古气候代用系统偏差部分解决热带东非洲数据-模型长期差异

本研究针对PMIP模型与热带非洲湖泊GDGT温度重建数据在末次盛冰期(LGM)和全新世中期(MH)存在>2°C差异的问题，通过代理系统模型(PSM)量化了湖温-气温关系非平稳性、季节性偏差等误差源，发现MH期80%差异可归因于代理系统误差，为改进古气候模型验证提供了关键方法论框架。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，非洲正经历着最快速的人为气候变暖过程。然而当前气候模型对热带非洲未来变化的预测仍存在显著不确定性，特别是东非洲地区频发的干旱与洪水事件与温度变化的关联机制尚不明确。这一科学困境的核心在于：古气候模型比较计划(PMIP)的通用环流模型(GCM)在模拟末次盛冰期(LGM, 21ka)和全新世中期(MH, 6ka)等关键时期时，与热带非洲湖泊沉积物中甘油二烷基甘油四醚(GDGT)生物标志物重建的温度存在系统性偏差——模型在MH期比代用指标低2°C，而在LGM期却高出2°C。这种"冷-暖反转"的差异动摇了学界对模型预测可靠性的信心，亟需厘清其根源是模型物理过程缺陷还是代用指标解释偏差。

由美国国家科学基金会资助的研究团队创新性地采用代理系统模型(PSM)框架，系统分析了8个热带东非湖泊的GDGT温度记录与PMIP3/PMIP4模型的对比数据。研究首先建立了包含海拔梯度(10-30°C)的湖泊观测网络，通过多模型集合分析确认了代用-模型温差的空间一致性；进而运用PSM量化了四大误差源：PMIP边界条件不确定性、GDGT温度校准误差、季节性信号偏差、以及湖温-气温关系的非平稳性。技术路径上，研究整合了古湖沼学采样、GDGT分子化石质谱分析、气候模型降尺度处理，并开发了考虑湖泊能量收支的转置算法，首次实现了对热带高海拔湖泊系统的过程建模。

【非洲GDGT代用记录】
基于8个湖泊的GDGT网络数据显示，MH期东非整体升温1.6°C，而LGM降温幅度存在区域异质性。值得注意的是，大型低海拔湖泊(如坦噶尼喀湖)与小型高海拔湖泊的记录存在系统偏移，暗示湖泊形态对温度信号具有调制作用。

【GDGT记录与模型气温比较】
PMIP4模型在LGM期比代用数据平均高2.1°C，这种差异在高原湖泊尤为显著；MH期则呈现相反趋势，模型低估升温幅度达2.3°C。值得注意的是，更新了边界条件的PMIP4模型较PMIP3并未显著改善模拟性能。

【讨论与结论】
通过PSM的敏感性实验揭示：MH期温差的最大80%可归因于代用系统误差组合效应，特别是9-11月日照变化引起的湖泊混合层季节性偏差；而LGM期的差异则主要反映模型对冰期边界条件的响应缺陷。该研究开创性地证明：代用指标的系统偏差可部分解释长期存在的古气候数据-模型差异，但不同气候态下的误差贡献存在显著不对称性。成果发表于《Quaternary Science Reviews》的这项工作，为发展"不确定性量化"的古气候验证范式提供了方法论模板，对改进IPCC模型在热带非洲的预测性能具有深远意义。