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Nature: 指标季节性的分离揭示全球变暖已持续上万年
2021-03-08 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  工业革命以来,人类活动引发的CO2浓度升高导致全球快速升温,显著影响着地球环境和人类社会。由于器测记录时限的有限性,通过地质记录定量重建过去温度,延长气候变化的历史,对全面认识现代全球变暖在地球系统自然变率中的位置至关重要。 

  尽管古气候定量化目前已取得重要进展,但距我们最近的全新世(距今~11 700年以来),地质记录重建和古气候模拟的全球年均温变化存在显著差异。地质记录重建显示,温度在距今~10 0006 000年处于峰值(全新世大暖期),其后逐渐下降,工业革命以来的全球变暖逆转了这一趋势(Marcott et al., 2013Kaufman et al., 2020);然而,古气候模拟则显示,全新世年均温呈现整体上升趋势(Liu et al., 2014(图1)。上述温度变化的巨大差异,被称为全新世温度谜题(Holocene temperature conundrumLiu et al., 2014),一直困扰着古气候学者。解开该谜团的关键在于厘清:气候代用指标是否存在季节性偏差?古气候模式的气候敏感性和反馈过程是否存在偏差? 

1 重建和模拟的全新世全球年均温度变化,蓝线为多指标重建结果,黑线为模拟的年均温,红线为模拟的夏季温度(改自Liu et al., 2014  

  最近,美国罗格斯大学的Bova博士和合作者在Nature上发表论文,提出了一种有效分离季节性信号新方法(seasonal to mean annual transformation, SAT),更好地重建了季节和年均温度变化(图2)。 

2 SAT方法在IODP U1485钻孔末次间冰期和全新世时段温度重建中的应用(Bova et al., 2021)。(ae 钻孔所在纬度(3°S)最相关季节(8月)和年均太阳辐射变化;(bf)重建和模拟的季节性温度变化;(cg)计算出的季节性偏差值(ΔSST);(dh)校正后的年均海表温度变化

  该方法的原理是:假设海表温度线性响应太阳辐射变化,重建温度变化(SSTSN)与最相关的季节性太阳辐射的相关性,如高于其与年均太阳辐射的相关性,则认为重建温度存在季节性偏差;季节性偏差因子(ɑs)由SSTSN与季节和年均太阳辐射的偏差值(ΔI)的线性回归获得(SSTSN = ɑsΔI + εs),由此,得出重建温度的季节性偏差值(ΔSST = ɑsΔI),进而获得校正后的年均温(MASST = SSTSN - ΔSST)。季节性偏差因子的计算,基于末次间冰期(距今128 000-115 000年前)的海温重建数据,选择末次间冰期,原因在于该时期太阳辐射的季节性差异比全新世的大,而冰盖、温室气体等其他因素对温度的影响更弱,因此更易识别出温度的季节性信号。 

  首先,作者把这一方法应用到了位于巴布亚新几内亚东北部的海洋钻孔(IODP Site U1485)末次间冰期和全新世的温度重建(图2)。结果显示,重建温度与八月的太阳辐射变化最为相关,具有很好的季节性信号;校正后的年均海表温度变化在两个时段均呈现上升趋势,与同一地区的模拟结果基本一致(图2)。利用同样的方法,作者把模拟的季节性温度进行了校正,得到的年均温度变化趋势与模拟输出结果相一致,因此验证了方法的可靠性(图2)。 

  其次,作者进一步把SAT方法应用到40°S-40°N之间的海表温度重建(图3b)。结果显示,多数重建结果存在季节性偏差,且主要偏向于夏秋季,导致重建结果存在早中全新世大暖期(图3a、图3b);然而,校正后的年均温则显示,全新世呈持续升温趋势(图3b),与模拟结果基本一致(图3c);进而证实全新世温度谜题,可能主要源于气候代用指标的季节性偏差。 

3 全新世40°S-40°N海表温度重建、校正结果,以及温度变化机制(Bova et al., 2021)。(a)前人重建的全球年均温度变化(Marcott et al., 2013Kaufman et al., 2020);(b40°S-40°N海表温度重建结果(红线)和校正后的年均温度变化(蓝线);(c)模拟的年均温度变化及温室气体的贡献;(d)全球冰量变化和温室气体辐射强迫变化

  在上述基础上,作者揭示出全新世年均海表温度长期增加的机理,全新世早中期(距今12 000-6 500年前)主要受冰盖、太阳辐射等驱动;而温室气体主导了包括工业革命以来,最近6 500年的全球变暖(图3c、图3d)。 

  Bova et al.2021)的研究指出,气候代用指标的季节性偏差,对准确认识过去的温度变化至关重要,这是今后的古气候重建需高度关注的科学问题。当然,SAT方法也存在一定的局限性,因其建立在温度线性响应太阳辐射变化的假设前提下,尚缺乏对气候代用指标本身季节性响应机理的研究。尽管该方法对40°S-40°N之间的海洋记录行之有效,但在其他区域,尤其是陆地上,因冰盖、海冰、植被等的反馈过程可能导致温度非线性响应太阳辐射变化,此方法能否适用亟待进一步研究加以确认。

  主要参考文献 

  Bova S, Rosenthal Y. Liu Z. et al. Seasonal origin of the thermal maxima at the Holocene and the last interglacial [J]. Nature, 2021, 589(7843): 548–553.原文接 

  Kaufman D, McKay N, Routson C, et al. A global database of Holocene paleotemperature records [J]. Scientific Data, 2020, 7(1): 115.  

  Liu Z, Zhu J, Rosenthal Y, et al. The Holocene temperature conundrum [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014, 111(34): E3501–E3505.  

  Marcott S A, Shakun J D, Clark P U, et al. A reconstruction of regional and global temperature for the past 11,300 years [J]. Science, 2013, 339(6124): 1198–1201.  

  (撰稿:张文超,吴海斌/新生代室)

 
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