引用本文
丁晓东, 郑立伟, 高树基. 新仙女木事件研究进展* . 地球科学进展, 29(10): 1095-1109
Ding Xiaodong, Zheng Liwei, Kao Shuji. A Review on the Younger Dryas Event. Advances in Earth Science, 29(10): 1095-1109  
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新仙女木事件研究进展*
丁晓东, 郑立伟, 高树基
厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室,福建 厦门 361102

作者简介：丁晓东(1988-),男,宁夏同心人,博士研究生,主要从事快速气候变化、海洋生物地球化学循环研究. E-mail: dxd@stu.xmu.edu.cn

基金:国家自然科学基金项目重大研究计划“南海水体硝酸盐动力学与水团示踪”(编号：91328207); 国家自然科学基金面上项目“中国边缘海沉积物氮同位素时空变化与控制因子”(编号：41176059)资助
摘要

发生在12.9~11.6 ka BP 的一次北半球气候快速变冷——新仙女木(YD)事件在过去30年来一直是古气候研究的热点。当下由于人类活动引起全球变暖,研究类似的快速气候变化事件及其触发机制对于预测未来气候变化具有重要意义。然而时至今日,科学界对YD事件的发生时间、气候效应、触发机制及其全球性意义依然存在很大争议。对比多个高分辨率记录探讨了YD事件的发生时间及其年代学意义,详细总结了南、北半球中高纬地区及低纬地区近年来新发现的YD事件的记录及其气候效应,重点讨论了YD事件触发机制假说的发展与争议,并结合YD事件的研究现状提出了未来研究热点和重要方向。

关键词: 快速气候变化; YD事件; 时间标尺; 气候效应; 触发机制
中图分类号:P532 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2014)10-1095-15
A Review on the Younger Dryas Event
Ding Xiaodong, Zheng Liwei, Kao Shuji
State Key Laboratory of Marine Environmental Science, Xiamen University, Xiamen 361102, China
Abstract

The Younger Dryas (YD) event which lasted from 12.9~11.6 ka BP is a rapid return to nearglacial conditions with a major impact on global climate that punctuated last glacial-Holocene transition period. The YD event was firstly found in records of midhigh latitude Northern Europe and North Atlantic vicinities and later identified broadly in North Pacific Oceans, Asia, North America, tropics and even in South Hemisphere. The mechanism of YD event is not clear although tremendous efforts have been paid over the past 30 years. Even the precise timing, duration and global impact remain ambiguous. The understanding of the magnitude of YD like event in temporal and spatial scales and its forcing mechanism may help us to forecast the possible environmental and ecological impacts in global scale due to anthropogenic forcing. This article reviewed the progress of studies on the YD event, including the most recent dating of the onset and geographic pattern of climatic impacts, and particularly the triggering mechanisms proposed in recent years. The disparities of precise dates among records for the YD onset may result from counting mistakes, regional environmental responses and rapid fluctuation of atmospheric14C. Globally, the YD event was characterized by abrupt climate change with increasing anomalies in magnitude toward the poles and opposite signs between Hemispheres, which modulated by bipolar seesaw mechanism. It is generally accepted that the YD event is caused by a slowdown Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC). However, the triggering mechanism of this slowdown is debatable. Besides the earliest hypothesis of Lake Agassiz outburst, alternative mechanisms such as meltwater discharge into Arctic Ocean, extraterrestrial impact or atmospheric circulation forcing have been proposed under various supportive evidences. Tropical process was suggested to play an additional role in abrupt climate change, of which high latitude was thought to be the modulator. The newest hypothesis suggested that YD event was an integral part of natural climate oscillation rather than a freak excursion. Finally, future directionstohave a complete understanding of the mechanisms of YD event are provided.

Keyword: Abrupt climate change; Younger Dryas; Dating; Climatic effects; Triggering mechanism.
1 引言

新仙女木(Younger Dryas, YD)事件是末次冰期向全新世转换、急剧升温过程中的最后一次非轨道尺度的急剧降温事件。YD事件的命名源自于19世纪晚期20世纪初期瑞典和丹麦的孢粉记录中发现的北极苔原植物仙女木(Dryas Octopetala)[1]。随后YD事件被广泛发现于北大西洋周围海相、陆相记录中[2~4], 后来在北太平洋、亚洲、北美、热带地区, 甚至南半球均有发现[5, 6]。YD事件中格陵兰冰芯记录的当地的温度迅速降低到接近冰期时的水平(图1)。在YD时期, 北美地区一些大型哺乳动物如猛犸象、巨型短面熊、剑齿虎等灭绝[7], 随后南美地区又有大量哺乳动物灭绝[7, 8]。与此同时, 北美克罗维斯文化(Clovis, 一种史前古印第安人文化)也在此时消亡[9, 10]。YD事件结束后, 地球快速地过渡到了温暖的早全新世。由于时间上距离现在较近, 在全球范围内可获得的高分辨率记录较多, YD事件也是迄今为止全球范围内研究最为详尽的快速气候变化事件。尽管如此, 目前为止科学界对YD事件的发生时间, 全球性意义, 以及触发机制依然存在很大争议。研究YD事件在全球中的记录, 区域气候和生态环境对YD事件的响应及其可能的触发机制不仅促进和深化了科学界对千年尺度的气候突变事件的认识, 在当今大气CO2浓度急剧增长而导致全球变暖的背景下, 对于预测未来气候变化具有重要意义。

