长期以来，科学家一直困惑于过去12000年的气候模拟与基于地质记录的温度重建数据不匹配。现在看来，记录中的季节性偏差可以解释这种差异。本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），原文作者：Jennifer Hertzberg，翻译，施普林格·自然上海办公室，原文标题：《科学家证明过去1.2万年的温度一直在升高》，头图来自：视觉中国


了解过去的气候变化对于理解现代全球变暖的背景至关重要。基于地质证据对全新世（始于11700年前，持续至目前的间冰期）期间的气候重建数据表明，全球平均年温度在10000到6000年前之间达到峰值，接着出现了降低趋势，随后该趋势又在后工业时代逆转[1][2]。


然而，全新世气候的计算模拟显示的是长期以来气候不断变暖的另一种趋势[3]。Bova等人[4]在《自然》发表的分析有效地将全新世气候重建与计算模拟数据结合了起来。这一结果所提供的启示对于我们对全新世期间气候变化驱动因素的理解，以及后工业全球变暖的大背景均具有重要意义。


为了重建过去的气候，科学家主要依靠替代性指标（proxy）——特性可测量且与现代气候参数相关的地质资料。全新世早期的表观温度峰值（被称为全新世时期的热最大值）是基于替代性指标的全球综合气候重建的一个显著特征[1][2]（图1）。这一峰值在计算模型中的缺失被称为全新世温度难题，多年来一直困扰着气候科学家[3]。


两种方法的分歧被归因于替代性指标重建中的季节性偏差[5]（即替代性指标反映的是季节性温度的变化，而不是平均年温度的变化），以及建模方面的缺陷[6]。值得注意的是，全球替代性指标的综合分析主要由海表温度（SST）记录[2]决定，而这一温度含有季节性偏差[5]。


图1 | 校正气候重建中的季节性偏差。科学家可以从地质记录中重建全新世（目前的间冰期，始于11700年前）期间的全球平均温度。这些重建数据（蓝线）显示，海表温度（SST）在10000至6000年前达到顶峰后下降，直至后工业化时期，温度再度开始上升。但是，全新世SST的计算模拟与这些重建不匹配。这可能是因为地质记录具有季节性偏差——记录反映的是季节性温度的变化，而不是年平均温度。Bova等人[4]报告了一种量化和校正海洋地质记录中季节性偏差的方法，并用它来估算年平均SST（红线）。校正后的数据与计算模拟结果相符，从而解决了该领域的一个长期存在的难题。SST显示为异常：参考时间间隔的SST与0到1000年前的平均SST之差。阴影区域代表一个标准误差的范围。
图1 | 校正气候重建中的季节性偏差。科学家可以从地质记录中重建全新世（目前的间冰期，始于11700年前）期间的全球平均温度。这些重建数据（蓝线）显示，海表温度（SST）在10000至6000年前达到顶峰后下降，直至后工业化时期，温度再度开始上升。但是，全新世SST的计算模拟与这些重建不匹配。这可能是因为地质记录具有季节性偏差——记录反映的是季节性温度的变化，而不是年平均温度。Bova等人[4]报告了一种量化和校正海洋地质记录中季节性偏差的方法，并用它来估算年平均SST（红线）。校正后的数据与计算模拟结果相符，从而解决了该领域的一个长期存在的难题。SST显示为异常：参考时间间隔的SST与0到1000年前的平均SST之差。阴影区域代表一个标准误差的范围。


Bova和同事的新方法可以识别SST记录中的季节性偏差，并从季节性SST中计算出年平均SST。它利用了末次间冰期（12.8万~11.5万年前）全球温度适中，冰盖较小和海平面比今天更高的特征[7]。这个时期对于作者的目标是有利的，因为其太阳辐射（日照）的季节差异大于全新世，而改变气候的其他因素（例如温室气体和冰）的影响则较弱，因此更容易发现季节性偏差。


