西北大學(xué)青年教授Nature發(fā)文

揭秘大氣急流影響的農(nóng)業(yè)和社會(huì)極端事件

近年來，熱浪、洪水、干旱等極端天氣

在全球范圍內(nèi)頻發(fā)

氣候變暖、天氣異常、回寒倒冷

這樣的極端天氣在近幾個(gè)世紀(jì)都存在嗎？

我們?nèi)绾谓议_這自然謎題？

人類又該何去何從……

北京時(shí)間9月25日23時(shí)，西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院徐國(guó)保教授以第一作者身份在國(guó)際頂尖期刊Nature（《自然》）發(fā)表長(zhǎng)文“Jet stream controls on European climate and agriculture since 1300 CE”（大氣急流影響了歐洲七個(gè)世紀(jì)的極端事件）。研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地從大氣急流的位置變化，對(duì)歐洲森林生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的影響進(jìn)行了探討，揭示了西北歐和東南歐之間對(duì)比鮮明的氣候條件對(duì)農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的影響。

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https://doi.org/10.1038/s41586-024-07985-x

徐國(guó)保教授和合作者Valerie Trouet教授聯(lián)合來自12個(gè)國(guó)家24個(gè)研究單位的樹木年輪專家、氣候?qū)W家、生物學(xué)家和歷史學(xué)家共同參與了此次研究。

為什么要研究大氣急流？

急流是位于上層大氣中的高速風(fēng)帶，分別在北半球和南半球由西向東環(huán)繞地球。然而急流的位置并不固定，會(huì)隨著高、低壓系統(tǒng)的位置和強(qiáng)度變化而向北或向南移動(dòng)，或改變其路線，有時(shí)像一條快速流動(dòng)的小溪，有時(shí)又像一條緩慢蜿蜒的河流。這些高、低壓系統(tǒng)直接影響地球表面的氣候條件，因此急流位置的變化會(huì)導(dǎo)致天氣狀況的改變，包括熱浪、洪水和干旱等極端事件，進(jìn)一步影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和全球糧食安全。

在北半球，急流在歐洲的位置變化，導(dǎo)致西北歐（如不列顛群島）和東南歐（如巴爾干半島）出現(xiàn)相反的氣候狀況和極端天氣現(xiàn)象，形成了一個(gè)類似于蹺蹺板的氣候“偶極”模態(tài)。當(dāng)急流處于極北位置時(shí)，西北歐（不列顛群島）的天氣會(huì)變得更寒冷、潮濕，而地中海和巴爾干半島則會(huì)變得更溫暖、更干燥；相反，當(dāng)急流向南移動(dòng)時(shí)，它會(huì)把溫暖干燥的空氣拖到不列顛群島上空，把溫度更低、濕度更大的空氣推向歐洲東南部。

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圖：歐洲急流緯度（EU JSL）夏季氣候“偶極”模態(tài)重建和極端年份合成分析。急流緯度位置器測(cè)時(shí)段（A）和重建時(shí)段（B）.氣候要素在重建的極端急流年份合成分析；500 hP位勢(shì)高度（C,D）;夏季氣溫（E, F）;夏季降水（G, H）;夏季干旱指數(shù)（scPDSI；I, J）.。

然而，人類對(duì)工業(yè)化時(shí)代之前急流的變異性及其影響了解非常有限。而今氣候變暖的背景下，極端事件的頻率、持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度將會(huì)增加，從而會(huì)導(dǎo)致一系列相關(guān)的復(fù)合災(zāi)害。對(duì)于這種長(zhǎng)期自然變異性的有限認(rèn)知，使得人類難以理解現(xiàn)代氣候變化如何影響急流的動(dòng)態(tài)以及與之相關(guān)的極端事件。

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過去700年急流對(duì)農(nóng)業(yè)、野火和社會(huì)人口的影響

用樹木年輪探索自然奧秘

為了分析歐洲地區(qū)急流位置的歷史變動(dòng)情況，研究團(tuán)隊(duì)通過使用來自歐洲各地的對(duì)溫度變化敏感的樹木年輪樣本，重建了過去700年的急流變化。

年輪中每年春天的樹木密度較低，夏天的樹木密度較高，對(duì)溫度較為敏感，年輪學(xué)家可以解譯這些氣候檔案里面的信息，徐國(guó)保及合作者就是利用這樣的方式，對(duì)來自巴爾干半島、阿爾卑斯山和不列顛群島的樹木年輪進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的比對(duì)、交叉定年、重建，推斷過去700多年里急流的緯度位置變化歷史。進(jìn)而發(fā)現(xiàn)，西北歐和東南歐的氣候“偶極”現(xiàn)象在幾個(gè)世紀(jì)以來一直存在，并且在北極急流位置異常偏北或偏南時(shí)最為顯著。

采訪攝影圖-2

 

