Science：过去气候预示着我们的未来

~

Science：过去气候预示着我们的未来

工业革命以来，人类向大气中排放大量的温室气体，已改变了地球的气候，并推动它走向一个前所未有的温暖状态。尽管这种增温状态在地球 历史 上找不到完全相同的相似型，但过去的气候——“古气候（paleoclimates）”为理解全球变暖提供了重要的科学依据。“研究过去是为了预测将来”，越来越多的科学家试图从古气候变化规律中寻找未来全球变化的趋势。

在漫长的地质 历史 时期，地球经历了多次大幅度的气候变化，如白垩纪中期高温期和晚更新世末次冰盛期等（图1），这些气候变化为未来气候演变的模拟和预测提供了参考信息。过去的气候状态与今天截然不同，但提供了丰富的证据。过去的气候状态可以揭示出大气CO2浓度在一定的范围内（400-2000ppm）变化时地球气候系统是如何运行的（图1）。

图1 距今1亿年以来的气候演化 历史 和未来200年不同情景预测情况（Tierney et al.,2020）

最近，美国亚利桑那大学Jessica Tierney和合作者在Science上刊登综述性论文，系统地总结和评价了古气候研究在科学应对未来气候变化的重要作用，强调了它对现代气候模拟研究和未来气候变化预测的重要性。该论文从以下几个方面评述了古气候研究能够有效评估、修正和完善现有气候模式，减少气候模拟研究的不确定性和认识未来气候变化等方面的价值。

一、古气候对气候敏感度的约束

平衡气候敏感度（Equilibrium climate sensitivity，ECS）已经被广泛采用，并被作为地球气候系统对辐射强迫响应的简单度量标准。其定义为大气CO2加倍增长后，地球系统反馈过程（水汽、云、雪）从几年到几十年内达到平衡后，导致的全球近地表空气温度的变化幅度。由于ECS的高低对环境、经济 社会 影响非常重要(Hope et al.,2015)，因此减小ECS估算误差一直是学术界优先考虑的主题之一。一些新观点认为，ECS变化与气候背景有关，并随其变化——具体来说，在较暖的气候状态下，ECS会增加(Meraner et al.,2013)。研究地质 历史 时期的温暖气候可以为ECS值的波动范围提供参照。

二、冰冻圈稳定性的古气候视角

对未来海平面上升的预测尚有很大的不确定性，主要原因是对冰盖稳定性和临界状态缺乏足够的认识（Bamber et al.,2019）。古气候记录可以为理解过去冰盖变化与海平面上升之间的关系、冰冻圈对气候变暖的敏感性提供证据，从而降低预测的不确定性。在过去的几年里，古气候学界在地质证据和气候建模方面取得了重要进步，在冰盖大小、形状和范围的代用指标的产生和解释方面取得进展（Wise et al., 2017;Rovere et al., 2016;Gulick et al.,2017），将有助于增加我们对温暖气候状态下冰冻圈动力学的理解。

三、古气候揭示的区域和季节性气候变化信息

未来气候变暖将改变降雨和温度的空间模态和季节性变化模式，给人类 社会 带来巨大的影响(Wilby, 2007)。陆地表面的区域性变化(积雪减少、冻土融化、绿化、荒漠化)可能进一步触发生物地球化学循环的反馈作用，从而减弱或放大太阳辐射强迫效应，进而影响气候变化（Arneth et al.,2010）。当前，气候模型在区域降雨未来变化的趋势和幅度上还存在重大分歧(Knutti and Sedláck,2013)。改进对区域气候变化的预测能力，需将气候系统的内部变化(例如，年际-百年振荡)与外部强迫(例如，温室气体或气溶胶)的作用有效分开。在这方面，古气候研究提供的区域和季节性气候变化信息至关重要，因为它们记录了长期、连续的气候变化 历史 ，极大延长了现代气候的器测记录(Deser et al.,2012)。

四、气候突变

气候突变是古气候学最重要的发现之一，即地球气候在相对短暂的时间内出现异常变化，严重偏离了平均气候状态。其特征是温度、降水模式和海洋环流的发生显著改变，并在地质记录中留下明显的气候环境印迹，比如白垩纪中期海洋缺氧事件中无处不在的黑色页岩（Jenkyns,2010）。研究者认为，气候突变记录了地球一度进入异常状态，并恢复至正常状态的信息，具有重要研究意义。此外，发生在大约56Ma前后，由迅速的温室气体释放所引发的古新世-始新世极热事件（PETM）就是古气候记录中最显著的气候突变之一，可为理解人类排放温室气体所引起的全球变暖提供重要参考。

