工业革命以来全球变暖正深刻影响地球环境和人类社会的可持续发展。由于器测记录时长的有限性，无法全面获取地球气候系统的变化规律，因此利用地质记录延长气候变化历史，结合气候模式模拟，对全面认识地球气候系统演变的规律及其机制、气候模式评估和未来气候预测至关重要。
目前，地质记录重建和古气候模拟的全新世（～11.7 ka BP以来）全球年均温度变化存在显著差异（Liu et al., 2014）。已有重建表明，年均温在距今～10-6 ka BP最暖（“全新世大暖期”），之后逐步变冷，工业革命以来的全球变暖逆转了变冷的趋势（Marcott et al., 2013；Kaufman et al., 2020；Zhang et al., 2022）；而古气候模拟则显示，年均温呈现全新世的整体增温趋势，现代全球变暖是增温的延续（Liu et al., 2014; Bova et al., 2021; Osman et al., 2021）。上述温度变化的巨大差异，对过去气候重建和模式模拟的准确性提出了挑战，被称为“全新世温度谜题（Holocene temperature conundrum）”（Liu et al., 2014），阻碍了我们对全新世温度变化真实场景及其驱动机制的认识，成为古气候学界研究的焦点问题之一。
导致上述差异的原因在于：一方面，可能与气候代用指标的季节性偏差有关（Bova et al., 2021），由于多数生物生长偏向夏季，可能导致生物指标更多反映夏季温度变化信息；但到目前，缺乏可靠的、大区域尺度的季节性温度证据。另一方面，可能与气候模式的模拟偏差有关，尽管在短时间尺度上气候模式能较好地模拟当前的温度变化，但是在更长的轨道时间尺度上，地球气候系统如何响应季节性太阳辐射、大气CO2和冰量等驱动因子变化，亟待开展深入的研究。
中国科学院地质与地球物理研究所郭正堂院士研究团队的张文超博士后与合作导师吴海斌研究员，以及于严严副研究员、李琴博士后和耿珺琰博士生，联合南京信息工程大学程军教授、南京大学鹿化煜教授和中科院青藏高原研究所的孙咏副研究员，基于覆盖北半球高质量的1310条孢粉记录（图1），利用现代类比法、转换函数和增强回归树模型三种方法，定量重建了北半球陆地全新世年均温和季节性温度的变化历史，并与古气候模式瞬变模拟结果（TraCE-21ka）进行了系统对比。
图1 北半球全新世孢粉序列和表土孢粉点位空间分布。（a-c）分别为通过显著性检验的年均温、夏季温度和冬季温度重建点位，图中灰色的点为未通过显著性检验的孢粉样点；（d）表土孢粉样点分布
重建结果显示，整体而言，北半球年均温、夏季和冬季温度均呈现早-中全新世快速升温和中-晚全新世缓慢降温的特征，季节性温度变化趋势具有同步性，中全新世（～7 ka BP）是北半球最温暖的时期（图2）。研究还发现，温度变化具有显著的空间差异，早-中全新世升温趋势主要发生在北美东部、欧洲和亚洲北部；而中-晚全新世降温较为普遍，仅在亚洲北部和北美东南部呈全新世长期变暖的趋势（图3和图4）。
重建结果与TraCE-21ka瞬变模拟结果对比进一步表明，气候模式能较好地模拟北半球早-中全新世年均温和季节性温度的升温趋势（图2和图3），这一趋势主要归因于北半球大陆冰盖消融（图5）；模式也能较好地模拟夏季温度在中-晚全新世的降温趋势（图2和图4），揭示出夏季太阳辐射是其控制因素（图5）；但目前气候模式无法准确重现年均温和冬季温度在中-晚全新世的降温趋势（图2和图4）。
图2 北半球全新世温度变化重建结果及其与气候模式模拟结果（TraCE-21ka）的对比。（a）年均温；（b）夏季温度；（c）冬季温度；（d）温度的季节性变化（即夏季与冬季温度的差值）
图3 EOF分析揭示的早-中全新世（11-7 ka BP）温度变化空间格局。（a、d、g）分别为重建的年均、夏季和冬季温度空间格局；（b、e、h）分别为模拟的年均、夏季和冬季温度空间格局；（c、f、i）分别为对应的年均、夏季和冬季温度PC1时间序列。重建的年均、夏季和冬季温度PC1的方差解释量分别为58%、52%和58%，而模拟的方差解释量分别为92%、76%和92%
图4 EOF分析揭示的中-晚全新世（7-0 ka BP）温度变化空间格局。（a-i）同图3。重建的年均、夏季和冬季温度PC1的方差解释量分别为36%、31%和42%，而模拟的方差解释量分别为47%、86%和66%
图5 气候模式单强迫模拟试验（TraCE-21ka）中不同气候因子对全新世温度变化的贡献。（a）年均温；（b）夏季温度；（c）冬季温度；（d）温度的季节性变化。ORB：地球轨道参数（太阳辐射）；ICE：冰盖；GHG：大气温室气体浓度；MWF：淡水注入；ALL：全强迫模拟；Reconst.：本次重建结果；Insolation：太阳辐射变化
该项研究从季节性和空间格局的角度，指出重建指标的季节性偏差不是“全新世温度谜题”的主要原因。重建结果支持北半球夏季太阳辐射可能通过植被、海冰等多种气候系统反馈过程，跨季节影响冬季和年均温度变化，而目前的气候模式可能低估了这一影响，增加了对未来气候预测的不确定性，亟需加强对气候系统反馈过程及其机理的研究。
研究成果发表于国际学术期刊Nature Communications（张文超，吴海斌*，程军*，耿珺琰，李琴，孙咏，于严严，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）。研究受国家重点研发计划（2020YFA0607700，2016YFA0600504）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB26000000）和国家自然科学基金（41888101，42177180，41807424，41572165，41690114）等多个项目联合资助。
