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东太平洋的“风”吹来宋元明清的“雨”——江淮地区夏季降雨的前世今生

东太平洋的“风”吹来宋元明清的“雨”——江淮地区夏季降雨的前世今生
2021年11月09日 20:00 新浪网 作者 石头科普工作室

  古人云:江淮自古为天下富庶之区也。自古以来,江淮地区都是我国重要的粮食生产基地。然而,几千年来,江淮地区也是旱涝灾害频发之地,夏季降雨变化引起的旱涝灾害严重威胁着人类生命财产安全和社会经济发展。

  江淮地区过去几千年以来的社会发展史也可以说也是一部防汛抗旱史。因此,探究江淮地区夏季降雨的变化规律和机理,对于预测和应对未来可能出现的旱涝灾害有着非常重要的意义

  江淮降雨的前世

  “以古为鉴,可知兴替”,对于气候变化也是如此。要想找到江淮地区降雨的变化规律,探索降雨变化的机理,对未来可能出现的旱涝灾害进行预测与防控,我们需要获得过去几百年甚至几千年以来的降雨历史,从中找寻答案。现代气象对江淮地区夏季降雨的观测自上个世纪50年代开始,距今也只有70余年的时间,对于江淮地区上个世纪50年代之前夏季降雨的变化历史仍不清楚,很大程度上限制了对江淮降雨的变化规律和机理的探究。因此,恢复和重建没有气象观测数据之前的几十年甚至几百年的降雨变化历史,找寻江淮降雨的“前世”,成为了探究长期降雨变化规律的关键。

  近日,国际地质学知名期刊《Geology》11月份发表的一项研究通过江淮地区女山湖湖泊沉积物(图1)的颜色变化成功重建出该地区过去1800以来的夏季降雨变化历史,在湖泊沉积的“无字天书”中翻出了江淮降雨的一段“前世”经历。

图1| 女山湖湖泊沉积岩心

  如何从湖泊沉积物中解读出江淮降雨前世呢?研究发现当降雨增多的时候,湖泊水位上升,导致湖底的水-沉积物界面呈还原环境,有利于青灰色的沉积物形成。相反,在降雨减少的时候,湖泊水位下降,导致湖底的水-沉积物界面呈氧化环境,有利于棕红色的沉积物形成。通过降雨变化与湖泊沉积物颜色的关系(图2),再结合湖泊沉积物的形成年代,研究人员重建出了过去1800年以来湖泊周边的降雨变化。

图2| 降雨变化与湖泊沉积物中颜色变化关系示意图

  江淮降雨的前世经历了怎样的变化呢?上述研究重建的降雨比变化曲线记录着江淮地区魏晋、隋唐、五代十国、宋、元、明、清等朝代的相对降雨变化历史(图3),从图中我们可以发现江淮降雨前世整体呈现增加趋势,其中最明显的一个特征就是在明清时期(公元1368-1912年)的降雨相对于宋元时期(公元960-1368年)明显增多。这两个降水特征时段与中世纪暖期(公元1000-1200年)和小冰期(公元1300-1850年)两个全球性温度特征时段恰好对应,即降水增加发生在小冰期气温降低时,降水减少发生在中世纪暖期气温增加时。为什么宋元与明清会有如此反差的降雨变化呢

图3| 过去1800年以来江淮地区降雨变化曲线

  江淮降雨的今生

  英国著名地质学家杰姆斯·赫顿曾说:现在是理解过去的钥匙 。即透过今天已知的现象去探索过去未知的奥秘。基于这种“将今论古”的思路,研究人员发现在现代气象观测时期内的江淮降雨也发生过如同宋元明清一样的干湿转变,这样的转变发生在1980年前后,即1960-1980年江淮地区降雨整体偏少,1980-2000年江淮地区降雨整体偏多。而这种干湿转变被认为是赤道东太平洋海表温度的变化所导致的:当东太平洋的海温偏暖(厄尔尼诺现象),东太平洋海表气流上升,西北太平洋海表气流下沉,使得西太平洋副热带高压加强,促进更多的水汽进入江淮地区,降雨偏多;反之,当东太平洋的海温偏冷(拉尼娜现象),江淮地区降雨偏少(图4)

图4| 现代气象观测的东太平洋海温与江淮夏季降雨

  东太海温与江淮降雨跨越时空的羁绊

  将今论古,既然现代80年代前后江淮的干湿转变是受到东太平洋海温变化引起的气流上升导致的,那么宋元与明清的干湿转变是否也是如此呢?带着这样的问题,研究人员进一步找到了重建的宋元明清时期的东太平洋海表温度记录:宋元时期东太平洋的海温整体偏冷(类拉尼娜态),而在明清时期东太平洋的海温整体偏暖(类厄尔尼诺态)。将宋元明清时期东太平洋海表温度与江淮降雨历史进行对比,发现在宋元东太平洋海温偏冷的时候,江淮地区的降雨偏少,在明清东太平洋海温偏暖的时候,江淮地区的降雨偏多(图5)。“前世”里东太海温与江淮降雨的对应关系与“今生”如出一辙,东太平洋上的“风”(海温升高,气流上升)徐徐吹起,江淮地区的“雨”如约而至,数千年来,都是如此。

图5| 宋元明清的东太平洋海温和江淮降雨

  时至今日,在科学技术高度发达的今天,人类在降雨变化引起的旱涝灾害面前仍然显得十分渺小。究天人之际,通古今之变。东太平洋与江淮地区的“风”和“雨”羁绊千年,倘若某一天东太平洋上空的“风”吹起,趁雨还没来临前,让我们给江淮地区撑上一把防汛抗洪的油纸伞,走过雨季,不再哀怨,不再彷徨。

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