具体而言，作者采用的方法需要在对应于末次间冰期的SST记录中识别出季节性偏差，同时要求这些SST记录与季节性日照之间的相关性要强于与年平均日照之间的相关性。然后计算这一时期SST记录对季节性日照的敏感度，并将其用作基准值以消除整个记录中的季节性偏差，从而从该记录中得出年平均SST。


作者首先将他们的方法应用于从巴布亚新几内亚东北海岸外的一个海洋站点获取的替代性指标数据进行SST重建。通过将新方法应用于这一区域过去30万年的计算模拟中产生的SST数据，经过转换的年平均SST记录得到了独立验证——转换后的数据与模拟中输出的年平均SST相一致。


之后，Bova等人又对之前发表的覆盖末次间冰期和整个全新世的SST记录进行了综合分析。这些记录基于重建SST的两个常见的替代性指标：居住在海洋表面的单细胞海洋生物有孔虫的化石碳酸钙壳的化学成分，以及由海藻合成并沉降到海洋沉积物中的、被称为烯酮的有机生物标记物。作者发现，大多数经他们分析检查的SST记录确实是存在季节性偏差。


在将存在季节性偏差的SST记录转换为年平均SST记录后，Bova等人推断，自早全新世以来气候一直在变暖。也就是说，没有证据表明全新世在年平均温度中有一个最大值（图1）。他们表示，所谓的全新世的最高温度可能是由全新世早期发生的北半球夏季日照高峰引起的季节性特征。


作者通过替代性指标记录的综合分析进行的年平均温度的重建，非常符合一项同样反映了年平均温度的全新世气候的计算模拟[3]，从而有效地解决了全新世的温度难题。这让Bova等人帮助揭示了全新世气候变化的驱动因素。他们发现，在全新世早期（12000~6500年前）发生的全球平均年温度升高是因为冰盖融化，而过去6500年中的温度持续升高是由于温室气体浓度升增加。


作者还发现末次间冰期的年平均温度比他们对全新世温度的估计值更稳定，也更高。他们将其归因于末次间冰期的温室气体浓度基本保持不变以及冰盖的减少程度。最重要的是，研究人员发现，当前的年平均温度超过了过去12000年的平均温度，可能接近末次间冰期的温暖程度。


Bova等人在替代性SST重建中识别和修正季节性偏差的方法，现在也可用于其他不同时间尺度上的温度记录。这是他们研究的一个关键优势，因为古气候科学家早就知道温度重建可能存在季节性偏差，但一直没有解决该问题的方法。


研究结果的一个局限在于，这项对替代性SST记录的最新综合分析仅限于全球北纬40°到南纬40°之间。研究特意排除了来自高纬度的替代性指标记录，因为缺乏末次间冰期的此类记录，同时这些区域靠近洋锋，因此SST会受到海洋动力学的影响。但是，鉴于高纬度发生的过程在许多气候反馈过程中起着重要作用，将来可能需要将这些地区也纳入分析。


此外，这一新的综合性分析仅纳入了两项替代性SST指标。未来的工作应包括更多基于其他温度替代性指标的记录。不过，Bova等人的研究解决了困扰气候科学家多年的难题，是该领域向前迈出的重要一步。


参考文献：

1. Kaufman, D. et al. Sci. Data 7, 201 (2020).

2. Marcott, S. A., Shakun, J. D., Clark, P. U. & Mix, A. C. Science 339, 1198–1201 (2013).

3. Liu, Z. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 111, E3501–E3505 (2014).

4. Bova, S., Rosenthal, Y., Liu, Z., Godad, S. P. & Yan, M. Nature 589, 548–553 (2021).

5. Marsicek, J., Shuman, B. N., Bartlein, P. J., Shafer, S. L. & Brewer, S. Nature 554, 92–96 (2018).

6. Liu, Y. et al. Sci. Rep. 8, 4434 (2018).

7. Hoffman, J. S., Clark, P. U., Parnell, A. C. & He, F. Science 355, 276–279 (2017).


原文以Palaeoclimate puzzle explained by seasonal variation标题发表在 2021年1月27日的《自然》的新闻版块上


本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），原文作者：Jennifer Hertzberg