互动科普

作者一：朱利安·P·萨克斯（Julian P. Sachs），美国华盛顿大学海洋学副教授，他的实验室致力于发展和应用分子及同位素技术来分析过去2000年来的气候、地球化学和生物化学过程。

作者二：康纳尔·L·梅尔沃德（Conor L. Myhrvold），毕业于美国普林斯顿大学地球科学专业，在近期野外考察工作中担任萨克斯的助手兼摄影师。

雨带的转移

通过绘制公元800年以来的赤道降水图，科学家们分析出到2100年热带地区天气可能发生的变化。

撰文 朱利安·P·萨克斯（Julian P. Sachs）康纳尔·L·梅尔沃德（Conor L. Myhrvold）

翻译 于燕

审校 谢正辉

暗示我们这次考察不会像计划顺利进行的第一个迹象，出现在凌晨2点，船的内侧发动机突然发出噼啪声，然后就不工作了。四周陷入了前所未有的寂静。刹那间，乘坐一艘小渔船从马绍尔群岛横跨辽阔的北太平洋似乎成为了一个不明智的选择。探索科学前沿的一段旅程却把我们带到了一个完全不同的边缘地带——一个不时夹杂着层叠波浪的无边黑夜。

作为气候学家，我们的这次航行（最后安全返航）只是许多次航行中的一次，目的是为了做一件乍看起来不可能完成的事情：重建横跨海洋的降水历史。通过还原历史降水，我们可以更好地理解大气中温室气体的不断积累、大气温度的持续增长以及热带降水的不断变化将如何改变未来的气候格局。为此，我们的航行遍及了太平洋上的众多岛屿。

一些现代气候格局已经广为人知，比如太平洋上的厄尔尼诺和拉尼娜环流。一个同样重要却鲜为人知的气候格局则是地球上的主要降水特征：一个环绕地球并随着太阳高度角的变化季节性向南或向北迁移的热带地区强降雨带。雨带移动的范围被称作热带辐合带（Intertropical Convergence Zone，ITCZ）。

太阳辐射或温室气体引起的任何地球上的温度变化都可能影响雨带。雨带提供的降水灌溉赤道地区的农业。对于亚洲、非洲和印度的季风以及从赤道到两极传递热量的大量对流单元，雨带同样发挥着核心作用。厄尔尼诺和拉尼娜事件发生的频率和强度，以及太平洋和大西洋上飓风季节的持续时间和强度，都可能受到雨带位置变化的影响。雨带持续移动导致的降水变化也会显著改变赤道地区环境，随即影响到全世界。而且现在我们有充分理由相信雨带正在迁移。

直到不久以前，气候学家仍不知道历史上每年雨带中间线所处的范围是否与今天相同，即出现在太平洋上北纬3°～10°之间。但是现在，根据在热带辐合带覆盖的纬度带中所做的野外测量结果，我们和同事已经能够确定过去1 200年里雨带的移动情况。距今400多年前，雨带向北移动了5度，大约550千米，一直保持至今。这一移动让我们有了惊人的发现：温室效应的小幅增加就能从根本上改变热带降水。现在，我们可以预测，随着大气的进一步增暖，热带辐合带到2100年会移动到哪里。我们还可以预测，赤道地区降水会增多还是减少，亚洲高纬度地区、中美洲和美国南部会受到哪些影响，这些变化又会给天气和粮食生产带来哪些问题。一些地区可能会受益，但是我们担心的是，许多其他地区将面临干旱。

                       中世纪时期数据缺失

太平洋一些偏远岛屿的湖泊和水塘里取得的沉积物芯提供的数据，可以推断出其他方式无法得到的过去一千年里雨带的变化情况。

在我们开始绘制降水历史之前，对于热带辐合带在过去1 000年里的位置，科学家掌握的信息几乎为零。这个辐合带总在赤道附近徘徊，但它的宽度可达数十千米乃至上百千米，取决于局部地区的条件以及季节性变化的太阳辐射。由于热带辐合带在太平洋上十分明显，所以太平洋是追踪它移动的理想区域。另外，因为雨带环绕地球，所以太平洋上的变化趋势也暗示着全球的变化。

