工业革命前的10000年里，地球的全球气温是不断升高，还是有所降低？这还真是个问题。图片来源：wallgang.com
联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change）最近要求，在他们的年度报告中绘制一幅图表，以显示全球气温在过去10000年间的变化趋势。据美国威斯康星大学麦迪逊分校的官方网站报道，该校气候研究中心教授刘征宇听到这个消息时的第一反应是——这下可麻烦了。
刘征宇和他的学生、同在威斯康星大学麦迪逊分校的朱江，与来自世界各地的其他一些科学家合作，一直在利用物理学模型来模拟气候变化。8月11日，他们在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上发表了一篇研究论文，描述了他们所用的3种气候模式得出了一致的趋势：在所谓的全新世（Holocene），也就是我们当前所处的地质年代，全球气温一直在上升。
然而，这一结论与美国俄勒冈州立大学的肖恩·马考特（Shaun Marcott）2013年在《科学》杂志上发表的另外一项研究相矛盾。那项研究调查了其他科学家从全球73处地点采集的冰芯及浮游生物沉积物等样本，收集了从中分析得出的温度数据。由此得出的结论是，全球从大约7000年前开始进入了一段降温期，直到工业革命人类开始大规模影响气候变化。
“研究气候变化最主要的手段有两种：一是对气候变量，比如温度，进行直接或者间接的观测；二就是利用全球气候模式，对气候变量进行数值模拟。”朱江在接受果壳网采访时说，“我们的研究团队首次系统地提出，这两种手段对全新世全球温度变化趋势得出的结论截然相反：气候代用资料表明全球平均温度降低了约0.5℃；气候模式结果表明温度升高了约0.5℃。”
“现在，我们遇到了一个顽固的矛盾，”在校方发布的新闻稿中，刘征宇表示，“观测数据显示全球在变冷。物理模型却显示全球在升温。”
这些科学家把这个问题称为“全新世温度变化之谜”（the Holocene temperature conundrum），这也是他们在《美国国家科学院院刊》上发表的那篇论文的标题。
气候代用资料
“全球气温的可靠测量始于1856 年，而高覆盖的卫星观测仅始于1978年。”朱江对果壳网解释说，“对于更早的温度变化，我们只能利用一些环境记录来反演，比如树木年轮（tree ring），冰芯（ice core）和珊瑚（coral）中的稀有同位素，海洋沉积物中浮游性有孔虫（Planktonic foraminiferal）外壳的钙镁比值，以及海洋沉积物中长链烯酮（Alkenone）的不饱和度等等。这些资料称为‘代用资料’，因为在某种程度上，我们可以利用它们间接推测出温度变化的趋势。”
“不难想象，气候代用资料有很大的不确定性。”朱江表示，“以浮游性有孔虫外壳的钙镁比值为例，这个比值常被用来反演海表温度。实际上，钙镁比值除了和有孔虫生长时的环境海水温度密切相关，还与海水盐度以及碳酸离子浓度有关。此外，我们反演出的海水温度，更多地代表了浮游性有孔虫生长季节的海水温度，而并不是严格意义上的年平均温度。”
在2013年发表在《科学》杂志上的那项研究中，马考特等人调查了其他科学家从全球73处地点采集的冰芯、浮游生物沉积物等样本，并收集了从中分析得出的数据。但是，他们收集的数据有时候相互矛盾，特别是在北半球。
由于解释这些代用资料非常复杂，刘征宇及其同事相信，它们或许无法恰当地提供一个全局图景。举例来说，从夏季沉积的岩芯中采集的生物样本，与同一个地点在冬季沉积的岩芯中采集的样本，或许就会存在差异。这是去年那项研究的作者都承认的一个局限性。
蓝色为气候代用资料表示的温度变化（Marcott et al., 2013 and Shakun et al., 2012）。黑色和黄色为气候模式模拟的温度变化（平均方式略有不同）。红色表示考虑气候代用资料可能的季节偏差订正后所得到的全球平均温度。摘自Liu et al., 2014.
气候模式
“全球气候模式是用来模拟大气、海洋、陆地和海冰，以及它们之间相互作用的数学模型。”朱江继续解释说，“气候模式被广泛应用于气候和古气候变化研究，也被大量用于预测将来的气候情景，尤其是考虑到大气中二氧化碳等温室气体的浓度即将达到过去几百万年来从未有过的高值。”
朱江对果壳网说：“在这项研究中，我们使用了3个来自不同研究中心的气候模式，分别模拟了全新世的气候变化。”这些模拟考虑了诸多影响气候的因素，包括地球上接受的阳光强度，全球温室气体的浓度，冰盖的覆盖率以及融水的变化等等。每个模型都显示，过去10000年来全球在变暖。
刘征宇也在校方发布的新闻稿中表示，过去的10000年来，大气中的二氧化碳水平在20世纪之前升高了20 ppm（1 ppm为百万分之一），末次冰盛期（Last Glacial Maximum）的大规模冰盖也一直在消融。这些物理变化暗示，全球年平均温度应该是在持续升高——虽然地球上某些局部地区经历过降温，比如16世纪和19世纪之间欧洲经历的小冰期（Little Ice Age）。
按照刘征宇及其同事目前的认识，他们不相信过去10000年间有任何物理量能够强大到足以逆转上述气候变暖的趋势。他们在研究中所用的气候模式也显示，这是不可能的。
套用刘征宇在新闻稿中的话来说，“基本物理定律说温度会上升，那就必定会变暖。”
当然，气候模式也存在一些已知的不足，比如模型中没有考虑火山活动的影响，而火山喷发可能导致降温。不过这些研究者指出，没有证据表明全新世发生过剧烈的火山活动。此外，模型也没有考虑尘埃和植被的影响，它们也都可能导致降温。
归根到底，过去10000年来，全球是在升温还是在降温？换句话问，到底谁说得对呢？刘征宇说：“或许，我们全都不完全正确。部分问题可能出在数据上，因为2013年那项研究中有些数据本身就相互矛盾。也有可能部分问题出在模型上，因为模型没有考虑所有的物理机制。”
不过，朱江特别强调，他们的这一研究结果，跟工业革命以来人类活动导致的全球变暖并无冲突。“我们采用的3个模式都能较好地模拟出过去100多年的全球增暖，增暖幅值和全球气温的直接观测大致相当。而且，模式研究都表明，人类活动导致的温室气体排放是如今全球变暖的主要原因。”
“古气候模拟结果和代用资料的矛盾，不能简单地用来否定气候模式对当今气候的模拟能力。”朱江说，“因为一方面，古气候代用资料有很大的不确定性，不能用来作为评估古气候模拟的绝对标准。另一方面，我们对于当今气候强迫量的认识完备性，也要远超对古气候强迫量的了解。”
气候科学家计划在今年秋天召开会议，共同探讨全新世的这一温度变化之谜。（编辑：Calo）
参考文献：
- Liu, Z., J. Zhu, Y. Rosenthal, X. Zhang, B. L. Otto-Bliesner, A. Timmermann, R. S. Smith, G. Lohmann, W. Zheng, and O. Elison Timm (2014), The Holocene temperature conundrum, Proceedings of the National Academy of Sciences, In press, doi:10.1073/pnas.1407229111.
- Marcott, S. A., J. D. Shakun, P. U. Clark, and A. C. Mix (2013), A Reconstruction of Regional and Global Temperature for the Past 11,300 Years, Science, 339(6124), 1198-1201, doi:10.1126/science.1228026.