男生小内内:IPCC说了什么？（十三）万年以来的古气候研究

末次冰期结束之后，人类对环境的影响与其他动物就有区别了。人类发明了牧业、农业以后，就开始逐渐主动改变周围的环境，当然在历史上很长很长的时间里面， 这个过程都是非常缓慢的，所以能够造成的影响也是很小的。末次冰期结束后一直到现在的这段时间，地质学上成为全新世，属于第四纪，开始于大约1万年前。全 新世里面还可以继续分期，有几种不同的分法。IPCC使用的分类方法，把全新世分成早、中、晚三期，分别对应着升温期、高温期、中温期。从名字就很明显的 看出，全新世的温度变化，是先升温，维持高温，然后降温。

实际上全新世的气候变化要更加复杂。这一万年里面，地球轨道有变化，火山爆发对气候也有影响，使得这个时期的气候变化丰富多彩。当然不是说其他的时候地球 气候变化不丰富，只不过全新世的资料相对丰富，给人们更加细致地了解气候变化提供了机会，也有了不少研究成果。比如说认定在北大西洋高纬度地区，以及北极 地区，在全新世早期的1万年前到8千年前，夏季温度明显很高，可能全新世的夏季最高温就发生在这个时候。夏季温度高对应的就是北极冰川面积减少，这方面， 现有的观察是一致的。对于大西洋中北部地区的浅层海面温度重建发现从全新世中期到工业化以前有一个很长期的逐渐降温的趋势，很有可能与这些纬度地区的年平 均轨道辐射以及夏季轨道辐射变化有关系。在北欧和北美的冰原残余物附近，最暖期要错后不少，这个现象可能与冰川变化、冰原反照、大气和海洋的热交换、以及 局部的轨道强迫有关系。在北欧和北美西北部，最暖的时期发生在5到7千年前，这个期间还发现了温带森林向北的扩展，以及相应的冰川退缩。全新世早期的变暖 现象还在西太平洋、中国、新西兰、南部非洲、南极等地观测到。南半球高纬度地区的变暖并不能用单纯的轨道强迫进行解释，可能与大规模的能量输送有关。和这 个大趋势相反的是，热带浅层海水的温度变化显示了从全新世开始到现在的持续的升温趋势，可能与热带的轨道强迫变化相关。下图是一些观察到的与人类工业化之 前相比较的温度差别，纵坐标是纬度，横坐标是时间。红色表示比工业化前高出2摄氏度或者更多，黄色表示比工业化之前高出0.5到2摄氏度，蓝色表示比工业 化之前要低0.5到2摄氏度。

全新世中早期温度与工业化之前比较观察到了在一些热带以外的一些地区，在全新世早期曾经有局部升温现象，幅度高达几个摄氏度。不过这些局部的升温很可能并不具备全球性，因为同期的热带海洋 温度略低。使用轨道强迫的模型对这个时候的模拟认为全球平均温度变化应该在0.4摄氏度以内。目前的数据的数量和分布都还不方便对这个时期的全球状态下更 明确的结论，无法认定是否出现过于目前正在发生的全球变暖类似的升温异常。北非、东非和北美的记录表明持续几十年到几百年的干旱是这些地区气候的经常特 征，现在发生在北美和中非的干旱并不是史无前例的。这些区域的准周期性的气候变率看起来的确存在，可以得到单独的年代际分辨率的古气候资料的支持，但是这 些独立的区域信号在全球范围内并不一致。

温度变化往往伴随着冰川的变化。对古代陆地冰川变化的研究集中在北半球。目前的研究表明在全新世的前半期，从1.1万年前到大约5千年前，北半球只有很小 量的冰川甚至没有冰川。到了后半期，冰川开始形成，并且扩张。这个现象基本上可以用轨道强迫带来的变化来解释，在全新世前半期，轨道强迫导致了北半球夏季 日射增加，从而造成区域变暖，导致冰川融化。不过对于局部的短周期的陆地冰川变化，仍然需要更加复杂的当地气候与冰川模型来进行分析。下图是南北半球一些 冰川的变化情况。实线是连续纪录的数据，虚线是非连续纪录的数据，深浅褐色是直接和间接证据。横线之上的，代表冰川面积小于20世纪末的冰川面积，横线之 下的，代表冰川面积大于20世纪末的冰川面积。由于对总量估计的准确性仍然不好，所以显示的都是相对变化。这里面可以看出来冰川的变化很复杂。由于影响局 部冰川的气候行为很复杂，每一次的冰川变化，原因并不都是相同的，需要对当地的降水和气温情况进行分析。在全新世后半期的大多数时间，并没有观察到目前正 在发生的全球基本一致的陆地冰川大范围消融现象。由于全新世后半期的几千年北半球夏季日射仍然较少，使用轨道强迫并不能解释目前观察到的全世界山区冰川地 退缩现象，很显然现在的全球范围退缩应该是其他原因。

