4. 1 引言———岩石中的记录 (“岩石磁带”)

地球气候系统过去的变化均被 “写入岩石”。尘土和冰堆积物的性质与特征、湖泊和大洋沉积物、沙丘原和河流台地、植物和动物化石组合序列、古海岸线、珊瑚生长线、树木的年轮与碳酸盐洞穴沉积层以及古代社会的古生态和文字记录，都包含了这一历史性的元素。

人类的历史与文化在很大程度上归功于过去的气候多变性。了解过去的气候就是向了解我们从古至今的演变历史迈进了一步。毫无疑问，我们的将来也将受到气候的强烈影响。

研究地球动态系统的科学家都了解，地球是一个复杂的系统并在不断调整中。历史记录揭示的海洋、大气与地表覆盖变化之间的联系有多么重要。而我们直接测量气候的历史不过几百年，这只包含了气候变化的一小段历史。随着科学技术的发展，我们解读岩石 “磁带”———地质历史的记录的能力与日俱增。但是，有一点至关重要: 最好的自然档案的典型范例应该被好好保存，留给将来的科学家参考、研究。因为相对我们今天的条件而言，以后的人类拥有的技术更精良，对问题的理解也会更深。

本文建立了一个问题的框架，这些问题显示地球科学是如何致力于更好地了解气候变化，并提出在哪些方面今后的研究能为社会作出更大贡献。

4. 2 过去 4 个冰期旋回中气候变化模式的 “大影像” 是什么

地球大约生存 46 亿年了，它曾经历了多次的冰期和温室幕。自 19 世纪 60 年代以来，仅在近 200 万年左右的时间里，就有很多冰扩张地质幕。21000 年以前的一次冰扩张是最严重的事件之一。北美、欧洲北部以及一些高山地带的大片地区都被冰雪所覆盖。而一些干旱的高山地区，如西藏高原，最多只有斑驳的冰盖。

在解读与测定海洋、冰心、中国中部尘土和古土壤序列的记录方面，近期取得的一些进展，揭示了一些主要的气候事件，这些事件对整个地球产生了影响。对此最好的解释就是环绕太阳的地球轨道发生了变化。

现在，科学家的注意力已转向了解冰盖是如何生成和坍塌的，以及近期的发现: 在 100 ～1000 年的时间跨度上曾经发生过多次快速而短命的事件。这些事件都不能说与轨道变化有关，而肯定与其他的地球系统作用有关。如果发生在今天，这种快速而强烈的变化将对社会和经济产生很大的干扰。

科学家正在做新的努力来研究这些现象之间的联系。例如，起始于北大西洋的事件如何在亚洲东部也显现效应? 各个季风系统之间存在着什么联系? 其中一个系统发生的变化如何改变其他系统的动力机制?

每次的冰扩张都伴随着全球海平面的下降。在一些事件中，广大的陆架地区裸露出来，为植物、动物和人类提供了新的迁徙路线，同时也阻挡了海水在印度洋与太平洋之间的流动。裸露的陆架地区还增大了有利于产生温室气体的面积。在对这一考古记录以及人类的广泛分布等进行解译时必须考虑到海平面升降的因素。

要了解气候系统如何在一个广阔的范围产生作用以及人类社会的发展，其必不可少的背景资料就是确认最近的冰期旋回模式。

4. 3 过去 1000 年里有哪些气候变化

气候变化表现在温度、降水以及诸如旱灾、风暴和洪水这类极端情况出现的频率。这些都对自然系统和农业系统的生产力、丛林火灾的发生频率、水的质量产生影响，并造成财产和基础设施的损失。

关于长期气候记录的新观点对于现代社会是很重要的，因为它为我们了解近期的趋向及其可能的原因提供了基础。全新世初期 (大约 1 万年前) 人类对气候系统基本上没有什么影响。这也是一个农业崛起的时期，在一些地方显而易见 (如黎凡特、长江和黄河流域) 。大约在 5000 ～6000 年前，农业系统在欧亚大陆得以广泛分布。到了大约 3000 年前，其他地方的广大地区也成为耕地。地质记录告诉我们: 与这些变化伴之而来的是大面积的砍伐和清除森林、更多地采用火烧方式往往增大了土壤侵蚀率; 还有一些小型工程设施的建设，分离或分流了过量的地表水。

