何文雨,旺羅

1) 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京,100029; 2) 中國科學(xué)院大學(xué),北京,100049

內(nèi)容提要：全新世(11.7 ka BP)作為最年輕的地質(zhì)年代,其氣候變化相對晚更新世冰期穩(wěn)定,但仍存在千百年尺度的氣候波動。造成這些氣候波動的可能有多種原因,但至今還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識。這一時期的氣候變化與人類發(fā)展有密切的關(guān)系,因此其短尺度的氣候變化越來越受到學(xué)界的關(guān)注,已經(jīng)開展了大量的研究。通過對文獻(xiàn)資料分析,綜述了全新世千百年尺度的氣候突變的原因。全新世早期溫度普遍升高主要與太陽活動變化有關(guān),期間冰蓋消融與海洋環(huán)流作用引起百年尺度的氣候事件。全新世中期氣溫最高,但也發(fā)現(xiàn)多次干冷氣候事件,主要為冰川活動導(dǎo)致。全新世晚期溫度降低,主要是以火山活動導(dǎo)致的氣候變冷。其他因素如地球軌道參數(shù)、潮汐作用、冰川作用、海洋環(huán)流等在全新世各個時期對氣候造成影響。

近年來,隨著氣候突發(fā)事件發(fā)生的頻率的增加,人們開始對未來氣候變化越來越關(guān)注。全新世(11.7 ka BP)又稱冰后期,是距離人類最近的地質(zhì)年代。人類社會文明的一切發(fā)生、發(fā)展、繁榮、進(jìn)步都出現(xiàn)在此時期,全新世的氣候變化與人類社會的發(fā)展有密切的關(guān)系。所以全新世的千百年尺度的氣候波動不僅為評估未來氣候變化的發(fā)展趨勢,以及揭示氣候變化和人類生存與發(fā)展以及適應(yīng)具有非常重要的科學(xué)價值。

20世紀(jì)70年代前,人們普遍認(rèn)為全新世的氣候比較穩(wěn)定(Denton and Karlén,1973; Dansgaard and Johnsen,1993)。但后期研究發(fā)現(xiàn),全新世氣候的主要特征為漸變和突變(Mayewski et al.,2004),即使是被稱為全新世最適宜期的全新世大暖期(施雅風(fēng)等,1993)也存在多次干冷性氣候突變事件。實際上早在70年代初,就有學(xué)者根據(jù)中國歷史紀(jì)錄(竺可楨,1972)和北半球高緯度地區(qū)冰川活動(Denton and Karlén,1973)提出全新世氣候不穩(wěn)定的觀點,但直到Bond等將北大西洋中發(fā)現(xiàn)的千年尺度冰筏事件與太陽活動聯(lián)系起來(Bond et al.,1997),學(xué)術(shù)界才開始重視全新世氣候突變。

根據(jù)冰川進(jìn)退、植物花粉、湖泊沉積等多種代用記錄重建結(jié)果發(fā)現(xiàn),全新世存在明顯的一系列千百年尺度的氣候波動(Bond et al.,1997; Bond et al.,2001; Wanner et al.,2008; 方修琦和侯光良,2011; Marcott et al.,2013)。例如,北大西洋海洋沉積物記錄的8次冷事件(Bond et al.,1997)。王紹武和董光榮(2002)通過對冰芯、冰川雪線、黃土、花粉及考古史料等綜合分析,發(fā)現(xiàn)中國在11～1 ka BP也出現(xiàn)過多次冷事件。

目前對全新世千百年尺度的氣候波動的原因機制尚不明確,存在各種假設(shè)猜想。已經(jīng)提出了各種驅(qū)動力來解釋全新世全球和區(qū)域的千百年尺度的氣候異常(Liu Zhengyu et al.,2014a,2014b)。如太陽輻照度變化(Bond et al.,1997; Bond et al.,2001)、月球潮汐周期(Keeling and Whorf,2000)和海洋內(nèi)部振蕩(Denton and Broecker,2008)。全新世氣候波動產(chǎn)生原因可分為地球外部因素和地球內(nèi)部因素。

1 外部因素

天文因子是氣候變化的外部原因,主要從3個方面影響地球氣候:太陽活動、地球軌道和潮汐因素。

1.1 太陽活動

作為一顆活躍的恒星,太陽所產(chǎn)生的能量一直是地球氣候系統(tǒng)的主要驅(qū)動因素(洪業(yè)湯等,1998)。

1.1.1古氣候記錄

Bond等(2001)將在北大西洋冰筏沉積記錄中發(fā)現(xiàn)的突變周期與太陽活動相聯(lián)系,發(fā)現(xiàn)它們之間具有很高的相關(guān)性(0.44～0.56)。而在其他古氣候記錄中,同樣發(fā)現(xiàn)與太陽活動周期相近的氣候波動,如中國東北部金川泥炭纖維的δ18O中記錄下來80～162 a和249 a的氣候波動(洪業(yè)湯等,1998);維也納盆地沉積物中記錄了80 a、120 a、208 a、500 a、1000 a、1500 a和2300 a的氣候波動周期(Kern et al.,2012);早全新世期間地中海西部的花粉記錄反映出約900 a周期的氣候波動(Büntgen et al.,2016);東亞地區(qū)花粉記錄中發(fā)現(xiàn)500 a周期的氣候波動(Xu Deke et al.,2014)。這些不同尺度的氣候變化與太陽活動周期密切相關(guān),因此許多學(xué)者推測這些氣候波動是太陽活動導(dǎo)致,但其影響機制尚不明確(Shindell et al.,2001)。