前人已有研究总结了YD事件的发生时间、全球记录、区域之间事件细节结构及转型模式以及触发机制[11~14]。但这些研究或各有侧重点, 或受限于早期记录的时间标尺和分辨率的影响。近年来, 高分辨率和高精度时标的记录不断涌现, 随着数值模拟和理论研究的不断深入, 又有一些新的触发机制假说被提出, 因此本文旨在前人大量研究的基础上, 比较不同地区高分辨率记录探讨YD事件的发生时间及其年代学意义, 详细综述了近年来关于YD事件在南、北半球中高纬度、低纬地区海洋和陆地的记录及气候效应的研究, 重点讨论了YD事件触发机制的争议, 并结合YD事件的研究现状提出了未来研究热点和重要方向。

2 YD事件发生时间

精确的独立定年是研究YD事件气候效应及其触发机制的先决条件。可通过同区域多个高分辨率记录交互检验, 不同区域气候系统和生态响应模式的精细对比获得YD事件精确的时间标尺。目前为止, 科学界对YD事件开始的准确时间尚无定论(图2)。即使几个格陵兰冰芯GRIP, GISP2和NGRIP所界定YD事件的开始时间也各不相同[16], 这可能是由于人为计年的误差造成的。其中NGRIP的冰芯分辨率最高, 但是其YD开始的标志也不明确, 氧同位素(δ 18O)记录的格陵兰岛温度首次下降发生在(12 875± 59 a BP), 温度下降到最低点是却在(12 662± 74 a BP), 氢同位素(δ D)记录的格陵兰岛降水来源转变发生在(12 847± 3 a BP), 一年之内即达到最低值[17]。此外, 德国的火山湖Meefelder Maar湖中纹泥记录中, 水生和陆生脂类生物标志物单体δ D在12 850 a BP开始下降, 表示气候变冷, 与格陵兰冰芯记录一致, 而170年之后, 水生脂类单体δ D再一次显著下降, 反映了当地环境变得干旱, Rach等[18]认为这是欧洲西部水文环境对气候变冷的一个迟滞响应。这与Brauer等[19]先前研究发现当地冬天风暴强度在12 679 a BP突然增强一致。石笋记录的亚洲季风的YD事件开始于12 800~12 850 a BP[20~22], 但是基于石笋年层记录的东亚季风过渡期较长, 约380年, 比高纬冰芯记录长130年[23]。造成冰芯、湖泊沉积物以及石笋里的YD事件发生时间的差异可能有①测年方法的差异和人为计数误差; ②不规则沉积所致; ③代用指标之间敏感性的差异; ④区域环境气候响应的差异。

图1 格陵兰冰芯GISP2氧同位素记录[15]YD表示新仙女木事件, 1~22表示D/O旋回, H1~H6表示H事件Fig.1 Oxygen Isotope record from GISP2 ice core, Greenland[15]YD: Younger Dryas event; 1~22: D/O events; H1~H6: Heinrich events

图2 不同记录YD事件发生时间比较Fig.2 Timing of the onset of the YD according to different records

YD事件的精确定年不仅具有重要的古气候学意义, 对14C年代学研究同样影响深远。大气中的14C的浓度(Δ 14C)会随着时间发生变化, 会影响14C测年的精度, 如在YD事件初期, 大气中14C的剧烈变化给14C定年带来了一定困难。在YD事件开始200年内, 大气Δ 14C增加了大约50‰ , 其后缓慢下降[24]。虽然有人提出大气Δ 14C在短时间内如此大的变化, 可能是由太阳活动变化引起的[25, 26], 但是Hughen等[27]将卡里亚科盆地中的Δ 14C记录与格陵兰冰芯中的大气10Be记录比对发现, 太阳活动并不能完全解释YD期间的大气14C的剧变, 而是由北大西洋深层水的形成减少, 部分关闭了表层水中14C向海洋底部输送导致的。最近, Hua等[28]根据澳大利亚南面塔斯马尼亚岛树轮14C记录指出这次大气14C急剧变化应该发生在12 760 cal BP, 增加了40‰ , 比卡里亚科盆地的14C记录晚240年, 并指出卡里亚科盆地和树轮的记录之间如此大的差异是因为在YD初期, 受北大西洋经向翻转流(Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC)减弱的影响, 大洋的储库年龄发生了变化, 此前的研究没有考虑到这一点。2009年以前的树轮记录的大气14C仅到12.59 ka BP, 老于12.59 ka BP的大气14C记录则依赖于湖泊纹泥中的生物化石、海洋沉积中的有孔虫以及珊瑚[29]。但是这些记录计数较为困难, 且容易受到储库年龄变化的影响。因此最新的国际14C校正曲线(IntCal13)将其原来的这一部分海相记录(12.55~12.9 ka BP)去除, 取而代之的是最近发现的树轮记录[28, 30, 31]。

