太阳辐射变化是过去气候变化的主要驱动因素，夏季65°N太阳辐射的变化能够影响北极冰盖的进退， 从而控制全球气候的变化^[1～5]。此外，地球气候系统的复杂反馈机制可以显著地影响地球的辐射平衡，放大（正反馈）或者缩小（负反馈）太阳辐射的强迫效应^{[6, 7]}。其中，海洋反馈过程对气候变化有非常重要的影响，例如北大西洋冷事件， 是全新世气候突变形成的直接原因^[8～10]。因此，研究全新世北大西洋的海温变化对理解全新世气候变化有非常重要的作用。

现代海温资料可以通过船舶、 浮标、 卫星等多种手段观测获得，距今已有350多年历史，为研究现代海洋和大气变化提供了非常重要的数据^[11]。但对于研究过去更长时间尺度的气候变化，例如全新世1万年以来的气候变化，这些海温观测记录还远远不够，因此需要利用海洋沉积物中一些替代性指标来重建过去的海温变化^{[12, 13]}。海洋沉积物中浮游植物的长链烯酮不饱和度、 浮游有孔虫壳体的镁钙比值（Mg/Ca）与海水温度密切相关，被广泛用来重建古海温^[14～20]。长链烯酮不饱和度是存在于沉积物中两种碳链长度均为37的长链烯酮（分别有2个和3个不饱和键）的相对丰度比（U₃₇^K′）。U₃₇^K′不受海水盐度、 碳酸盐溶解作用和沉积过程地质作用的影响，同时又与表层海水温度存在良好的线性关系，因而被广泛用于定量化重建古海洋表层海水温度（Sea Surface Temperature，简称SST）^{[13, 21, 22]}，但U₃₇^K′反映的是哪个季节的SST却很不明确^{[14, 23]}。有孔虫壳体的Mg/Ca比值受到周围环境参数的影响，当海水温度升高时更多的Mg会置换碳酸盐中的Ca，使得Mg/Ca比值增加， 所以有孔虫壳体的Mg/Ca比值可以反演海水温度^[24～26]。但Mg/Ca比值还受到诸如有孔虫属种、 有孔虫繁殖季节性、 个体发育及大小、 壳体沉积过程中的溶解作用和海水盐度等的影响，使得利用Mg/Ca比反演的SST的准确性和季节指示意义都受到影响^{[25, 26]}。目前已有大量利用这两个指标重建的古SST记录，并且其中大部分记录被集成到GHOST（global database for alkenone-derived Holocene SST records）数据库^[27]和扩展的GHOST数据库（增加了Mg/Ca记录）^[14]，这进一步促进了人们对全新世全球和区域气候变化的理解。

不同代用记录重建的古海洋SST在一些区域里存在着一些矛盾和问题。例如，在北大西洋地区利用长链烯酮和Mg/Ca重建的古海洋SST在全新世期间呈现完全相反的变化趋势^{[14, 23, 28]}； 利用长链烯酮重建的SST在低纬和中高纬地区也呈现完全相反的趋势^[14]。这种相反的SST变化趋势与轨道参数改变引起的最大太阳辐射季节变化有关，因为太阳辐射季节变化可引起海水状态（如SST）的季节变化， 进而能够显著地改变浮游植物和浮游有孔虫的生长季节^{[14, 28～30]}。因此一种SST代用指标在不同海域可能指示不同季节的海水温度，而同一海域里的不同SST代用指标也反映不同季节的海水温度，即代用指标本身对海水状况非常敏感，利用它们重建的SST具有很大的不确定性^{[31, 32]}。因此，充分认识代用指标的指示意义对于我们全面理解全新世北大西洋SST变化非常重要。 气候模式模拟结果与代用记录的对比可以有效减少地质记录指示意义的不确定性^{[28～30, 33～36]}。

本文根据一个全球大气-海洋-海冰耦合气候模式对全新世气候的模拟结果及其与古气候代用记录的对比，分析全新世北大西洋表层海温变化趋势及其可能的影响因素。

为反映全新世北大西洋SST的变化，我们选用GHOST扩展数据库^[14]中覆盖全新世大部分时段范围的39个海洋沉积记录（表 1）， 其中27个是根据长链烯酮不饱和度指标的重建^[37～58]， 其余12个是根据Mg/Ca的重建^{[42, 59～68]}。

