主题：【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？14 气温 -- 橡树村

橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？19 一致性

了解人类工业活动之前的地球气候变化情况，对于了解大自然对气候的各种影响有非常重要的意义，也对于理解气候变化之后的多方面影响有参考价值。对于有仪器记录以前的气候变化，人们不可能再去直接测量了，不过大自然的变化总是有一些痕迹可循的，对这些资料进行分析整理，就可以推断出古代气候的变化情况，比如在冰川钻孔取得过去的温度数据，分析海洋沉积物孔隙水变化，对冰川变化范围进行测量等等，这里面，有一些方法也可以通过现代的数据与仪器测量的数据进行比较来进行校正。重建古气候信息最重要的时间序列资料，就是从冰芯里面得到的。冰川的沉积有很好的时间序列，可以通过技术手段对不同截面冰芯的时间进行推测，而冰芯里面所储存的微小气泡，就可以提供古代气体的直接资料。目前通过对冰芯进行分析，已经可以重建65万年以来的很多气候信息。研究古气候很多时候都无法进行甚至间接测量，只能使用代用资料，这些代用资料利用涉及到化学、物理和生物参数的变化。很多生物有机体，比如树木、珊瑚、浮游生物、动物等等，对不同的气候有不同的变化，分析这些资料，很多时候是化石资料，就可以重建这些生物体的生长过程信息。比如树木年轮的宽度，密度就可以来推断当时的温度变化等等信息。不过使用代用资料的时候需要很谨慎，单一的某种代用资料往往不够全面充分，代表性不足，所以古气候研究很多时候需要使用多种代用资料进行交叉检验，这样可以更全面地分析问题，也可以了解不同资料的可靠程度和处理方法。不过无论人们怎么努力，古气候研究所使用的资料无论从空间分布上还是时间跨度上都是非常有限的，要使用这些分析结果进行局部的甚至全球的气候分析，就需要在样品的空间时间季节分布等等方面特别小心。

虽然很早就有人通过这种资料对古代气候进行分析描述，古气候学真正起步还是要从1970年代开始。早期的研究集中在冰河时期的研究上，揭示了小冰川期和中世纪暖期的存在。1980年代特别是1990年代以后，古气候学的研究进步迅速，已经可以对很多问题进行更加严格系统地分析，不过仍然在发展中。

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4亿年来的气候变化

上图最上面一个是重建的4亿年来的资料。从顶端伸下来的蓝色柱子，代表不同历史时期陆地冰川覆盖的纬度，这里面能看到两次大的冰川覆盖，一次在3亿年前左右，冰川覆盖到30度，然后就是比较近的时期，冰川曾经达到40度。在两个冰期之间，就是无冰期。显然有冰川的时候气温低，没有冰川的时候气温高。下面的几条线是重建的大气中二氧化碳的浓度，不同的颜色是不同的研究者的结论，这里面可以看出来不同的估计之间的差距是很大的，说明数据的不确定性非常高。不过还是有共同规律的，可以看到在陆地没有冰川的时候大气的二氧化碳浓度高，最高的估计值超过了4000ppm，是目前大气二氧化碳浓度的10倍多，而在陆地上有冰川，也就是平均温度比较低的时候，大气中的二氧化碳浓度就比较低，从图上粗略来看，基本上都在1000ppm以下，甚至在500ppm以下。看起来气温大气二氧化碳含量应该是有联系的。中间的图的黑色数据是通过对深海底有孔虫沉积进行采样分析得到的6500万年以来的O18含量纪录。在海洋不结冰的时候，O18的含量与深层海水温度有直接关系，图中的红线表示的是这个情况，可以看出这个时期深海海水温度很高，最热的时候竟然超过了12摄氏度。在大约3300万年前海洋开始结冰以后，O18的含量变化就与南北极的冰面面积有关。图中的蓝色横条显示了冰面的情况，从上到下分别是南极东部冰原、南极西部冰原、北半球冰原。虚线的地方是临时性冰面或者冰面面积比目前的冰面小的时期，实线的部分是冰面面积和现代的冰面面积相当或者更大的时期。下面的图是6500万年以来的大气二氧化碳纪录。不同颜色的数据是不同研究者得到的不同结果，一个个长条实际上是一个个数据，长条的范围表示误差，可以看出估计的误差还是非常大。这一阶段对于样本时间的估计误差也是惊人的，经过人们多年的努力，对时间的估计的误差仍然在100万年左右。

