部分地区将日益干旱。这是因为气候变暖导致的蒸发量增加，预计将使地表土壤变干，即使降雨量增加也是如此。

研究人员指出，这恰恰是他们在全新世干旱模拟中看到的情形。申克解释道：“总体而言，更温暖的气候将更湿润。但这并非适用于所有地区。正如我们的结果所示，能够输送多少降雨来平衡变暖驱动的蒸发，存在明显的区域限制。对于过去强烈的夏季变暖而言，降雨根本无法平衡蒸发，从而导致持续数千年的干旱。”

然而，过去干旱与未来干旱的根本原因不同。在全新世早期，干旱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干燥状况则归因于大气中温室气体的快速增加。

萨洛宁表示：“如果本世纪的气候预测成真，我们正在目睹的是，万年前因自然原因发生的事件将以快进方式重演。”

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渐变的影响。这些变化（例如影响地球自转轴倾角和地球绕太阳椭圆轨道形状）被称为米兰科维奇周期（Milanković cycles），其周期范围约为26,000年至100,000年。

在第四纪（过去260万年）期间，米兰科维奇周期引发了多次冰期及中间的温暖期（称为间冰期）。大约2万年前末次冰盛期的出现，是由于地球轨道几何形态导致北半球接收的阳光相对较少，使得巨大的冰盖得以在北美和欧洲的北部区域积累。

到1万年前，轨道的逆转使北部大部分冰盖消融，迎来了当前的间冰期——全新世。在大约1万至4,000年前最温暖的时期（称为全新世大暖期），地球许多地区明显比工业化前时代更温暖。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干旱的关键驱动因素。

在过去数千年里，地球在全新世大暖期后逐渐变冷。然而，人为导致的大气温室气体增加引发的急剧变暖，打断了这一长期气候趋势。据估计，经历过去一个世纪的变暖后，地球当前温度至少是10万年来最高的，因为气候变率已被迫脱离了其长期的自然周期。

资金来源

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。