表 1(Table 1)

表 1 全新世北大西洋SST代用记录介绍 Table 1 Summary for proxy records of North Atlantic SSTs used in this study ID 钻孔名称 纬度/°N 经度/°E 代用指标类型 线性趋势/℃（9.5ka）-1 参考文献 a1 JR51-GC35 66.999 -17.961 Alkenone -1.7 [37] a2 MD95-2015 58.762 -25.958 Alkenone -1.5 [38] a3 OCE326-GGC26 43.483 -54.867 Alkenone -7.9 [39] a4 OCE326-GGC30 43.882 -62.8 Alkenone -6.8 [39] a5 CH07-98-GGC19 36.867 -74.567 Alkenone -3.8 [39] a6 ODP1002C 10.7122 -65.1697 Alkenone 0.7 [40] a7 M35003-4 12.09 -61.25 Alkenone 1.1 [41] a8 GeoB4905-4 2.5 9.39 Alkenone 1.5 [42] a9 BOFS31 1K 18.9979 -20.1621 Alkenone -0.5 [43] a10 GeoB7926-2 20.2133 -18.4517 Alkenone -0.4 [44] a11 ODP658C 20.7492 -18.5808 Alkenone -0.7 [43] a12 GeoB6007-2 30.85 -10.2683 Alkenone -1.6 [45] a13 MD01-2443 37.881 -10.176 Alkenone -1.0 [46] a14 MD95-2042 37.799833 -10.1665 Alkenone -1.5 [47] a15 SU81-18 37.767 -10.183 Alkenone -1.0 [48] a16 D13882 38.6345 -9.4542 Alkenone -3.2 [49] a17 GeoB5901-2 36.38 -7.07133 Alkenone -1.2 [50] a18 M39008-3 36.38 -7.071667 Alkenone -1.5 [51] a19 MD95-2043 36.143333 -2.621167 Alkenone -0.8 [52] a20 ODP977 36.0317 -1.955283 Alkenone -1.0 [52] a21 M40-4-SL87 38.988 4.023 Alkenone -0.1 [54] a22 M40-4-SL78 37.036667 13.189667 Alkenone -3.4 [55] a23 BS79-38 38.412 13.577 Alkenone -2.9 [51] a24 BS79-33 38.262 14.03 Alkenone -2.3 [51] a25 RL11 36.746 17.7175 Alkenone 2.0 [56] a26 IOW225517 57.667 7.091 Alkenone -3.2 [57] a27 MD95-2011 66.96966 7.63933 Alkenone -2.2 [58] b1 RAPID-12-1K 62.09 -17.82 Mg/Ca 0.7 [59] b2 ODP984 61.425317 -24.08242 Mg/Ca 1.4 [60] b3 MD99-2251 57.447833 -27.90783 Mg/Ca 1.2 [61] b4 OCE326-GGC26 43.483 -54.867 Mg/Ca -0.9 [62] b5 MD02-2575 29.0017 -87.1188 Mg/Ca -2.0 [63] b6 ODP999 12.75 -78.733 Mg/Ca 0.9 [64] b7 VM28-122 11.567 -78.417 Mg/Ca 0 [64] b8 PL07-39PC 10.7 -65.942 Mg/Ca -0.2 [65] b9 MD03-2707 2.502 9.395 Mg/Ca -1.7 [66] b10 GeoB4905-4 2.5 9.39 Mg/Ca -0.8 [42] b11 BOFS31_1K 18.9979 -20.1621 Mg/Ca -0.4 [67] b12 MD99-2334 37.801167 -10.17133 Mg/Ca 4.0 [68]

表 1 全新世北大西洋SST代用记录介绍 Table 1 Summary for proxy records of North Atlantic SSTs used in this study