3 YD事件在全球的记录及其气候效应
3.1 北半球中高纬地区

在北半球, 格陵兰冰芯记录YD事件的信息最为丰富, GISP2冰芯中氧同位素δ 18O下降了约3‰ [15](图3A), 相当于温度下降了9 ℃[32], 格陵兰冰雪累积速率下降40%, 冰芯中粉尘、Na+, Ca+离子浓度升高反映了西风增强、海洋风暴加剧[33], Severinghaus等[34]研究GISP2冰芯气泡中氮气的稳定氮同位素(δ 15N)记录发现格陵兰岛年平均温度在YD期间气温比现在冷约15 ℃。而距离GISP2冰芯不到500 km的格陵兰东部的斯科斯比湾冰川雪线高度(Equilibrium Line Altitudes, ELA)记录的当地夏季温度仅比现在低4~7 ℃[35], 这是由于季节因素, 前者记录的是年平均温度, 而ELA则记录的是夏季温度。可见YD期间格陵兰地区的寒冷气候主要表现在冬季, 夏季温度的变化则相对温和, 据此推断当地冬季气温在YD期间可能比现在冷20~25 ℃[36]。

欧洲孢粉、湖泊沉积物碳酸钙δ 18O以及石笋记录研究显示YD期间当地气候干旱, 年均气温下降4~6 ℃[37~39], 摇蚊记录的夏季气温下降2~4 ℃[40]。由于北大西洋海冰扩张引起大气环流改变, 西风带南移, 冬季风暴增强[19, 41]。瑞士阿尔卑斯山脉的冰川前进, 岩石冰川带较现在低500~600 m, 意味着年均气温可能比现在低3.5~4 ℃[42]。挪威、瑞典、芬兰等地大量的冰碛石研究表明Scandinavian冰川在YD期间也发生了冰川前进[43, 44]。大西洋东北部伊比利亚沿岸海域SST下降了2~4 ℃[45](图3B)。挪威海SST下降了约3 ℃[46], 放射虫记录的夏季SST下降了约7 ℃[47]。加拿大东部圣劳伦斯湾SST下降了5~10 ℃, 融冰淡水流量减少, 海冰覆盖面积大幅增加[48]。而在美国东南部沿岸SST则上升了约1.5 ℃[49], 这是由于AMOC强度减弱, 减少了向北输送的热量。McManus等[50]研究百慕大沉积物岩心中231Pa/230Th比值的变化, 也为YD期间AMOC减弱提供了直接证据(图3C)。

圣巴巴拉海盆沉积物岩心生物扰动指数有着清晰的YD事件的记录, 在YD期间, 生物扰动加剧, 反映了大洋深部溶解氧增加[51], 可能是生成了就近来源的中层水, 而不是在暖期来自南大洋的表层水[52] , 太平洋东北部SST下降> 3 ℃[53](图3D)。美国太平洋沿岸温度下降2~4 ℃[54], 但是气候湿润[55], Kaufman等[55]认为可能是由于YD期间阿留申低压增强伴随着东太平洋冬季风暴轴北移导致冬季降水增加。美国中北部及加拿大地区孢粉、湖泊沉积物δ 18O以及土壤δ 13C研究表明该地区在YD期间气候干旱寒冷[56~58], 东北部湖泊沉积物的孢粉及生物标志物δ D记录的年均气温下降了4~6 ℃[59]。西南部, 啮齿动物粪化石δ 13C记录的冬季最低温度下降了约3 ℃[60], 湖泊沉积物、石笋以及湖泊水位记录表明当地在YD期间降雨增加[61~63], 这是由于北半球变冷引起极地急流南移, 使该地区冬季降水增加[61]。北美山脉峡谷冰川和Laurentide冰盖南部边缘发生冰川前进[64, 65]。

非洲北部的气候在YD期间较为干冷, 非洲西北部沿岸的陆源输入记录显示在YD期间降尘增加, 表明撒哈拉沙漠更为干旱[66], 与当地石笋记录一致, 在YD期间降雨量显著下降[38]。这是由于AMOC减弱和北大西洋变冷导致热带辐合带(Intertropical Convergence Zone, ITCZ)南移和夏季季风减弱[67]。

我国青藏高原古里雅冰芯中清晰地记录着YD事件, 在YD期间, 该地区分3个阶段向干冷方向发展, 最低温时几乎达到末次冰期时的温度, 在整个YD时段, 一直处于冷暖交替变化中[68]。沈永平等[69]总结了前人研究资料, 发现在青藏高原及其周围地区YD事件广泛记录于的孢粉、黄土、冰碛、冰芯和古湖泊记录中, 古里雅冰帽前缘前进, 并认为由于青藏高原的巨大面积和高度以及脆弱的冰冻圈结构, 对新仙女木事件具有放大作用。周卫健等[70]研究沙漠/黄土过渡带的泥炭记录发现YD期间东亚季风区具有干冷— 湿凉— 干冷的气候振荡模式, 类似的气候震荡模式在其他研究中也有发现[71~73]。Wang等根据日本海、东海、南海和苏禄海的区域的15个沉积柱状样分析得出YD事件在整个西太平洋边缘海有明显记录, 冬季SST下降1.5~3.3 ℃, 表层水盐度升高[74]。李铁刚等[75]最近研究黄海北部泥炭层沉积剖面孢粉记录发现在YD期间北黄海处于寒冷而湿润的环境。东亚季风区多个石笋记录表明在YD期间, 东亚夏季季风变弱[20~22, 76](图3E), 而广东湖光岩玛珥湖记录表明在YD期间东亚冬季季风增强[77], 这是由于ITCZ南移所致。