1.1.2影響機制

目前主要存在3種機制解釋太陽活動如何地球氣候的影響(Engelsvan,2012),一種為太陽總輻照度直接影響地球能量平衡導(dǎo)致氣候波動,一種太陽紫外線輻照度變化會影響氣候,第三種為宇宙射線引起的云量變化引起地球氣候變化。

1.1.2.1太陽總輻照度直接影響

太陽活動的變化直接影響地球的能量平衡(Engelsvan,2012)。過去幾十年里,在大氣層頂部測定的11 a周期的太陽活動導(dǎo)致的輻照度變化為1 W/m2,導(dǎo)致的全球平均溫度變化約為0.07 ℃(Gray et al.,2010)。通過分析宇宙成因同位素的濃度,例如極地冰核中的鈹(10Be)和樹木年輪中的碳(14C),以及過去400 a太陽黑子的報告數(shù)量(Crowley 2000; Gray et al.,2010; Usoskin,2017),近似地重建和確定過去的太陽總輻照度(圖1)(Steinhilber et al.,2009)。但有學(xué)者提出百年尺度的太陽總輻照度變化非常小(譚明等,2006; Shapiro et al.,2011),這種變化足以引起氣候波動嗎?

圖1 過去9000 a太陽活動變化重建:(a) 過去9000 a太陽總輻照強度變化(Steinhilber et al.,2009); (b) 標(biāo)準(zhǔn)化的海洋堆積冰筏碎片(IRD)記錄(Wanner et al.,2011); (c) 石筍DA δ18O記錄(Wang Yongjin et al.,2005);(d)大氣中的δ14C記錄(Wang Yongjin et al.,2005)。較高的太陽輻照度(較小的δ14C)對應(yīng)于較強的亞洲季風(fēng)活動(較小的DA δ18O值)(Wang Yongjin et al.,2005)

有學(xué)者提出一種“自上而下”機制放大了太陽總輻照度的小變化(Nesje et al.,2004; Engelsvan,2012)。主要因為海洋對太陽熱量的吸收,特別是在太陽總輻照度增加時,海洋吸收因為吸收太陽的熱量提高導(dǎo)致蒸發(fā)量增加,導(dǎo)致降水增加(Cubasch et al.,2006; Gray et al.,2010; Engelsvan,2012)。而降水的增加則會進(jìn)一步引起信風(fēng)增強、赤道太平洋深水流上涌增加,進(jìn)而引起海平面溫度降低,與更強烈的哈德環(huán)流一致(Meehl et al.,2004; Gray et al.,2010; Engelsvan,2012)。而強烈的大氣環(huán)流增加副熱帶地區(qū)的下沉,使云層減少,地球表面對太陽輻照度的吸收增加(Meehl et al.,2004; Gray et al.,2010; Engelsvan,2012)。

1.1.2.2太陽紫外線輻照度變化

太陽輻射的紫外線部分具有很大的變化(Gray et al.,2010)。當(dāng)紫外線增加時,增加地球平流層臭氧的含量,導(dǎo)致平流層風(fēng)的變化和吸收的太陽能量的增加,從而使平流層加熱(Haigh,1996)。而平流層的溫度變化會影響到對流層的溫度和風(fēng)的變化(Lockwood et al.,2010)。有大氣模型模擬表明,在一個太陽周期的最大值時,紫外線輻射增加1%,就會使平流層中的臭氧濃度增加1%～2% (Engelsvan,2012)。Haigh通過模擬發(fā)現(xiàn),當(dāng)平流層中臭氧增加,哈德利環(huán)流的緯度范圍會擴大,同時中緯度風(fēng)暴軌道也向極地遷移(Haigh,1996)。這將導(dǎo)致中緯度地區(qū)變暖,區(qū)域降水減少,熱帶地區(qū)變濕。

1.1.2.3宇宙射線引起的云量變化

云層通過改變地球的反照率和加強溫室效應(yīng)對地球氣候造成影響(Lockwood,2012)。Svensmark等調(diào)查了宇宙射線通量和云層形成的影響,發(fā)現(xiàn)太陽活動和云層覆蓋之間存在著強烈的關(guān)聯(lián)(Svensmark and Friis-Christensen,1997)。在宇宙射線通量低的時候,低層大氣(3 km以下)的云層含有較少的液態(tài)水(Svensmark et al.,2009)。此外,氣溶膠的相對豐度(有可能演變成云的凝結(jié)核)在這些時期也會減少,這就為太陽活動和云的形成提供了一個因果機制,從而影響大氣活動。而Kirkby等(2011)實驗結(jié)果表明,宇宙射線確實對大氣有影響,因為高能質(zhì)子會增加納米級粒子的產(chǎn)生。然而,云的形成和宇宙射線之間的聯(lián)系還遠(yuǎn)未牢固確立,且云對氣候變化的影響非常復(fù)雜,還需要進(jìn)一步研究。

除了太陽活動變化導(dǎo)致氣候波動以外,地球所接受的太陽總輻射量變化也會導(dǎo)致氣候波動,這種情況則與地球軌道變化相關(guān)。

1.2 地球軌道變化

太陽輻射作為地球表面主要熱量來源,除自身活動影響輻射強度,地球的軌道幾何形狀通過調(diào)節(jié)入射太陽輻射的變化對氣候產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響(Thirumalai et al.,2020)。這種對氣候的影響機制被稱為軌道強迫理論,也被稱為米蘭科維奇軌道強迫理論。