气候数值模拟与重建结果的对比是减少重建结果不确定性的重要方法。 本文利用一个全球大气-海洋-海冰耦合的气候模式（Kiel Climate Model，简称KCM）对全新世（9.5～0ka B.P. ）气候进行模拟^{[69, 70]}。KCM模式^[71]利用ECHAM5模式^[72]作为大气模块，通过OASIS3耦合器^[73]与海洋-海冰耦合模式NEMO^[74]进行耦合。大气模式水平分辨率为T31（3.75°×3.75°），垂直分层共19层； 海洋模式水平分辨率是基于2°的墨卡托网格，赤道地区经向采用 0.5°的加密网格，平均分辨率为 1.3°×1.3°。

KCM模式对全新世的模拟包括早全新世（9.5ka B.P.，即H9K）的平衡态模拟和全新世整个时段（9.5～0ka B.P. ）的瞬变模拟（HT）。轨道参数改变引起的太阳辐射变化是全新世气候变化的主要强迫因子^[1]，其他强迫因子（例如大陆冰盖和温室气体浓度）虽然对全新世气候变化有重要影响，但相对于太阳辐射强迫，这些因子的强迫作用非常小^[29]，因此，本文的数值模拟只考虑轨道参数改变^[75]引起的太阳辐射变化（图 1）的影响。轨道参数数据来源于ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/paleo/insolation/orbit91，并均匀地插值到模拟的各个时间点（插值程序在http://www.astr.ucl.ac.be/index.php？page=AstronomicalInsolationForcing中下载）。首先，对9.5ka B.P. 在轨道参数的强迫下利用KCM模式积分1000年（H9K）； 然后，从H9K试验模拟到最后一年的时间点开始，地球轨道参数从9.5ka B.P. 逐渐变化到0ka B.P.，完成整个全新世的瞬变过程积分试验。全新世整个时段瞬变模拟试验方案采用轨道参数变化的10倍加速技术^[76]以节省积分时间。瞬变模拟试验中的温室气体含量采用与H9K试验相同值，均为工业革命前的水平，具体参数见表 2。

表 2(Table 2)

表 2 KCM全新世模拟边界条件 Table 2 Boundary conditions of Holocene simulation experiment with KCM 偏心率 黄赤交角 岁差 CO2/ppm CH4/ppb N2O/ppb H9K 0.0194 24.2° 303° 286.2 805.6 276.7 HT 从9.5ka B.P.逐渐变化到0ka B.P. 同H9K

表 2 KCM全新世模拟边界条件 Table 2 Boundary conditions of Holocene simulation experiment with KCM

图 1(Fig. 1)

图 1 全新世以来轨道参数变化（a）及其引起的不同季节 太阳辐射（W/m2 30°N） 相对于0ka B.P. 的变化（b） [75] Fig. 1 Changes in Earth's orbital parameters （a） and associated insolation changes （W/m2） at 30°N in different seasons （b） during the Holocene. Insolation changes are shown as deviations relative to 0ka B.P. [75]

图 2a和表 1为利用长链烯酮的相对丰度比（U₃₇^K′）重建的全新世北大西洋SST变化趋势： 除赤道大西洋（0～15°N） 和地中海东部以外，北大西洋SST在全新世以来呈现显著的下降趋势，尤其在北美东岸的西北大西洋区域降温幅度超过6℃/9.5ka，最大达到7.9℃／9.5ka； 而在赤道大西洋地区（0～15°N），SST变化呈明显相反趋势，出现了0.7～1.5℃/9.5ka的增温现象。基于Mg/Ca重建的全新世北大西洋SST变化趋势（图 2b和表 1）与U₃₇^K′重建的结果存在显著的差异： 在中纬北大西洋东部和高纬北大西洋是显著的增温趋势，增温幅度在0.7～4.0℃/9.5ka，最大的增温发生在伊比利亚半岛西海岸，达到4℃/9.5ka； 在中纬北大西洋西部和低纬北大西洋则显示略微的降温趋势，降温幅度在0.2～2.0℃/9.5ka，绝大部分在2℃／9.5ka以下。总体来说，Mg/Ca重建的全新世北大西洋SST变化趋势与U₃₇^K′重建的结果相反，同时其变化幅度显著小于U₃₇^K′的重建结果。

图 2(Fig. 2)

