末次冰期結(jié)束之后，人類對環(huán)境的影響與其他動物就有區(qū)別了。人類發(fā)明了牧業(yè)、農(nóng)業(yè)以后，就開始逐漸主動改變周圍的環(huán)境，當然在歷史上很長很長的時間里面， 這個過程都是非常緩慢的，所以能夠造成的影響也是很小的。末次冰期結(jié)束后一直到現(xiàn)在的這段時間，地質(zhì)學(xué)上成為全新世，屬于第四紀，開始于大約1萬年前。全 新世里面還可以繼續(xù)分期，有幾種不同的分法。IPCC使用的分類方法，把全新世分成早、中、晚三期，分別對應(yīng)著升溫期、高溫期、中溫期。從名字就很明顯的 看出，全新世的溫度變化，是先升溫，維持高溫，然后降溫。
實際上全新世的氣候變化要更加復(fù)雜。這一萬年里面，地球軌道有變化，火山爆發(fā)對氣候也有影響，使得這個時期的氣候變化豐富多彩。當然不是說其他的時候地球 氣候變化不豐富，只不過全新世的資料相對豐富，給人們更加細致地了解氣候變化提供了機會，也有了不少研究成果。比如說認定在北大西洋高緯度地區(qū)，以及北極 地區(qū)，在全新世早期的1萬年前到8千年前，夏季溫度明顯很高，可能全新世的夏季最高溫就發(fā)生在這個時候。夏季溫度高對應(yīng)的就是北極冰川面積減少，這方面， 現(xiàn)有的觀察是一致的。對于大西洋中北部地區(qū)的淺層海面溫度重建發(fā)現(xiàn)從全新世中期到工業(yè)化以前有一個很長期的逐漸降溫的趨勢，很有可能與這些緯度地區(qū)的年平 均軌道輻射以及夏季軌道輻射變化有關(guān)系。在北歐和北美的冰原殘余物附近，最暖期要錯后不少，這個現(xiàn)象可能與冰川變化、冰原反照、大氣和海洋的熱交換、以及 局部的軌道強迫有關(guān)系。在北歐和北美西北部，最暖的時期發(fā)生在5到7千年前，這個期間還發(fā)現(xiàn)了溫帶森林向北的擴展，以及相應(yīng)的冰川退縮。全新世早期的變暖 現(xiàn)象還在西太平洋、中國、新西蘭、南部非洲、南極等地觀測到。南半球高緯度地區(qū)的變暖并不能用單純的軌道強迫進行解釋，可能與大規(guī)模的能量輸送有關(guān)。和這 個大趨勢相反的是，熱帶淺層海水的溫度變化顯示了從全新世開始到現(xiàn)在的持續(xù)的升溫趨勢，可能與熱帶的軌道強迫變化相關(guān)。下圖是一些觀察到的與人類工業(yè)化之 前相比較的溫度差別，縱坐標是緯度，橫坐標是時間。紅色表示比工業(yè)化前高出2攝氏度或者更多，黃色表示比工業(yè)化之前高出0.5到2攝氏度，藍色表示比工業(yè) 化之前要低0.5到2攝氏度。
全新世中早期溫度與工業(yè)化之前比較
觀察到了在一些熱帶以外的一些地區(qū)，在全新世早期曾經(jīng)有局部升溫現(xiàn)象，幅度高達幾個攝氏度。不過這些局部的升溫很可能并不具備全球性，因為同期的熱帶海洋 溫度略低。使用軌道強迫的模型對這個時候的模擬認為全球平均溫度變化應(yīng)該在0.4攝氏度以內(nèi)。目前的數(shù)據(jù)的數(shù)量和分布都還不方便對這個時期的全球狀態(tài)下更 明確的結(jié)論，無法認定是否出現(xiàn)過于目前正在發(fā)生的全球變暖類似的升溫異常。北非、東非和北美的記錄表明持續(xù)幾十年到幾百年的干旱是這些地區(qū)氣候的經(jīng)常特 征，現(xiàn)在發(fā)生在北美和中非的干旱并不是史無前例的。這些區(qū)域的準周期性的氣候變率看起來的確存在，可以得到單獨的年代際分辨率的古氣候資料的支持，但是這 些獨立的區(qū)域信號在全球范圍內(nèi)并不一致。
溫度變化往往伴隨著冰川的變化。對古代陸地冰川變化的研究集中在北半球。目前的研究表明在全新世的前半期，從1.1萬年前到大約5千年前，北半球只有很小 量的冰川甚至沒有冰川。到了后半期，冰川開始形成，并且擴張。這個現(xiàn)象基本上可以用軌道強迫帶來的變化來解釋，在全新世前半期，軌道強迫導(dǎo)致了北半球夏季 日射增加，從而造成區(qū)域變暖，導(dǎo)致冰川融化。不過對于局部的短周期的陸地冰川變化，仍然需要更加復(fù)雜的當?shù)貧夂蚺c冰川模型來進行分析。下圖是南北半球一些 冰川的變化情況。實線是連續(xù)紀錄的數(shù)據(jù)，虛線是非連續(xù)紀錄的數(shù)據(jù)，深淺褐色是直接和間接證據(jù)。橫線之上的，代表冰川面積小于20世紀末的冰川面積，橫線之 下的，代表冰川面積大于20世紀末的冰川面積。由于對總量估計的準確性仍然不好，所以顯示的都是相對變化。這里面可以看出來冰川的變化很復(fù)雜。由于影響局 部冰川的氣候行為很復(fù)雜，每一次的冰川變化，原因并不都是相同的，需要對當?shù)氐慕邓蜌鉁厍闆r進行分析。在全新世后半期的大多數(shù)時間，并沒有觀察到目前正 在發(fā)生的全球基本一致的陸地冰川大范圍消融現(xiàn)象。由于全新世后半期的幾千年北半球夏季日射仍然較少，使用軌道強迫并不能解釋目前觀察到的全世界山區(qū)冰川地 退縮現(xiàn)象，很顯然現(xiàn)在的全球范圍退縮應(yīng)該是其他原因。