1.2.1地球軌道周期

20世紀(jì)30年代,米蘭科維奇提出地球軌道對地球氣候的影響(楊志根,2001),從軌道偏心率、地軸傾斜度和歲差三個角度解釋了地球軌道尺度的氣候波動。

1.2.2影響機制

但地球軌道變化尺度至少從萬年起步,如何造成千百年尺度的氣候波動還存在很大的討論空間。但研究發(fā)現(xiàn),地球軌道也存在千年尺度的周期變化。如汪品先等(2018)提出1/4歲差周期,但在全新世的地質(zhì)記錄中還未明確發(fā)現(xiàn)。現(xiàn)在主要觀點為地球軌道變化調(diào)劑太陽輻射量的時空分配,驅(qū)動氣候變化,如冰雪覆蓋率變化,地表反照率變化,大氣水汽含量、海洋環(huán)流、大氣中CO2濃度等一系列變化(Berger,1988; 石正國等,2020)。

全新世期間,北半球除勞倫泰冰蓋影響外的地區(qū),其氣候變化主要受軌道強迫影響(Renssen et al.,2009)。11.7～7 ka BP,北半球的夏季日照多,但因為冰蓋作用的影響,氣候溫和涼爽(Renssen et al.,2009)。7～4.2 ka BP,這一時期北半球中高緯度地區(qū)夏季溫度較高(Alverson,2003),季風(fēng)活動相對全新世早期減弱(Wanner et al.,2008)。4.2 ka BP以后,北半球夏季日照減少,溫度下降,氣候轉(zhuǎn)冷(George et al.,1973)。

除日照強度的變化直接影響溫度變化外,模擬實驗還發(fā)現(xiàn)大氣—海洋—海冰之間的相互作用在軌道強迫中發(fā)揮了巨大作用 (Zhang Xu et al.,2021)。北半球低緯度地區(qū)的夏季日照強度變化觸發(fā)北大西洋徑向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的突變,引起北大西洋低緯度地區(qū)的水汽循環(huán)變化(Notaro et al.,2008)。北半球高緯度地區(qū)對太陽輻射變化敏感(Zhang Xu et al.,2021),在大氣—海洋—海冰的相互作用下,導(dǎo)致了千年尺度的氣候波動(Sun Youbin et al.,2021)。而在南半球,春季日照減少時,南大洋的調(diào)節(jié)作用會導(dǎo)致大陸氣候存在滯后效應(yīng),引起千年尺度的夏季降溫(Ferris et al.,2011)。

軌道強迫現(xiàn)在只能通過太陽輻射變化解釋機制,而更加細(xì)節(jié)的其他演化還需要進(jìn)一步研究。其主要通過小波分析反映出相關(guān)性強度,且不同指標(biāo)物受到多種因素影響,尚不能精確反映出來周期變化。

1.3 潮汐作用

除太陽活動和地球軌道驅(qū)動地球氣候波動外,研究發(fā)現(xiàn)月球的潮汐作用同樣影響地球的氣候。

1.3.1月球軌道周期

月球的軌道運動與地球類似,存在周期性的變化(汪品先等,2018)。月球與地球之間的白道面和地球與太陽之間的黃道面存在夾角,其交點被稱為“月交點”,存在約18.6 a的周期。在后期研究發(fā)現(xiàn)月交點還存在長達(dá)1800 a的長周期(Keeling and Whorf,2000),這一周期在美國中北部、歐洲北部的湖泊沉積物和南極半島附近的海洋沉積中觀察到,推測潮汐作用影響了這些地區(qū)的氣候 (Keeling and Whorf,1997; Warner et al.,2002; Khider et al.,2014)。

1.3.2影響機制

這種強迫主要通過驅(qū)動海洋底層流,影響海洋環(huán)流作用,產(chǎn)生氣候波動。從公元1855 a到1900 a以及1945 a以來的全球觀測中發(fā)現(xiàn)海面溫度存在周期性的變化,Keeling對其解釋為:強烈的海洋潮汐作用導(dǎo)致海水垂直混合,導(dǎo)致更深處的、溫度更低的水與表層水進(jìn)行交換,引起海洋表面溫度降低 (Keeling and Whorf,1997)。北半球的冷水有孔蟲組合序列和南極帕爾默深海巖芯的沉積物中都發(fā)現(xiàn)了這種海洋與氣候之間的響應(yīng)(圖2)(Warner et al.,2002)。但這種1800 a的潮汐周期是否有足夠的動力引起深層混合還存在爭議。

圖2 1800 a潮汐周期:帕爾默深海的1098B號大洋鉆探計劃巖芯的中等細(xì)粉砂和黏土含量1800 a的周期較為明顯,中等細(xì)粉砂的最小值與所提出的Bond事件的前三個時間點相對應(yīng)(Warner et al.,2002)

2 內(nèi)部因素

全新世千百年尺度的氣候波動,除天文因素以外,地球內(nèi)部的各種反饋作用對其也有很大的影響,甚至沒有太陽輻射的波動,地球內(nèi)部因素的相互作用同樣能獨立引起全新世發(fā)生千百年尺度的氣候波動。如Khider等(2014)發(fā)現(xiàn)熱帶太平洋西部的海洋表面溫度的千年尺度變化是由于深海環(huán)流變化造成。此外,冰蓋作用、火山活動和人類活動等也不同程度的影響著地球氣候。

2.1 冰川作用

作為間冰期,全新世早期在北美和歐亞大陸還存在大型陸地冰川(Renssen et al.,2009),如芬諾斯卡迪亞冰蓋一直持續(xù)到9 ka BP (LindéN et al.,2006),勞倫泰冰蓋大量殘余物最晚到7 ka BP消失(Carlson et al.,2008)。中晚期全新世溫度降低后,冰川在3.3～2.4 ka BP與過去幾個世紀(jì)的小冰期里又發(fā)生了不同程度的擴張。而在過去 2 ka,全球冰川保持著擴張模式 (Solomina et al.,2016)。