图 2 U37K′（a）和Mg/Ca（b）反映的全新世北大西洋表层海温线性变化趋势（℃/9.5ka） Fig. 2 Alkenone based （a） and Mg/Cabased （b） SST linear trends （℃/9.5ka） during the Holocene （9.5～0ka B.P.） over the North Atlantic

鉴于代用记录可能存在的季节指示偏差问题^[14]，我们利用模拟结果分析全新世年际和各个季节SST的变化趋势（图 3）。总体来说，全新世以来年平均SST（图 3a）的变化趋势表现为明显的“三核型”经向模态，在热带大西洋、 副热带大西洋东部以及高纬大西洋（50°～70°N） 有显著的增温趋势，最大增温发生在丹麦海峡，达到2℃/95ka； 在中高纬北大西洋（40°～55°N） 中西部区域有显著的降温趋势，最大降温出现在拉布拉多海东南部的北大西洋海域，达到2℃/9.5ka。从各季节变化来看，冬季（图 3b）SST变化趋势空间模态及变化幅度与春季（图 3c）相似，而夏季（图 3d）则与秋季（图 3e）相似。在冬季和春季，除拉布拉多海东南部的北大西洋海域出现最大达2.4℃/9.5ka左右的降温外，其余海域均出现显著的增温趋势； 而在夏季和秋季，除热带和高纬北大西洋出现增温外，其余均呈现显著的降温趋势，最大增温和降温幅度均为2℃/9.5ka左右。各个季节的SST变化趋势也存在“三核型”经向模态。4个季节中冬季变化趋势最大，春季次之，夏秋季最弱，但各个季节的SST趋势变化幅度相比代用指标要小得多。

图 3(Fig. 3)

图 3 KCM模拟的北大西洋年均（a）、 冬季（b）、 春季（c）、 夏季（d）和秋季（e）表层海温线性变化趋势（℃/9.5ka） Fig. 3 Simulated annual（a），winter（b），spring（c），summer（d）， and autumn（e） SST linear trends during the Holocene（℃/9.5ka） over the North Atlantic.

通过对比分析图 2和图 3可见，除高纬北大西洋外，U₃₇^K′记录与模拟的夏季和秋季SST变化趋势一致，尤其是最大降温都出现在临近北美东部的海域上，但模拟的SST变化（最大降温幅度在2℃/9.5ka左右）远低于代用记录重建的（超过6℃/9.5ka）降温幅度。在高纬北大西洋地区，模拟的4个季节的SST变化趋势与U₃₇^K′记录重建的均不一致，而与Mg/Ca记录重建的一致，都显示0～2℃/9.5ka的增温趋势。此外，中纬北大西洋西部的Mg/Ca记录与模拟的4个季节的SST变化趋势一致，都显示降温趋势。如果考虑伊比利亚半岛西海岸的Mg/Ca记录，中、 高纬北大西洋（30°N以北）的Mg/Ca记录与冬季和春季SST变化比较一致。而 30°N以南的北大西洋西部海域的Mg/Ca记录与夏季和秋季的模拟结果相对一致，而东部海域与模拟的4个季节均不一致。

太阳辐射变化被认为是驱动全新世北大西洋海温变化的一个十分重要的强迫因子^{[14, 77]}。在冬季，北大西洋大部分海域出现增温的趋势（图 3b），响应于持续增加的北半球冬季太阳辐射变化（图 1b）； 在夏季，北大西洋大部分海域出现降温的趋势（图 3d），响应于北半球夏季太阳辐射的持续减弱（图 1b）。Leduc等^[14]认为北大西洋SST响应于太阳辐射变化，30°N以北的U₃₇^K′记录和 30°N以南的Mg/Ca记录可反映夏季SST变化，在全新世呈现下降的变化趋势，响应于持续减小的北半球夏季太阳辐射变化（图 1）； 而 30°N以南的U₃₇^K′记录和 30°N以北的Mg/Ca记录可反映冬季SST变化，呈现上升的变化趋势，响应于持续增加的北半球冬季太阳辐射变化（图 1）。我们的KCM模拟结果部分印证了Leduc等^[14]的结论，即U₃₇^K′记录了中纬度北大西洋夏季SST变化，而Mg/Ca记录了中、 高纬度北大西洋冬季SST和低纬度北大西洋西部海域的夏季SST变化。