这里面引起较多人兴趣的是在300-330万年的这个阶段。一般认为这个时候地球的温度比工业化前要温暖2-3摄氏度，这个幅度基本上是很多模型预计的21世纪中后期的地球升温幅度。由于那个时候现代人还没有出现，所以这个时期应该可以反映在没有人类干扰的情况下，这个温度状态下的自然平衡。并且300万年在地质上相距现在的时间并不算遥远，大陆、海洋的位置、植被等等情况都与人类工业化以前的地球比较接近，所以有很重要的参考价值。目前估计这个时期的大气二氧化碳浓度在360-400ppm之间，海平面比目前要高出15-25米，冰面的面积比现在也要小很多，陆地旱情也要比现在缓解不少。此外还发现了极地温度升高幅度很大，而热带地区温度与现在差别不明显。这也许与使用的数据重建方法的可靠性有关。

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65万年来的气候资料重建

研究几十万年以内的气候，冰芯仍然是最好的手段。冰芯里面直接封存了气体，这样就可以直接测量相应时间段的大气中的各种气体含量，特别是二氧化碳、甲烷和氧化亚氮这三种温室气体，测量氢的同位素氘可以了解当地气温的变化情况，测量氧的同位素O18可以了解全球冰的总量的变化情况，后两个都是代用资料。上图就是65万年来的这些数据。灰色带是温暖的间冰期，其他的时间就是冰期。右上角的数字是2000年时候的大气温室气体含量。这里面相对比较充分的研究是43万年以来的变化。可以看到43万年来，有一个大约10万年的冰期-间冰期周期，当然每个冰期都不大相同，间冰期的长度也各不一样，大约从1万年到3万年。共同的特点就是间冰期的时候，南极大气中的二氧化碳和甲烷的含量就高，冰期的时候，南极大气中二氧化碳和甲烷的含量就低，两者看起来有很紧密的关系。需要注意追溯65万年的大气二氧化碳浓度数据，最高值也比目前要低上不少。冰期和间冰期的变化应该是受到地球辐射强迫的变化的影响，地球的能量平衡发生变化，气候就会有相应的变化。在过去的300万年里面，地球有规律的冰期间冰期的变化，有很强的证据证明与地球围绕太阳轨道的长周期运动有关，也就是下图显示的米兰科维奇周期。

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米兰科维奇周期

到目前为止的最后一次冰期，或者叫末次冰期，开始于11万6千年前，一直持续到2万1千年前，已经有证据证明冰期的发生和结束都与地球的轨道运动有关，有个专门名词描述轨道运动变化而导致的能量变化，叫做轨道强迫。轨道强迫发生之后，地球的化学和物理变化对这个强迫进行反馈，放大了这个轨道强迫的效应。使用轨道强迫的概念对末次冰期进行模拟，基本上可以重建温度和降水形态变化的特征。轨道强迫模型还可以模拟6000年前的中纬度变暖以及增强的季风等变化，模拟当时的温度变化幅度。也就是因为目前对轨道强迫的理解，研究者认为目前的间冰期应该至少持续上万年的时间，甚至认为促发11万6千年前冰期发生的北半球夏季极冷现象可能还需要3万年才会发生。末次冰期前的就叫做末次间冰期，时间是从11万6千年前到13万年前。冰芯资料显示这个时候在格陵兰顶峰地区仍然被冰覆盖但是格陵兰岛南部的一些面积在减少。冰芯资料还显示当时极地平均温度要比20世纪的极地温度高出3-5摄氏度。高温造成的北半球大量的冰盖融化可能造成了高达4米的海平面升高，南极也有可能做出贡献。目前的平均海平面比12万5千年的末次间冰期要高出4-6米。下图是12万5千年前到13万年前北极夏季地表温度与现在的差别（左），以及格陵兰和西北极海冰的最小冰层厚度与范围分布（右）。

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末次间冰期

在末次间冰期间，有证据发生了多次气候突变。气候突变一般被定义为在30年以内发生的大规模的气候变化，在这个相对短的时间内，陆地生物、冰川、海洋都有巨大变化。最大的突变曾经导致格陵兰的温度在几十年内升高8-16摄氏度，然后再花数百年的时间慢慢降温；还观察到北大西洋的冰山曾经大量流出，海表盐度曾经突然降低等等。目前的认识表明，当超过关键的阈值的时候，海洋环流变得不稳定，并会发生快速变化。这些变化或许与南北半球之间的热量重新分配有关系，但是与全球平均温度的大的变化并没有什么联系。两个关于气候变化的电影后天和2012都是基于这种突变的气候模型，不过目前还没有任何迹象说明突变有可能在可以预期的将来发生。在末次冰期结束的时候，也有数次气候突变，最后的一次发生在8200年前。下图是末次冰期结束时候一些指标的突变情况，从上到下分别是a)ARM，非磁滞剩磁，大西洋翻转环流（MOC）的代用资料；b)格陵兰大气甲烷含量；c)根据氮同位素重建的地表温度；d,e)两个不同来源的O18含量，地表温度的代用资料；f)nss-Ca离子变化，沙尘和铁沉积的代用资料；g)南极大气二氧化碳浓度。可以看到这些指标的一致性，以及观察到的一些突变。

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末次冰期结束时的气候突变

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