3.2 低纬地区

1995年之前, 学术界一致认为低纬地区的气候在第四纪冰期旋回中没有明显的变化。然而1996年在加勒比海卡里亚科海盆获得的高沉积速率的长序列沉积物岩芯则改变了这种认识。由于卡里亚科海盆大部分时期保持缺氧环境, 可以很完整地保存年纹沉积序列, 生产力的变化可以改变其年纹层的颜色, 因此纹层的变化可以代表不同特征气候状态。该序列有着非常清晰的YD信号, 在YD期间, 沉积物颜色相比其上、下的暖期颜色突变明显[78], 基于Mg/Ca比值的SST记录下降了3~4 ℃[79](图3F), 这可能是由于ITCZ南移导致信风强度和上升流的增加[78], 委内瑞拉的湖泊记录显示在YD期间气候干冷, 冰川显著前进, ELA较现在低360~480 m, 垂直植被带下降400~500 m, 相当于温度下降2.2~3.8 ℃[80, 81]。降雨指标表明在YD期间, 赤道北部降雨减少, 南部降雨增加[82~84]。由于信风和上升流增强, 非洲西南部沿岸SST下降2~3 ℃[85]。赤道非洲的YD记录较为一致, 温度下降约2 ℃, 气候干旱, 降雨突然减少, 湖泊水位下降, C4植被增加[86~91]。

印度洋地区的YD重建记录较少, 东部印尼群岛和西部莫桑比克海峡SST增加了0.5~1 ℃, 盐度升高, Levi等[92]认为由印度洋向大西洋输送的表层暖水盐分和热量在此期间在赤道大西洋积聚, 为后来AMOC强度恢复提供了有利条件。石笋记录显示印度夏季季风减弱[93, 94]。阿拉伯海SST增加0.5~1 ℃, 可能是受东北季风驱动的对流混合减弱或西南季风驱动的上升流减少所致[95, 96], 生产力下降[97, 98]。

赤道太平洋地区YD事件记录争议较大, 这是由于高分辨率的YD记录较少, 不同代用指标对气候的响应敏感程度不同, 各个研究的定年精度也不尽相同。如Corrè ge等[99]研究热带南太平洋Vanuatu岛珊瑚Sr/Ca比发现当地YD期间SST较现在低约4.5 ℃, 认为这是由南太平洋热带水团向赤道方向挤压, 温跃层变浅所致。Asami等[100]研究发现南赤道太平洋中部SST在YD期间下降约1.5 ℃。东赤道太平洋, Lea等[101]基于Mg/Ca比值重建的SST在YD期间上升了约2 ℃, 而基于烯酮类不饱和度(U37K’ )重建的SST在YD期间下降约0.5 ℃, 生产力增加[102, 103], Kienast等[102]认为可能是受大洋环流影响, 上升流增强。西赤道太平洋, SST记录在YD期间大都有所升高[92, 103, 104, 105]。东西赤道太平洋之间的温度梯度减小, 东赤道太平洋经向温度梯度减小[106], 赤道西太平洋盐度增加[107], 说明热带太平洋在YD期间可能处于持久El Niñ o状态。

3.3 南半球中高纬地区

南半球是否也存在YD事件, 最直接的证据应来自南极冰芯记录, 但是早期由于南极冰芯冰层不像格陵兰冰芯那样具有年层特征, 受定年精度所限, 南极冰芯中并未发现明显的YD记录, 直到南极冰芯和格陵兰冰芯中的甲烷分析结果均出现后, 才使格陵兰冰芯计数年代能够应用于南极冰芯的记录[108]。在YD期间, 南极冰芯中δ 18O和δ D值记录的温度上升[109~111](图3J)。大气CO2浓度上升约20 μ L/L [112](图3I)。南大洋初级生产力增加, 反映了由于西风带南移而引起上升流增强(图3H)[113], 澳大利亚南部离岸区SST增加了约2 ℃[114], 新西兰西部塔斯曼海SST增加了约1 ℃[115], 东部离岸区SST增加了约2 ℃[116], 智利南部离岸区SST增加了约2 ℃[117]。大西洋东南部极地浮游有孔虫丰度在YD期间显著下降, 表明当时为暖期[118], 西南部SST增加约1 ℃[49]。印度尼西亚、新西兰石笋和孢粉记录以及南美洲孢粉记录均显示在YD期间为暖期, 澳洲— 印尼夏季季风和南美夏季季风增强, 降雨增加[119~123](图3G)。与此同时, 新西兰地区及南美洲Patagonian发生冰退[119, 124]。

Fig.3 global records of YD eventA: Greenland ice core δ 18O record[15]; B: NE Atlantic SST record[45]; C: 231Pa/230Th record for the North Atlantic[50]; D: NE Pacific SST record[53]; E: Speleothem δ 18O record of Hulu Cave[21]; F: Tropical Atlantic SST record[79]; G: Speleothem δ 18O record of Liang Luar Cave, Indonesia[122]; H: Southern Ocean opal flux record[113]; I: Atmospheric CO2 record from EDC ice core, Antarctic[112]; J: δ D record from EDC ice core, Antarctic[110]图3 新仙女木事件全球记录A：GISP2氧同位素记录[15]; B：东北大西洋SST记录[45]; C：北大西洋231Pa/230Th记录 [50]; D：东北太平洋SST记录[53]; E：葫芦洞石笋记录 [21]; F：热带大西洋SST记录[79]; G：印度尼西亚Liang Luar洞石笋记录 [122]; H：南大洋蛋白石通量 [113]; I：南极冰芯EDC大气CO2记录[112]; J：南极冰芯EDC氢同位素记录[110]