KCM的模拟结果在验证Leduc等^[14]的结论外，还发现北大西洋春季的SST的变化趋势空间模态及变化幅度与冬季基本一致（图 3b和3c），而秋季的SST变化趋势空间模态及变化幅度则与夏季非常相似（图 3d和3e）。春季太阳辐射的增加趋势小于冬季（图 1b），而秋季太阳辐射在全新世时段没有显著的变化趋势（图 1b），这表明北大西洋SST的持续性较强，冬季和夏季的海温信号可以分别延续到春季和秋季。这一模拟结果可以很好帮助我们理解代用指标如何记录不同季节的海温。对于浮游植物的U₃₇^K′记录指示意义的纬度差异，Leduc等^[14]解释为可能与浮游植物的爆发生长季节有关； 另外，浮游植物爆发性生长的时间往往很短，在低纬地区（30°N以南），浮游藻类在较低的海温大量爆发，而在中高纬地区（30°N以北），浮游藻类在较高的海温大量爆发^{[78, 79]}。因此，30°N以北的U₃₇^K′记录可能反映夏季SST，而 30°N以南的U₃₇^K′记录则可能反映冬季SST。然而对于浮游有孔虫壳体的Mg/Ca指标如何记录北大西洋中高纬地区（30°N以北）的SST，Leduc等^[14]并没有做出合理的解释。因为以往的研究发现，在副热带和副极地北大西洋浮游有孔虫壳体的钙化过程主要发生在春季和夏季，而很少发生在冬季^{[31, 32, 80, 81]}，据此往往认为这个地区的Mg/Ca指标无法记录冬季SST。而我们的模拟结果（图 3b～3e）发现太阳辐射外强迫对海温的影响具有穿透季节的效应，浮游有孔虫壳体的Mg/Ca指标可以记录北大西洋中高纬的春季SST，从而反映这个地区的冬季SST变化。

北大西洋SST的变化在空间上存在显著的差异，年际和4个季节（春、 夏、 秋、 冬）SST的变化趋势均在空间上呈现“三核型”经向模态。不管哪个季节，SST在赤道大西洋和高纬大西洋均呈现显著的增温。而在拉布拉多海东南部的北大西洋海域，则有明显的降温趋势，并且降温趋势在冬春季（最大2.4℃/9.5ka左右）强于夏秋季（最大2℃/9.5ka左右）（图 3）。Leduc等^[14]认为北大西洋SST完全受控于太阳辐射的强迫作用，在冬季表现为一致的增温趋势，而在夏季则显示一致的降温趋势，这与模拟的“三核型”模态不一致。事实上，中纬度北大西洋的Mg/Ca记录也显示了SST变化趋势在空间上存在着纬向上的差异（见图 2b），这个纬向上的空间差异与模拟的“三核型”模态相吻合（图 3b和3c），表明这个“三核型”模态很可能是北大西洋SST的一个固有特征，而不是KCM模拟的误差。利用海-气耦合模式KCM模拟的北大西洋SST变化趋势在响应太阳辐射变化时表现出的空间差异性反映了气候系统的内部反馈过程对SST的重要影响。

“三核型” SST经向模态主要是由北大西洋涛动触发和维持的^[82]，北大西洋涛动是北大西洋地区大气变率的主要模态^[83]，其在冬季最显著； 而在中高纬北大西洋地区，SST的变化趋势也在冬季最显著，春季次之。Rimbu等^[84]发现全新世期间北大西洋SST的第一模态与北大西洋涛动高度耦合，因此，北大西洋涛动很可能对北大西洋SST有重要的调节作用，使得全新世SST变化趋势在空间上呈现“三核型”经向模态。此外，对于低纬北大西洋夏季的增温，模拟研究发现可能与全新世以来北非季风逐渐减弱触发的风-蒸发-海温反馈机制有关^[85～87]。

