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在末次盛冰期，陆地上普遍冷却了6摄氏度

自然体积593，页面228 - 232 (2021）引用本文

主题

摘要

末次冰期(LGM，末次冰期最冷的千年间隔)期间全球变冷的程度是评估地球气候敏感性估计的一个重要限制因素1，2．可靠的LGM温度来自高纬度冰芯3.，4，但在低纬度地区的代理记录之间存在重大分歧1，5，6，7，8在美国，陆地上的定量低海拔记录很少。填补这一数据空白的是，古代地下水中的惰性气体通过直接的物理关系记录了过去的地表温度，这种关系源于它们在水中的溶解度与温度有关9，10．溶解的惰性气体是LGM温度的合适示踪剂，因为它们对生物和化学过程完全不敏感，而且在全球范围内，LGM老化的地下水无处不在11，12．然而，尽管一些个别的惰性气体研究发现了大量的热带LGM冷却13，14，15，16，他们使用不同的方法，提供有限的空间覆盖。在这里，我们使用地下水中的低等气体来表明，在LGM期间，低海拔、低至中纬度的地表(南纬45度至北纬35度)冷却了5.8±0.6摄氏度(平均±95%置信区间)。我们的分析包括来自六大洲四十年的地下水惰性气体数据，以及来自热带地区的新记录，所有这些数据都使用相同的物理框架进行解释。我们的陆基结果广泛支持最近基于海洋代理数据同化的重建1这表明气候敏感性高于之前的估计5，6，7．

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图1惰性气体古温度表及其主要组成部分概况。
图2:年轻地下水中的惰性气体准确地记录了现代温度。
图3:惰性气体表明低海拔、低纬度LGM在陆地上的冷却温度约为6°C。

数据可用性

所有原始地下水数据(惰性气体浓度、年龄、水温(如有))、补给高度、研究地点、拟合参数和统计不确定性均可通过PANGAEA (https://doi.org/10.1594/PANGAEA.929176)．各研究的NGT时间序列图可作为补充文件。源数据提供了这篇论文。

代码的可用性

所有NGT拟合的MATLAB脚本(包括文档)均可从zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.4589442)．

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下载参考

确认

我们感谢整个地下水惰性气体地球化学家社区，特别是先驱E. Mazor和J. N. Andrews，他们数十年来在分析世界各地的地下水和促进我们对地下水惰性气体的物理理解方面所做的认真工作;A. Moulla和T. Condesso de Melo分享数据，D. Bekaert进行有益的讨论。手稿在曼宁、克拉克和麦基的建议下得到了改进。这项工作得到了NSF-EAR-1702704, NSF-EAR-1702571和NSF-OCE-1923915的部分支持。

作者信息

作者及隶属关系

  1. 美国马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所海洋化学和地球化学部

    艾伦·m·萨尔茨

  2. 美国加州拉霍亚斯克里普斯海洋研究所地球科学研究部

    Jessica Ng, Justin T. Kulongoski和Jeffrey P. Severinghaus

  3. 海德堡大学环境物理研究所，德国海德堡

    沃纳Aeschbach

  4. 瑞士联邦水产科学技术研究所水资源和饮用水部，Eawag, Dübendorf，瑞士

    罗尔夫Kipfer

  5. 瑞士联邦理工学院环境系统科学系生物地球化学与污染物动力学研究所，苏黎世，瑞士

    罗尔夫Kipfer

  6. 瑞士联邦理工学院地球科学系地球化学和岩石学研究所，瑞士苏黎世ETHZ

    罗尔夫Kipfer

  7. 地球化学部，拉蒙特-多尔蒂地球天文台，帕利塞德，纽约，美国

    马丁Stute

  8. 美国纽约巴纳德学院环境科学系

    马丁Stute

作者
  1. 艾伦·m·萨尔茨
    查看作者出版物

    您也可以在PubMed谷歌学者

  2. 杰西卡·Ng
    查看作者出版物

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  3. 沃纳Aeschbach
    查看作者出版物

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  4. 罗尔夫Kipfer
    查看作者出版物

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  5. Justin T. Kulongoski
    查看作者出版物

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  6. Jeffrey P. Severinghaus
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  7. 马丁Stute
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贡献