科学家可以利用一些同位素，树木年轮中的碳14和冰芯中的铍10，来分析太阳辐射的强度变化，还能根据从极地钻取的管状冰芯中的气泡来重建全球温室气体的历史概况。将太阳辐射和温室气体水平跟几个世纪以来热带辐合带的位置加以比较，我们可以推断出，随着温室气体排放的日益增加，21世纪热带降水将如何变化。

不过，在我们刚刚开展这项研究时，大气科学家对过去热带气候的一些具体细节知之甚少。海底沉积岩可以提供数千年尺度上的精细气候记录，但由于沉积速度过慢，无法记录过去1 000年里的许多信息。很多珊瑚每年都长出新的条纹，但是珊瑚的寿命很少超过300年，无法提供1 000年前到300年前的记录。

绘制降水图让我们能够填补热带辐合带位置在过去千年里缺少的信息。一般情况下，测量曾经落到海洋上的降水是注定要失败的行动。不过散布于整个太平洋的小岛上有一些封闭的湖和水塘，可以揭示当地的降水历史。过去6年来，我们已经从一些最偏远、最奇特的太平洋岛屿的闭合水域底部收集了几十份沉积物芯。这些岛屿横跨整个太平洋，零散分布于现在的雨带内部和南北两侧。通过准确找出给定时期不同纬度上经历强降水的区域，我们就可以确定这一时期雨带的位置。同一时期不同纬度带降水量的南增北减或是北增南减，都表明雨带整体的迁移。

野外工作是充满挫折的探险，会遇到设备问题、语言不通以及很难前往沉积物芯所在位置等种种困难。当我们到达马绍尔群岛首都马朱罗时，当地机场（Air Marshall Islands，被当地人亲切地称为“Air Maybe”）仅由两架飞机组成的机队中，两驾飞机都是坏的。开头提到的旅程则是为了测试当地一个企业家改造的、看起来极不适合航行的渔船，结果晚上从附近一个环礁返航途中引擎就坏了，两天的旅程就这样结束了。

为了得到未受干扰的沉积物，我们用推、敲、拧的方法将长管插入湖底。几乎所有钻取之处都有独特的沉积层序。有时候我们会发现由蓝藻形成的几米厚的鲜红色胶状层，例如在华盛顿岛上的一个湖中。有时候找到的沉积物是富含硫化氢（见第XX页）、有臭味的棕红色泥质，包含有红树叶碎片，还不时出现双壳类贝壳层，如帕劳群岛。

我们艰难地行走在淤泥中淌着浅水时，我们就在沉积物上插上一根长杆来检测深度，查看沉积物下是否有障碍。杆子常常戳到岩石、古珊瑚、砂土或树根，这样就只能放弃钻取沉积物芯。

由于沉积物的沉积速率变化很大，所以我们不知道需要钻取多深。一般而言，1米的沉积物至少积累了几百年：华盛顿岛上9米的沉积物可以追溯3 200年。可能的话，我们在钻取沉积物芯时尽量钻到基岩：沉积砂、珊瑚或是火山岩标明了湖泊开始积累沉积物的时间，这样，我们能够得到最完整的历史气候记录。

脂质分析反演降水量

沉积物芯等样本被小心储藏，运回实验室进行分析。

重建降水历史记录是我们的目标，但是我们必须利用对当前气候条件下生态系统的监测方法来研究过去气候条件下的环境特征，进而揭示历史气候。因此我们从不同深度采集水样，确定化学成分、氢同位素比例以及藻类和微生物的种群特征。我们用玻璃纤维过滤器从水样中捕获浮游动植物和微生物，然后立即将它们冰冻储存，以便下一步进行脂质成分分析。植被样本要从紧邻采集水样的地方采集，同样用于脂质分析。