相对于北半球的记录而言, 热带区域及南半球的记录要少的多, 各个记录的分辨率也较低, 尽管如此, 在已有的研究记录中, 可以判断YD事件是一次全球性的气候变化气候事件, 对全球的平均温度及水文循环有着重大影响。不仅在格陵兰岛、北大西洋毗邻区域有着清晰的记录, 在北太平洋地区、北美洲、非洲、亚洲、热带地区甚至南半球都有着相应的记录。但事件的气候与环境效应因地而异, 振荡模式在不同区域也有着不同的表现, 事件内部结构和转型模式具有区域差异[12, 23], 如亚洲季风记录比格陵兰岛的温度记录转变较慢, 南半球的记录整体上转变较北半球要慢一些; 在北半球范围内, 其振幅随着纬度增加而增大, 而南半球的记录多与北半球呈反相位[6], 这是由两极翘翘板(Bipolar Seesaw)机制所驱动[118, 125], 热盐环流变缓, 减弱了半球间的热量输送, 使北半球冷南半球暖。由于北半球高纬度地区变冷的程度强于南半球高纬度变暖的程度, 从而导致全球平均变冷约0.6 ℃, 北半球冰川前进, 海冰覆盖大幅增加[6] , 这可能是由于陆地多分布在北半球, 海洋则主要在南半球, 而陆地对气候变化的响应则更为敏感。

4 YD事件的触发机制讨论

YD事件是一次全球性的气候突变事件已毋庸置疑, 但是对于其触发机制, 科学界至今未能找到一个令人满意的答案, 关于YD事件的触发机制的争议甚至愈演愈烈。Berger等[126]早在1990年在总结前人研究基础上就提出了3种可能的触发机制：气候系统内部的正反馈效应(反照率、CO2、大洋环流); 大陆冰盖的崩塌; 气候系统外部驱动(太阳辐射、火山喷发和宇宙尘埃等)。此后, 随着数值模拟和理论研究的不断深入, 新的触发机制假说不断被提出, 目前主要有以下几种观点：

4.1 融冰淡水驱动假说

该假说认为北大西洋地区由于冰川融水排入导致北大西洋深层水(North Atlantic Deep Water, NADW)生成的停止, 减缓了AMOC, 从而使得北大西洋地区不能获得通过洋流获得的低纬度热量, 最终触发YD事件[127~129]。但是该理论在冰川融水注入区域及路径在认识上尚未统一(图4)[129~131]。该假说最早认为是北美Laurentide冰盖西南部冰缘湖Agassiz湖北部湖岸线冰坝崩塌后, 产生了新的出口, 于是通向密西西比河的出口被废弃了, 其排水改道圣劳伦斯河, 大量淡水排入北大西洋触发YD事件[129]。Broecker等[129]发现密西西比河河口沉积物有孔虫壳体δ 18O在YD期间增加了3‰ , 认为这是由于密西西比河向墨西哥湾输入的淡水减少所致, 支持Agassiz湖排水改道的假说。但是在该地区的地貌勘察中并未发现洪水留下的古河道地质证据[132, 133]。此外, Lowell等[65]发现Agassiz湖东部出口是在YD之后才打开的。密西西比河河口沉积物有孔虫壳体δ 18O升高也可能是冰川融水减少造成而非融水改道[134]。Broecker[133]也曾提出另外一个可能性来回避这个矛盾, 即Agassiz湖水可能从冰层之下流入大洋。Tarasov等[130, 131]根据模型的结果提出可触发YD事件的融冰淡水不是来自Agassiz湖, 而是加拿大Keewatin冰穹, 融冰淡水流经Fram海峡, 注入格陵兰— 冰岛— 挪威海, 即北大西洋深层水形成的海域, 继而触发YD事件。Murton等[135]在加拿大北极沿海平原的Mackenzie流域发现了洪水沉积, 定年发现其发生在约12 900 cal BP, 认为这是由是Agassiz湖爆发洪水经过西北通道所留下来的。Not等[136]在北冰洋中部Lomonosov海岭的沉积物岩心中发现在YD开始时, 有大量的来自加拿大的石灰石碎屑, 认为这是包括Agassiz湖和Keewatin冰穹融冰淡水经由北部通道带入北冰洋, 进一步支持了这一假说。黄恩清等[137]通过对比末次冰消期的气候变冷事件和冰川融水事件, 发现二者在变化振幅上是没有可比性的, 末次冰消期规模最大的两次融冰事件(MWP-1A和MWP1-B)并未引起北半球的严寒气候, 而2个最大的气候冷事件(YD和H1事件)却未见大规模的冰川融水进入大洋, Agassiz湖规模最大的一次排水事件所引起8.2 ka冷事件其变冷幅度与YD事件无法相提并论。这意味着冰川融水与气候之间的关系并不像早前所认为的那样简单。因此冰川融水在YD事件中的作用可能需要重新评价。

