研究将全球水循环的变化与气温升高联系起来

这是一个价值数十亿美元的问题：随着气温持续上升，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。

为了寻找答案并做出明智的预测，科学家们回顾过去。利用地质数据重建过去的气候变化有助于显示工业时代以来人类活动对气温的深远影响。但事实证明，收集同一时间范围内的水文气候记录要困难得多。

由圣路易斯华盛顿大学 Bronwen Konecky 领导的过去全球变化 (PAGES) Iso2k 项目团队的一项研究，在重建过去 2000 年全球水历史方面迈出了重要一步。

研究人员利用自然档案中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)表明，全球水循环在最近一段时间的高温和低温时期发生了变化。

“全球水循环与全球温度密切相关，”华盛顿大学艺术与科学系地球、环境和行星科学助理教授、《自然地球科学》这项新研究的主要作者科内基说。

“我们发现，在全球范围内温度发生变化的时期，我们也看到水在地球上移动的方式发生了变化，”她说。

水循环很复杂，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。

“我们决定从水同位素记录开始，因为它们反映了整体信号，并且因为它们记录在各种不同的自然档案中，”科内基说。“这是重建过去 2000 年来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，冷却并在云中凝结成雨或雪，然后再次以降水的形式落到地表。作为循环一部分的每个水分子都有一定的同位素“指纹”或成分，它反映了构成该分子的氧和氢原子的原子量的微小变化。因此，单个水分子可以更重或更轻。

通过这项新研究，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表。

PAGES Iso2k 项目团队由来自 10 个国家的 40 多名研究人员组成，他们收集、整理甚至数字化了数百项研究的数据集，以构建他们在分析中使用的数据库。他们最终获得了 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理记录综合数据库。

将来自许多不同类型的自然档案的信号拼凑在一起就像拼凑苹果和橙子一样。然而，科内基和项目团队知道，水同位素在不同的自然档案中以特定的方式记录气候信号。经过精心组装，这条共同的线索可以帮助他们将树木年轮与冰芯进行比较。

“每个档案都是不同的，”科内基说。“让事情变得更复杂的是，来自不同档案的数据集是由不同的科学界使用自己的术语、规范和参考材料生成的。我们为数据库提出了数据描述字段(元数据)，将每个记录的特殊性翻译成通用语言使得将一个档案中的变化与另一个档案中的变化进行比较成为可能。这个过程花费了数年时间。”

更多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密切相关——即数十年到数百年。

科内基说，这是一个快速的调整。她说：“随着地球变暖和变冷，它会影响水离开海洋时的行为及其在大气中的运动活力。” “这些水域中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后，数值较高。

当谈到这些变化对未来降雨量和水资源供应的具体影响时，现在预测谁胜谁败还为时过早。但这项研究过去 2000 年的数据表明，随着全球气温持续升高，水循环可能会发生更多变化。2023 年 6 月、7 月和 8 月是地球有记录以来最热的月份。

“水离开海洋、在大气中移动并下雨时的行为方式——这种行为受到大气温度变化的强烈影响，”科内基说。