从湖底小心翼翼地钻取沉积物芯之后，我们必须将这些样品不受任何干扰地带回实验室。为了避免芯层混合，我们煞费苦心地将沉积物最上面特别松软的部分切割成一厘米厚的片状，用做好标记的标本袋一一储存起来。

一旦就地将沉积物芯切割完毕，我们就带着这些装满水样和沉积物的冰盒、标本袋，以及装满沉积物芯的长纸箱，回到我们位于美国西雅图的华盛顿大学实验室。通过对沉积物芯各层海藻脂质中氢的两种稳定同位素的测量和样本年代的追溯，我们可以反演这些植物群落生长期间的降雨量（见XX页图表）。

                         湿润地区变干旱

大气热量的小幅变化会导致雨带大幅移动，威胁处于当今雨带中的国家。

这几年，随着我们采集了越来越多的数据，确定热带辐合带历史位置的地图也越来越精准，并且我们还在用最新的结果持续更新这张地图。尽管最近一次我们在西太平洋密克罗尼西亚群岛的科斯雷岛（Kosrae）考察的结果还要用几个月的时间来分析，但是之前的许多次考察结果加上来自同行的数据表明，在小冰期（Little Ice Age，指约１３世纪到１９世纪，一个全球性的气候寒冷时期），与大气热量的小幅变化同时出现的还有热带降水的大幅变化，帕劳群岛先前湿润的地区逐渐变干，加拉帕戈斯群岛逐渐先前干旱的地区却出现了丰富的降水。在大约一百年的时间里，到达大气层顶的太阳能量只减少了0.2%，热带辐合带却向赤道移动了500千米。

这种敏感度对未来而言不是一个好兆头。政府间气候变化专门委员会（IPCC）报告指出，由于机动车尾气及烟囱排放，到21世纪中叶，大气中二氧化碳浓度将达到工业化以前的两倍，到2100年将达到三倍，造成的大气热量增加是小冰期末期仅由太阳辐射增加引起的大气热量增加的两到三倍。

小冰期期间，雨带中线位置在北纬5°以南，今天则在北纬3°至10°之间徘徊。到2100年，温室气体的不断增加将迫使雨带中线向北移动5度，也就是大约550千米，来到北纬8°至15°之间，从而显著改变许多地区的降水强度（见第XX页图表）。

这种潜在改变的证据，来自于我们在不同岛屿上的发现。位于北纬5°的华盛顿岛，现在年降水量为3米，但是400年前，它的年降水量不足1米。相反的，加拉帕戈斯群岛中位于南纬1°的圣克里斯托瓦尔岛上的高地，现在远不及小冰期时期湿润。

从考古学家那得到的结果也可以证明这一点。他们已经得出结论说，在印度尼西亚及南太平洋的岛屿上，防御建筑结构明显增多的时期与最近一次热带辐合带大幅南移的时间恰好吻合。由石头构成的、用于抵御外族入侵的防御建筑，建造年代贯穿整个小冰期时期。随着雨带南移，靠北的岛屿由于脱离雨带而变得干旱，可能迫使居民逃往更南部的岛屿，导致那里的当地人更加担心外来者入侵。

今天，海水淡化技术和航运技术缓解了人们对降雨的依赖，但是雨带北移5度会威胁居住在赤道附近、依赖于自给农业的亿万人的生活，更不用说会对热带生物多样性造成极大影响。大部分处于当今雨带中的国家都是发展中国家。本世纪，这些国家的人口可能仍会增长，却很可能没有充足的资源来应对这一变化。在几十年甚至短短几年内，南面降水减少，北面洪涝成灾，这些都会减少粮食产量，导致局部粮食短缺，政治动荡，最终大量人口被迫迁移。

第一次进入热带辐合带的地区（北纬10°～15°），例如萨尔瓦多和菲律宾的马尼拉，会由于每年增加的降水而更加湿润。而不再处于热带辐合带的地区（北纬3°至8°）会由于降水减少而更加干旱。在特定的地区，干旱效应是否会与亚洲季风及非洲季风的作用相互抵消，仍需进一步讨论。

