作者：晏宏

 

　　为什么只有古气候学（Paleoclimate），没有古天气学（Paleoweather）？

 

　　

 

　　（一） 天气与气候的区别

　　首先我们先来明确一下气候和天气的区别。

 

　　天气：大气物理特征的瞬时态，某瞬时内大气中各要素（如气温、气压、湿度、风、云、雾、雨、闪、雪、霜、雷、雹、霾等）的状态和变化。时间尺度为天、小时、分钟甚至秒（月以下），比如一场暴雨、一个台风、一次寒潮等。研究天气的学科是气象学或天气学。

 

　　气候：大气物理特征的长期平均状态或变化，与天气不同，它具有一定的稳定性。时间尺度为月、季、年、数年到数百年以上（月及以上）。气候以冷、暖、干、湿这些特征来衡量，通常由某一时期的平均值和离差值表征。研究气候的学科是气候学。

 

　　

 

　　图1  暴雨、暴雪、龙卷风、台风等都属于天气事件，发生时间尺度为天、小时、分钟甚至秒

 

　　简单点说，月尺度以下的快速变化，属于天气变化，而月尺度以上的变化，属于气候变化。无论是天气变化还是气候变化，都会对地表环境、生态系统和人类生存生活带来显著的影响。通常气候变化的影响会比较缓慢，而天气变化会比较快速。比如我们通常讲的全球变暖，就是一个典型的气候问题；它可能导致的海平面上升，高山冰川融化等都是在相对比较缓慢的时间尺度（月以上）发生的。

 

　　但是如果我们讨论全球变暖导致今年南海发生了一次超强台风，袭击了我国东南沿海，带来强风和暴雨，这就是一个天气尺度问题了；它可能导致经济损失近百亿，伤亡数十人等，都会在较短时间（月以下，比如几天几小时甚至几分钟）内发生。

 

　　（二）天气和气候研究以及现代器测资料

　　无论是天气变化还是气候变化，对于人类在地球上的生存和发展都非常重要，因此人类对气候和天气认知的索求一直都没有停止过。

　　

　　很可能我们的老祖宗古人类就已经学会了观天象预测天气变化，当然这个我们已经无从考证。但是自人类文明诞生以来，认知气候和天气变化就成为了最重要的工作之一，比如中国古代的历史文献中，就记载了大量气候和天气变化的信息，春秋战国时代就诞生了堪称伟大的二十四节气并沿用至今。而在欧洲，古希腊哲学家亚里士多德在公元前300多年就已经著书《气象汇论》，这也是世界上最早的气象书籍。当然，这个时期从学科性质来讲，气象学与天文学是混在一起的，可以说具有天象学的性质。

 

　　

 

　　图2：诞生于春秋战国时的二十四节气是中华文明悠久历史的重要组成部分

 

　　现代气象学和气候学的建立则与观测仪器的发展密不可分。

 

　　16世纪中叶到19世纪末，欧洲工业的发展，推动了科学技术的发展，物理学、化学和流体力学等随着当时工业革命的要求，也快速发展起来。又由于航海技术的进步，远距离商业与探险队的活动，扩大了人们的视野，地理学也蓬勃兴起，这为气象学和气候学的发展奠定了基础。再加上这一段时间内气象观测仪器纷纷发明，比如：

 

　　1593年意大利学者伽利略(Galileo)发明温度表

 

　　1643年意大利学者托里拆利(Torricelli)发明气压表

 

　　1783年索修尔(Saussure)发明湿度表

　　...

　　有了这些仪器就为建立气象台站提供了必要的条件。地面气象观测台、站相继建立，形成了地面气象观测网；并因无线电技术的发明，人们开始绘制地面天气图。在具备这些条件之后，气象学、气候学逐渐分离，成为了独立的学科。

 

　　

 

　　图3：伽利略（1564～1642）发明了温度表

 

　　(三) 古气候学（Paleoclimate）的诞生

　　虽然人类发明温度计、气压计等气象观测仪器的时间有近400年，但是早期的观测资料要么没有统一的标准，要么已经遗失，而且在地域分布上也比较稀疏且不均匀。高质量的气象站观测资料最长不过一百多年，大部分的气象站则不到100年。

 

　　这不足百年的气象资料对于准确理解地球气候和天气的变化并预测未来是远远不够的。举个简单的例子，过去100多年全球年平均温度大约变化了1度左右，如果让我们根据这1度多的观测事实去推测地球历史上曾经发生的或者未来将要发生的变化，无异于坐井观天，看着井口大的天空就要去想象世界有多么丰富多彩，难度可想而知。比如，始新世地球曾出现比现代温暖10多度的时期，第四纪冰期-间冰期旋回地球温度也曾发生过5-10度的振幅，近百年的观测变化不到这些地球气候自然变化的五分之一甚至十分之一，显然这样有限的器测资料无法给我们足够的空间去思考和理解地球气候-天气系统的变率到底会有多大？