到了这个时候，人类已经成为对区域性地表作用起着重大影响的因素，但可能还没有到发生气候变化的程度。全新世中期，湿地农业的扩大可能造成温室气体甲烷的释放，这是人类对大气化学产生影响的关键起点，改变了大气的热量和持水能力。

通过长寿树木的年轮、冰心 (可反映出相当于年降雪的地层) 及层状湖积物可得到关于最近时期的高分辨率记录。它们都能灵敏地反映气候的年度 (或更详细的) 变化。有关的数据不多，大家最了解的就是关于北半球中 － 高纬度地区过去 1000 年的平均气温的数据。关于这个时期热带和南半球的资料很少，但有希望去发现。

4. 4 是什么造成了气候变化

有人认为是太阳的变化造成了一些长期的变化趋势，但是近期的变暖却是史无前例的。很多数据系列显示，在过去的 1 万年或更长的时期内，全球性气候悄悄地进入我们的领土。太阳能量输出的变化、大气中火山气体和火山灰含量的变化以及大洋环流的变化都被用来解释过去 1 万年里显现的趋势，但都不能解释 20世纪下半期的上升趋势。有一种观点认为，近期的气候变化有很大的人为印记。这个观点令人信服，因为森林的砍伐、建筑以及人为的释放气体都对地球的变暖带来极大的影响。

尽管如此，如果我们想知道这些观测到的变化到底从何而来，我们需要更清楚地了解，与自然因素相比，人为因素对气候影响的相对重要性。气候变化对人类的生活有着重大的影响。我们必须优先考虑、研究诸如厄尔尼诺、大气中火山灰和火山气体含量这些自然现象的变化，这将有助于揭示与人类社会有关的、气候变化的机制。

4. 5 过去的气候变化对社会的影响有哪些

很多伟大的文明由于种种不同的原因被摧毁了，其中包括气候的原因。印度西北部 Harappan 文化 (哈拉帕文化) ，中美洲玛雅文化和亚利桑那州的霍霍坎文化，它们的毁灭都可以归咎于旱灾。

在世界的其他地方，水太多也成了问题。举例来说，我国长江的洪峰发生的时间正值西藏高原的径流与夏天的季风雨相重合之时。严重的洪灾每隔几年就发生一次，造成生命、作物和财产的损失，尽管这些洪水带来了新鲜的富含养分的沉积物。在全新世期间，人们利用工程设施同上升的洪水作斗争，而在这些设施失效的地方，农作物颗粒无收，给人们的生活造成很大困难。与此同时，在黄河流域，气候变化加上土地利用的压力，使得西北部沙漠化而这地区的居住区日益缩小。将大量关于环境变化的数据与社会的历史结合起来，会了解一些关于技术革新和早期国家之间争论的原因。

4. 6 人类活动对气候有什么作用

我们知道，人类活动造成大气化学和土地覆盖的变化，并引起生物多样性的退化。除此之外，产生了数千种新的化学合成物质，而它们对生物圈的作用还不完全为人们所了解。举例来说，有很多湖泊变成酸性，这是过去 150 年来释放工业气体所造成的直接后果。生物化学旋回的改变带来气候系统的主要元素复杂的反馈，由此影响经济活动以及水和食物的安全性。

监测人为因素对气候的影响的方法之一就是估算人类活动带来的温室气体释放量。我们可以估算其数量，但却无法确定它们的最终归宿。它们是被圈闭在土壤中并被森林覆盖了吗? 海洋是否吸收了大量温室气体? 这些对于人类来说还是一个未知结果。

关于气候在土地覆盖变化与大气化学变化中的促进作用，尚有待研究。这一研究领域的重点是生物学、土壤科学、海洋地理学，涉及自动监测、遥感和 “地面真相验证”———即对实际野外研究的必要检验。此外，还要增加对高沉积率背景下的沉积物化学方面的细节研究。

