旺罗等从大融水事件极冷到Blling井喷式增温

　　在全球转暖冰盖融化的末次冰消期，在距今1.46万年前后发生了一次井喷式增温事件，为末次冰消期内幅度最大的增温突变事件，称为Bølling增温事件。在该增温事件前后，还发生了一次大融水事件（MWP-1A），导致导致海平面上升20米。近年随着定年精度的提高，数据显示大融水事件几乎与Bølling增温事件是同步的，而不是与新仙女木和老仙女木降温事件同步（图1）。这就产生了一个无法调和的悖论：大幅增温确实应该引发北极冰盖融化，并形成大量淡水，但是这些淡水注入北大西洋可能会阻断向北输送热量的大洋环流，进而导致北半球大幅度降温，这又与Bølling大幅增温事件是矛盾的。如何协调大融水事件与Bølling井喷式增温同步这一矛盾吸引了许多古气候学家的关注，不断提出新的解释。
　　图1 冰芯氧同位素记录的末次冰消期气候变化（MWP-A：大融水事件，Bølling：Bølling井喷式增温事件）
　　为解决这一悖论，Weaver等率先提出MWP-1A融水的主要来源地是南极冰盖而不是北极冰盖的假说，并且认为南极冰融水通过南极中层水向北半球扩展，淡化北大西洋次表层水，导致上覆已经积累上千年的高密度水（高盐度）失去浮力而下沉，使北大西洋深层流加强，使几乎关闭的大洋经向环流迅速恢复，表层水向北输送热量，导致Bølling期井喷式增温。但是，大量的模型估算和地质记录均证明，北极冰盖也是MWP-1A融水的重要来源之一，可能占比更高，而并不都来自南极冰盖。
　　也有学者提出路径假说，认为虽然冰融水主要来自北极冰盖，但是融水入海的路径可能不在关键地区，融水无法有效淡化北大西洋表层水并阻断或减弱大洋环流，因此没有发生降温事件。然而，模拟结果显示，无论如何改变路径，大融水事件都可能导致北半球大幅度降温。最新地质记录显示，离北大西洋北部（海水下沉深层流启动区）最近的挪威冰盖可能是在Bølling期前后融化消失的，该区冰盖的融化很有可能会影响北大西洋深层流的运行。这样，大融水事件和Bølling暖期的矛盾更加凸显。
　　在专门揭示Bølling期井喷式增温的原因中，主要的工作集中在模拟实验的研究中。结果大致可以分为线性和非线性两类假说。线性假说认为，Bølling增温是大洋环流对冰盖突然停止向北大西洋排放淡水的一种瞬时响应。遗憾的是，该假说没能找到停止淡水排放的机制。非线性假说认为，大洋环流的恢复可能通过太阳辐射和二氧化碳浓度的持续增加、以及大洋环流关闭导致的北大西洋南部海水温度和盐度的长期积累的共同作用下，超过临界值，导致大洋环流突然非线性恢复运行。可以看出，线性假说无法解释什么机制导致淡水排放停止，而非线性假说发现大幅度增温可能是随机的，无法解释为什么发生在1.46ka，并且没有考虑大量淡水注入（MWP-1A）可能导致的降温。
　　要解决上述悖论的关键在于，确认是否有与大融水事件对应的冷事件，以及冷事件与Bølling的先后顺序。这是因为，大融水事件持续时间很短，已有的高分辨率气候曲线都无法识别出大融水事件，而且现有定年手段精度无法确定大融水事件(由低纬珊瑚指示的高海平面确定)和Bølling增温的先后顺序。取得突破的关键在于，寻找同时有与大融水相关的事件和Bølling增温事件的气候记录，在此基础上开展机制研究。由于突变事件的降温主要发生在冬季，寻找冬季温度的古气候代用指标记录就成为首先需要突破的环节。
　　广东湖光岩玛珥湖的沉积记录为探讨上述科学问题提供了可能。该湖泊的冬季温度受高纬度由北向南传输的冬季风控制（Wang et al., 2008; Wang et al., 2012）。连续多年的监测记录显示，湖光岩玛珥湖Aulacoseira spp属硅藻，具有只在该湖冬季生长的特点，具有记录冬季温度的潜力（Wang et al., 2008; Wang et al., 2012）。同时，该湖泊的沉积记录具有足够高分辨率（要确保生物手段重建结果的可靠性，难点在于要保证现代和地质记录中的生物种类一致性。冰消期湖光岩沉积物中喜暖的Aulacoseir granulata （AG）和喜冷的Aulacoseir ambigua（AA）共存，是常见优势种（Wang et al., 2008; Wang et al., 2012）。但是，现代湖水的温度比冰期和冰消期明显偏高，不适合喜冷的AA生长，现代湖光岩中AA种很少。因此，无法利用湖光岩玛珥湖现代硅藻建立硅藻－温度转换函数，只能通过在更高的海拔或纬度地区寻找有同样属种的湖泊来建立转换函数。