重建的冰川歷史在本質(zhì)上是由氣候輸入的綜合因素迫使的,因此很難量化和評估。因此,用冰川波動的時間序列作為古氣候的代用指標(biāo),確定相關(guān)的氣候作用力,并構(gòu)建氣候—冰川模型,并非易事。

2.1.1全新世冰川發(fā)展

冰川的演化和響應(yīng)都影響著氣候。研究發(fā)現(xiàn),全新世早期北半球中高緯度地區(qū)冰川變化在千年尺度上一致(圖3)(Wanner et al.,2011),冰川體積退縮到現(xiàn)代大小,在全新世后半期逐漸擴大,直到小冰期達(dá)到最大 (Olga and Solomina,2015)。全新世晚期北半球冰川體積變化有較大的差異,如中亞 (Zhang Chengjun and Mischke,2009)、歐洲 (Ivy-Ochs et al.,2009)地區(qū)晚全新世冰川擴張,而在加拿大地區(qū)(Menounos et al.,2009)冰川體積變化趨勢為相對下降。南半球地區(qū),如新西蘭(Putnam et al.,2012)和安第斯山脈(Rodbell et al.,2008)的陸地冰川從全新世早期開始,體積一直減小。關(guān)于兩半球冰川活動不同步的原因還沒有統(tǒng)一的機制解釋,因為冰川活動除了會受氣候影響外,還會受所在區(qū)域地形的影響(Oerlemans,2005)。且冰川波動的時間不連續(xù)(Solomina,2015),冰磧物的分辨率普遍較低,只有少數(shù)地區(qū)如阿爾卑斯山和納維亞半島地區(qū)的冰磧物能達(dá)到 10 a(Holzhauser et al.,2005)甚至年際分辨率(Beedle et al.,2009)。所以全新世冰川變化的重建還需繼續(xù)深入研究。

圖3 全新世冰川活動變化:(a) Hajeren 湖中干物質(zhì)密度指示冰川變化(Bilt et al.,2015);(b) V?rr Bilt等的記錄,使用標(biāo)準(zhǔn)化的鈦與非相干散射和相干散射之和的比值指示冰川變化(R?the et al.,2018); (c) Okstindan重建冰川(Bakke et al.,2010);(d)冰川推進(jìn)總量(Wanner et al.,2011)

2.1.2影響因素

全新世早期北半球的冰川呈百年尺度的增長與勞倫泰冰蓋的淡水注入有關(guān)(Nesje et al.,2004)。勞倫泰冰蓋融化產(chǎn)生的淡水注入大西洋,導(dǎo)致拉布拉多海的深水流形成減緩,在9～7 ka BP時間內(nèi),大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流和相關(guān)海洋熱輸送減少約30%,伴隨著北大西洋顯著冷卻,導(dǎo)致冰川擴張(Alley andgústsdóttir,2005)。在8 ka BP以后,北半球的冰川活動長期變化趨勢與軌道變化相關(guān),冰川退縮,但沒有達(dá)到現(xiàn)代冰川的規(guī)模(Gayer et al.,2006)。而在4 ka BP以后的冰川擴張與北大西洋冷卻事件基本一致(Solomina,2015),可能是因為北極地區(qū)的海冰擴張導(dǎo)致的溫度的下降導(dǎo)致(Miller et al.,2013)。

全新世早中期建熱帶地區(qū)冰川的活動建模出來的變化與軌道作用力相似,但根據(jù)沉積記錄重建的冰川活動(Rodbell et al.,2008)與模擬記錄相反(Jomelli et al.,2014),與南半球的沉積記錄的重建相似。這種矛盾可能因為熱帶冰川的分辨率低,數(shù)據(jù)少導(dǎo)致。此外,在3 ka BP,有沉積記錄顯示在南喬治半島地區(qū)的冰川在溫暖時期也顯示擴張的趨勢(Bentley et al.,2007),這種現(xiàn)象的發(fā)生機制還不明確,是否與冰川活動的定年問題有關(guān)還需要進(jìn)一步研究。

2.1.3影響機制

Denton等(1973)很早提出,全新世的冰川波動在百年到千年時間尺度全球同步,這些冰川的消融和擴張對地球氣候的影響有多種解釋機制。冰川反射太陽輻射強度達(dá)65%～80%(汪品先等,2018),即這種反射機制在全新世期間隨冰川面積變化而影響地球氣候。但這種影響機制存在明顯的滯后現(xiàn)象。

而冰川融化的淡水也會導(dǎo)致氣候波動。有人提出,勞倫泰冰蓋在全新世早期消融產(chǎn)生融水,有的暫時儲存在冰原邊緣的冰封湖中,有的沿地表徑流進(jìn)入海洋(Nesje et al.,2004)。水量、流速、地理位置、大陸排水系統(tǒng)的分流與冰山融合相互作用,可能對溫鹽環(huán)流造成影響(Fisher et al.,2002)。而冰蓋融水產(chǎn)生的地表徑流變化,可能是引起全新世早期11～10 ka BP,密西西比河地區(qū)氣候變得干燥寒冷的原因 (Marshall and Clarke,1999)。根據(jù)北大西洋周邊陸地的沉積記錄分析,8.2 ka事件與北美大陸冰蓋消融過程中冰成湖潰決有關(guān)。而淡水徑流改道引起北大西洋洋流及其附近北歐海域的氣候變化,這些氣候突變事件在北歐海域、蘇格蘭和挪威的高分辨全新世早期氣候記錄中被記錄下來,幾乎都在同一時間段發(fā)生(Clark et al.,2001)。