4. 7 模型对预测将来的气候有什么作用，我们如何评价其优点

模型是预测气候的最好方法，这些模型用数学公式来描述自然世界以及海洋、大气层与土地覆盖之间的动态反馈。模型输出值取决于我们对地球系统的了解、用数学函数描述实际情况的程度，以及进行必要的计算所用计算机的功能。目前，被普遍使用的全球气候模拟模型有 25 个以上。运用这些模型所给出的预测结果往往有偏差，这反映出合理地综合物理元素所存在的难度，而且系统的许多元素灵敏度较高，正如地质记录所显示的，一些很小的变化都能被放大。

最近，开发了将气候、经济、人口、工业气体释放输出，农业和自然生态系统模型结合在一起的综合系统。这些改进的系统增加了各种模型之间的 “反馈回路”，因此，系统中某一部分的变化可动态地用于其他系统。模型的强大威力之一就是它们能将不同来源的数据综合在一起，帮助我们更好地了解地球。我们应尽最大的努力使模型符合实际。因为，这些系统的作用将给我们带来很多好处，使我们在建立合理的规划方案和实现人类活动可持续性方面前进一大步。

4. 8 我们需要开发一个独立的测试系统来鉴别较好的模型并找到改进它们的方法

方法之一就是用选定的、过去的时间 “窗口”的边界条件来预置模型。这些条件包括地球轨道参数、温室气体含量、大气微粒、海岸线、海平面、冰盖等，都可以从 “岩石磁带”———地质记录本身读出。然后，我们可以对选定的时间窗口做气候模拟，并与我们用来推测过去气候条件的区域性古数据集进行比较。

研究重点必须包括建立地理覆盖面更大的、更好的数据系列，特别是南半球和热带地区。首先，可以将重点放在气候敏感度较高的地区。这样做既可以加强模型科学又可以加强古数据科学，还能提高社会对有效预测全球气候的信心。

4. 9 未来的气候将如何发展

未来的气候将对食物安全与农业、供水与水质、风暴与旋风的频率、海岸线稳定性、生物多样性和生物资源的未来等产生影响。开发气候模型有助于降低区域性气候预测中不确定性的程度。然而，只有地质记录能揭示整个地球系统的变化。而且，它一直是检验我们所作的模拟是否合理的试验。

地球科学家拥有研究过去气候与地球系统的独一无二的记录，通常是研究上述两者之间的关系。社会可以完全要求他们将部分研究计划集中到直接影响人类生活的各种事件上来，研究并确定这些事件是如何在这些系统中起作用的。好的管理和领导能产生有依据的决策和慎重的规划。有时，社会会要求地球科学家预测任何可能发生的或突发的环境事件，对地球系统的充分了解有助于我们达到这一要求。

4. 10 研究议程概要

·提高我们对于过去的两个冰期旋回中气候与环境模式的认识;

·认识冰川环境是如何发展与衰退的;

·地质记录中突发事件发生的频率与原因;

·更好地推广高分辨率数据系列，特别是在热带和南半球地区;

·更好地认识热带的热机理及其与温带气候变化的联系;

·对具有高质量考古记录的地区进行古环境研究，特别是发生过文化变迁的地方;

·通过生物学、地质学、土壤学和海洋学方面的研究 (涉及监测、遥感和通过必要的野外研究进行地面真相验证) ，认识气候与系统变化之间的关系。在这些研究中应重点包括碳通量变化的研究，因为它可能有助于我们了解气候是否会变回到冰期;

·为了明晰全球变暖和将来可能发生的海平面上升，应该确定受到沉降和抬升的一些地区，以用于比较研究;

·促进模型与古数据科学家之间的合作研究;

·年代学和方法学的技术进步;

·分析仪器和生物物理数据，以找出今天跨地区系统的联系、敏感性、惰性和落后程度;

·邀请一些核心研究人员组成工作组，进一步优选和制定研究议程。

地球科学家已经解开了地球的很多秘密，而且在了解我们的星球是如何运行的问题上已取得重大进展。

但是，这方面的信息往往没有得到正确应用。尽管我们现在已经有能力对多种自然灾害做相当准确的预报，可我们还是经常在错误的地方搞建筑和非持续性地开发资源。我们的行为显示我们仍然不了解这些，而实际上美好生活的钥匙就掌握在我们的手中。全世界的地球科学家都已做好准备协助社会建立一个更安全、更健康、更富裕的环境。