 

　　未来到底会发生什么？

 

　　

　　图4：气象站观测资料时间较短（100多年，粉红色部分），温度波动约为1度（右上图）；远小于历史时期自然气候波动（如过去25000年，暗红色）和未来预期的气候变化（亮红色）

 

　　为了弥补现代器测资料的短缺，自19世纪中期以来，地质学家们开始利用地球上的各种地质生物载体，如冰芯、海洋沉积、树轮、珊瑚、湖沼沉积、石笋等，来重建地球过去的气候变化，并由此诞生了古气候学（Paleoclimate）这样一门学科。

 

　　比如利用树轮的宽度重建某一区域过去数千年的温度或者降水变化；利用珊瑚年层的氧同位素和元素比值重建海洋表面的温度变化；利用黄土沉积的粒度来指示过去几百万年东亚冬季风的强度等等。

 

　　经过一百多年的努力，地质学家们成功地构建了过去6500万年甚至更长时间地球气候变化的框架。这些知识极大地丰富了我们对于地球气候历史的了解，让我们知道了地球历史上曾经存在过超级大冰期，也存在过超级大暖期，还存在过剧烈的冰期-间冰期旋回，还帮助我们理解了当前全球变暖在地球气候历史上的地位。此外，这些古气候资料对于检验气候模式和预测未来气候变化也具有不可估量的价值。

　　

 

　　图5：过去6500万年地球气候变化框架

 

　　(四) 为什么没有古天气学（Paleo-weather）？

　　虽然古气候学的研究取得了大量的成果，为我们认识地球气候变化提供了重要的帮助，但是我们似乎很少听说过古天气学这个词，是古天气研究不重要吗？

　　

　　答案显然不是

 

　　与气候变化一样，现有的器测资料对于研究天气系统的变率同样是不足的，一百多年的器测资料很难将地球天气系统的长期变率检测出来，尤其是天气系统随背景气候态的变化规律。

 

　　虽然通过现代气候学和古气候的研究，我们知道了全球变暖可能是地球气候的未来发展趋势。但是对于全球变暖后，地球的天气系统会发生什么样的变化，台风会不会更多更强、极端暴雨强度会不会大幅度提升、冬季寒潮会不会更多等，都还没有可靠的认知。

 

　　例如，2000年左右的一些研究发现北大西洋和西北太平洋台风的破坏力从1960s到1990s发生了增强，而这一时期恰好是全球快速变暖的时段，据此作者们推断出全球变暖可能导致更为严重的台风破坏力的结论，相关工作在Nature和Science上发表了多篇论文。但是很快被打脸，1990s以来的近20多年，全球变暖依然在持续，而观测的台风频率和破坏力并没有持续上升，反而出现了下降。出现这种矛盾的原因主要是现代观测资料的时段太短，难以将天气系统的长期趋势从短周期震荡中准确解读并分离出来。

 

　　

　　图6：近半个世纪台风研究的争议

 

　　既然天气研究很重要，现代天气观测资料又有限，那为什么科学家们不像开发古气候学一样，开发出古天气学呢？如果获得了过去温暖期地球天气系统的状态和变率的资料，对于预测未来全球变暖预期下天气系统的发展趋势显然是有利的。

 

　　答案是：大家都想，但是臣妾做不到啊。

　　

 

　　虽然地质学家们开发出了很多古气候研究载体，如冰芯、海洋沉积、树轮、珊瑚、湖沼沉积、石笋等，但是他们能够提供的信息的时间分辨率都太低，通常为数十年到数百年，最高分辨率的载体如树轮和珊瑚，也只能到年或者月。也就是说我们通过这些地质生物载体获取的，都是几百年平均，最多几个月平均的气候信息。这些信息可以用来理解地球气候（月及以上尺度）的变化，但是无法用于研究发生时间在天-小时甚至更短时间尺度的天气变化。

 

　　最终导致，虽然通过一百多年的古气候研究我们已经差不多知道了地球过去6500万年甚至更长时间以来的气候变化框架，但是我们对不同气候背景下古天气（Paleoweather）的认知，几乎为零。也就是说虽然我们知道地球历史上有超级温暖期，但是对于超级温暖期地球天气系统的状况，比如台风会不会更多更强、暴雨强度会不会大幅度提升、冬季寒潮会不会更多等，几乎都没有任何了解。

 

　　这就是为什么气候和天气对我们同样重要，但过去全球变化研究中却只有古气候学，而没有古天气学的原因。

 

　　

 

　　图7：除了器测资料，现有古气候载体的时间分辨率最高只能到月，无法用于研究发生在天-小时甚至更短时间尺度的古天气变化