此外,還有人提出這些淡水進(jìn)入海洋之后,通過影響大洋環(huán)流對水汽和熱量的輸送,進(jìn)一步擴大冰川對氣候影響的范圍。如模擬發(fā)現(xiàn)冰川體積輕微變化就能通過調(diào)整北大西洋的熱量分布和海冰面積,誘發(fā)大西洋經(jīng)向環(huán)流模式的突然轉(zhuǎn)變,影響氣候(Zhang Xu et al.,2014),如全新世中晚期約1.5 ka的氣候周期變化與北大西洋冰川消融遙相關(guān)(Büntgen et al.,2016)?，F(xiàn)在還有研究認(rèn)為冰川在消融后,因為負(fù)荷的減小從而導(dǎo)致火山噴發(fā)影響氣候,這部分我們將在火山活動部分展開分析。

2.2 火山活動

火山活動是氣候變化的主要驅(qū)動因素,對地球的氣候變化影響非常重要 (李平原等,2012)。其主要與其他氣候因素和反饋作用等誘發(fā)了全半球百年至千年規(guī)模的變化,在全新世百年至千年尺度的溫度變化方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

2.2.1全新世火山活動

全新世期間火山活動較為頻繁(圖4)(Marcott et al.,2013; Sigl et al.,2015),根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)記載,9～8 ka BP和全新世后期的小冰期時期,有一系列的大型火山爆發(fā) (Kobashi et al.,2017)。尤其8.6～8 ka BP期間,火山活動最為強烈,這一時期也恰恰是勞倫泰冰蓋消融時期,因此提出,8.2 ka降溫事件可能是因為勞倫泰冰蓋的消融加強了火山活動,導(dǎo)致了該時期的溫度下降(Nesje et al.,2004; Kobashi et al.,2017)。而5.5～4 ka BP,幾乎沒有大型的火山活動 (Kobashi et al.,2017)。晚全新世火山爆發(fā)集中時期與氣候冷期的可比的時期主要在3～2 ka BP前后(圖4a、b)。

圖4 全新世火山活動:(a)過去2.5 ka歐洲和北極地區(qū)的夏季溫度重建,并重建了40個最冷的單年和12個最冷的年份(Sigl et al.,2015);(b) 熱帶、北半球和南半球火山爆發(fā)的記錄重建的全球火山氣溶膠強迫(Sigl et al.,2015); (c) 格陵蘭島火山指數(shù),以格林蘭島的火山硫酸鹽濃度(×10-9)指示(Marcott et al.,2013);(d) 南極洲火山指數(shù),以南極洲的火山硫酸鹽通量指示(kg/km2),以100 a為一個檔次(Marcott et al.,2013)。綠色折線代表樹輪記錄,黑色短線代表12個最冷的十年,紅色圓環(huán)代表40個最冷的年,橙色代表熱帶噴發(fā),綠色代表北半球噴發(fā),紫色代表南半球噴發(fā)

2.2.2火山活動影響氣候因素

火山活動對氣候變化的影響受多種因素的制約。首先不同類型的火山噴發(fā)對氣候的影響方式不同,如中酸性普林尼式火山和中小規(guī)模玄武質(zhì)裂隙式噴發(fā)主要造成氣候變冷,引起短期氣候變化;而大火成巖省通過噴發(fā)大量的溫室氣體,導(dǎo)致氣候變暖(郭正府等,2002)。但全新世還沒有發(fā)現(xiàn)大火成巖省的噴發(fā)記錄,主要為中小規(guī)模的火山活動。其次,火山噴發(fā)物質(zhì)要對氣候造成影響,其噴發(fā)量需在至少5 Mt的二氧化硫等氣溶膠注入到平流層中,這些氣溶膠在平流層中彌散數(shù)周,并停留數(shù)年,從而對地表溫度造成顯著的環(huán)境效應(yīng) (Marshall et al.,2022)。

此外,還有研究發(fā)現(xiàn),火山所處的地理位置不同和噴發(fā)季節(jié)不同也會造成不同氣候的變化。高緯度地區(qū)的火山活動影響范圍相對較小,但是,高緯度地區(qū)的平流層底界更低,因此火山噴發(fā)物質(zhì)更容易到達(dá)平流層。而低緯度地區(qū)的火山則能向兩個半球擴散,影響范圍更廣(Toohey et al.,2019)。季節(jié)上,研究這發(fā)現(xiàn)公元946年長白山的一次大噴發(fā),雖然其規(guī)模達(dá)到7級,二氧化硫含量高達(dá)45 Mt (Iacovino et al.,2016),但因其所噴發(fā)的季節(jié)所處冬季,所以影響不明顯,因此有學(xué)者提出冬季火山噴發(fā)的影響要比夏季噴發(fā)小(Kravitz and Robock,2011)。

而除了上訴提到的火山內(nèi)部的影響因素對氣候的影響外,現(xiàn)在還有研究認(rèn)為,火山地區(qū)的上覆負(fù)荷減小,會促進(jìn)火山的噴發(fā)從而影響氣候。在冰島(Licciardi et al.,2007)、法國和德國(David et al.,2006)、美國西部(Bacon and Lanphere,2006)和智利(Gardeweg et al.,1998)等地,冰山退縮與火山活動增加相一致。而全新世早中期火山活動增加的區(qū)域幾乎都是冰山消融區(qū)域,因此推測是冰蓋消融引起的地幔減壓而導(dǎo)致的巖漿生產(chǎn)的增加,從而對氣候產(chǎn)生造成影響(Huybers and Langmuir,2009)。

