工業(yè)革命以來全球變暖正深刻影響地球環(huán)境和人類社會的可持續(xù)發(fā)展。由于器測記錄時長的有限性，無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)記錄延長氣候變化歷史，結合氣候模式模擬，對全面認識地球氣候系統(tǒng)演變的規(guī)律及其機制、氣候模式評估和未來氣候預測至關重要。
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）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)革命以來的全球變暖逆轉(zhuǎn)了變冷的趨勢（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，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，對過去氣候重建和模式模擬的準確性提出了挑戰(zhàn)，被稱為“全新世溫度謎題（Holocene temperature conundrum）”（Liu et al., 2014），阻礙了我們對全新世溫度變化真實場景及其驅(qū)動機制的認識，成為古氣候?qū)W界研究的焦點問題之一。
導致上述差異的原因在于：一方面，可能與氣候代用指標的季節(jié)性偏差有關（Bova et al., 2021），由于多數(shù)生物生長偏向夏季，可能導致生物指標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，盡管在短時間尺度上氣候模式能較好地模擬當前的溫度變化，但是在更長的軌道時間尺度上，地球氣候系統(tǒng)如何響應季節(jié)性太陽輻射、大氣CO2和冰量等驅(qū)動因子變化，亟待開展深入的研究。
中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所郭正堂院士研究團隊的張文超博士后與合作導師吳海斌研究員，以及于嚴嚴副研究員、李琴博士后和耿珺琰博士生，聯(lián)合南京信息工程大學程軍教授、南京大學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)和增強回歸樹模型三種方法，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果（TraCE-21ka）進行了系統(tǒng)對比。
圖1 北半球全新世孢粉序列和表土孢粉點位空間分布。（a-c）分別為通過顯著性檢驗的年均溫、夏季溫度和冬季溫度重建點位，圖中灰色的點為未通過顯著性檢驗的孢粉樣點；（d）表土孢粉樣點分布
重建結果顯示，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)性溫度變化趨勢具有同步性，中全新世（ 7ka BP）是北半球最溫暖的時期（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期變暖的趨勢（圖3和圖4）。
重建結果與TraCE-21ka瞬變模擬結果對比進一步表明，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（圖2和圖3），這一趨勢主要歸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（圖2和圖4），揭示出夏季太陽輻射是其控制因素（圖5）；但目前氣候模式無法準確重現(xiàn)年均溫和冬季溫度在中-晚全新世的降溫趨勢（圖2和圖4）。
圖2 北半球全新世溫度變化重建結果及其與氣候模式模擬結果（TraCE-21ka）的對比。（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）分別為對應的年均、夏季和冬季溫度PC1時間序列。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 氣候模式單強迫模擬試驗（TraCE-21ka）中不同氣候因子對全新世溫度變化的貢獻。（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)（太陽輻射）；ICE：冰蓋；GHG：大氣溫室氣體濃度；MWF：淡水注入；ALL：全強迫模擬；Reconst.：本次重建結果；Insolation：太陽輻射變化
該項研究從季節(jié)性和空間格局的角度，指出重建指標的季節(jié)性偏差不是“全新世溫度謎題”的主要原因。重建結果支持北半球夏季太陽輻射可能通過植被、海冰等多種氣候系統(tǒng)反饋過程，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，增加了對未來氣候預測的不確定性，亟需加強對氣候系統(tǒng)反饋過程及其機理的研究。
研究成果發(fā)表于國際學術期刊Nature Communications（張文超，吳海斌*，程軍*，耿珺琰，李琴，孫詠，于嚴嚴，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）。研究受國家重點研發(fā)計劃（2020YFA0607700，2016YFA0600504）、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（XDB26000000）和國家自然科學基金（41888101，42177180，41807424，41572165，41690114）等多個項目聯(lián)合資助。
美編：傅士旭
校對：萬鵬
