Science：過去氣候預示著我們的未來
工業革命以來，人類向大氣中排放大量的溫室氣體，已改變了地球的氣候，並推動它走向一個前所未有的溫暖狀態。儘管這種增溫狀態在地球歷史上找不到完全相同的相似型，但過去的氣候——「古氣候（paleoclimates）」為理解全球變暖提供了重要的科學依據。「研究過去是為了預測將來」，越來越多的科學家試圖從古氣候變化規律中尋找未來全球變化的趨勢。
在漫長的地質歷史時期，地球經歷了多次大幅度的氣候變化，如白堊紀中期高溫期和晚更新世末次冰盛期等（圖1），這些氣候變化為未來氣候演變的模擬和預測提供了參考信息。過去的氣候狀態與今天截然不同，但提供了豐富的證據。過去的氣候狀態可以揭示出大氣CO2濃度在一定的範圍內（400-2000ppm）變化時地球氣候系統是如何運行的（圖1）。
圖1 距今1億年以來的氣候演化歷史和未來200年不同情景預測情況（Tierney et al.,2020）
最近，美國亞利桑那大學Jessica Tierney和合作者在Science上刊登綜述性論文，系統地總結和評價了古氣候研究在科學應對未來氣候變化的重要作用，強調了它對現代氣候模擬研究和未來氣候變化預測的重要性。該論文從以下幾個方面評述了古氣候研究能夠有效評估、修正和完善現有氣候模式，減少氣候模擬研究的不確定性和認識未來氣候變化等方面的價值。
一、古氣候對氣候敏感度的約束
平衡氣候敏感度（Equilibrium climate sensitivity，ECS）已經被廣泛採用，並被作為地球氣候系統對輻射強迫響應的簡單度量標準。其定義為大氣CO2加倍增長後，地球系統反饋過程（水汽、雲、雪）從幾年到幾十年內達到平衡後，導致的全球近地表空氣溫度的變化幅度。由於ECS的高低對環境、經濟社會影響非常重要(Hope et al.,2015)，因此減小ECS估算誤差一直是學術界優先考慮的主題之一。一些新觀點認為，ECS變化與氣候背景有關，並隨其變化——具體來說，在較暖的氣候狀態下，ECS會增加(Meraner et al.,2013)。研究地質歷史時期的溫暖氣候可以為ECS值的波動範圍提供參照。
二、冰凍圈穩定性的古氣候視角
對未來海平面上升的預測尚有很大的不確定性，主要原因是對冰蓋穩定性和臨界狀態缺乏足夠的認識（Bamber et al.,2019）。古氣候記錄可以為理解過去冰蓋變化與海平面上升之間的關係、冰凍圈對氣候變暖的敏感性提供證據，從而降低預測的不確定性。在過去的幾年裡，古氣候學界在地質證據和氣候建模方面取得了重要進步，在冰蓋大小、形狀和範圍的代用指標的產生和解釋方面取得進展（Wise et al., 2017;Rovere et al., 2016;Gulick et al.,2017），將有助於增加我們對溫暖氣候狀態下冰凍圈動力學的理解。
三、古氣候揭示的區域和季節性氣候變化信息
未來氣候變暖將改變降雨和溫度的空間模態和季節性變化模式，給人類社會帶來巨大的影響(Wilby, 2007)。陸地表面的區域性變化(積雪減少、凍土融化、綠化、荒漠化)可能進一步觸發生物地球化學循環的反饋作用，從而減弱或放大太陽輻射強迫效應，進而影響氣候變化（Arneth et al.,2010）。當前，氣候模型在區域降雨未來變化的趨勢和幅度上還存在重大分歧(Knutti and Sedláck,2013)。改進對區域氣候變化的預測能力，需將氣候系統的內部變化(例如，年際-百年振蕩)與外部強迫(例如，溫室氣體或氣溶膠)的作用有效分開。在這方面，古氣候研究提供的區域和季節性氣候變化信息至關重要，因為它們記錄了長期、連續的氣候變化歷史，極大延長了現代氣候的器測記錄(Deser et al.,2012)。
四、氣候突變
氣候突變是古氣候學最重要的發現之一，即地球氣候在相對短暫的時間內出現異常變化，嚴重偏離了平均氣候狀態。其特徵是溫度、降水模式和海洋環流的發生顯著改變，並在地質記錄中留下明顯的氣候環境印跡，比如白堊紀中期海洋缺氧事件中無處不在的黑色頁巖（Jenkyns,2010）。研究者認為，氣候突變記錄了地球一度進入異常狀態，並恢復至正常狀態的信息，具有重要研究意義。此外，發生在大約56Ma前後，由迅速的溫室氣體釋放所引發的古新世-始新世極熱事件（PETM）就是古氣候記錄中最顯著的氣候突變之一，可為理解人類排放溫室氣體所引起的全球變暖提供重要參考。
五、架起古氣候數據與模型之間的橋梁
氣候模型提供了對地球系統溫度、風速和降水等直接的模擬結果。但是古氣候信息是間接的，主要是通過對氣候變化有響應的物理參數（如：磁化率和粒度）、化學參數（如：元素）和/或生物化石（如：有孔蟲、孢粉）等代用指標來重建過去氣候變化。然而，氣候環境代用指標並不是完美的氣候記錄，有固有的不確定性。儘管可通過轉換函數等方法，將古氣候定量重建結果與模擬結果進行直接比較，但如果不考慮這些方法的不確定性，就可能導致錯誤的解釋。這種在模型結果和代用指標之間產生的「語言障礙」，造成利用古氣候代用指標指示過去氣候變化和評估氣候模型具有一定的局限性。因此，如何將古氣候數據和氣候模擬結果有效結合就顯得至關重要（圖2）。論文作者提出了解決這一問題的三個關鍵的步驟：（i）選擇合適的與指標記錄相關的化學示蹤方法；（ii）明確代用指標的氣候環境意義；以及（iii）整合古氣候記錄與模型數據的分析方法。
圖2 基於古氣候指標優化後的末次冰盛期海表面溫度、地面溫度和降雨情況。圖中DSST為末次冰盛期（LGM）與晚全新世海表面溫度的差值，DSAT為地表溫度的差值，DPrecip為年平均降水量的差值（Tierney et al., 2020）
古全球變化研究表明，遠在人類工業活動之前，全球氣候就不斷發生變化。地球歷史上氣候變化的主要驅動力是自然因素。相對於地球長期的氣候演化，工業化以來全球氣候的變化是微小的，是漫長地球演化過程中眾多氣候波動的一小段。未來隨著人類排放溫室氣體逐漸增加，預估地球氣候未來變化趨勢仍存在著諸多不確定，古氣候研究是我們理解未來氣候變化的重要基礎之一，也是有限的器測氣候數據之外，檢驗氣候模型預測結果的唯一途徑。古氣候學的未來是將地質證據與氣候模型研究相結合，以便更準確地評估和預測人類活動對氣候變化的影響。
【致謝：感謝新生代室郝青振研究員、吳海斌研究員對本文的修改和建議。】
主要參考文獻
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（撰稿：陸浩/新生代室）
校對：張騰飛