全球变暖背景下，早期全新世海平面上升速率研究取得关键进展

《Nature》：Global sea-level rise in the early Holocene revealed from North Sea peats

本文通过研究北海全新世早期海平面数据，揭示海平面上升规律，助力理解气候变化影响。

　　### 全球变暖与早期全新世海平面上升研究的重要性
在全球变暖的大背景下，冰盖融化速度加快，与之相关的海平面上升（SLR）问题日益严峻。政府间气候变化专门委员会（IPCC）预测，未来几个世纪，海平面上升速率将进一步加快，达到自早期全新世（11.7 - 8.2 千年前）以来从未有过的水平。准确预测未来气候和海平面变化，对人类社会应对气候变化至关重要，而这依赖于对地球系统响应的深入理解。早期全新世时期，气温快速上升，导致北美冰盖复合体（NAISC，包括劳伦泰德、因纽特、科迪勒拉和格陵兰冰盖）和南极冰盖（AIS）的部分区域大规模融化。研究这一时期冰盖体积的变化、融水进入海洋的方式，以及海平面变化的模式和速率，对于校准和验证冰量重建模型和冰川均衡调整（GIA）模型具有重要意义。然而，早期全新世海平面的地质约束数据稀缺，限制了人们对这一时期海平面变化的理解，因此获取详细的古记录迫在眉睫。

早期全新世海平面研究的现状与挑战

早期全新世海平面研究面临诸多困难。一方面，海平面指数点（SLIPs）数据稀缺，这是因为该时期的记录多位于近海且深埋地下，采样难度大。另一方面，现有的有限 SLIP 数据集存在较大的垂直不确定性，主要原因包括空间采样密度低、依赖珊瑚（其深度 - 栖息地范围较大，常产生≥8 m（2σ）的不确定性）以及受当地冰荷载影响大等。此外，即使在数据密度和精度较高的情况下，SLIP 数据集也无法追溯到 9.5 ka 以前。在这种情况下，区域 SLIP 系列的数据密度亟待提高，以充分发挥早期全新世海平面上升速率对冰量变化速率的约束作用。

北海地区在海平面研究中的优势与数据获取

北海地区在海平面研究中具有独特优势。其广阔的大陆架使得相关记录可通过相对低成本的浅深度采样设备获取，且该地区温带纬度淹没海岸沼泽的 SLIPs 有望达到分米级精度。在全新世初期，北海大部分地区还是陆地，后来随着海平面上升被淹没，形成了广泛的泥炭层。尽管这些泥炭层受到后续海岸和海洋过程的侵蚀，但仍有大量保存下来。研究人员通过多次研究巡航，从北海获取了早期全新世的 SLIPs。他们利用国家钻孔数据库和地球物理数据，确定了采集近海振动岩心的位置，这些岩心包含早期全新世泥炭 - 泥接触层。通过分析岩心中的硅藻组合和 X 射线荧光（XRF）岩心扫描数据，判断泥炭 - 泥接触层是否受侵蚀，进而确定过去的海平面位置。研究人员还结合了 88 个新的海平面数据点和 51 个来自荷兰和德国北海地区的现有数据点（未包含英国北海地区的数据，以避免区域英国冰盖荷载带来的不确定性），最终得到 59 个北海 SLIPs。这些 SLIPs 的平均垂直不确定性为 ±0.42 m（2σ），平均年龄不确定性为 ±184 yr（2σ），相比早期研究，不确定性大幅降低。

早期全新世海平面上升的分析方法与结果

为了分离出不同冰盖对海平面上升的贡献，研究人员使用了两种已发表的欧亚冰盖（EuIS）重建模型 ——ICE6G 和 BRITICE - CHRONO，并结合一系列一维（1D）和三维（3D）地球模型，计算 EuIS 对海平面上升的贡献。通过比较不同模型的拟合度，发现 BRITICE - CHRONO 模型在模拟 EuIS 对海平面上升的贡献时，与 109 个 SLIPs 数据的拟合效果最佳。研究人员从众多模型中选择了八个模型（七个 1D 和一个 3D）来计算 EuIS 对每个 SLIP 的海平面上升贡献，并从观测的 SLIP 中减去 EuIS 的贡献，得到剩余相对海平面变化信号。这个信号主要反映了北美和南极冰盖对早期全新世海平面上升的综合贡献。利用误差变量集成高斯过程（EIV - IGP）模型对剩余数据集进行处理，得到了北海剩余海平面变化速率的连续模型。结果显示，北海剩余海平面在 11 ka 到 3 ka 期间上升了 26.3 m（2σ 范围，23.8 - 28.8 m），并且存在两个加速上升阶段。