本文的模拟试验只考虑太阳辐射的强迫而忽略了温室气体和冰盖的影响。全新世以来CO₂浓度大约从早全新世的260ppmv增加到工业革命前的280ppmv^{[88, 89]}，CH4浓度由早全新世的750ppbv减小到中全新世的600ppbv，到晚全新世又反弹回800ppbv左右^[90]； 而北美残余冰盖直到7ka B.P. 才消失^[91]，即冰量在早全新世要多于中晚全新世。本文的KCM模拟试验中，没有考虑早全新世冰盖的反馈作用，这可能会导致模拟的早全新世SST的高估，使SST的降温趋势增加或者增温趋势减小。由本文的模拟-记录对比可见，模式模拟的全新世SST的降温趋势较代用记录重建的SST小。因此KCM模拟的全新世SST变化对温室气体和冰盖两个强迫作用的响应效应的忽略并不影响本文的模拟-记录的对比，而导致模拟的SST的低估可能与KCM模式的结构本身有关。

在北大西洋高纬地区，U₃₇^K′记录的SST显示了降温趋势（见图 2a）。Leduc等^[14]认为这一区域U₃₇^K′指标记录夏季SST，降温趋势主要由减少的夏季太阳辐射驱动，然而这与KCM模拟的4个季节的SST变化趋势都完全相反（见图 3）。这里需要注意的是浮游植物是可游动的^[92]，而北大西洋高纬地区是大西洋经向翻转流的强烈下沉区域，因此，这一区域的浮游植物可能并不生长在海洋表层。Lohmann等^[30]对比了这一区域的U₃₇^K′记录与其他模式的模拟结果，发现全新世U₃₇^K′记录的变化趋势与模拟的较深层的海水温度变化趋势一致，因此，北大西洋高纬地区的U₃₇^K′记录并不反映任何季节的表层海水温度，浮游生物的栖息深度也对代用记录的指示意义有非常重要的影响。

本文利用39个北大西洋全新世的SST的重建记录和全球大气-海洋-海冰耦合气候模式KCM在轨道强迫下对全新世的SST模拟资料，探讨了全新世北大西洋SST变化趋势，同时分析了代用记录反演结果的季节信号。

U₃₇^K′重建的全新世SST变化趋势与Mg/Ca记录的SST存在显著的差异，Mg/Ca记录的SST变化幅度要显著弱于U37K′的记录。U₃₇^K′记录的SST显示，全新世期间北大西洋低纬与中高纬的SST变化存在相反的趋势： 在低纬表现为增温趋势，在中高纬表现为降温趋势，尤其是在临近北美东部的海域上，降温幅度最高达到7.9℃/9.5ka。Mg/Ca记录也显示出明显的空间差异： 在低纬北大西洋海域和中纬北大西洋西部海域呈现降温趋势，但变化幅度均比较小，绝大部分在2℃／9.5ka以下； 在中纬北大西洋东部和高纬北大西洋呈现增温趋势，最高增温幅度达到4℃/9.5ka。

模拟的全新世北大西洋SST在季节变化上存在显著的差异，但在空间分布上4个季节（春、 夏、 秋、 冬）均显示出明显的“三核型”经向模态。在冬、 春季，SST主要表现为增温趋势，降温区域仅局限于拉布拉多海东南部的北大西洋海域。在夏、 秋季，以降温趋势为主，增温区域限于低纬和高纬的北大西洋海域。

记录-模拟对比显示，中纬和低纬北大西洋的U₃₇^K′记录以及低纬北大西洋西部的Mg/Ca值可能反映夏、 秋季SST，中纬北大西洋东部的Mg/Ca值可能反映冬、 春季SST，而中纬西部和高纬的Mg/Ca值可能反映4个季节的SST。

在全新世轨道驱动因子作用下，冬季和夏季的太阳辐射对北大西洋相应季节的SST变化趋势有十分重要的影响，此外，大气环流对北大西洋海温有一定的调谐作用，使得北大西洋SST变化趋势在空间上呈现“三核型”经向模态。在时间变化上，北大西洋的SST具有很强的持续性，这使得冬季和夏季的SST空间模态可分别延续至春季和秋季。

致谢: 靳立亚感谢德意志研究联合会（Deutsche Forschungsgemeinschaft，简称DFG）“The Future Ocean”（EXC 80/1）项目的支持； 感谢审稿专家和编辑部老师建设性的修改意见。