咖啡和香蕉产量减少

由于降雨减少，咖啡和香蕉等作物产量将大量减少。

总之，印度尼西亚北部、马来西亚、菲律宾、密克罗尼西亚、泰国和柬埔寨的湿润地区将失去雨带中它们现在所处的“风水宝地”。现在生长理想的作物将不再兴旺。咖啡树就是其中之一，它们很像葡萄，在生长季节开始时需要大量雨水，年降水量必须超过1.8米才能长出饱满的咖啡豆。

中美洲的厄瓜多尔和哥伦比亚会因为脱离热带辐合带而变得干旱。哥伦比亚的城市化发展也许将使该国经济不再高度依赖于农业，从而可以积极应对雨带的迁移。但是，哥伦比亚是世界第三大咖啡生产地，和印度尼西亚一样，降水减少会长期影响咖啡产量。大部分生产咖啡豆的地区位于北纬8°以南，21世纪中后期，这些地区咖啡豆的生长将面临威胁。哥伦比亚南部及沿海的咖啡产地将面临严重挑战，因为这里将变成距雨带最远的地方。

厄瓜多尔香蕉业也是前景暗淡。良好的香蕉生长需要温暖的气候条件和2至2.5米的年降水量，厄瓜多尔处于当今的热带辐合带之中，刚好满足适宜香蕉生长的最小降水值。但到2100年，由于雨带的迁移，厄瓜多尔的年降水量很可能减少到1米，甚至更少，香蕉业也将随之结束。香蕉产量的大幅下降可能很快就会发生。2010年初，菲律宾遭遇异常干旱，大约一半的香蕉由于体积小重量不足而无法出售。

在上述所有地区，自给型农业也将受到影响。即使人们迁往城市，局部地区粮食短缺也将是一场灾难。

如果雨带以过去400年移动的平均速率继续向北移动，美国大陆的降水也将随之发生巨大的变化。某些变化可能已经开始。近年来美国西南地区承受着严重干旱，21世纪温室气体含量将继续迅速增加，这种干旱很可能成为这一地区新的气候形态。目前亚热带干旱区位于雨带以北，横跨墨西哥北部地区。随着雨带逐渐北移，温度持续升高，副热带干旱区也将北移，进入美国西南地区。

科学家仍不确定雨带北移是否会影响飓风或季风的频率和强度，也没有确定厄尔尼诺和拉尼娜现象会受到怎样的影响。

期待更完善的模型出现

为了建立完善的气候模型，还需要更多数据。

在拉响警报前，我们还需要做更多的工作，使警报声听起来更具有说服力。到目前为止，基于计算机的气候模型还不能准确地重现热带地区过去及现在的降水形态。如果模型工作者利用来自于沉积物芯和其他来源的数据，能够设计出更接近已知事实的模型，对于预报未来的降水，我们就会有更大的信心。在华盛顿大学等地，我们的同事正在做这样的试验。

我们将继续研究处于热带辐合带之中及其南北两侧的热带岛屿上的沉积物，以便更精确地指出雨带位置在过去千年里的变化情况，预测雨带位置未来的变化趋势。

P62：

在试验室中

                 海藻：古往今来的雨量计

海藻从它们生活的水域中获取氢元素。通过研究热带湖底沉积物中的海藻，测量存在于海藻脂质中的氢的两种稳定同位素——氘和氕，我们可以推断出这些海藻生存时期的降雨量。

许多海藻体内的氘/氕比例与它们生活的水域中的氘/氕比例呈线性关系。而水中氘/氕比例反映了一个湖泊范围内降水与蒸发的比例。在热带雨带，降水充沛而频繁，湖泊和海水中的氘/氕比例较低。而在雨带以外的地区，蒸发多于降水，氘/氕比例较高。所以我们可以利用沉积物中各层海藻脂质中不同的氘/氕比例来推断历史降水情况。