全新世冰川变化值得一提的是在8200年前，格陵兰发生过温度突然降低2到6摄氏度的情况，与同期观察到的大气甲烷含量降低、大规模大气环流改变等等相一致。这个突变一 般与北大西洋涛动联系在一起，不过目前还缺少深海的证据支持，所以这个关系仍然是假说。在全新世早期，北极和北冰洋的大量淡水从冰里面释放出来，导致海水 淡化，而促发8200年前的突变的现象，可能是阿加齐兹Agassiz古湖突然释放大量淡水造成的。在大约仅仅半年的时间内，有总量达到100万亿立方米 的淡水忽然进入哈德逊湾，从而导致海洋和大气的一系列变化。以此为依据的气候变化模型基本上可以模拟所观察的种种气候现象。在4到5千年前，北半球的海冰 面积出现过激增，伴随着在格陵兰监测到的氘含量降低，欧洲也观察到突然变冷，北美则广泛开始了持续达到数百年的干旱，以及南美气候的一些变化。这个突变的 发生机制仍然未知。这个事件发生在轨道辐射导致的局部温暖期结束的时候，可能提示在缓慢的强迫变化的情况下，也可以出现突然的气候变化。北非地区在全新世 早期的强烈潮湿环境也与环境对轨道强迫的作用进行放大有关。

两万年来大气温室气体信息重建上图是2万年以来的大气里面二氧化碳、甲烷和氧化亚氮三种温室气体重建资料，分别在左上，左下和右上角。右下角的是这三个因素放在一起的辐射强迫。可以看 到在全新世早期，1.1万年前到8千年前的这一阶段，大气中的二氧化碳浓度略有下降，降低了7ppm。随后，大气中二氧化碳浓度开始缓慢上升，一直到被人 类的工业化排放所干扰。大气中的甲烷含量也有类似的趋势，不过略有不同，北半球的大气甲烷含量从1万年前的730ppb降低到6千年前的580ppb，然 后缓慢升高到工业化之前的730ppb。氧化亚氮的总图浓度变化趋势与二氧化碳的很象，在全新世早期降低了10ppb，随后缓慢上升，不过波动要频繁一 些。原来一般认为在全新世大气中的二氧化碳含量与陆地植物的变化有关系，森林面积增加，二氧化碳的浓度就会下降，海洋沉积，比如珊瑚增多也会吸收一部分 碳。比较新的研究表明在工业化之前的7千年里面，陆地植被的变化不大，陆地上的碳自然也就是稳定的。北方泥炭地储存的二氧化碳的变化更有可能是这期间大气 二氧化碳浓度变化的原因。不过这些变化都是很缓慢的，与工业化之后大气二氧化碳的变化速率低很多。有人研究过工业化之前人类的农牧业活动所造成的温室气体 影响，认为如果没有人类工业化之前的农业活动，在工业化之前的8000年时间里面，大气中的二氧化碳应该降低20ppm，而不是观察到的升高了 20ppm，不过这个假说支持者很少，本身也缺乏一些关键的证据来支持，也与一些其他证据相矛盾，所以还不被采信。

距离现代越近，可以采用的气候资料就越丰富。目前对于古气候的复原，对于最近的1千年左右的研究最多。下图是IPCC收录的对北半球的研究结果。图a是仪 器测量的结果。图中的黑线是北半球陆地海洋的平均温度，深棕色线是北半球的陆地平均温度。陆地的温度是从1781年开始的，不过要注意早期的数据站点很 少，仅仅有23个欧洲站点和一个北美站点，亚洲最早的站点是从1820年代才开始的。浅棕色线是四个历史最悠久的欧洲站点的数据，一直追溯到18世纪初期 开始有了温度的定义的时候。图中的灰色带是数据的置信区间，可以看出来20世纪数据的置信区间的范围要小于19世纪的，距离现代越久远，置信区间覆盖的范 围越大。这些数据至少能说明，1980年以后的全球变暖，是有仪器记录的两百多年历史里面所没有见过的。