4.2 彗星撞击假说(Younger Dryas impact hypothesis, YDIH)

Firestone等[9]在北美多个地方的地层中发现富勒烯(即C60, 一种形似足球的碳分子, 被认为是超新星产物)、纳米钻石、金属铱、高温燃烧产生的小颗粒以及格陵兰冰芯中的硝酸盐和氨峰值, 定年结果显示这些实物的出现的地层(Younger Dryas Boundary, YDB)与YD事件开始的时间一致。基于此他们认为, 来自外太空的彗星或者陨石曾撞击过地球或者在大气层爆炸, 引起大面积森林大火, 导致大量大型哺乳动物由于食物匮乏而灭绝, 其所释放出来的热量加速了Laurentide冰盖的融化, 排放大量的淡水到北大西洋, 触发了YD事件。其后有大量报道发表支持这一假说[138~141]。Kennett等[138]在北美多个YDB地层中发现大量地纳米钻石, 一直被视为该假说最有力的证据之一。Bunch等[141]在北美、欧洲以及亚洲大陆18个不同的地方YD开始时的地层中发现了上述被认为是大爆炸的代用指标, 此外还在其中3个地方发现了先前没有报道的类似火山渣状的物体(Scoria-like objects)及熔融玻璃(认为是陨石爆炸所产生)。Witttke等[140]估算在YD开始时大约有一千万吨高温产生的小球体分布在约五千万平方公里的陆地上, 进一步支持该假说。不过该假说提出在科学界也引起了巨大的争议[142~144]。其中提出的很多作为大爆炸证据被质疑, Scott等[145]在美国加利福尼亚州Channel岛更新世至全新世地层发现, 先前报道的碳质球体(carbonaceous spherules)在整个地层中普遍存在。并质疑所谓的carbonaceous spherules可能是真菌菌核, 普遍存在于土壤中。而Surovell等[146]也没有在YDB地层中发现先前报道的磁性微球体(magnetic microspherules)。Daulton等[147]在YD地层没有纳米钻石, 认为先前的报道可能误将石墨烯/石墨烷的氧化聚合物当做纳米钻石。Paquay等[148]在YDB沉积物中没有发现先前报道的高浓度铱元素。随后, YDB地层中的其他作为陨石撞击的代用指标也逐渐被否定[142~144]。Van Hossel等[144]认为该假说成立最基本2个前提：①发生陨石爆炸; ②陨石爆炸引起的大面积森林大火和大型动物突然灭绝。但是目前还没有非常明确的证据表明陨石爆炸发生, 而关于大型动物是突然灭绝还是逐渐消亡目前还在争论中, 如果是逐渐消亡, 则不需要用陨石爆炸来解释。最近, Meltzer等[149]研究该假说的支持者先前报道的分布在北美、南美、欧洲和中东的29个YDB地层的年代学发现其中仅有3个地方与YD事件发生时间一致, 其余的则均远早于或晚于YD事件发生的时间。最近, Holliday等[150]从地貌学证据, 沉积环境, 地球化学代用指标, 考古学、生态学证据以及年代学控制几个方面综述了近年来YDIH的相关研究, 认为该假说的理论基础是自相矛盾的, 否定了该假说。

图4 Agassiz湖水可能的排水通道[133]Fig.4 Possible drainage pathway of Lake Agassiz [133]

4.3 气候自然变化假说

近年来越来越多的人认为YD事件或许是自然气候变化的一部分, 而非一次独特的气候反转事件[134, 151~154]。Bond等[154]早在1997年就将YD事件视为冰期延续到全新世的千年尺度准周期气候振荡的一部分。Sima等[151]利用海洋— 冰盖模型分析认为, 大规模海洋环流自我维持振荡的间断性重启导致YD事件的发生, 类似YD事件可能在之前的冰消期中也会出现, 因此YD事件并不是末次冰消期的一种特有现象, 而是所有冰消期的一个固有特征, 根据冰消期持续时间长短, 一次冰消期内可能出现多次类YD事件。中国神农架石笋记录中发现在倒数第三次冰消期存在一个千年级冷事件, 这一事件与YD事件的特征具有相似性, 说明亚洲季风在末次冰消期类似YD事件的快速气候变化也可能在更早的冰期— 间冰期转换过程中发生[152, 153]。基于此, Broecker等[134]认为在过去4次冰消期中, 在北半球亚洲季风都存在持续约6000年的弱季风状态, 在各冰消期或存在差异, 如在第二次和第四次冰消期表现为一次长时间的弱季风状态, 而在末次和倒数第三次冰消期则分为两次较短的弱季风时期。而亚洲季风较弱的同时, 北半球气候寒冷, 由于两极翘翘板机制, 南半球变暖, 南大洋释放出大量CO2(图3I), 完成冰期向间冰期的转换。