加速海平面上升阶段的特征与成因

北海剩余海平面重建结果显示出两个加速海平面上升阶段（SLR），这两个阶段归因于 NAISC 和 AIS 融水释放的增强。第一个阶段（P1）在 10.3 ka 左右达到峰值，速率接近 9 mm/yr，与预测的 2150 年全球平均海平面（GMSL）上升的最大速率相当。之后，速率在 9 ka 时降至 5.7 mm/yr。第二个阶段（P2）在 8.3 ka 左右达到 8.1 mm/yr 的峰值，随后迅速下降，到 7.0 ka 时降至约 1 mm/yr，5.0 ka 时降至 0 mm/yr。5 ka 到 3 ka 之间的负速率与南极在该时期的重新生长证据相符。P2 阶段与阿加西湖 - 奥吉布韦湖的最终排水事件以及 NAISC 部分区域的解体有关，该湖的融水释放对 P2 阶段的海平面上升有重要贡献。而 P1 阶段的成因则主要是早期全新世快速气候变暖导致的冰源融水增加，全球温度在 10 ka 左右开始稳定，可能反映在 P1 阶段的终止时间上。

全球平均海平面上升与冰盖贡献的量化

北海剩余海平面上升是早期全新世全球平均海平面上升的区域表现。由于北海相对于晚更新世和早期全新世冰盖的引力指纹位置，其早期全新世剩余海平面记录捕获了 74%（2σ 范围，68 - 90%）的全球平均海平面信号。通过计算，北海 11 ka 到 3 ka 的剩余海平面上升转化为全球 NAISC - AIS 海平面当量（SLE）为 35.5 m（2σ 范围，27.1 - 40.0 m），加上 EuIS 在 11 ka 后的 2.2 m SLE 贡献，11 ka 到 3 ka 期间全球平均海平面总共上升了 37.7 m（2σ 范围，29.3 - 42.2 m）。这一结果与基于冰盖重建的全球平均海平面估计值以及之前有限的早期全新世海平面数据之间的差异得到了调和。研究还评估了 AIS、NAISC 和 EuIS 对全新世全球平均海平面的相对贡献。结果表明，AIS 在 11 - 3 ka 期间的贡献为 7.8 m SLE（2σ 范围，4.1 - 9.6 m），NAISC 贡献为 29.7 m SLE（2σ 范围，23.4 - 36.0 m），EuIS 贡献较小，仅为 2.2 m SLE（2σ 范围，1.5 - 2.9 m）。

研究方法的详细解析

研究方法主要包括以下几个关键步骤。首先是获取海平面数据，利用国家钻孔数据库确定采样位置，通过研究巡航进行地球物理调查和振动岩心采集，对岩心进行多方面分析后建立海平面数据点数据库，并进行垂直校正和贝叶斯年龄校准。其次是选择 GIA 模型，使用 1D 和 3D 全球 GIA 模型，结合不同的冰盖重建模型，通过计算拟合度选择合适的模型来计算 EuIS 对海平面上升的贡献。然后是分离 EuIS 信号，通过公式计算观测和预测的 EuIS 信号，并评估模型对 EuIS 信号的捕获效果。接着计算剩余 RSL 变化，利用公式分离出 NAISC 和 AIS 对海平面上升的贡献，再用 EIV - IGP 模型计算剩余 RSL 和变化速率。最后评估冰盖贡献和全球平均 SLR，根据已发表数据计算各冰盖的 SLE 贡献，通过指纹校正将北海剩余 RSL 曲线转换为全球平均海平面曲线。

研究结论与未来展望

本研究通过对北海早期全新世海平面数据的深入分析，揭示了海平面上升的模式和速率，确定了两个加速上升阶段及其成因，量化了不同冰盖对全球平均海平面上升的贡献，调和了之前研究中的差异。研究结果为理解地球系统对气候变化的响应提供了重要依据，对冰盖重建和 GIA 建模具有关键的约束作用。然而，研究也存在一定的局限性，例如某些阶段的不确定性仍需进一步降低。未来研究建议在全球范围内选择类似北海的陆架海域，继续收集早期全新世 SLIPs 数据，提高数据的空间覆盖和密度；同时将数据收集扩展到晚更新世，以更全面地了解海平面变化的历史。此外，早期全新世海平面数据在地质、古环境和考古研究中也具有重要应用价值，有助于揭示人类迁移等历史事件与海平面变化的关系。