过去1000年的气候变化

  要了解调控当前气候动力过程的机制，预测未来气候演变趋势，需要先区分人类活动和自然变化的相对贡献。所以，研究在人类活动产生显著影响之前的气候变化十分有益。过去1000年有者丰富的自然档案，利于重现过去气候，是古气候学家研究中的优先选择时段。截至19世纪末，观测到的全球温度变化幅度相对较小，以25年的平均值计算，变化幅度不超过0.5度。观测数据让我们能够对近期人类活动造成的巨大变化进行全面的分析。在区域尺度上，部分地区过去千年的变化可能很快，在几年内就达到甚至超过了这个数字。分析这些变化机制为更好地理解气候变化提供了重要信息，对实施气候相关风险保护措施具有重要意义。

1. 过去气候的重建

1.1. 器测数据和历史文献

  有许多信息来源可以用来研究过去的气候，通常需要将多种来源的信息结合起来重建过去几个世纪的气候。

  通过温度计、雨量计等获得的器测数据，提供了现代气候的直接信息，对我们认识气候变化是非常有用的。然而，在大多数地区，这些数据覆盖时间不到一个世纪，不足以研究长时间尺度的气候变化特征。

  在欧洲，一些器测的时间序列覆盖了几个世纪，但数量稀少，不足以准确描述气候演变的规律。有关气候的信息也出现在各种历史文献中，如报纸、专栏、年鉴。这些文件或者直接与观测到的天气有关，或者提供了气候变化的间接证据，如作物产量、收获日期等。然而，这些数据覆盖的空间相对有限，且大部分来源于欧洲、中国和日本。

1.2. 记录气候变化的自然档案

  因此，古气候学家通常根据间接记录气候变化信息的自然档案来重建过去的气候演变特征。从这些记录中获得的时间序列通常被称为气候代用指标、代用指标数据，或直接称为代用指标。

  与更长的时间跨度比起来，过去1000年的数据更加丰富（图1），并且定年的不确定性较低。这为历史时期气候变化的重建提供了可能，且结果较为可靠。

  要借助自然档案实现气候重建，有必要研究对气候变化敏感并留下可测量痕迹的生物或物理系统，例如冰芯、海洋沉积物、石笋（见参考文献[1])和树木年轮。

  树木是记录过去1000年气候变化的重要载体。树木年轮的宽度及其组成往往对温度或降水的变化非常敏感，因为这些气候因素直接影响树木的生长。此外，树轮的年代测定具有较高的准确性，除热带地区外，每棵树每年产生一圈年轮（图1）。因此，可以通过测量树木年轮重建温度或水文条件，重建的变量是控制研究地点大部分树木发育因子的函数。

2. 全球气温变化

2.1. 重建过去的温度

  自然档案提供的资料可以重建局地或区域气候条件。为了获得对整个亚欧大陆甚至全球范围内气候变化的估计，必须将不同的观测结果结合起来。

  为此，许多复杂程度不等的技术已得到应用（见PAGES 2k项目 Consortium 2013数据库[2]，2017数据库[3]）。其中许多技术是基于待重建的变量（如全球温度）与古气候代用指标时间序列之间的关系。这种方法[4]要首先在器测时间内校准，然后假设，随着时间推移，重建变量和代用指标之间的关系是稳定的，进而应用到过去千年的重建中。

  在大陆或全球范围内重建过去1000年的温度显然不如基于过去几十年的仪器数据精确。气候重建的结果会因所选数据和重建方法的不同产生差异。但有些特征在所有的重建中都较为一致，因此被视作是稳定的，让人们能够以一种比较可靠的方式描述过去千年全球气候的主要特征。

2.2. 气温普遍下降的一千年

  在全球范围内，过去1000年初期（11 -13世纪）的气温普遍很高，随后呈总体降温趋势（图2[3])。19世纪，温度达到最低值，之后的150年里全球变暖。

  全球气温总体的趋势变化还伴随着高频的波动特征。例如11至13世纪并非一直偏暖，在1100年左右就是偏冷的；而18世纪末也出现了一段变暖的时期。

  全球范围内的变化幅度相对较小，25年平均值的变化幅度不超过0.5度。因此，与这些小的波动相比，20世纪观测到的变暖似乎有异常，其变暖速率在过去1000年中是前所未有的。

3. 变化的起源：气候驱动和内部变率的贡献

3.1. 人类活动和自然强迫

  强迫在这里指的是任何改变地球总能量平衡的扰动。这些作用力可以是自然的，也可以是人为的。

  过去一个世纪观察到的全球变暖（特别是大气中温室气体浓度的增加）已明确归因于人类活动的影响（见《气候机器》和《被人类活动干扰的碳循环》)。1850年之后，人类活动对气候变化产生着不容忽视的影响。例如，森林砍伐引起的土地利用变化对区域温度产生了显著影响。然而，人类活动在全球尺度的影响较小。