4.4 大气驱动假说

也有不少人认为大气环流的改变可能触发YD事件[19, 155, 156], 而非其响应结果。Brauer等[19]提出大气环流的改变是欧洲气候突变与AMOC重组相互联系的枢纽, 他们认为AMOC减弱不能完全解释欧洲及格陵兰岛在YD期间的降温, 而就目前的YD记录来看, 尚不能区分AMOC减弱是北大西洋地区冷事件的驱动力还是其响应结果。北大西洋地区变冷, 海冰扩张, 引起西风带在冬季加强, 盛行纬向环流, 并向赤道方向迁移, 从而减少了向欧洲的水热输送[18, 19, 41]。Eisenman等[156]根据模型结果提出Laurentide冰盖消退可引起北大西洋上空风场北移, 瞬变涡活动加剧, 净降水量增加, 导致AMOC减弱, 引起海冰覆盖面积增加(且具有正反馈效应), 继而导致北半球气候变冷(图5)。

图5 大气环流驱动假说示意图[156]Fig.5 Schematic of the atmospheric circulation forcing mechanism [156]

4.5 低纬驱动假说

低纬地区是现代气候系统年际变化的重要驱动, 也是全球气候中主要的水汽和热量来源 [157]。在现代年际— 年代际全球气候振荡很多是由低纬地区通过SSTs变化及热带对流活动所驱动, 热带太平洋通过低纬水汽通量变化可能影响到AMOC的强弱[158]。Clement等[159]基于赤道海— 气耦合模式发现过去500 ka以来, 在特定的轨道尺度下, ENSO振荡可以突然停止几个世纪, 赤道太平洋的SST梯度增大, 呈La Niñ a相, 继而使赤道大西洋淡水输出量减少, AMOC减弱, 从而引起类似YD事件的全球性的快速降温。此外, 冰消期西太平洋暖池区变暖领先于北半球冰盖消融[160, 161], 古生产力演变与大气CO2浓度之间存在良好的对应性[162], 显示了低纬过程在全球气候变化中可能具有调节甚至驱动作用[107, 163]。YD期间, 一些低纬记录的变化也非常剧烈, 而模型结果表明, AMOC减弱并不能够完全解释低纬地区如此大的变化[158]。因此不能排除低纬过程在YD事件中的驱动作用。

4.6 其他假说

YD事件的触发机制还有一些假说, Renssen等[26]曾提出太阳活动变化也可能是YD事件触发机制之一, 太阳活动减弱引起大气环流的改变导致两半球中纬度风暴路径及相应的降雨带向赤道方向移动, 从而造成了极地气团的扩张。这些变化可能导致北美和北欧冰盖稳定性减弱, 冰山融化加上由于雨带的改变引起从陆地注入海洋的淡水位置的改变, 扰动大洋环流从而触发了YD事件[25, 26]。此外, Fairbanks[164]认为YD事件是末次冰消期两次大融冰事件MWP-1A和MPW-1B之间的海平面回升减缓期。Bard等利用Tahiti岛珊瑚礁重建了末次冰消期的海平面变化也支持这一假说[165]。这几种假说前人已有详细讨论[14, 74], 这里不再赘述。

对比YD事件与末次冰期千年尺度气候振荡的相似之处(D/O振荡和H事件, 图1), 以及联系到全新世北大西洋冷事件[154, 166], 其更有可能是Bond等[154]提出冰期千年尺度的气候振荡延续到冰消期的表现, 受AMOC强度变化驱动。目前科学界对YD事件的触发机制的争论不休, 也说明了全球气候系统的复杂性, 人类对气候系统内部各子系统之间的相互关系与作用还知之甚少。可以说YD事件的发生并非是某种单一驱动的结果, 如AMOC减弱本身不足以解释全球如此大范围的气候剧变。而是各种不同机制(如AMOC变化、低纬过程、海冰覆盖以及大气环流的变化)相互作用及反馈所形成的[19], 这一问题的完全解决有待新的证据和对地球气候系统内部各个子系统相互关系的进一步认识, 将南、北半球、高、低纬度以及全球季风系统作为一个有机整体, 从更长时间尺度的气候变化中看待YD事件, 能够更有助于科学家们理解YD事件的触发机制。

5 结语与展望

好莱坞电影《后天》给我们描绘了一个由于气候变化导致人类生存环境急剧恶化的场面, 该电影中的场景正是基于Broecker提出的大洋传送带是气候突变的触发器这一理论而拍摄的：随着全球不断变暖, 极地冰川迅速融化, 导致北大西洋深层水的形成停滞, 大洋传送带被关闭, 导致全球气候突变。虽然电影里的场景未必会真的发生。但是其背后的科学性是不容忽视的。持续燃烧化石燃料, 二氧化碳不断积聚在大气中, 这会对地球气候系统、生态环境和人类社会产生怎样的影响?这是当前人类社会面临的重大挑战。

YD事件是离我们最近, 记录最多也是研究最多的一次全球大幅度快速气候反转事件。尽管过去30年来, 科学家们已经对YD事件进行了大量研究, 但是至今对YD事件的发生时间, 不同地区的气候效应以及触发机制没有共识。要解决这些问题, 以下几方面的工作将是YD事件未来的研究热点和重要方向：