我们很走运，海藻还可以调整脂质中的氘/氕比例以响应盐度的变化。克里斯默斯岛的特殊环境条件给我们创造了一个天然实验室来校准这种响应。这个属于澳大利亚的太平洋小岛上，一系列水塘具有相似的温度、光照、营养条件和氘/氕比例，但是盐度差别很大。我们发现，蓝藻脂质中的氘/氕比例随盐度的增加而增加，呈线性关系。水塘的盐度随多雨而降低，随少雨而增加，盐度对脂质中氘/氕比例的作用跟降水量对氘/氕的作用是一致的，使脂质中氘/氕比例成为了水循环变化的敏感测量计。

这些结果本身说明不了问题，它们还需要测定年代！沉积物的年代是由放射性同位素碳14和铅210测定的，它们的半衰期分别为5 730年和22.3年。通过比较不同时期氢同位素比例，我们重建了过去1 200年来的降水变化历史。

                                                ——本文作者

P63的图注：

从里布岛湖底钻取的沉积物芯保存了能够揭示过去降水量的海藻。在为实验室切割薄片样本时，巧妙地利用大树有助于保持沉积物芯竖直。

P64：                  

时间旅行

温度升高，雨带北移

   环绕地球的热带辐合带（红色）是由相反方向的两股信风（trade wind）形成的，它们在被太阳加热的赤道水域上方形成了低气压。大量海水蒸发、上升、凝结成雨。这个低气压还在南北两侧产生了大范围的高气压，形成大气环流，将热量从低纬向高纬输送，驱动那里的天气系统。

中世纪暖期，北半球温度升高，促使雨带北移（左）；小冰期温度降低，雨带南移；今天雨带的位置是过去1 200年以来最北的。温室气体预计会持续增加，将导致雨带到2100年再向北移动5度。

图注：如果雨带再向北移动5度，赤道附近亿万人将面临干旱的威胁。厄瓜多尔、哥伦比亚、印度尼西亚南部和泰国的自给型农业、咖啡种植、香蕉产业以及热带生物多样性将严重受挫。像关岛、萨尔瓦多这样的地区第一次进入雨带，将得到更多降水。美国西南部的严重干旱现象可能成为这一地区新的气候常态。

季节性移动：雨带的平均位置是北纬7°，随太阳辐射的季节性变化在北纬3°（北半球冬季，绿色区）至北纬10°（北半球夏季，橙色区）之间徘徊。在某些地区，强降水超出了雨带的范围。取自包括图中这些岛屿的岛屿湖底沉积物芯样本揭示了过去降水出现的时间地点以及雨带位置随时间的变化。

1、中世纪暖期

2、小冰期

北半球的历史温度与1961—1990年的平均温度的温差（摄氏度）

3、太平洋

4、赤道

5、注意：红色部分向南移动了2度（图示了其大致位置）

6、帕劳岛  7、库岛  8、科斯雷岛   9、瑙鲁   10、梅吉特岛   11、华盛顿岛   12、圣诞岛   13、热带   14、克利珀环礁   15、圣克里斯托瓦尔岛   16、伊莎贝拉岛     

17、加拉帕戈斯费洛雷纳岛

18、

热带地区1979-2005年的平均月降水量（大于200毫米）    7月   1月

全球降雨变化

环绕地球赤道以北的热带雨带随着大气温度变化而迁移，从而改变世界范围的降水形态。

从太平洋岛屿的湖泊沉积物中得到的数据显示，雨带位于北纬3°到10°之间，是至少1 200年以来位置最北的。

从现在的变暖速度来看，到2100年，雨带将向北移动5度，使厄瓜多尔、哥伦比亚及其他地区数百万人的农田遭受干旱。

随着雨带的北移，美国西南部地区将与墨西哥北部半干旱地区变得更为相似，那里多年干旱的形势仍将持续。

本文译者

于燕，中国科学院大气物理研究所博士研究生，师从谢正辉研究员。

本文审校

谢正辉， 中国科学院大气物理研究所研究员，国际气候与环境科学中心（ICCES）副主任，从事陆面模式的发展，陆面水文模型与气候模式的耦合，以及陆面数据同化的理论与应用研究。