我國季風區(qū)降水正經(jīng)歷由20世紀70年代之前的“南旱北澇”過渡為20世紀70年代之后“南澇北旱”的氣候狀態(tài)，對我國社會、經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)產(chǎn)生影響。
要客觀認識百年來季風氣候變化的過程和規(guī)律，需從更長時間尺度的自然氣候變化歷史中去了解——近萬年來的東亞季風變化是否存在某種規(guī)律性？
中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所研究員呂厚遠、副研究員徐德克等人對這些問題做過系列研究并提出了有啟發(fā)性的探討，相關論文發(fā)表在《自然·通訊》《地球與行星變化》等著名學術雜志上。在此，我們邀請徐德克把這些有趣的探討性觀點向讀者作一介紹。
2020年，我國長江流域發(fā)生了1998年以來最為嚴重的汛情：降雨量超過2016年和1998年，一躍成為1961年以來同期降雨量最多的年份。
其實歷史總是驚人的相似，不難發(fā)現(xiàn)最近30年來長江流域和東北-華北兩地的降水格局總是交替性的重現(xiàn)：1997-1998年、2015-2016年的夏季長江流域降水明顯增加，而到了1999-2000年、2010-2011年的夏季暴雨又出現(xiàn)在了東北華北地區(qū)。這種不同區(qū)域降水的差異是否存在內(nèi)在的規(guī)律？在更長的時間尺度上，這一演化規(guī)律是否能夠準確地預測呢？
未來百年我國東部季風區(qū)的區(qū)域降水的差異和趨勢，是古氣候?qū)W界關注的焦點問題之一。正確認識我國東部季風區(qū)降水的過程和規(guī)律，既能促進社會更好地適應和應對未來氣候變化，又可以保證我國社會經(jīng)濟特別是農(nóng)業(yè)穩(wěn)定增長。
東北存在500年準周期降水變化
2019年9月11日，中科院地質(zhì)與地球物理研究所徐德克副研究員和呂厚遠研究員作為共同通信作者和共同第一作者，在《自然·通訊》雜志上在線發(fā)表論文。論文中提出了一個重要的學術觀點：1萬年來我國東北地區(qū)存在500年準周期的降水變化，這一變化還影響了該地區(qū)的人口和文化變遷。
這個研究發(fā)現(xiàn)，通過對中國東北地區(qū)約1萬年來瑪珥湖年紋層花粉記錄和考古遺址碳十四年齡概率密度的分析，發(fā)現(xiàn)花粉記錄的季風氣候變化和碳十四概率密度揭示的人類活動，都存在約500年周期變化，季風氣候驅(qū)動的周期性的暖濕/冷干與人類活動的強/弱、以及與史前文化的盛/衰，幾乎是同步變化的。
在東北地區(qū)史前六個文化繁盛期中，除了紅山文化對應了千年尺度的中全新世適宜期外，其他都明確地對應著500年周期的暖濕期。研究認為，疊加在全新世氣候變化背景上的500年周期，深刻影響了東北亞地區(qū)史前文化的演替和發(fā)展，氣候變化的500年周期與太陽活動引發(fā)的厄爾尼諾-南方濤動的頻率變化關系密切。這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了史前人類活動、文化演替與周期性自然氣候變化之間存在明確關系，而且表明，在東亞季風區(qū)，溫暖濕潤的自然氣候更有利于史前人類文化、文明的繁盛發(fā)展。
探尋季風變化規(guī)律還有待解疑團
然而上述研究存在一個缺憾：東北地區(qū)的500年周期是否是孤證，有沒有其他證據(jù)的支持？
為了驗證研究的可重復性和普遍性，科研人員檢索了大量的文獻數(shù)據(jù)庫，不但在東北、黃海，還在南方的長江流域發(fā)現(xiàn)了500年準周期的降水的地質(zhì)記錄。經(jīng)過進一步的詳細對比，科研人員還驚奇地發(fā)現(xiàn)，長江流域和東北地區(qū)的500年周期在相位上并不是同步的。
研究發(fā)現(xiàn)，近半個世紀以來我國東部季風區(qū)降水，正在經(jīng)歷由上世紀 70年代之前的“南旱北澇”過渡為上世紀70年代之后的“南澇北旱”氣候狀態(tài)。然而，現(xiàn)今我國季風區(qū)降水的演化格局，是在地質(zhì)歷史時期的長期演化的背景下形成的。由于自然氣候系統(tǒng)的復雜性和模擬預估的不確定性，以及人類器測溫度記錄也僅有近百年的歷史，因此要客觀地認識百年來季風氣候變化的過程和規(guī)律，需要從更長時間尺度的自然氣候變化歷史中去了解：近萬年來的東亞季風變化，是否受到千-百年尺度自然周期影響？今天的南旱北澇或者南澇北旱的氣候格局演變，是否疊加了自然周期的氣候過程？