  在过去一千年，主要的自然强迫是太阳活动（见《几个世纪以来太阳活动的变化和气候影响》）和火山爆发。

  天文因素占主导地位的时间更长，是冰期—间冰期旋回的驱动因子之一，但对过去1000年的影响非常有限。

3.2. 气候对太阳活动和火山强迫的响应

  许多研究着眼于过去几千年太阳活动的变化对温度的影响。气候模式模拟结果表明较高的太阳辐射（见《几个世纪以来太阳活动的变化和气候影响》）将导致较高的温度（见第4节）。然而，在千年跨度上这种影响可能较小，目前还无法从古气候记录重建的全球温度变化中明确检测到太阳活动的影响。

  相比于太阳活动，大型火山爆发的影响更加显著。火山爆发向大气中释放出大量气溶胶（主要成分是硫酸盐），这些气溶胶会吸收一部分入射的太阳辐射，也会将一部分太阳辐射反射回太空，从而减少到达地面的太阳辐射，在火山爆发后的几年内造成冷却效应[5]。

  只有火山爆发，将气溶胶输送到高度超过10千米的平流层时，才能察觉到大范围的降温作用。残留在大气低层的粉尘或元素会快速沉降或被雨水冲走。虽然一次喷发的影响通常只持续几年，但连续几次喷发可能会产生更长期的影响。19世纪初的多次火山爆发事件在很大程度上解释了为什么这个时期比上个千年的其他时期更加寒冷，这在气候模式模拟（图3）中也得到了验证[6]。

3.3. 自然变率的贡献

  然而，大部分观测到的变化无法与这些外部强迫联系在一起，而是与气候系统的内部变率直接相关（见《气候变率：以北大西洋涛动为例》）。内部变率是气候系统不同组成部分之间相互作用的结果。例如，风或洋流影响着从地球上一点到另一点的热量传输，它们的短暂变化就能引发内部变率。

  这意味着内部变率通常是一些地区变暖而另一些地区变冷，进而导致估计总体平均值时产生偏差。因此，在全球范围内与内部变率有关的变化幅度要小于在区域范围内。但即使在全球范围内，这种变化也绝非微不足道：厄尔尼诺事件就导致全球气温上升了零点几度。

4. 过去一千年气候的模拟

4.1. 模拟温度与重建的一致性

  气候模式（见《生物圈，水圈和冰冻圈模型》）被用来模拟过去或未来的气候演变。在过去的1000年中，气候模式的外强迫为对自然（火山和太阳）和人类活动的真实估计，输出的结果为研究过去气候变化机理提供了重要信息，成为基于自然档案的气候重建的补充。

  尽管不同模式的模拟结果存在差异（图3），但通过与重建结果（图2）比较，可知模式能够较好地模拟大尺度的温度演变，与重建结果有很好的一致性，在变暖之前的11世纪到19世纪也呈现出总体降温趋势。这表明用模式研究过去千年气候变化是有效的，增强了模式在理解过去的变化和预测未来变化方面的可信度。

4.2. 对外强迫的响应模拟

  气候模式的良好表现也使我们能够通过分析模拟结果，更好地理解这些变化的过程原因和机理，特别是不同的外强迫和自然变率的贡献。例如，如果工业革命以前的气候变化与自然强迫和气候系统内部变率有关，那么只有考虑了人类活动的影响，才能够准确地模拟出近期全球变暖的趋势。

  然而，过去气候的重建、外强迫估计和气候动力学模型构建的不确定性仍然是研究气候变化的难点。在比较气候模式结果和重建结果时，必须考虑这些不确定性。无论如何，气候重建和气候模式相互补充，为我们量化和理解10年到100年时间尺度上的气候变化提供了十分重要的信息。

5. 区域尺度上的中世纪暖期和小冰期

5.1. 区域温度变化

  在北半球，大陆温度与全球温度有相似的特征，都是先变冷，然后在19世纪后强势变暖。

  在这种主要趋势中也存在波动，且大陆尺度大于全球尺度。此外，许多温度高峰不会在不同的大陆同时出现（图4）[7]。这可以被看作是内部变率的特征，内部变率对大陆尺度的气候变化和机制起着主导作用。

  然而，一些大型火山爆发通常会导致显著的区域性降温。例如，1815年坦博拉火山爆发，第二年在欧洲和北美许多地区引发严寒。编年史中经常将1816年称为“无夏之年”，这一年的收成也明显下降。

5.2. 中世纪温暖期和中世纪适宜期

  许多地区在公元900~1200年期间的气温普遍略高于上一千年其他时期，人们将这个时间段称为“中世纪暖期”或“中世纪适宜期”。14世纪到18世纪这段时期通常被称为“小冰期”，因为这段时期气温较低，许多冰川向前推进，尤其是在阿尔卑斯山脉（见《气候变化的哨兵-冰川》）。布鲁盖尔的积雪风景画（封面图）、泰晤士河冰雪节（图5）或特大风暴也可能给人们留下了小冰期初期气候恶劣的印象。

  然而，某些事件的形成机制是十分复杂的。例如，忽略气候条件的变化，泰晤士河上的开发（特别是桥梁）改变了河流流量，从而极大地影响了冻结的可能性。

  一般来讲，中世纪气候适宜期和小冰期早期的概念比较模糊，应该谨慎使用[8]。尤其是这些时期并未以精确的年份来定义。有可能在小冰期早期发现几十年是温暖的，而在温暖的中世纪发现几十年是寒冷的。

