末次冰盛期（LGM，末次冰期最寒冷的数千年间隔，26.5-19.0 ka B.P.）全球变冷的幅度是评估气候敏感性的一个重要约束因子。LGM期间，冰芯为高纬度地区提供了可靠的温度记录；但是在低纬度地区，不同代用指标的温度重建结果存在较大分歧，且大陆上低海拔地区定量记录很少。为了填补这一空白，可以依据惰性气体溶解度随温度变化的直接物理关系，利用古地下水中惰性气体溶解度来恢复过去时期地表温度。由于惰性气体不易受生物和化学过程影响，且全球普遍存在LGM时期的地下水，因此被认为是反演LGM时期古温度的合适指标（图1）。尽管之前已有独立的地下水惰性气体研究发现LGM期存在热带降温事件，但是它们未统一惰性气体的建模方法且研究覆盖范围有限。
图1 惰性气体来源及古温度计原理概述（Seltzer et al., 2021）。一般认为，地下水中惰性气体主要来自于两部分：一是大气圈或包气带中，即从大气经过包气带向下入渗过程中携带的部分，在其进入地下水之前已达到溶解平衡，且进入地下水后不发生衰减；二是地下水中存在的过量空气，即潜水位波动或地下水快速补给时，静水压力增大导致地下水捕获的部分空气气泡。左图：地下水位处土壤空气平衡溶解以及过量空气捕获（左下阶段1-2）及静水压力下部分捕获空气溶解（阶段2-3）；右上图：大气气体经过包气带土壤孔隙并在地下水位处溶解，地下水位通常位于土壤温度与年均地表温度（黑色虚线）靠近的最小深度以下位置；右下图：惰性气体溶解度与温度函数关系图
基于以上问题，美国霍尔伍兹海洋研究所海洋化学和地球化学实验室Alan M. Seltzer等人，将全球六大洲40年以来的地下水惰性气体数据与新测量的热带地区地下水惰性气体数据相结合，生成了LGM时期惰性气体温度（NGTs）全球综合记录；通过对晚全新世年轻地下水（补给年龄≤5 ka）的NGTs和现代年均地表温度（MAST，温度范围在2–33 ℃之间）的观测结果进行对比（图2），评估了NGTs的准确性以及常用于将惰性气体含量转换为温度的各种模型的适用性。研究发现，封闭系统平衡模型在精确度和拟合度方面明显优于其他模型，因此采用该模型，并结合LGM时期地下水惰性气体数据重建了LGM时期中低纬度地区大陆地表的温度。
图2 年轻地下水惰性气体温度可准确记录现代温度图（Seltzer et al., 2021）
LGM降温（ΔTLGM）被定义为从LGM时期地下水惰性气体温度减去晚全新世年轻地下水惰性气体加权平均温度。研究结果表明，在低、中纬度（45°S和35°N之间）地下水惰性气体记录中，LGM期地表降温估算达5.8±0.6 ℃（平均95%置信区间），结果具有显著的一致性（图3b）。另外，研究还发现LGM期间陆-海降温存在明显差异。来自以往基于不同数据集、不同方法所获得的LGM时期海面降温的区域平均值（如：CLIMAP项目：0.93 ℃、基于MARGO全球海面温度模型-数据混合重建：2.0 ℃)、数据同化重建：3.75 ℃），都低于本研究中对大陆降温的估算（图3a）。因此，将惰性气体纳入到未来模型-数据同化研究，可从大气动力学角度为LGM期间海陆差异降温提供新的认识。
图3 惰性气体表明大陆上低海拔、低纬度LGM时期降温大约为6 ℃（Seltzer et al., 2021）。(a) 惰性气体温度重建ΔTLGM（本研究）与前人研究比较，在45°S和35°N之间，大陆地表降温平均值为5.8±0.6 ℃；(b) 全球地下水惰性气体温度重建ΔTLGM
同时，本研究认为当大气CO2每增加1倍时，平衡气候敏感度（ECS）预估为3.4 ℃，显著高于以往评估结果。这不仅为最近基于代用指标和模型的ECS估计提供了大陆代用指标的支持，也强调了未来惰性气体古气候恢复的重要性，从而更好地评价区域水文气候对当前和未来气候变化敏感性的影响。
主要参考文献
Seltzer A M, Ng J, Aeschbach W, et al. Widespread six degrees Celsius cooling on land during the Last Glacial Maximum[J]. Nature, 2021, 593(7858): 228-232.（原文链接）
（撰稿：张芬，黄天明/页岩气与工程室）