我國南北降水變化并不同步
為了回答前面提出的問題，中科院地質(zhì)與地球物理研究所徐德克副研究員和學科組成員及國內(nèi)同行合作，分別在東北地區(qū)和長江流域地區(qū)選擇了沉積連續(xù)、高精度定年和高分辨率的古氣候記錄：一條為東北瑪珥湖年紋層花粉記錄，另一條為長江中游地區(qū)洞穴石筍磁性礦物記錄。
科研人員分析這兩條記錄發(fā)現(xiàn)，東北地區(qū)和長江中游地區(qū)存在不同步的千、百年季風降水變化。
東北地區(qū)孢粉記錄反映距今9260年以來東北地區(qū)溫帶落葉闊葉林的建群植物櫟屬花粉種類的變化，揭示出適應強夏季風降水的櫟屬植物存在千年尺度和500年準周期性變化：在千年尺度上，溫帶落葉闊葉林繁盛期或者夏季風降水強盛期大約出現(xiàn)在距今7070-5570年，溫帶落葉闊葉林的衰退期或者夏季風降水減弱期大約出現(xiàn)在距今1470-370年；在500年周期上，溫帶落葉闊葉林繁盛期或者降水強盛期先后出現(xiàn)在距今約8700-8400年、約8150-7890年、約7620-7350年等時段。
另外，石筍磁性礦物記錄揭示出距今8580年以來長江中游地區(qū)的季風降水變化，在千年尺度上，季風降水減弱期大約出現(xiàn)在距今7070-5570年，強盛期大約出現(xiàn)在距今1470-370年；在500年周期上，降水強盛期先后出現(xiàn)在距今約8630-8390年、約8140-7890年、約7640-7160年等時段。
在千年尺度變化過程上，兩個地區(qū)存在明顯反向變化模式；而在500年周期相位上，長江中游地區(qū)滯后東北地區(qū)幾十年到200年之間。
結(jié)合前人最近幾十年的觀測記錄和這項研究的結(jié)果，我國東部季風區(qū)南北方降水，在千年、百年、幾十年再到年際尺度上似乎都是不同步的。但需要注意的是，我國南北方500年氣候周期，是疊加在全新世氣候總體變化趨勢上的。因此，年際尺度的氣候變化必然也是逐一疊加在幾十年、百年再到千年的氣候過程當中的。就像一個俄羅斯套娃，我們需要逐一揭開套娃才能了解事物的完整面貌。
厄爾尼諾南方濤動是幕后推手
了解了我國東部季風區(qū)降水演化規(guī)律，肯定有人會問，到底是什么原因控制了這種現(xiàn)象呢？說到這，我們還得從這個最小的套娃年際尺度——厄爾尼諾南方濤動（ENSO）講起。如果把ENSO比作一枚硬幣，那么厄爾尼諾和拉尼娜就是這枚硬幣的兩面。一般來說每2-7年厄爾尼諾和拉尼娜時間都會出現(xiàn)，而且厄爾尼諾比拉尼娜出現(xiàn)的頻率更高。
在厄爾尼諾年，赤道東太平洋的海溫異常升高，赤道西太平洋海溫偏低，引起西太平洋副高控制的反氣旋向南偏移，導致東亞季風顯著偏弱，夏季降水集中在長江中下游地區(qū)，而我國東北和華北地區(qū)降水偏少。相反，在拉尼娜年，赤道西太平洋海溫異常升高，赤道東太平洋海溫偏低，導致了西太平洋副高控制的反氣旋向北偏移，驅(qū)動東亞季風明顯增強，夏季降水在我國東北和華北地區(qū)顯著增加，而長江中下游流域降水又明顯減少。也就是說，是厄爾尼諾南方濤動控制了季風雨帶在我國季風區(qū)南北方的移動。
最小的套娃問題一旦解決，幾十年、百年再到千年尺度的套娃問題便可迎刃而解。無論在什么時間尺度上，我國東部季風區(qū)南北方出現(xiàn)的降水差異現(xiàn)象，都可以歸因于年際尺度的厄爾尼諾或者拉尼娜事件頻率的增加。
“南澇北旱”或是未來主要趨勢
在了解了我國東部季風區(qū)降水在年際到千年尺度上的過程和規(guī)律后，我們便可以做一些大膽而有依據(jù)的預測。
在500年自然氣候周期的背景趨勢下，本世紀初東北和華北地區(qū)已經(jīng)結(jié)束了200多年的季風降水增加的過程，未來將進入下一個200多年的季風降水減弱的過程；而長江中下游地區(qū)季風降水將開始逐漸增加，未來百年將迎來更加豐沛的季風降水。
從我國東部地區(qū)百年尺度的旱澇趨勢來看，需要國家集中力量辦大事來緩解這一局面。說到國家調(diào)控區(qū)域旱澇災害的重大工程，立刻就能想起本世紀初開始的“南水北調(diào)工程”。這絕對是功在當代利在千秋、極具前瞻性、利國利民的大計。中線和東線的調(diào)水工程可以極大緩解未來百年我國東部南北方降水不均衡的局面。然而我們也需要清楚地認識到，僅靠大工程還是遠遠不夠的，仍然需要在長江中下游地區(qū)多做抗洪防澇的準備，而華北和東北多做抗旱的工作，以應對未來日益嚴重的“南澇北旱”氣候格局。