五、架起古气候数据与模型之间的桥梁

气候模型提供了对地球系统温度、风速和降水等直接的模拟结果。但是古气候信息是间接的，主要是通过对气候变化有响应的物理参数（如：磁化率和粒度）、化学参数（如：元素）和/或生物化石（如：有孔虫、孢粉）等代用指标来重建过去气候变化。然而，气候环境代用指标并不是完美的气候记录，有固有的不确定性。尽管可通过转换函数等方法，将古气候定量重建结果与模拟结果进行直接比较，但如果不考虑这些方法的不确定性，就可能导致错误的解释。这种在模型结果和代用指标之间产生的“语言障碍”，造成利用古气候代用指标指示过去气候变化和评估气候模型具有一定的局限性。因此，如何将古气候数据和气候模拟结果有效结合就显得至关重要（图2）。论文作者提出了解决这一问题的三个关键的步骤：（i）选择合适的与指标记录相关的化学示踪方法；（ii）明确代用指标的气候环境意义；以及（iii）整合古气候记录与模型数据的分析方法。

图2 基于古气候指标优化后的末次冰盛期海表面温度、地面温度和降雨情况。图中DSST为末次冰盛期（LGM）与晚全新世海表面温度的差值，DSAT为地表温度的差值，DPrecip为年平均降水量的差值（Tierney et al., 2020）

古全球变化研究表明，远在人类工业活动之前，全球气候就不断发生变化。地球 历史 上气候变化的主要驱动力是自然因素。相对于地球长期的气候演化，工业化以来全球气候的变化是微小的，是漫长地球演化过程中众多气候波动的一小段。未来随着人类排放温室气体逐渐增加，预估地球气候未来变化趋势仍存在着诸多不确定，古气候研究是我们理解未来气候变化的重要基础之一，也是有限的器测气候数据之外，检验气候模型预测结果的唯一途径。古气候学的未来是将地质证据与气候模型研究相结合，以便更准确地评估和预测人类活动对气候变化的影响。

【致谢：感谢新生代室郝青振研究员、吴海斌研究员对本文的修改和建议。】

主要参考文献

Arneth A, Harrison S P, Zaehle S, et al.Terrestrial biogeochemical feedbacks in the climate system[J]. NatureGeoscience, 2010, 3(8): 525-532.

Bamber J L, Oppenheimer M, Kopp R E, et al. Ice sheet contributionsto future sea-level rise from structured expert judgment[J]. Proceedings of theNational Academy of Sciences, 2019, 116(23): 11195-11200.

Deser C, Phillips A, Bourdette V, et al. Uncertainty in climatechange projections: the role of internal variability[J]. Climate dynamics,2012, 38(3-4): 527-546.

Gulick S P S, Shevenell A E, Montelli A, et al. Initiation andlong-term instability of the East Antarctic Ice Sheet[J]. Nature, 2017,552(7684): 225-229.

Hope C. The $10 trillion value of better information about thetransient climate response[J]. Philosophical Transactions of the Royal SocietyA: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2015, 373(2054): 20140429.

Jenkyns H C. Geochemistry of oceanic anoxic events[J]. Geochemistry,Geophysics, Geosystems, 2010, 11(3).

Knutti R, Sedlácek J. Robustness and uncertainties in the new CMIP5 climate modelprojections[J]. Nature Climate Change, 2013, 3(4): 369-373.

Meraner K, Mauritsen T, Voigt A. Robust increase in equilibriumclimate sensitivity under global warming[J]. Geophysical Research Letters,2013, 40(22): 5944-5948.

Rovere A, Raymo M E, Vacchi M, et al. The analysis of LastInterglacial (MIS 5e) relative sea-level indicators: Reconstructing sea-levelin a warmer world[J]. Earth-Science Reviews, 2016, 159: 404-427.

Tierney J,Poulsen C,Montanez I et al. Past climates inform ourfuture[J].Science, 2020, 30(6517).

Wilby R L. A review of climate change impacts on the builtenvironment[J]. Built Environment, 2007, 33(1): 31-45.

Wise M G, Dowdeswell J A, Jakobsson M, et al.Evidence of marine ice-cliff instability in Pine Island Bay from iceberg-keelplough marks[J]. Nature, 2017, 550(7677): 506-510.