1300年来北半球温度的重建对于更久远的时间的温度重建，就需要使用各种各样的代用资料了。TAR的时候采用了三个系列。一个是上图b里面的MBH1999，这个系列是根据树木年 轮、冰芯数据、人文资料等建立的，包括了1850年以后的仪器分析数据，研究的是1000到1980年的年均北半球陆地海洋的气温变化，不过主要基于中高 纬度的数据，有少量的中低纬度数据。这个研究发现在这900年里面，有一个振幅高达0.3摄氏度的波动，同时有一个0.15摄氏度的降温趋势，然后是20 世纪的突然增温。第二个系列是上图b中的JBB1998，数据的数量要少一些，研究的是北纬20度以北地区的夏季气温变化。第三个是BOS2001，完全 依据树木年轮研究北半球夏季的气温，覆盖北纬20度以北地区，高纬度数据更充分一些，不过仅从1402年开始。后两个系列都显示了17世纪的气温比第一个 系列的结果要低，第一组数据后来也遭到了广泛的质疑。最热闹的就是关于中世纪暖期的问题。

北半球一些地区的温度历史重建中世纪可能比较温暖的概念早在1920年代就已经被提出了，区域至少在北美、斯堪的纳维亚以及东欧，一些关于古人类生活资料的记载显示10世纪的气温应该 比14世纪要高。同时提出的还有17世纪的变冷概念。不过正式提出中世纪暖期的概念是在1960年代，时间段定义在公元1000到1200年之间。在这个 时候，就已经发现了不同地区的暖期是有区别的，比如俄罗斯部分以及格陵兰发生在950到1200年间，但是在欧洲大部地区都要晚一些，在1150到 1300年间。这个概念所使用的证据也不少，从人类的纪录，到葡萄的种植期、树木的生长线、植被的变化等等，还包括一些早期的冰芯数据以及年轮资料。这个 1960年代进行的研究，得到的结论是在欧洲，所谓中世纪暖期的时候，气温可能比20世纪初的气温高出了1到2摄氏度。现代的研究对这个结论持保留态度。 更加可靠的，可以定量的证据的研究显示，这个早期研究最多只能说在全球的某个地区的一些年份里面，气温有点偏高。现在对于最近千年各个地区的温度复原现在 也有了不少工作，上图是不同地区的研究结果，上面一行从左到右分别是西北加拿大、美国西部、格陵兰西部、瑞典北部，下面一行从左到右分别是西北俄罗斯、俄 罗斯北部、蒙古、东亚。把这些数据放到一起来看，这个中世纪暖期就不这么明显了，因为各个不同地区的变率非常大。要确定是否整个北半球都有这种变化，可能 还需要更加全面可靠的证据。从在前面一图图b里面AR4引用的1300年来北半球气温估计资料汇总上面可以看到，在公元950到1100年间，有可能出现 了一个相对温暖的时期，但是即使是这个时候，也要比1961到1990年的北半球平均温度（图中的零点）要低上0.1到0.2摄氏度。AR4给的结论是在 公元950到1100年间，北半球的确观测到了较温暖的气候，在工业化之前的2千年内这个时期里面是比较高的。但是这些观察还很难说整个北半球的平均气温 在这个时期偏高，这个可能的中世纪暖期也与20世纪观测到的北半球整体的升温是有区别的。对于17世纪的小冰期，目前的数据仍然不够充分，还无法判定其广 泛程度。下图里面可以看一下目前研究的取样分布，三个图从上到下分别是公元1000、1500和1750年。红色温度计是仪器测量点，棕色三角是树木年 轮，黑圈是地洞，蓝星代表冰芯，冰洞，其他资料是紫色的方块。

研究千年以来气候变化的代用资料选取地点还要回到1300年来北半球温度重新中的图b。这里面可以看到从TAR到AR4之间，进行北半球气温复原的工作多了很多。这里就不一一列举。使用的代用资 料也更多，分析方法也有进步。比如树木年轮的宽度、密度，冰的各种重要同位素的组成比例，珊瑚的生长带等等都被大量使用。不过使用这些代用资料的不确定因 素仍然很大，特别是降水的影响与温度的影响很多时候很难分开，有的时候一些变化只代表特定的原因而并不代表一定特定的年份等等。综合来看，这些新的研究显 然增加了这个时期数据的不确定性。这些新的数据里面，大多数都是对全年平均进行研究，少数研究的是夏季的变化。图c就综合了这些研究结果，考虑了这些研究 的统计不确定性，给出了北半球平均温度的可能值，不同深浅的色带表示不同的置信区间。从这个分析里面，还是能看出来17世纪早期和19世纪可能相对较冷， 而11世纪和15世纪都相对较暖，一些数据显示在10世纪末期有一个很短的变暖。不过最暖的时候还是出现在20世纪。众多研究中只有1组数据显示暖期的北 半球平均气温可能超过了1940年代的平均气温。更加肯定的是，这些研究都显示，20世纪最后20年，非常可能至少是最近1300年以来最温暖的时期，而 20世纪后半叶的平均温度，也比此前500年的任何一个50年的平均温度要高。对南半球的历史气候情况也有类似的重建工作，一些研究结果列在下图。不过由 于数据实在太稀少，还不能对南半球的变化做出评估。