總體而言,火山活動影響氣候變化的因素很多,但重建全新世的火山活動困難,因此,從全新世整體考慮火山活動如何影響了氣候變化還需要繼續(xù)研究。

2.2.3影響機制

在格陵蘭的溫度重建中發(fā)現(xiàn)千百年時間尺度的溫度下降、極地大氣環(huán)流增強和亞洲季風(fēng)活動的減弱等現(xiàn)象,與火山活動造成的千百年尺度的寒冷期一致(Kobashi et al.,2017)。在后期的氣候模擬中發(fā)現(xiàn),北半球地表溫度千年尺度的氣候變率與火山影響指數(shù)高度相關(guān),超過80%的北半球氣候變率可以用火山強迫來解釋(Kobashi et al.,2017)。1991年皮納圖博火山向大氣中注入了約1.7×107二氧化硫,在地表輻射強度降低了約4W/m2,導(dǎo)致地表溫度降低了約0.5 ℃(Hansen et al.,1992)。而13～7 ka BP之間估計火山活動對大氣中CO2的上升有約40 ppmv的貢獻(xiàn),導(dǎo)致輻射強迫的增加約1 W/m2(Huybers and Langmuir,2009)?；鹕降腃O2作用力看似可以抵消每四年一次的類似皮納圖博的火山爆發(fā),但實際上大氣的CO2不只是火山產(chǎn)生,體積分?jǐn)?shù)40×10-6左右的CO2可能是海洋、生物等其他作用力產(chǎn)生的,還尚不明確全新世噴發(fā)產(chǎn)生的溫室氣體含量。像皮納圖博這樣的大型噴發(fā)在全新世晚期大約每百年發(fā)生一次(Huybers and Langmuir,2009),但地球氣候受到這些因素的影響一般8～10 a就可以恢復(fù)了(萬凌峰等,2020),而為什么火山活動能夠造成千百年尺度的增溫或降溫呢?

有氣候模擬實驗發(fā)現(xiàn)如果每 10 a左右的時間發(fā)生一定規(guī)模的火山爆發(fā),那么對地球可能造成百年或者千年尺度的降溫(萬凌峰等,2020)。此外地球內(nèi)部的反饋作用還可以保存火山爆發(fā)對氣候的影響,如火山活動產(chǎn)生了突然的夏季冷卻,而這種降溫可以通過海冰/海洋反饋來維持(Miller et al.,2012),誘發(fā)北半球十年到百年的冷卻(如小冰期)(Miller et al.,2012; Sigl et al.,2015)。Buntgen等(2016)通過研究公元536a、540a,547a這三年連續(xù)持續(xù)火山噴發(fā),發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)致夏季和冬季溫度變的更冷,高緯度地區(qū)海冰迅速擴張從而延長了冬季長度,導(dǎo)致1.4 ka冷事件發(fā)生。但晚全新世期間溫度下降,雖然被認(rèn)為是由于軌道強迫引起,但發(fā)現(xiàn)43%由軌道引起的冷卻被不斷增加的溫室氣體強迫補償(Kobashi et al.,2017)。但模擬發(fā)現(xiàn)全新世中晚期間火山活動相對減少,CO2的排放減少,這些多出來的溫室氣體來源需要進(jìn)一步研究。

2.3 環(huán)流系統(tǒng)

2.3.1地球環(huán)流系統(tǒng)

占據(jù)地球表面71%的面積的海洋,在地球氣候調(diào)節(jié)方面扮演著非常重要的角色?，F(xiàn)代測試發(fā)現(xiàn),中高緯度的80%～90%的熱量需要大氣和海洋來傳輸(Trenberth et al.,2001),長時間尺度的熱量需要海洋環(huán)流來輸送與分配(汪品先等,2018)。其主要由海水密度(溫度和鹽度的函數(shù))和風(fēng)卷應(yīng)力控制,風(fēng)力驅(qū)動上層的洋流,而溫度、鹽度和潮汐作用等驅(qū)動深層洋流(汪品先等,2018)。

2.3.2影響機制

世界大洋的深層水團(tuán)主要存在于北大西洋和南極兩個地區(qū),兩者在不同的地質(zhì)時期其通量不同。當(dāng)?shù)⑷霑r,表層海水鹽度降低導(dǎo)致海水分層,使得深層水的形成減少,引起大西洋翻轉(zhuǎn)流減弱甚至停閉,讓低緯度向高緯度輸送熱量減少,引起中高緯度地區(qū)氣候變冷(Marshall and Speer,2012)。這種溫度和淡水影響下的大西洋徑向翻轉(zhuǎn)流變化,為千百年尺度的氣候變化提供了良好的解釋(圖5)(Alley andgústsdóttir,2005; Wanner et al.,2011)。如全新世早期勞倫泰冰蓋的融水影響溫鹽環(huán)流,北大西洋深水流與拉布拉多海缺乏深度對流(Renssen et al.,2010),導(dǎo)致了北大西洋地區(qū)氣候變冷,導(dǎo)致“9.3 ka BP”、“8.2 ka BP”等事件的發(fā)生(圖5a,b)(George et al.,1973; Alley andgústsdóttir,2005)。

圖5 環(huán)流與全新世冷事件對比:(a) 委內(nèi)瑞拉近海Cariaco盆地PC56號巖芯8.2 ka BP事件灰階,向上表示顏色較深的沉積物(Alley and gústsdóttir,2005);(b) GISP2巖芯高分辨率δ18O冰芯記錄(Alley and gústsdóttir,2005);(c)全新世冷期總和(Wanner et al.,2011);(d) 委內(nèi)瑞拉近海Cariaco盆地PC56號巖芯全新世期間的灰階,向上表示顏色較深的沉積物(Alley and gústsdóttir,2005)

