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主要作者及研究机构

本研究的主要作者包括Nathan J. Steiger、Jason E. Smerdon、Richard Seager、A. Park Williams和Arianna M. Varuolo-Clarke。他们分别来自哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站（Lamont-Doherty Earth Observatory, Columbia University）、耶路撒冷希伯来大学地球科学研究所（Institute of Earth Sciences, Hebrew University of Jerusalem）以及加州大学洛杉矶分校地理系（Department of Geography, University of California Los Angeles）。该研究于2021年10月发表在《Nature Geoscience》期刊上。

学术背景

本研究的主要科学领域是气候学，特别是关于北美和南美千年尺度的“超级干旱”（megadroughts）现象。超级干旱是指持续时间超过十年的严重干旱，对人类社会和生态系统具有深远影响。过去的研究表明，北美西部的超级干旱与中世纪的气候异常有关，且这些干旱的严重性远超19世纪和20世纪观测到的干旱。此外，1990年代的研究发现，加利福尼亚的中世纪超级干旱与巴塔哥尼亚的长期干旱同时发生，表明这两个地区的干旱可能通过某种气候机制相互关联。

然而，关于南美洲是否存在超级干旱、其与北美超级干旱的关联性以及驱动这些干旱的机制，学界仍知之甚少。因此，本研究旨在通过一种新的全球水文气候重建方法（Paleo Hydrodynamics Data Assimilation, PHYDA），探讨过去千年中北美和南美超级干旱的耦合现象及其驱动因素。

研究流程

本研究的主要流程包括以下几个步骤：

1. 数据重建：研究团队使用了PHYDA数据集，该数据集结合了全球气候模型和全球代理时间序列（proxy time series），提供了过去2000年的水文气候和海表温度（SSTs）的概率重建。PHYDA的优势在于其将气候模型的动力学信息与代理数据相结合，从而提供了更全面的历史气候重建。

2. 区域选择：研究聚焦于北美西南部（NASW）和南美西南部（SASW）两个区域。这两个区域不仅是重要的农业中心，而且在气候学上具有相似性：它们的主要降水集中在冷季，且都包含半干旱和地中海型气候区。

3. 超级干旱的定义与识别：研究将超级干旱定义为持续时间超过十年且严重程度超过区域干旱事件50%分位数的干旱。通过分析PHYDA重建的帕尔默干旱严重指数（Palmer Drought Severity Index, PDSI），研究团队识别了NASW和SASW的超级干旱事件。

4. 气候驱动因素分析：研究团队通过分析PHYDA重建的全球海表温度和PDSI数据，探讨了超级干旱期间的气候模式。特别是，他们关注了厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和北大西洋多年代际振荡（AMO）等气候驱动因素对超级干旱的影响。

5. 统计分析：为了验证超级干旱的耦合现象是否具有统计显著性，研究团队构建了自回归模型（AR-null model），并通过蒙特卡洛模拟评估了NASW和SASW超级干旱同时发生的概率。

主要结果

1. 超级干旱的频率与耦合性：研究发现，在过去千年中，SASW发生了12次超级干旱，而NASW发生了9次超级干旱，其中7次事件在两地同时发生。这表明北美和南美的超级干旱存在显著的耦合现象，且这种耦合性不能仅用偶然性来解释。

2. ENSO的驱动作用：研究结果表明，超级干旱的发生与太平洋冷海温模式（类似于拉尼娜现象）密切相关。特别是在NASW和SASW同时发生超级干旱的时期，太平洋海温呈现出更强的拉尼娜特征。此外，ENSO的冷相（La Niña-like conditions）在超级干旱期间出现的频率显著增加。

3. 辐射强迫的影响：研究发现，辐射强迫（radiative forcing）对NASW的超级干旱有一定影响，但对SASW的超级干旱影响较小。这表明，尽管辐射强迫在北美干旱中扮演了一定角色，但它并不是南美超级干旱的主要驱动因素。

结论

本研究通过PHYDA重建数据，首次系统地揭示了北美和南美超级干旱的耦合现象及其驱动机制。研究结果表明，ENSO是驱动两地超级干旱的主要因素，而辐射强迫的作用相对有限。这一发现不仅增进了我们对过去气候异常的理解，还为预测未来可能发生的超级干旱提供了重要参考。此外，研究强调了ENSO在调节全球水文气候中的关键作用，特别是在全球变暖背景下，ENSO驱动的超级干旱可能会对农业和水资源管理带来更大的挑战。

研究亮点

1. 首次系统揭示北美和南美超级干旱的耦合现象：本研究通过PHYDA重建数据，首次系统地分析了北美和南美超级干旱的耦合性及其驱动机制。
2. ENSO的核心驱动作用：研究明确了ENSO在超级干旱中的核心驱动作用，特别是在两地同时发生超级干旱的时期，ENSO的冷相频率显著增加。
3. PHYDA重建方法的创新性：PHYDA数据集结合了气候模型和代理数据，提供了更全面的历史气候重建，为研究提供了可靠的数据支持。

其他有价值的内容

研究还指出，尽管过去的研究主要关注北美的超级干旱，但南美的超级干旱同样具有重要的研究价值。特别是在全球变暖背景下，南美的干旱可能会对全球农业和水资源管理产生深远影响。因此，未来的研究应进一步关注南美干旱的驱动机制及其与全球气候变化的关联。