西风急流波动性调控中纬度水文气候变异的新机制：来自570万年高分辨率古降水记录的启示

《Nature Communications》：Westerly jet waviness modulates mid-latitude hydroclimate variability

本研究针对全球变暖背景下中纬度地区水文气候变率加剧的严峻问题，通过分析中国大同盆地300.8米河湖相沉积岩芯，重建了过去约570万年来亚千年分辨率的降水记录。研究发现约300万年前中纬度降水变率显著减弱，而低纬度变率增强，并通过气候模拟验证了北极增温驱动西风急流波动性增强是主导机制。这项发表于《Nature Communications》的研究为预测未来中纬度极端水文事件提供了关键古气候证据。

　　

在全球变暖的背景下，全球平均降水量虽然有所增加，但更值得关注的是降水变率（即干湿条件之间的波动幅度）的加剧。这种变化导致极端干旱和洪涝事件频繁转换，对生态系统脆弱的中纬度地区构成严重威胁。然而，由于观测记录较短和气候模型存在偏差，驱动这种变率的机制至今不明。目前学术界存在两种主要假说：一种认为大气二氧化碳（CO₂）浓度升高导致大气水汽含量增加是主因；另一种则强调西风急流的波动性（waviness）增强是关键。短时间的观测记录难以区分这两种机制的相对贡献，一些模型研究甚至认为观测到的急流变化可能只是气候系统内部变率的表现，这给预测未来中纬度水文气候带来了巨大不确定性。

为了揭示中纬度水文气候变率的深层机制，由程良清、张静然等研究人员领导的一个团队在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表了一项突破性研究。他们从东亚中纬度地区的中国大同盆地（40°03'N, 113°26'E）获取了一根长达300.8米的河湖相沉积岩芯，从中提取了跨越过去约570万年（从上新世到更新世）的、分辨率达到亚千年级别的降水记录。这项研究首次揭示了西风急流波动性对中纬度降水长期变率的关键调制作用。

研究人员运用了多种关键技术方法来构建这一长时间尺度的气候记录。首先，他们结合古地磁测年和光释光测年技术，为沉积岩芯建立了精确的年代框架。通过对岩芯进行高密度的采样，他们分析了沉积物的粒度、颜色和元素组成（使用X射线荧光岩芯扫描仪）。其中，锶钙比值（Sr/Ca ratio）被证明是对降水变化最敏感的指标，被选作代表性的降水代用指标。为了验证地质记录的机制，研究团队还利用社区地球系统模型（CESM1.2.2）进行了理想化敏感性模拟实验，包括海冰敏感性实验和轨道倾角（obliquity）敏感性实验，并分析了TraCE-21ka（过去21000年瞬变气候模拟）数据集。此外，还使用了CMIP6（耦合模式比较计划第六阶段）的未来情景数据来评估急流波动性的未来变化。

西风急流在约300万年前影响中纬度降水

沉积相分析揭示了三个明显的沉积阶段，记录了封闭性大同盆地水位波动和水文气候条件。所有代用指标（粒度、颜色、元素组成）均表明约300万年后降水增强。Sr/Ca比值清晰地显示了这一湿润化趋势，该趋势也得到了华北平原深部岩芯记录和中国黄土高原风成序列的佐证，共同指示了东亚中纬度地区在约300万年后转向更湿润的条件。与此同时，中纬度中亚地区却变得更为干旱，呈现出相反的“三极型”降水异常模式。通过海冰敏感性实验和TraCE-21ka模拟，研究人员发现，北半球冰盖扩张导致的海冰增加是驱动这种降水格局变化的关键，其强迫的降水异常与地质记录高度一致。而温室气体减少强迫的降水异常模式则与记录完全相反，从而排除了CO₂的主导影响。模拟结果表明，约300万年后东亚中纬度降水增加主要归因于西风急流增强所引起的空气上升运动加强。

西风急流影响轨道时间尺度的中纬度降水

对Sr/Ca比值的光谱分析不仅识别出传统的米兰科维奇旋回（如10万年偏心率周期、4万年斜率周期、2万年岁差周期），还发现了两个显著的斜率调幅（AM）周期（17.3万年和120万年）。其中，120万年的周期在降水记录中占主导地位。研究表明，120万年周期主导了夏季太阳辐射梯度（45°N与20°N之间）的变化，进而通过影响北大西洋和北太平洋的夏季海表温度（SST）梯度来调控西风急流。完全耦合的轨道倾角敏感性模拟实验进一步证实，倾角增大通过减弱经向温度梯度，导致西风急流减弱，从而减少东亚中纬度降水。地质记录中120万年周期信号的出现被归因于代用指标对降水/湖面变化的非线性响应，即只有在斜率调幅最大时期出现的极端低倾角条件才能被记录。

西风急流波动性增强加剧中纬度降水变率

通过计算滑动标准差来量化降水变率，研究发现约300万年后，中纬度东亚（大同岩芯、G3岩芯）和中亚（罗布泊岩芯）的降水变率显著降低，而低纬度非洲和东南亚的变率却增强。这种区域差异无法用CO₂驱动的水汽变化来解释。研究将中纬度降水变率降低主要归因于西风急流波动性的减弱。约300万年后北半球冰盖扩张，增大了经向温度梯度，使得西风急流更强、更平直，从而抑制了其波动性。海冰敏感性模拟也证实了海冰增加会导致急流波动性降低。现代观测也表明急流波动性会增强中纬度降水变率。

研究结论与意义

这项研究通过结合长达570万年的高分辨率地质记录和先进的气候模拟，有力地证明了西风急流波动性是调控中纬度水文气候变率的关键因子，其重要性可能超过大气CO₂浓度变化。研究揭示，在上新世早期（约300万年前），相对温暖的气候背景下，西风急流波动性更强，导致中纬度地区降水变率放大。这对于预测未来气候变化具有重要意义，因为上新世的气候状态常被视为未来变暖的类似物。基于CMIP6模型在高排放情景（SSP5-8.5）下的模拟结果，研究预测，随着全球变暖加剧北极放大效应，夏季西风急流的波动性将会增强，从而导致中纬度地区未来可能面临更频繁的水文气候极端事件。这项研究不仅深化了对地球气候系统动力学的理解，也为评估和应对未来气候变化风险提供了宝贵的古气候依据。