  此外，这些时期全球范围内的气候变化并不一致。在不同的地区，最高或最低温度一般不会同时出现。若一定要指定一个共同的起源或寻求一种强烈的物理联系，可能是一种误导。

  最后，中世纪暖期和小冰期的概念更适合北半球大陆。虽然在17世纪到19世纪期间，许多地方都观测到寒冷的气候，但在10世纪到12世纪期间，温度却不一定最高，特别是在南半球（图4）。

6. 水文循环的变化

6.1. 全球和区域差异

  在热带地区，水文循环的变化比温度变化对生态系统和物理系统（如湖泊）的影响更大。因此，这些影响在古气候记录中留下了重要的信号，使我们能够重建过去千年潮湿或干燥条件的指数。

  一个地区到另一个地区的水文循环变化差异很大。因此，除了一些地区在火山爆发后出现有限的降水减少外，在全球甚至仅在大陆地区都没有明显的趋势。但在区域尺度上，古气候记录揭示了较大的变化差异。

6.2. 特大干旱事件

  在一些半干旱地区存在着长期干旱，比如美国西部，这种现象引人注目。这些在过去1000年中观测到的特大干旱可能持续了几十年，其中的一些干旱事件在器测时期没有（或很少）被观测到（图6）[9]。干旱的一个直接证据是一些湖泊水位的下降，这让干旱地区的树木得以生长，到湿润期再次被淹没。这说明过去150年并没有涵盖10年和100年时间尺度上所有可能的气候变化信息，我们需要寻找更早时期的记录，以补充器测缺失的信息。

6.3. 降水变化的成因

  一般来说，降水在时间和空间上的变化比温度大得多。因此，与温度变化相比，人们对降水变化的了解较少，也更难重建。

  众所周知，在许多地区，大规模能量平衡会直接影响温度。复杂的大气环流变化和局地气候变化对温度也有影响，但对降水的影响相对要小一些。

  此外，气候模式对降水的模拟具有较大的偏差。因此，模式模拟的降水变化通常比温度变化不确定性更高。

  可以明确的是，自然变率一般对降水的变化起主导作用，这与主要的变率模式有关，比如北大西洋涛动，还有主导过去几十年年际变化的厄尔尼诺现象。更长期来看，海洋表面温度的变化对降水变化也有很大的影响。

7. 总结

• 自上个千年起到19世纪，全球气温下降了零点几度，然后迅速上升。
• 全球温度受自然（特别是火山）和人类活动的影响。近一个世纪以来，人类活动一直是气候变暖的主要原因。
• 在过去的1000年里，气候系统的自然变率对区域温度和降水的变化有显著的影响

 

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参考资料及说明

封面图片：老彼得·勃鲁盖尔。《雪中猎人》（1565 年，维也纳艺术史博物馆）和《收获干草》（八月至九月）（1565 年，纽约大都会艺术博物馆）。[来源：公有领域］

[1] Evans, M.N., S.E. Tolwinski-Ward, D.M., Thompson, and K.J. Anchukaitis, 2013. Applications of proxy system modeling in high resolution paleoclimatology. Quaternary Science Reviews 76: 16-28, https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2013.05.024.

[2] PAGES 2K Consortium, 2013. Continental-scale temperature variability during the past two millennia. Nature Geoscience, 6(5): 339-346,http://dx.doi.org/10.1038/ngeo1797.

[3] PAGES 2K Consortium, 2017. A global multiproxy database for temperature reconstructions of the Common Era. ScientificData, 4, http://dx.doi.org/10.1038/sdata.2017.88.

[4] 这些方法通常以线性回归为基础。

[5] Brönnimann S and D. Krämer, 2016. Tambora and the “Year Without a Summer” of 1816. A Perspective on Earth and Human Systems Science. Geographica Bernensia G 90. ISBN 978-3-905835-46-5.(http://www.geography.unibe.ch/services/geographica_bernensia/online/gb2016g9001/index_eng.html)

[6] PAGES2k-PMIP3 group, 2015. Continental-scale temperature variability in PMIP3 simulations and PAGES 2k regional temperature reconstructions over the past millennium. Climate of the Past, 11, 1673-1699,https://www.clim-past.net/11/1673/2015/.

[7] PAGES 2K Consortium, 2013. Continental-scale temperature variability during the past two millennia. Nature Geoscience, 6(5): 339-346, http://dx.doi.org/10.1038/ngeo1797.

[8] Diaz H.F., R. Trigo, M. K. Hughes, M. E. Mann, E. Xoplaki, and D Barriopedro, 2011. Spatial and temporal characteristics of climate in medieval times revisited. Bulletin of the American Meteorological Society 92: 1487-1500 (https://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/BAMS-D-10-05003.1)

[9] Cook, E.R., C.A. Woodhouse, C.M. Eakin, D.M. Meko and D.W. Stahle, 2004. Long-term aridity changes in the western United States. Science, 306(5698): 1015-1018, (https://doi.org/10.1126/science.1102586)