值得注意的是，歐洲過去700多年的急流“偶極”模態(tài)在歷史文獻(xiàn)記錄中也有反映。研究團(tuán)隊(duì)利用了現(xiàn)有的氣候重建數(shù)據(jù)以及數(shù)個(gè)世紀(jì)以來關(guān)于熱浪、干旱、洪水、風(fēng)暴、收成、饑荒、疾病等歐洲豐富且可靠的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)集，發(fā)現(xiàn)了急流緯度位置的極端變化與生物物候（葡萄收獲）、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和人類人口影響之間存在著某種聯(lián)系。

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（徐國(guó)保在柴達(dá)木盆地利用生長(zhǎng)錐獲取柏樹樣芯）

北極急流異常偏北或偏南的位置與這些獨(dú)立文獻(xiàn)數(shù)據(jù)中記錄的各種社會(huì)影響有關(guān)聯(lián)，包括農(nóng)作物產(chǎn)量、葡萄收成、野火以及流行病等。從歷史上看，當(dāng)急流處于造成干燥和炎熱條件的北部位置時(shí)，巴爾干半島的野火發(fā)生得更多；在1348—1350年間，被稱為“黑死病”的瘟疫在愛爾蘭肆虐，當(dāng)時(shí)，急流處于歐洲上空極北的極端位置。由于這些影響與地表氣候條件相關(guān)，這些關(guān)系揭示了北極急流對(duì)地球表面氣候的影響，最終對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

為預(yù)測(cè)未來氣候及極端氣候應(yīng)對(duì)

提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)

研究成果加深了人類對(duì)工業(yè)化之前自然氣候系統(tǒng)變異性的理解，為改善研究人員賴以預(yù)測(cè)未來氣候的氣候模型提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并揭示了自然氣候變異如何影響人類社會(huì)?！叭绻挥袔资甑挠^測(cè)數(shù)據(jù)，很難理解人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響，此次研究成果完成的周期很長(zhǎng)，對(duì)急流位置重建的時(shí)間長(zhǎng)度擴(kuò)展到700年，中間我們不斷迭代更新數(shù)據(jù)，細(xì)致地探討急流變化對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)事件的影響，將問題細(xì)枝末節(jié)都逐項(xiàng)攻破，綜合多個(gè)學(xué)科的知識(shí)進(jìn)一步深入理解急流對(duì)于氣候、生態(tài)、農(nóng)業(yè)和社會(huì)的影響，這也體現(xiàn)了這項(xiàng)重建研究的重要性?！毙靽?guó)保說道。

急流緯度位置與歐洲極端事件之間的長(zhǎng)期關(guān)系為當(dāng)前的氣候狀況提供了背景信息，也揭示了在全球變暖持續(xù)加劇的情況下，人類可能面臨的極端事件類型。而科學(xué)家們已經(jīng)觀察到一種趨勢(shì)，表明急流正在逐漸向北移動(dòng)，當(dāng)把研究的重建和作物收成好壞聯(lián)系起來，發(fā)現(xiàn)這將增加歐洲夏季氣候“雙極”兩側(cè)農(nóng)作物減產(chǎn)的可能性；南歐區(qū)域的野火風(fēng)險(xiǎn)可能增加。這些發(fā)現(xiàn)也為未來急流變化和歐洲極端天氣事件（如野火、熱浪）的變化聯(lián)系樹立了先例。該成果得到了古氣候?qū)W、氣候?qū)W、生態(tài)學(xué)、歷史學(xué)、植物學(xué)、環(huán)境科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域研究人員的關(guān)注，而如何認(rèn)識(shí)急流對(duì)其他地域乃至全球極端氣候的影響，成了他們下一步的研究計(jì)劃。

采訪攝影圖-14

西北大學(xué)為論文第一單位，徐國(guó)保教授為論文第一作者。亞利桑那大學(xué)樹木年輪實(shí)驗(yàn)室為通訊單位，Valerie Trouet教授為論文通訊作者。合作單位包括中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院、亞利桑那大學(xué)、英國(guó)劍橋大學(xué)、德國(guó)美茵茨大學(xué)、瑞典哥德堡大學(xué)、斯德哥爾摩大學(xué)等23家單位。

徐國(guó)保：博士，西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闃淠灸贻喤c全球變化。入選陜西省高層次人才，先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年基金項(xiàng)目和國(guó)家留學(xué)基金委項(xiàng)目，參加科技部“973”計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委國(guó)際合作項(xiàng)目等10余項(xiàng)。

入選中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員（2016）、中國(guó)科學(xué)院“西部之光”計(jì)劃(2015；2021)，獲教育部自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（2016年，排名第三）、中國(guó)科學(xué)院優(yōu)秀博士學(xué)位論文（2015）和中科院院長(zhǎng)特別獎(jiǎng)（2014）等獎(jiǎng)勵(lì)。共發(fā)表論文88篇（SCI 74篇），其中第一/通訊作者論文21篇(SCI 17篇)，主要發(fā)表在Nature，Environmental Research Letters，Climate Dynamics, Journal of Geophysical Research，Chinese Science Bulletin等期刊上。論文總被引1800余次，H指數(shù)25，i10指數(shù)40。擔(dān)任國(guó)際期刊Frontiers in Forests and Global Change副主編，Research in Cold and Arid Regions和冰川凍土編委。

責(zé)任編輯：胡晉瑜