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橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？21 全新世

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。在1850年以后，人们才开始比较广泛的测量北半球的陆地温度，也就是说比较可靠的温度测量也就是从1850年开始的。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。

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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。

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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。这个概念提出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。从本贴第一个图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。

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研究千年以来气候变化的代用资料选取地点

还要回到第一个图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。这里就不一一列举了。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，目前还不能对南半球的变化做出评估。

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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，就是前面提到过的Be10和C14，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。

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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。

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