　　研究团队通过多年努力，在云南和福建高山地区都发现两个适合重建转换函数的湖泊，即云南的云龙天池和福建的斗湖。详细调查发现，云龙天池中这两个种（AG，AA）共存，并且是该湖的主要硅藻种类（Zou et al., 2018）。通过连续两年的监测，发现冬季温度是控制这两个种含量变化主要因素（Zou et al., 2018）。斗湖连续两年的监测显示类似的规律（Wang et al., 2022a）。在上述现代过程研究的基础上，建立了硅藻－温度转换函数（图2），并且通过了湖光岩现代样品的检测（Wang et al., 2022b；图3）。因此，利用该转换函数重建了湖光岩末次冰消期冬季温度的变化历史（图4）。
　　图2 云龙天池硅藻比值（AG/AA）与温度的关系。图中显示温度是控制硅藻丰度变化的主控因素，可以建立硅藻-温度转换函数
　　湖光岩重建结果表明，在14.8ka前后发生了一次极冷事件，降温幅度可达6°C（图3），且恰好发生在Bølling极速增温之前。在定年误差范围内，可以判定该事件是对大融水事件的响应（Wang et al., 2022b），将其命名为大融水冷事件（MCE）（Wang et al., 2022b）。这是首次在同一地质记录中，识别出大融水事件引发的降温事件和Bølling增温的先后顺序。在此基础上，研究团队进一步提出了两个事件的关联机制：该极冷事件（MCE）导致北极地区降温，阻止北半球冰盖的继续融化，从而导致冰盖融水进入北大西洋的淡水停止。淡水大幅减少或停止，联合太阳辐射和CO2等外强迫的作用，促使北大西洋经向环流迅速恢复，最终导致Bølling井喷式增温（Wang et al., 2022b）。该项研究成果很好地调和了大融水事件与Bølling之间矛盾，也为北半球快速增温机制提供了新观点和关键证据。
　　图3 湖光岩玛珥湖硅藻重建的末次冰消期冬季温度变化历史（H：全新世，YD：新仙女木降温事件，BA：Bølling-Allerød增温事件，MCE：大融水降温事件，H1：哈因里奇降温事件）
　　研究成果分别发表于国际学术期刊Paleoceanography and Paleoclimatology和Diatom Research。研究得到国家自然科学重点基金(41931181)、国家自然科学基金(4227108)、国家重点研发计划(2017YFA0603400)，中科院重点专项B (XDB26000000) 的支持。1. Wang L, Hao Q, Zhang D, et al. Meltwater Pulse1A Triggered an Extreme Cooling Event: Evidence from southern China[J].Paleoceanography and Paleoclimatology, 2022, 37(12): e2022PA004426. DOI: 10.1029/2022PA004426.
　　2. Wang J, Li J, Cao Q, et al. Seasonal variations of diatoms in a low-latitude mountain lake: a case study from Douhu lake-Southeast China[J]. Diatom Research, 2022, 37(2): 165-178. DOI: 10.1080/0269249X.2022.2091664.
　　美编：陈菲菲
　　校对：万鹏（地质地球所）