但也有學(xué)者認(rèn)為,單靠淡水注入改變海水密度不足以引起深層水團(tuán)的減少,并認(rèn)為海水的推動作用力只能是風(fēng)力和潮汐(Wunsch,2002)。大洋環(huán)流中驅(qū)動力最強的環(huán)南極洋流(Marshall and Speer,2012),由于埃克曼抽吸作用,才是大西洋徑向環(huán)流的驅(qū)動力(Toggweiler and Samuels,1998),而不是北大西洋的溫鹽環(huán)流作為驅(qū)動(Kuhlbrodt et al.,2007)。而大洋環(huán)流除了受到淡水的影響外,在潮汐的周期作用下,也對氣候產(chǎn)生影響。在地中海的花粉記錄與來自摩洛哥、冰島、挪威和以色列的沉積記錄之間對比發(fā)現(xiàn)存在周期為1750 a的氣候波動(Alley andgústsdóttir,2005)。這種周期與潮汐作用與月球的作用周期1800 a相近,認(rèn)為這種周期性的變化原因是潮汐作用導(dǎo)致深層流的內(nèi)部振蕩產(chǎn)生,與北大西洋表層海洋環(huán)流動力學(xué)密切相關(guān)。除此之外,Hoogakke等(2011)利用大西洋盆地的有孔蟲氧同位素重建全新世的洋流演化,揭示了洋流變化與氣候變化之間的緊密聯(lián)系。該研究發(fā)現(xiàn),中晚全新世期間,東北大西洋深層水重組并且環(huán)流減弱,這種環(huán)流變化可能與太陽活動存在關(guān)聯(lián)。

盡管影響洋流變化的因素尚待探討,但無疑洋流對氣候的影響已被廣泛證實。因此,今后的研究應(yīng)進(jìn)一步深入研究影響洋流變化的因素,以探討千百年尺度氣候波動的根本原因。

2.4 其他因素

除冰川、火山、環(huán)流等對氣候的影響,溫室氣體對千年尺度的氣候波動同樣有影響。全新世大氣中的溫室氣體含量發(fā)生變化,早全新世CO2含量較低,中晚全新世體積分?jǐn)?shù)增加約20×10-6,工業(yè)革命到現(xiàn)在,其體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)超過417×10-6(Ren Guoyu,2000)。雖然這產(chǎn)生的直接輻射強迫較小(圖6)(Marcott et al.,2013),但通過氣候系統(tǒng)的正反饋作用,已經(jīng)造成全球地表溫度從7 ka BP到現(xiàn)在已經(jīng)動態(tài)升溫0.2～0.8 ℃(Kutzbach et al.,2011; Marcott et al.,2013; Baker et al.,2017)(圖6a、b、c)?？梢哉f溫室氣體是中晚全新世溫度小幅度增加的主要驅(qū)動因素(任國玉等,2021)。但在更細(xì)的尺度上,如百年、十年尺度的氣候波動還不確定溫室氣體的變化到底是氣候的驅(qū)動因素還是響應(yīng)。但隨著工業(yè)革命之后,溫室氣體排放增加,全球大氣、大陸和海洋變暖幾乎是由人類活動導(dǎo)致的。所以未來的氣候變化中,溫室氣體可能是主要驅(qū)動因素。

圖6 溫室氣體強迫與溫度對比(Marcott et al.,2013):(a)30°N～90°N的溫度重建;(b)30°N～30°S的溫度重建;(c)30°S～90°S的溫度重建;(d)全新世溫室氣體強迫

3 全新世氣候突變

隨著高精度全新世氣候變化研究的不斷深入,越來越多的千年和百年尺度上的氣候波動、周期性變化以及氣候事件被揭示 (Denton and Karlén,1973; Wanner et al.,2014; Xu Deke et al.,2014; Yi Liang et al.,2015)。氣候變化的周期性對預(yù)測非常關(guān)鍵,目前認(rèn)為全新世存在各種尺度的氣候周期,但這些周期導(dǎo)致的原因還沒有明確的定論。現(xiàn)在關(guān)于1500 a和500 a的準(zhǔn)周期討論的最多,我們將著重討論它們。

3.1 1500 a準(zhǔn)周期

Bond首次提出全新世突變事件存在周期性,他從北大西洋沉積物中發(fā)現(xiàn)了一個平均1470±500 a的周期 (Bond et al.,2001),并且這種信號已經(jīng)在陸地湖泊、冰心和沙漠等地的氣候記錄中得到了證實。但隨著越來越多的文獻(xiàn)報道,1500 a的氣候突變周期的影響機制還沒有精確的解釋。雖然早期Bond提出1500 a的周期與太陽活動相關(guān),但太陽活動的基本周期為500 a的未命名周期,1000 a的Eddy周期和2300 a的Hallstattzeit周期,所以太陽活動作為該周期的驅(qū)動因子還存在許多爭議?，F(xiàn)在有學(xué)者發(fā)現(xiàn),Bond周期很可能與其他因素有關(guān),例如Debret等(2007)通過小波分析,成功區(qū)分了1000 a和2500 a太陽強迫振蕩以及1500 a海洋強迫振蕩,認(rèn)為1500 a的氣候周期與海洋環(huán)流有關(guān),而不是僅與太陽能輸出的變化有關(guān)。類似的,Soon等(2014)分析了南極冰芯的硝酸鹽濃度重建結(jié)果,發(fā)現(xiàn)北大西洋、西太平洋暖池、南大洋和東亞季風(fēng)區(qū)的變化呈現(xiàn)出2300 a、1000 a和500 a的基本太陽模式,而1500～1800 a周期可能是基本或派生模式的一部分,這表明1500 a的氣候周期很可能不是單一因素驅(qū)動的結(jié)果。此外,Darby等(2012)在北極濤動研究中發(fā)現(xiàn)的1500 a的準(zhǔn)周期信號可能來自于氣候系統(tǒng)內(nèi)部變化或?qū)Φ途暥忍枏娖鹊拈g接響應(yīng)。