Science:喜马拉雅-喀喇昆仑冰川水文
答：过去的研究主要依赖于遥感技术和模型，尽管有所进步，但实地研究的不足仍然存在。冰川融水量在不同地点有所差异，印度河的贡献显著超过恒河和布拉马普特拉河，这反映了微气候和降雨模式的复杂性。然而，未来径流趋势显示，河流径流、冰川融化以及季节性变化都在增加，但模型预测的不确定性依然存在，这对政策...

北方地区距今4000多年时经历严重的气候变迁,请问原因
答：因海洋深层和表层温盐变化，导致原来的温盐环流发生了变化，从而使得地表的大气环流的变化。这个原因是距今4000年左右的北方地区变冷的主要原因[见参考文献1]。参考文献：1.Garry Clarke, 2003. Superlakes,Megafloods,and Abrupt Climate Change. Science,301:922-923.

留学党最该看的7种外刊,你知道哪些
答：1 《新科学家》《新科学家》（《New Scientist》）简直是一本神奇的书。英语四六级、托福/雅思、SAT阅读的题源，10篇雅思阅读题就有2篇出自它！杂志经常刊登一些评论，比如气候变化等环境问题，这类杂志内容很有可能出现在阅读自然科学类文章。尽管New Scientist被称作英语考试阅读题源，但是阅读真正的...

气候变化正在使科罗拉多河萎缩
答：美国最大的两个水库，亚利桑那州/内华达州边界的米德湖和亚利桑那州/犹他州边界的鲍威尔湖，在2000年。四年之后，他们失去了足够的水，为加州提供了超过五年的科罗拉多河合法分配的水。现在，17年过去了，他们仍然没有恢复。这一持续的、史无前例的事件威胁着洛杉矶、圣地亚哥、菲尼克斯、图森、丹佛、盐湖城...

科技英语翻译,求最佳译文,高手都来试一下啊(原文好象是托福上的)_百度...
答：今天，很大程度上凭借“格拉玛挑战者号”航行中收集的证据，几乎所有的地质科学家都赞同可以解释许多地球地质过程的板块构造和大陆飘移学说。“格拉玛挑战者号”收集的标本中也包含了对了解早期全球气候有借鉴意义的信息。深海的沉积物提供了一份可以延伸数百万年的气候档案，因为他们可以很大程度上避开对记录...

气候变化可能对心理健康产生广泛影响
答：神经炎症与所有年龄组的疾病都有联系，包括老年痴呆症和认知障碍。一个问题是然而，需要研究的是，这种神经炎症是否也会导致更多的传统精神疾病，如焦虑和抑郁，Van Susteren告诉Live Science。美国心理学协会的“KDSPE”“KDSPs”报道说，当孕妇暴露于空气污染物时，Van Susteren说，他们的孩子更容易出现...

冰川对气候变化的响应有多快
答：Science上一项针对北极的研究揭示了冰川对气候变化的响应速度有多快。美国纽约州立大学水牛城分校地理学副教授Jason Briner博士说：“如果冰川对气候冷热的响应速度一直是个谜，人们就会担心未来，也会影响我们的后辈。”

PNAS: 德干LIPs早期岩浆脱气与晚白垩世全球气候变化
答：洋中脊、大陆裂谷以及弧火山作用的碳释放被认为是影响地球系统长时间尺度( 10 6 --10 7 yr)气候与环境变化的主要因素(Suarez et al., 2019);大火成岩省(LIPs)可以在短时间内喷出巨量岩浆,同时伴随大量深部流体(例如CO 2 )释放至地表,在相对短的时间尺度内造成地球系统剧烈的碳扰动,并引发气候、环境的剧变...

2022年上半年登上Nature和Science封面的地球与行星科学发现
答：通常情况下,评估气候变化造成的经济影响不包括日降雨量。德国波茨坦大学的Maximilian Kotz和合作者发现,降雨天数和极端日降雨量的上升会让经济增长率下降。该团队分析了过去40年里,世界上1554个地区的次国家级地方经济产出。他们还发现,高收入国家和服务及制造业受日降雨量的影响最大。研究作者认为,气候变化造成的极端...

超过99.9%的研究认为:人类导致了气候变化
答：Published 19 October 2021.https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/ac2966 一项对88125篇气候相关研究的新调查显示，超过99.9%的同行评议科学论文同意，气候变化主要是由人类造成的。这项研究更新了2013年的一篇类似论文，该论文显示，1991-2012年间发表的97%的研究支持人类活动正在改变...