一些南半球的温度重建研究有一些模型对过去500到1000年的气候进行了模拟，使用的是自然和人类所造成的辐射强迫。这里面，有一些因素还是可以比较精确的计算的，比如地球相对 太阳的轨道变化可以进行精确计算，这样各个时期不同的纬度、季节抵达大气层顶的太阳辐射就可以进行计算。温室气体的资料可以直接使用冰芯的分析结果，也算 是比较准确地。其他的因素不确定性就比较高了。土地的改变，虽然有一些文献记载和间接证据，但是不确定性仍然不少，而平流层的气溶胶的分布、变化，臭氧的 浓度变化，人们的了解就非常有限了。在人们对太阳辐射进行观察的30年里面，平均太阳辐射的变化非常小，扣除了平均大约11年的太阳黑子周期之后，变化幅 度仅有0.1%，相当于0.2W/m2的辐射强迫。对于历史数据，太阳辐射的变化一般使用宇宙同位素资料，比如太阳黑子活动少的时候，Be10和C14的 浓度就要偏高，不过两者之间的之间定量关系还并不明确。在很多研究中都假定宇宙同位素与太阳辐射有线性关系，较新的研究开始使用物理模型进行模拟，得出了 非线性关系。按照这个较新的研究，有研究者认为最近的8000年里面，太阳活动的变化很小，不过另有研究认为在过去的1000年里面，有三个时期太阳略微 活跃，分别是公元1785年，1600年和1140年。总之太阳辐射变化的长期趋势仍然不明朗。AR4采用的结果，认为相对TAR时候，太阳辐射的变化被 大幅度调低，前面介绍太阳辐射强迫的时候讲过了。TAR时期的重建认为17世纪时候的蒙德尔极小值要比现在的平均低0.15%到0.65%，相当于 0.36到1.55W/m2的辐射强迫，AR4采用的是这个变化仅有0.1%，折合的辐射强迫低于0.2W/m2。对火山辐射强迫的估计不确定性很大，前 面讨论过。火山活动在最近的数百年有所增加。由于火山基本上给出一个负的短期的辐射强迫，火山对气候的影响应该是变冷。下图给出了不同研究者使用辐射强迫 得出的模拟结果。上面的图，a是火山活动造成的辐射强迫，b是太阳辐射的强迫变化，c是其他因素的辐射强迫。下图是前面见到的温度复原概率图与一些模拟结 果，粗线是考虑了自然与人类共同造成的辐射强迫的模拟结果，细线则是只考虑自然影响的辐射强迫模拟结果。虽然模型各有不同，基本上还算是模拟了主要的气候 变化，比如12到14世纪期间略暖，15世纪中期，17世纪和19世纪较冷，这些都处于不确定性的范围之内。所有使用了人类造成的辐射强迫因素的模型都模 拟到了20世纪的变暖。

使用辐射强迫模型对千年来气温变化的模拟工业化之前的一千年里面，冰芯记录到的二氧化碳浓度变化很小。对更久远的冰期时期的记录表示，二氧化碳浓度与气温有一定的相关性，在过去的65万年里面， 南极的大气里面的二氧化碳浓度与气温有共同的变化。一些模型也揭示了二氧化碳浓度会受到气温的影响，具体的物理机制，包括气温变化带来的海水中二氧化碳溶 解度变化，以及土地对温度和降水的相应导致的碳储存量的变化等等。很多模型对这个影响进行了模拟，得到的结论是每摄氏度气温变化对应4到16个ppm的大 气二氧化碳浓度变化，另外有研究者推断每摄氏度变化带来10-17ppm的大气二氧化碳浓度变化。根据二氧化碳的历史数据，在过去的千年大气二氧化碳浓度 变化在6到10ppm以内，由此推断这期间北半球年代际平均气温变化应该小于0.6摄氏度。二氧化碳很可能在气候变化过程中起到一定的放大反馈作用。