工業(yè)革命以來(lái)全球變暖正深刻影響地球環(huán)境和人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。由于器測(cè)記錄時(shí)長(zhǎng)的有限性，無(wú)法全面獲取地球氣候系統(tǒng)的變化規(guī)律，因此利用地質(zhì)記錄延長(zhǎng)氣候變化歷史，結(jié)合氣候模式模擬，對(duì)全面認(rèn)識(shí)地球氣候系統(tǒng)演變的規(guī)律及其機(jī)制、氣候模式評(píng)估和未來(lái)氣候預(yù)測(cè)至關(guān)重要。
目前，地質(zhì)記錄重建和古氣候模擬的全新世（ 11.7 ka BP以來(lái)）全球年均溫度變化存在顯著差異（Liu et al., 2014）。已有重建表明，年均溫在距今 10-6 ka BP最暖（“全新世大暖期”），之后逐步變冷，工業(yè)革命以來(lái)的全球變暖逆轉(zhuǎn)了變冷的趨勢(shì)（Marcott et al., 2013；Kaufman et al., 2020；Zhang et al., 2022）；而古氣候模擬則顯示，年均溫呈現(xiàn)全新世的整體增溫趨勢(shì)，現(xiàn)代全球變暖是增溫的延續(xù)（Liu et al., 2014; Bova et al., 2021; Osman et al., 2021）。上述溫度變化的巨大差異，對(duì)過(guò)去氣候重建和模式模擬的準(zhǔn)確性提出了挑戰(zhàn)，被稱為“全新世溫度謎題（Holocene temperature conundrum）”（Liu et al., 2014），阻礙了我們對(duì)全新世溫度變化真實(shí)場(chǎng)景及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制的認(rèn)識(shí)，成為古氣候?qū)W界研究的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。
導(dǎo)致上述差異的原因在于：一方面，可能與氣候代用指標(biāo)的季節(jié)性偏差有關(guān)（Bova et al., 2021），由于多數(shù)生物生長(zhǎng)偏向夏季，可能導(dǎo)致生物指標(biāo)更多反映夏季溫度變化信息；但到目前，缺乏可靠的、大區(qū)域尺度的季節(jié)性溫度證據(jù)。另一方面，可能與氣候模式的模擬偏差有關(guān)，盡管在短時(shí)間尺度上氣候模式能較好地模擬當(dāng)前的溫度變化，但是在更長(zhǎng)的軌道時(shí)間尺度上，地球氣候系統(tǒng)如何響應(yīng)季節(jié)性太陽(yáng)輻射、大氣CO2和冰量等驅(qū)動(dòng)因子變化，亟待開(kāi)展深入的研究。
中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所郭正堂院士研究團(tuán)隊(duì)的張文超博士后與合作導(dǎo)師吳海斌研究員，以及于嚴(yán)嚴(yán)副研究員、李琴博士后和耿珺琰博士生，聯(lián)合南京信息工程大學(xué)程軍教授、南京大學(xué)鹿化煜教授和中科院青藏高原研究所的孫詠副研究員，基于覆蓋北半球高質(zhì)量的1310條孢粉記錄（圖1），利用現(xiàn)代類比法、轉(zhuǎn)換函數(shù)和增強(qiáng)回歸樹(shù)模型三種方法，定量重建了北半球陸地全新世年均溫和季節(jié)性溫度的變化歷史，并與古氣候模式瞬變模擬結(jié)果（TraCE-21ka）進(jìn)行了系統(tǒng)對(duì)比。
圖1 北半球全新世孢粉序列和表土孢粉點(diǎn)位空間分布。（a-c）分別為通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的年均溫、夏季溫度和冬季溫度重建點(diǎn)位，圖中灰色的點(diǎn)為未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的孢粉樣點(diǎn)；（d）表土孢粉樣點(diǎn)分布