總的來說,1500 a周期的影響機制除了考慮多種驅(qū)動因素的影響外,還需考慮到氣候記錄指標(biāo)的樣品問題和實驗方法等影響(Wunsch,2000),還需要繼續(xù)深入研究與探討。

3.2 500 a準(zhǔn)周期

相比之下,500 a的氣候波動周期在氣候記錄中更為明顯和穩(wěn)定。因其與人類活動密切相關(guān),因此引起了廣泛的關(guān)注和研究(Xu Deke et al.,2019; Li Hao et al.,2021)。目前的研究表明,全新世500 a的氣候波動周期與太陽活動存在相關(guān)性,并且這種周期對人類活動有影響。但具體的影響機制還不清楚。因此未來的研究工作需要繼續(xù)深入研究500 a周期的影響機制,有利于人類的生存和發(fā)展。

3.3 全新世突變事件觸發(fā)機制

通過上述對全新世氣候波動的影響因素及周期性的討論,我們對全新世千百年尺度的氣候變化有了全面的認(rèn)識。但對全新世千百年尺度的氣候分析中,除了要判斷氣候波動受何種因素影響外,氣候突變的觸發(fā)機制也是重中之重。分析氣候波動的觸發(fā)以及傳播機理,有助于我們更好的理解氣候波動事件發(fā)生的規(guī)律與機理。

目前關(guān)于全新世氣候突變的觸發(fā)機理的研究主要集中在8.2 ka BP事件與小冰期。其作為全新世最強的一次冷事件,8.2 ka BP事件是劃分早全新世和中全新世的標(biāo)志性事件?，F(xiàn)在主要認(rèn)為 8.2 ka BP突變事件由北美大湖區(qū)勞倫泰冰蓋消融導(dǎo)致 (Johnson and Clure,1976; Clark et al.,2001; Nesje et al.,2004)。當(dāng)勞倫泰冰蓋消融,其融化產(chǎn)生的大量冰川融水注入哈得遜灣,通過哈得遜海峽流入拉布拉多海(Barber et al.,1999)。而因為北大西洋和北冰洋注入的淡水流量增加,北大西洋西北底水流速減弱,再加上太陽活動活動的減弱,從而導(dǎo)致了該事件的發(fā)生(Kleiven et al.,2008; 王紹武,2008)。

相較之下,據(jù)現(xiàn)在最近的一次大幅度降溫——小冰期的觸發(fā)機制更清晰。目前主流觀點認(rèn)為,火山活動觸發(fā)了小冰期的降溫。雖然火山活動導(dǎo)致的降溫最多持續(xù)十年,但這種降溫會被北半球海洋大氣海冰的反饋所放大,即溫度的下降引發(fā)了海冰反饋,導(dǎo)致了大西洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流的減弱,進(jìn)而導(dǎo)致了長時間的降溫 (Miller et al.,2012; Bradley et al.,2016)。Wanner等(2022)通過分析模擬顯示出,小冰期的開始發(fā)生冰川前進(jìn)的初步階段,是受到1200 a BP和1260 a BP前后兩組火山事件的顯著影響,而小冰期的結(jié)束是在19世紀(jì)中期以后開始的。由于火山活動減少和太陽輻照度增加,出現(xiàn)了變暖。此外,冬季冰川的質(zhì)量增加減少,溫室氣體的濃度也略有增加(Sigl et al.,2015; Toohey and Sigl,2017)。

相較8.2 ka BP與小冰期的研究,與眾多社會文明演化相關(guān)的4.2 ka BP事件的觸發(fā)機制還不明確。4 ka BP以后太陽活動開始增加,但作為一次明顯的冷事件,觸發(fā)及影響該事件的因素應(yīng)該考慮除太陽活動以外的因素。但當(dāng)時火山活動的頻率并不高,且在這時期也不存在大型冰蓋消融,所以對該事件的觸發(fā)機制,還需要繼續(xù)深入研究。

通過以上討論較多的突變事件的觸發(fā)機制分析,我們不難看出這些突變事件的發(fā)生與地球內(nèi)部驅(qū)動因素密切相關(guān),如火山噴發(fā)和冰蓋消融等。為了全面理解突變事件的空間特征,分析突變事件的起源和演化規(guī)律,在以后的研究工作中,我們需要結(jié)合數(shù)值模擬實驗分析出這些驅(qū)動因素與氣候變化的因果關(guān)系,從而正確理解突變事件的觸發(fā)與結(jié)束。

4 總結(jié)

全新世千百年尺度的氣候突變的發(fā)生受到多方面的因素影響,不同事件可能主導(dǎo)因素不同,也可能是多種因素疊加作用的結(jié)果。在千年尺度上,大洋溫鹽環(huán)流、軌道變化和潮汐作用可能是氣候突變的重要因素; 在百年時間尺度上,太陽活動、火山活動、海洋環(huán)流可能控制著全球氣候變化和變率步調(diào)。在過去一萬多年,這些驅(qū)動力和內(nèi)部相互作用機制在不同階段不同程度影響氣候波動,明確這些驅(qū)動力對氣候的影響機制,對揭示目前全球變暖的原因,以及理解導(dǎo)致的現(xiàn)今越來越多的氣候突發(fā)事件,具有非常重要的科學(xué)意義。未來的氣候如何變化,將以何種趨勢變化,會受到什么因素的影響,與人類的生存于發(fā)展都有著密切聯(lián)系。正確認(rèn)識地球氣候系統(tǒng)運行機制和預(yù)估未來氣候變化趨勢,有利于人類越來發(fā)展。