欧洲自2015年以来的夏季干旱是几个世纪以来最严重的
就干旱条件的严重程度而言，过去400年来，西欧和中欧大部分地区的 2015-2018 年夏季干旱异常严重。这表明人为的全球变暖的影响。然而，17、18世纪时常发生多年旱情，虽然没有那么严重。这是Nature Communications Earth & Environment杂志上一项新研究的结果。它是由墨尔本大学的 Mandy Freund 和 GFZ 德国地球科学研究中心的 Gerhard Helle 领导的研究小组进行的。他们通过分析碳 ( 13 C/ 12 C) 和氧 ( 18 O/ 16O) 来自欧洲森林站点网络的树木年轮。这是第一个基于对气候高度敏感的树木年轮同位素的空间场重建。这为研究人员提供了一种独特的工具，用于以全球概览和区域差异化的方式调查过去几个世纪的气候发展。
背景：欧洲水文气候发展
最近，欧洲的洪水和干旱有所增加。这些极端事件是欧洲水文气候复杂动态的一部分。获取区域到局部范围内极端事件频率和强度动态的精确空间分辨率图像是一项挑战，尤其是在长期气候变率的背景下。由于能够正确反映区域差异的空间明确数据系列的可用性相当稀少，因此人们对整个欧洲的长期时空水文气候变化知之甚少。
2015年至2018年的欧洲夏季干旱尤其引发了关于它是否属于气候波动的正常范围或人为变暖的结果的讨论。
重建过去 400 年水文气候的新方法
为了解决这个问题，对过去 400 年的欧洲水文气候进行了空间解析重建，并发表在科学杂志《自然通讯地球与环境》上。它基于对来自欧洲 26 个森林地点的老树的稳定碳和氧同位素的分析，即这些元素具有不同质量的变体。碳13 C 与12 C 和氧18 O 与16 O的同位素比率分别是树木生长时干旱和水分的指标。
与其他自然环境或气候档案(如湖泊沉积物或冰川冰)相比，树木分布广泛，它们的年轮提供了关于长期和相关时间频率的水文气候变化的年度解决和绝对日期信息，从每年到每年百年。
该研究主要由 GFZ 德国地球科学研究中心前气候科学家、现供职于澳大利亚墨尔本 CSIRO 的 Mandy Freund 设计和领导。它起源于 GFZ 第 3.4 节气候动力学和景观演化的倡议，特别是树木年轮实验室负责人 Gerhard Helle 和柏林自由大学气象研究所教授 Ulrich Cubasch 的倡议，作为柏林和波茨坦的 GEO.X 地球科学研究网络。进一步的贡献来自其他亥姆霍兹中心(AWI、FZJ)和墨尔本大学的同事。
结果：异常严重的干旱 2015-2018 和过去的气候阶段
“我们的研究表明，2015-2018 年的多年夏季干旱事件——就强度而言——在多世纪的背景下非常不寻常，对于中欧和西欧的大部分地区来说也是前所未有的。这表明欧洲过去几年的夏季干旱可能受到人为变暖的影响”，Mandy Freund 继续说道。
然而，重建提供的证据表明，过去也发生过多年干旱，特别是在 1645 年至 1715 年所谓的蒙德极小期期间，即所谓的小冰河时期，当时太阳辐照度低于今天，黑子很少见。这种在低太阳辐照度期间对多年干旱的惊人观察仍然是未来研究的主题。
“总而言之，我们发现欧洲水文气候变化的三个不同阶段与 1860 年左右的蒙德极小期和小冰河时代结束相吻合，”不来梅港 AWI 的 Daniel Balting 说。从 1600 年到大约 1650 年，一个相当潮湿的气候阶段，主要在欧洲中西部和西北部，然后是大约 200 年的相当干燥的时期，主要在地中海、东欧和北欧发生了所描述的长期干旱，以及从大约 1875 年开始，夏季气候较为温和的阶段一直持续到 20 世纪中叶。从那时起，研究人员观察到气候变干燥的趋势，这可能与人为变暖有关。
关键方法：调查树木年轮中的同位素比率
“树木年轮稳定同位素记录是夏季湿度条件对气候非常敏感的指纹。它们在很大程度上独立于树种、树龄和场地位置。由于这种树木年轮稳定同位素不同于树木年轮宽度和木材密度等更经典的树木年代学参数，”该研究的首席研究员弗罗因德解释道。
在这 26 个地点中的每一个地点，纤维素都是从古老的活树的年轮中获取的，并使用标准同位素分析方法进行了检查。同时，可以使用树木年代学方法对样本进行精确的年代测定。
碳和氧同位素比率树木年轮中包含的气候信号源自略有不同的过程。
树木年轮中13 C 与12 C的碳同位素比率来自植物在光合作用过程中的功能方式。这个过程由叶子上称为气孔的微小开口控制。植物利用气孔来调节它们吸收的 CO 2量和它们散发到大气中的水蒸气量。在叶子和针叶的光合作用过程中，CO 2固定酶优先吸收较轻的12 C 的 CO 2 。当天气干燥时，树木关闭气孔以保存水分，这也限制了它们吸收的 CO 2量并导致它们用较重的13吸收 CO 2C 用于转化为糖，最后转化为年轮纤维素。
树木年轮中的氧同位素比率18 O 与16 O 受涉及大气对水分需求的物理过程的影响，具体取决于气温和湿度以及降雨量、来源和历史等因素。此外，在植物蒸腾过程中，同位素较轻(18 O 较少)的水蒸气转移到大气中，而同位素较重的水(18 O 较多)保留在叶子和针叶中，从而在年轮纤维素上留下氧同位素特征。干旱通常会增加植物的蒸腾作用，导致树木年轮中出现更多的18 O。
树木作为气候档案的优势：对过去气候研究的重要补充方法
“基于树木年轮稳定同位素的水文气候变率的高质量重建并不新鲜，然而，这是第一个建立跨越整个欧洲大陆的气候场重建的网络方法，”来自 Forschungszentrum Jülich 的共同作者 Gerhard Schleser 说( FZJ)。
要了解大尺度欧洲水文气候的空间复杂性，需要来自各种气候档案的空间更明确的长期数据集。多世纪的气候数据对于气候模型的验证至关重要，包括与其他古气候、历史和考古数据集的比较。
GFZ 第 4.3 节树木年轮实验室负责人和树木年轮稳定同位素分析专家 Gerhard Helle 说：“巩固树木年轮同位素数据网络的持续努力将为其他观测提供历史维度，例如来自气候站或卫星。这些方法在空间覆盖方面是独一无二的，但缺乏树木年轮分析可以提供的东西：对于提高我们对气候变化以及相应的地方到区域对人类栖息地的影响的理解至关重要的长期信息”。
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