重建結(jié)果顯示，整體而言，北半球年均溫、夏季和冬季溫度均呈現(xiàn)早-中全新世快速升溫和中-晚全新世緩慢降溫的特征，季節(jié)性溫度變化趨勢(shì)具有同步性，中全新世（ 7ka BP）是北半球最溫暖的時(shí)期（圖2）。研究還發(fā)現(xiàn)，溫度變化具有顯著的空間差異，早-中全新世升溫趨勢(shì)主要發(fā)生在北美東部、歐洲和亞洲北部；而中-晚全新世降溫較為普遍，僅在亞洲北部和北美東南部呈全新世長(zhǎng)期變暖的趨勢(shì)（圖3和圖4）。
重建結(jié)果與TraCE-21ka瞬變模擬結(jié)果對(duì)比進(jìn)一步表明，氣候模式能較好地模擬北半球早-中全新世年均溫和季節(jié)性溫度的升溫趨勢(shì)（圖2和圖3），這一趨勢(shì)主要?dú)w因于北半球大陸冰蓋消融（圖5）；模式也能較好地模擬夏季溫度在中-晚全新世的降溫趨勢(shì)（圖2和圖4），揭示出夏季太陽(yáng)輻射是其控制因素（圖5）；但目前氣候模式無(wú)法準(zhǔn)確重現(xiàn)年均溫和冬季溫度在中-晚全新世的降溫趨勢(shì)（圖2和圖4）。
圖2 北半球全新世溫度變化重建結(jié)果及其與氣候模式模擬結(jié)果（TraCE-21ka）的對(duì)比。（a）年均溫；（b）夏季溫度；（c）冬季溫度；（d）溫度的季節(jié)性變化（即夏季與冬季溫度的差值）
圖3 EOF分析揭示的早-中全新世（11-7 ka BP）溫度變化空間格局。（a、d、g）分別為重建的年均、夏季和冬季溫度空間格局；（b、e、h）分別為模擬的年均、夏季和冬季溫度空間格局；（c、f、i）分別為對(duì)應(yīng)的年均、夏季和冬季溫度PC1時(shí)間序列。重建的年均、夏季和冬季溫度PC1的方差解釋量分別為58%、52%和58%，而模擬的方差解釋量分別為92%、76%和92%
圖4 EOF分析揭示的中-晚全新世（7-0 ka BP）溫度變化空間格局。（a-i）同圖3。重建的年均、夏季和冬季溫度PC1的方差解釋量分別為36%、31%和42%，而模擬的方差解釋量分別為47%、86%和66%
圖5 氣候模式單強(qiáng)迫模擬試驗(yàn)（TraCE-21ka）中不同氣候因子對(duì)全新世溫度變化的貢獻(xiàn)。（a）年均溫；（b）夏季溫度；（c）冬季溫度；（d）溫度的季節(jié)性變化。ORB：地球軌道參數(shù)（太陽(yáng)輻射）；ICE：冰蓋；GHG：大氣溫室氣體濃度；MWF：淡水注入；ALL：全強(qiáng)迫模擬；Reconst.：本次重建結(jié)果；Insolation：太陽(yáng)輻射變化
該項(xiàng)研究從季節(jié)性和空間格局的角度，指出重建指標(biāo)的季節(jié)性偏差不是“全新世溫度謎題”的主要原因。重建結(jié)果支持北半球夏季太陽(yáng)輻射可能通過(guò)植被、海冰等多種氣候系統(tǒng)反饋過(guò)程，跨季節(jié)影響冬季和年均溫度變化，而目前的氣候模式可能低估了這一影響，增加了對(duì)未來(lái)氣候預(yù)測(cè)的不確定性，亟需加強(qiáng)對(duì)氣候系統(tǒng)反饋過(guò)程及其機(jī)理的研究。
研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications（張文超，吳海斌*，程軍*，耿珺琰，李琴，孫詠，于嚴(yán)嚴(yán)，鹿化煜，郭正堂. Holocene seasonal temperature evolution and spatial variability over the Northern Hemisphere landmass[J].Nature Communications, 2022, 13(1): 5334. DOI:10.1038/s41467-022-33107-0）。研究受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFA0607700，2016YFA0600504）、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDB26000000）和國(guó)家自然科學(xué)基金（41888101，42177180，41807424，41572165，41690114）等多個(gè)項(xiàng)目聯(lián)合資助。
美編：傅士旭
校對(duì)：萬(wàn)鵬
