过去两千年全球水循环对温度变化的响应

随着温度继续上升，全球的水会发生什么变化? 任何重新分配人类饮用和使用水的地点、时间和数量的变化都会有“赢家”和“输家”。在未来的气候预估和过去的气候重建中，全球水循环对全球地表温度变化的响应仍然是一个悬而未决的问题。降水、大气水和海水稳定的氢和氧同位素组成整合了从微物理到全球尺度的过程，因此在跟踪全球水文气候变化方面具有独特的优势。

图源：Pixabay/CC0 Public Domain

为了找到答案并做出合理预测，由圣路易斯华盛顿大学（WashU）领导的“过去全球变化”(PAGES) Iso2k项目团队的一项研究，为重建过去2000年全球水历史迈出了重要一步。科学家们回顾过去，利用地质数据重建过去的气候变化显示自工业时代以来人类活动对温度的深远影响。研究表明，在过去两千年中，全球平均表面温度在全球海洋蒸发和凝结过程的驱动下对全球降水量和大气水产生了连贯的影响，在小冰河时期（1450-1850年）期间数值较低，而在小冰河时期后数值较高，太平洋沃克环流是区域变化的主要来源。研究结果表明，随着地球变暖和变冷，全球降水和大气环流模式在几十年内迅速调整。该研究发表于《自然地球科学》。

研究人员利用保存的地质和生物证据，包括来自全球分布的珊瑚、树木、冰、洞穴结构和沉积物的759种不同的古气候记录，分析表明，全球水循环在最近一段时间的高温和低温时期都发生了变化，全球水循环与全球温度密切相关。

水循环是复杂的，尤其是降雨量的地理变化比气温的变化要剧烈得多。这使得科学家很难评估过去2000年来降雨量的变化。

研究人员表示：“我们决定从水同位素记录开始，因为它们反映了整体信号，因为它们记录在各种不同的自然档案中。这是重建过去2000年全球范围内干旱或降雨模式的第一步。”

一个相互交织的循环

全球水循环庞大且相互交织。水从地球表面蒸发，上升到大气中，冷却并凝结成雨或雪，然后再次以降水的形式降落到地面。作为循环的一部分，每个水分子都有一定的同位素“指纹”，或成分，反映了构成分子的氧原子和氢原子原子量的微小变化。所以，单个水分子可以更重或更轻。

在这项新研究中，科学家们发现，当全球气温升高时，雨水和其他环境水中的同位素含量会变得更高。研究人员通过综合过去2000年地球历史中各种自然档案来源的数据，解释了这些同位素变化并确定了它们的时间线。

PAGES Iso2k项目团队包括来自10个国家的40多名研究人员，他们收集、整理并数字化数百项研究的数据集，以构建他们在分析中使用的数据库。他们最终得到了759个全球分布的时间序列数据集，代表了世界上最大的水同位素代用记录综合数据库。

更多的水循环变化即将到来

随着地球进入和退出冰河时代周期，温度与某些环境水域(如海水和冰川冰)的同位素组成之间的全球尺度关系早已被认识到。在几分钟到几个月的时间尺度上，局部尺度与温度的关系也已得到很好的建立。

但这项研究提供了第一个证据，证明温度和环境水域的同位素组成在这两者之间的时间尺度上是密切相关的，从几十年到几个世纪。

研究人员表示这是一个快速的调整过程，“随着地球变暖或变冷，它会影响水离开海洋时的行为及其在大气中的运动活力。这些水域的同位素信号对温度变化非常敏感。”

科学家们发现，在过去的2000年里，全球平均地表温度对全球降水和“大气水”(湖泊、河流和冰融化中的水)的同位素组成产生了连贯的影响。他们观察到的变化是由全球海洋蒸发和凝结过程驱动的，在被称为小冰河时代（1450-1850）的时期数值较低，而在1850年左右开始的人为气候变暖之后数值较高。

当涉及到这些变化对未来降雨量和水资源供应的具体影响时，预测谁赢谁输还为时过早。但这项研究过去2000年的数据表明，随着全球气温继续升高，水循环可能会发生更多变化。“当水离开海洋，在大气中移动并降雨时，它的行为将受到大气温度变化的强烈影响。” 研究人员说。

编译：Sara 审核：Daisy

参考资料：

https://www.nature.com/articles/s41561-023-01291-3

Konecky, B. L., McKay, N. P., Falster, G. M., Stevenson, S. L., Fischer, M. J., Atwood, A. R., ... & Skrzypek, G. (2023). Globally coherent water cycle response to temperature change during the past two millennia.Nature Geoscience, 1-8.