消长的草原：新研究揭示古气候变化成因

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。这一时期被称为全新世，涵盖末次冰期后气候总体温暖的时期。这些异常持久的干旱对森林消亡和生态系统转型产生了剧烈影响；理解其成因对于提升社会应对未来气候变化的韧性至关重要。

然而，这些长期干旱的原因始终未明。在发表于《自然·通讯》的新研究中，赫尔辛基大学研究人员联合来自美国、德国和瑞典研究机构的合著者，分析了北美东部——从落基山脉延伸至大西洋的广阔区域——的干旱发展过程及成因。

"过去11,000年的证据表明，北美水资源供应曾发生剧烈变化，有时会出现强度堪比1930年代'沙尘暴'干旱、持续数世纪至数千年的干旱事件。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，"怀俄明大学研究合著者布赖恩·舒曼解释道。

在新研究中，研究人员利用过去数十年从北美多地采集的化石花粉粒数据集。基于机器学习算法，他们成功依据化石花粉重建了全新世期间湿润度的变化历程。

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·萨洛宁领衔。萨洛宁指出，研究表明湿润条件持续低于现代水平达数千年之久。

但萨洛宁强调北美不同区域经历了差异化的干旱历程。"干旱首先出现在美国东北部及加拿大邻近区域——这些地区如今是北美较湿润的区域。我们发现该区域在11,000年前就已达干旱峰值。"

随后干旱向西转移。萨洛宁阐释："在大陆中部的现代草原区域，最严重干旱出现于约7000年前——比大西洋沿岸晚数千年。此时大西洋沿岸已转向湿润，整个引发数千年干旱的气候异常现象似乎正逐步西移。"

"尤其在当今美国东部，人们常认为水资源始终充足。但对过去的研究表明，即使在该区域，长期干旱仍可能引发火灾模式剧变和树木大面积死亡。因此理解这些干旱的空间格局及其成因至关重要，"威斯康星大学麦迪逊分校的杰克·威廉姆斯补充道。

研究人员将全新世气候重建结果与同期运行的数值气候模拟进行比对。这些超级计算机实验揭示了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对解析干旱成因具有决定性作用。

申克指出气候模拟揭示了双重成因："模拟显示全新世早期，滞留北美北部的大陆冰盖高压系统主导了水汽输送路径，这解释了干旱状况的地理迁移。"冰盖消融后，随着夏季持续增温变干，整个区域陷入干旱。

全新世干旱与预期未来数十年北美气候存在耐人寻味的相似性。随着人为气候变化加剧，本世纪末北美大部分区域预计将日益干旱——尽管降水量逐渐增加。这是因为气候变暖导致的蒸发量增长，将超过降水增量，使地表土壤持续干化。

研究人员强调这与其对全新世干旱的模拟完全吻合。"整体而言，较暖气候会更湿润，但并非所有区域皆然。如我们结果所示，降水增量存在明确的地域性上限，难以平衡变暖驱动的蒸发需求。面对过去的强烈夏季增温，这种失衡最终导致了持续数千年的干旱，"申克解释道。

但古今干旱的根本动因不同：全新世早期的干化由地球轨道缓慢变化引发，导致夏季增温，最终使北美大部陷入干旱；而当前的持续变暖及预测干旱则源于大气温室气体急速增加。

"若本世纪气候预测成立，我们将目睹万年前自然成因的气候剧变以加速形式重演，"萨洛宁警示道。

地球轨道变化驱动长期气候变迁

长期自然气候变化深受地球轨道渐进改变的影响。这些被称为米兰科维奇周期的变化（如地球自转轴倾角变化及绕日椭圆轨道形态改变）具有约26,000至100,000年的周期性。

在第四纪（过去260万年）期间，米兰科维奇周期引发多次冰期与间冰期（温暖期）交替。约20,000年前末次冰盛期的出现，源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。

至10,000年前，轨道变化反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年前最温暖的"全新世最暖期"，地球多处温度显著高于工业化前时代。赫尔辛基大学团队的新成果表明，这种暖化也是北美数千年干旱的关键驱动因素。

过去数千年间，地球在全新世最暖期后持续缓慢降温。但这一长期气候趋势因人为温室气体增加导致的急剧变暖而中断。据估算，经历过去世纪的变暖后，当前地球温度已突破至少100,000年来的最高值——气候变异已脱离其长期自然循环轨道。

资助声明

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