A.M.S.撰写了手稿，并进行了建模和数据分析。j。n。和A.M.S.创建了数据库。J.P.S.开发了LGM大气压力模型。a.m.s.， j.n.， w.a.， m.s.， J.T.K.和R.K.提供了地下水数据集，所有作者都参与了关于数据解释和建模的每周讨论。所有作者对手稿进行了编辑和修改。

相应的作者

对应到艾伦·m·萨尔茨．

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有利益竞争。

额外的信息

同行评审信息自然感谢Jordan Clark, Andrew Manning, David McGee和其他匿名审稿人对本工作的同行评审所做的贡献。同行评审报告是可用的。

出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。

扩展的数据图形和表格

扩展数据图1主要惰性气体模型的评价。

全新世晚期NGT与ERA5-Land 1981-2019年三个NGT模型的MASTs的比较χ2所有地下水样本的拟合优度直方图比较(n= 753)(按自由度标准化，n)(插图)。封闭系统平衡(CE)模型与era5 -陆地温度(r.m.s.d = 1.4°C)最接近，其次是部分再平衡(PR) (r.m.s.d = 1.5°C)和耗氧(OD) (r.m.s.d = 5.7°C)模型。封闭系统平衡模型也表现出最佳拟合优度(中位数最低χ2/n)．数据为平均值±1 s.e.m。

扩展数据图2 era5 -陆地温度在5°C以上无偏置。

将1981-2019年平均era5地面(上层土壤)温度与全球现代平均年实测地面温度数据库进行比较34，使用方法中描述的方法将era5 -陆地温度投影到观测高程。在大约5°C以下，ERA5-Land的温度似乎系统地偏向于比观测到的温度更高，而在5°C以上，它们始终以1.6°C的均方根误差重叠1:1线。观测到的温度往往比ERA5-Land的平均温度略高，这可能是因为微气象站的典型位置位于贫瘠的田野上，植被提供的阴凉几乎没有冷却作用。

图3 LGM惰性气体古测温系统误差的主要来源。

一个- - - - - -d，模拟了表观NGTs对系统误差主要来源的敏感性。在每种情况下，NGT偏倚(T’)，在海拔1公里处的开始充注温度为10°C(混合试验除外(d)，其中T'是相对于10°C平衡水的等份混合物的温度，具有给定的平衡混合端件温度)。显示了与误差源相关的NGT偏差，包括lgm -晚全新世补给高度的变化(一个)、地下水位(ΔWTD，b)和压力(ΔP，c)，以及混合引起的直接NGT偏置(d)相对于外加剂温度。绿色方格表示±1σ可能冰期-间冰期变率范围的置信区(补充表1;看到方法参看每项敏感性试验的详细说明和结果汇编的补充表2)。

图4 LGM期间的气压变化。

箱型模型计算LGM大气压力随固定点高程变化的结果。一个，绝对压力(P)在LGM期间和现代氛围中放映。b， LGM压力异常(ΔP)与现代大气的关系。简而言之，该模型假设一个固定的递减率(6.5°C千米)−1)，并使用气压方程来估计LGM期间大气压力的垂直分布，计算大气空气因溶入较冷的海洋和在高纬度冰原中阻塞而损失，以及大冰原生长导致的空气位移(见方法有关详情)。

扩展数据图5 AP2 LGM冷却估算值与文献值的比较。

由纬度划分的稀有气来源ΔTLGM(本研究，接近AP2)到区域平均陆地表面(实线)和海洋表面(虚线)的Δ估计TLGM来自之前的主要研究1，5，7．数据为平均±1 s.e.m.。我们的AP2低纬度(45°S-35°N) LGM冷却的平均估计(4.8±0.6°C;粗绿色虚线，95%置信度误差包络线)的幅度比AP1小约1°C(更温暖)。尽管AP2的估计似乎与先前公布的陆地冷却数据更接近1，我们注意到，该数据同化研究完全受到海洋代理的限制，因此应谨慎对待陆地冷却的影响。基于正文中描述的物理和统计学原因，我们认为AP1更稳健，我们强调AP1和AP2之间相对较好的一致性，与文献值之间的不一致范围相比，增加了NGT重建可靠性的信心。

扩展数据表1系统误差的主要来源
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表2地下水稀有气体数据集概述
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萨尔茨，吴恩达，艾施巴赫，W。et al。在末次盛冰期，陆地上普遍冷却了6摄氏度。自然593， 228-232(2021)。https://doi.org/10.1038/s41586-021-03467-6

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