西北大學青年教授Nature發文

揭秘大氣急流影響的農業和社會極端事件

近年來，熱浪、洪水、干旱等極端天氣

在全球范圍內頻發

氣候變暖、天氣異常、回寒倒冷

這樣的極端天氣在近幾個世紀都存在嗎？

我們如何揭開這自然謎題？

人類又該何去何從……

北京時間9月25日23時，西北大學城市與環境學院徐國保教授以第一作者身份在國際頂尖期刊Nature（《自然》）發表長文“Jet stream controls on European climate and agriculture since 1300 CE”（大氣急流影響了歐洲七個世紀的極端事件）。研究團隊系統地從大氣急流的位置變化，對歐洲森林生態系統和社會、經濟的影響進行了探討，揭示了西北歐和東南歐之間對比鮮明的氣候條件對農業、經濟和社會的影響。

 

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

徐國保教授和合作者Valerie Trouet教授聯合來自12個國家24個研究單位的樹木年輪專家、氣候學家、生物學家和歷史學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帶，分別在北半球和南半球由西向東環繞地球。然而急流的位置并不固定，會隨著高、低壓系統的位置和強度變化而向北或向南移動，或改變其路線，有時像一條快速流動的小溪，有時又像一條緩慢蜿蜒的河流。這些高、低壓系統直接影響地球表面的氣候條件，因此急流位置的變化會導致天氣狀況的改變，包括熱浪、洪水和干旱等極端事件，進一步影響農業生產力和全球糧食安全。

在北半球，急流在歐洲的位置變化，導致西北歐（如不列顛群島）和東南歐（如巴爾干半島）出現相反的氣候狀況和極端天氣現象，形成了一個類似于蹺蹺板的氣候“偶極”模態。當急流處于極北位置時，西北歐（不列顛群島）的天氣會變得更寒冷、潮濕，而地中海和巴爾干半島則會變得更溫暖、更干燥；相反，當急流向南移動時，它會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。

 

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

然而，人類對工業化時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、持續時間和強度將會增加，從而會導致一系列相關的復合災害。對于這種長期自然變異性的有限認知，使得人類難以理解現代氣候變化如何影響急流的動態以及與之相關的極端事件。

 

過去700年急流對農業、野火和社會人口的影響

用樹木年輪探索自然奧秘

為了分析歐洲地區急流位置的歷史變動情況，研究團隊通過使用來自歐洲各地的對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，對溫度較為敏感，年輪學家可以解譯這些氣候檔案里面的信息，徐國保及合作者就是利用這樣的方式，對來自巴爾干半島、阿爾卑斯山和不列顛群島的樹木年輪進行詳細的數據分析，經過長時間的比對、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。進而發現，西北歐和東南歐的氣候“偶極”現象在幾個世紀以來一直存在，并且在北極急流位置異常偏北或偏南時最為顯著。

 

值得注意的是，歐洲過去700多年的急流“偶極”模態在歷史文獻記錄中也有反映。研究團隊利用了現有的氣候重建數據以及數個世紀以來關于熱浪、干旱、洪水、風暴、收成、饑荒、疾病等歐洲豐富且可靠的文獻數據集，發現了急流緯度位置的極端變化與生物物候（葡萄收獲）、農業經濟和人類人口影響之間存在著某種聯系。

（徐國保在柴達木盆地利用生長錐獲取柏樹樣芯）

北極急流異常偏北或偏南的位置與這些獨立文獻數據中記錄的各種社會影響有關聯，包括農作物產量、葡萄收成、野火以及流行病等。從歷史上看，當急流處于造成干燥和炎熱條件的北部位置時，巴爾干半島的野火發生得更多；在1348—1350年間，被稱為“黑死病”的瘟疫在愛爾蘭肆虐，當時，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，這些關系揭示了北極急流對地球表面氣候的影響，最終對人類社會產生了深遠影響。

為預測未來氣候及極端氣候應對

提供了關鍵數據

研究成果加深了人類對工業化之前自然氣候系統變異性的理解，為改善研究人員賴以預測未來氣候的氣候模型提供了關鍵數據，并揭示了自然氣候變異如何影響人類社會。“如果只有幾十年的觀測數據，很難理解人類活動對氣候的影響，此次研究成果完成的周期很長，對急流位置重建的時間長度擴展到700年，中間我們不斷迭代更新數據，細致地探討急流變化對經濟社會事件的影響，將問題細枝末節都逐項攻破，綜合多個學科的知識進一步深入理解急流對于氣候、生態、農業和社會的影響，這也體現了這項重建研究的重要性。”徐國保說道。

急流緯度位置與歐洲極端事件之間的長期關系為當前的氣候狀況提供了背景信息，也揭示了在全球變暖持續加劇的情況下，人類可能面臨的極端事件類型。而科學家們已經觀察到一種趨勢，表明急流正在逐漸向北移動，當把研究的重建和作物收成好壞聯系起來，發現這將增加歐洲夏季氣候“雙極”兩側農作物減產的可能性；南歐區域的野火風險可能增加。這些發現也為未來急流變化和歐洲極端天氣事件（如野火、熱浪）的變化聯系樹立了先例。該成果得到了古氣候學、氣候學、生態學、歷史學、植物學、環境科學等各個領域研究人員的關注，而如何認識急流對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劃。

西北大學為論文第一單位，徐國保教授為論文第一作者。亞利桑那大學樹木年輪實驗室為通訊單位，Valerie Trouet教授為論文通訊作者。合作單位包括中國科學院西北生態環境資源研究院、亞利桑那大學、英國劍橋大學、德國美茵茨大學、瑞典哥德堡大學、斯德哥爾摩大學等23家單位。

徐國保：博士，西北大學城市與環境學院教授，博士生導師，主要研究方向為樹木年輪與全球變化。入選陜西省高層次人才，先后主持國家自然科學基金面上項目、青年基金項目和國家留學基金委項目，參加科技部“973”計劃、國家自然科學基金委國際合作項目等10余項。

入選中國科學院青年創新促進會會員（2016）、中國科學院“西部之光”計劃(2015；2021)，獲教育部自然科學二等獎（2016年，排名第三）、中國科學院優秀博士學位論文（2015）和中科院院長特別獎（2014）等獎勵。共發表論文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25，i10指數40。擔任國際期刊Frontiers in Forests and Global Change副主編，Research in Cold and Arid Regions和冰川凍土編委。