(1)具有历史观地看待YD事件。将YD事件置于更长时间尺度的气候变化中来看待。对比探讨YD事件与末次冰期千年尺度气候振荡(D/O旋回和H事件)的异同和相互关系, 一些记录(石笋、卡里亚科盆地纹泥等)中能同时看到三者的信号, 另一些记录中却只有其中两种, 如格陵兰冰芯、圣巴巴拉海盆记录中只有YD事件和D/O旋回, 而阿拉伯海上升流记录只有YD和H事件的印记。也即YD事件既表现出与D/O旋回、H事件一致的共性, 也有其独有的特征。此外, 在更早的冰消期中, 有的冰消期如倒数第三次冰消期有类似YD的反转事件, 而其他的则没有或者说尚未发现, 当然这受限于目前已有的记录的分辨率, 因此有必要在更多的长时间尺度的高分辨率记录中寻找类似YD事件是否也存在于其他冰消期之中, 以期能够更清楚地了解YD事件是气候自然变化的一部分还是仅发生在末次冰消期中的一次反常事件。

(2)NADW的强度变弱对于YD事件以及末次冰期其他千年尺度的气候振荡的重要性不言而喻, 但是目前科学界对YD期间NADW减缓机制还不够明确。其是否由Agassiz湖水的一次排水事件或是Keewatin冰穹的融冰淡水所致, 以及融冰淡水的注入路径尚在争议之中。而根据模型结果提出北大西洋上空的净降水量的改变对NADW强度的影响也不容忽视。今后, 找出融冰淡水的确切来源和排水路径, 以及评估北大西洋降水量的变化对NADW强度的影响将成为能否解决YD期间NADW减缓机制问题的重要研究方向。

(3)重视低纬度和南半球的研究。低纬地区作为全球热带以外的最主要的水汽、热量来源, 也是最大的降水及对流活动中心, 其水热状况对全球气候系统及大气环流在短时间尺度上有着重大影响。而越来越多的研究也认识到低纬过程如季风和ENSO, 不仅仅只是追随高纬度气候变化, 也可能调节甚至驱动全球变化[167]。在南半球, 尤其是南大洋在全球气候系统中也有着举足轻重的地位, 作为全球热盐环流的重要组成部分有力地调节着南北半球间的热量平衡。全球气候系统是一个整体, 牵一发而动全身[168]。从这个意义上说, 了解气候系统, 应获取更多低纬度、大洋以及南半球的高分辨率记录, 探讨两半球之间气候变化的相位关系与相互联系, 高、低纬过程及其反馈效应, 更清楚地了解低纬地区以及南半球在YD事件中的角色。

(4)加强YD期间数十年及百年尺度气候振荡研究。已有许多研究证实YD事件内部气候存在高度不稳定性[12], 其百年尺度次级旋回变幅达YD事件整体振幅2/3[15], 中低纬大西洋海洋沉积记录显示热带气候存在一系列数十年尺度的快速振荡[27, 78, 82]。最近, 高分辨率石笋记录也显示YD期间, 东亚季风存在多个百年尺度的振荡[20, 169]。但是上述不同记录的演化趋势和振幅存在很大差异, 这可能与不同代用指标的气候意义以及区域气候差异有关。观测和地质记录显示, 热带大西洋和太平洋水汽循环与亚洲季风在数十年尺度上联系紧密[22, 170]。而Liu等[169]研究发现, YD期间亚洲季风振荡存在200年的周期, 与格陵兰冰芯的10Be一致, 认为这可能和太阳辐射输出及快速大气环流重组有关。目前, 科学界对YD期间高频度的气候振荡研究还较少, 对其驱动机制也知之甚少。研究YD事件在数十年及百年尺度的气候振荡及其驱动机制, 对于研究现代气候变化具有极其重要的价值。因此, 未来还需要获取更多高分辨率地质记录(冰芯、石笋及纹泥等)和建立精确的次级事件的时间标尺, 将有助于科学界对数十年及百年尺度气候变化了解。

(5)相较于YD事件的开始, 其结束机制则少有人关注, 而事实上, YD事件结束时表现更为迅速, 冰芯记录中的温度上升5~10 ℃, 冰雪累积速率翻倍, 风暴频率显著减少, 夏季时间变长, 这些变化在几年至几十年内完成[33, 171]。Pearce等[172]研究纽芬兰Placentia 湾沉积物岩心发现在YD结束前, 由AMOC强度恢复所驱动, 拉布拉多寒流影响减弱, 墨西哥湾流北移, 海冰消融, 提出一系列的洋流的变化发生在大气环流的改变之前, 触发了YD— 全新世气候转变。可见AMOC不仅是YD事件发生的重要驱动之一, 在YD结束向全新世转变的过程中, 也扮演着极其重要的角色。冰芯中的粉尘记录变化要早于δ D记录, 意即亚洲沙漠变得湿润先于格陵兰岛升温发生, 反映了低纬ITCZ对北半球高纬地区气候突变影响深远[17]。当然, 充分了解YD事件结束的机制还有待于新的证据和模型的验证。

(6)研究古气候的最终目的是为了理解现在和预测未来。加强对气候系统内部各个子系统(大气— 海洋— 冰盖— 陆地— 生物圈)之间的相互作用及反馈的认识, 高、低纬并重, 从全球尺度上通过多学科、多手段结合地球系统模式探讨类似YD事件的驱动机制及其气候和生态效应, 以期能够促进和深化科学界对千年尺度气候突变的理解和认识, 更准确地预测未来气候变化的趋势。

总之, 作为了解快速气候变化的窗口之一, 新仙女木事件在未来很长一段时间内, 依然会吸引着古气候学家们的关注。

The authors have declared that no competing interests exist.

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