全新世冰川變化
值得一提的是在8200年前，格陵蘭發(fā)生過溫度突然降低2到6攝氏度的情況，與同期觀察到的大氣甲烷含量降低、大規(guī)模大氣環(huán)流改變等等相一致。這個突變一 般與北大西洋濤動聯(lián)系在一起，不過目前還缺少深海的證據(jù)支持，所以這個關(guān)系仍然是假說。在全新世早期，北極和北冰洋的大量淡水從冰里面釋放出來，導(dǎo)致海水 淡化，而促發(fā)8200年前的突變的現(xiàn)象，可能是阿加齊茲Agassiz古湖突然釋放大量淡水造成的。在大約僅僅半年的時間內(nèi)，有總量達到100萬億立方米 的淡水忽然進入哈德遜灣，從而導(dǎo)致海洋和大氣的一系列變化。以此為依據(jù)的氣候變化模型基本上可以模擬所觀察的種種氣候現(xiàn)象。在4到5千年前，北半球的海冰 面積出現(xiàn)過激增，伴隨著在格陵蘭監(jiān)測到的氘含量降低，歐洲也觀察到突然變冷，北美則廣泛開始了持續(xù)達到數(shù)百年的干旱，以及南美氣候的一些變化。這個突變的 發(fā)生機制仍然未知。這個事件發(fā)生在軌道輻射導(dǎo)致的局部溫暖期結(jié)束的時候，可能提示在緩慢的強迫變化的情況下，也可以出現(xiàn)突然的氣候變化。北非地區(qū)在全新世 早期的強烈潮濕環(huán)境也與環(huán)境對軌道強迫的作用進行放大有關(guān)。
兩萬年來大氣溫室氣體信息重建
上圖是2萬年以來的大氣里面二氧化碳、甲烷和氧化亞氮三種溫室氣體重建資料，分別在左上，左下和右上角。右下角的是這三個因素放在一起的輻射強迫。可以看 到在全新世早期，1.1萬年前到8千年前的這一階段，大氣中的二氧化碳濃度略有下降，降低了7ppm。隨后，大氣中二氧化碳濃度開始緩慢上升，一直到被人 類的工業(yè)化排放所干擾。大氣中的甲烷含量也有類似的趨勢，不過略有不同，北半球的大氣甲烷含量從1萬年前的730ppb降低到6千年前的580ppb，然 后緩慢升高到工業(yè)化之前的730ppb。氧化亞氮的總圖濃度變化趨勢與二氧化碳的很象，在全新世早期降低了10ppb，隨后緩慢上升，不過波動要頻繁一 些。原來一般認為在全新世大氣中的二氧化碳含量與陸地植物的變化有關(guān)系，森林面積增加，二氧化碳的濃度就會下降，海洋沉積，比如珊瑚增多也會吸收一部分 碳。比較新的研究表明在工業(yè)化之前的7千年里面，陸地植被的變化不大，陸地上的碳自然也就是穩(wěn)定的。北方泥炭地儲存的二氧化碳的變化更有可能是這期間大氣 二氧化碳濃度變化的原因。不過這些變化都是很緩慢的，與工業(yè)化之后大氣二氧化碳的變化速率低很多。有人研究過工業(yè)化之前人類的農(nóng)牧業(yè)活動所造成的溫室氣體 影響，認為如果沒有人類工業(yè)化之前的農(nóng)業(yè)活動，在工業(yè)化之前的8000年時間里面，大氣中的二氧化碳應(yīng)該降低20ppm，而不是觀察到的升高了 20ppm，不過這個假說支持者很少，本身也缺乏一些關(guān)鍵的證據(jù)來支持，也與一些其他證據(jù)相矛盾，所以還不被采信。
距離現(xiàn)代越近，可以采用的氣候資料就越豐富。目前對于古氣候的復(fù)原，對于最近的1千年左右的研究最多。下圖是IPCC收錄的對北半球的研究結(jié)果。圖a是儀 器測量的結(jié)果。圖中的黑線是北半球陸地海洋的平均溫度，深棕色線是北半球的陸地平均溫度。陸地的溫度是從1781年開始的，不過要注意早期的數(shù)據(jù)站點很 少，僅僅有23個歐洲站點和一個北美站點，亞洲最早的站點是從1820年代才開始的。淺棕色線是四個歷史最悠久的歐洲站點的數(shù)據(jù)，一直追溯到18世紀初期 開始有了溫度的定義的時候。圖中的灰色帶是數(shù)據(jù)的置信區(qū)間，可以看出來20世紀數(shù)據(jù)的置信區(qū)間的范圍要小于19世紀的，距離現(xiàn)代越久遠，置信區(qū)間覆蓋的范 圍越大。這些數(shù)據(jù)至少能說明，1980年以后的全球變暖，是有儀器記錄的兩百多年歷史里面所沒有見過的。
1300年來北半球溫度的重建
對于更久遠的時間的溫度重建，就需要使用各種各樣的代用資料了。TAR的時候采用了三個系列。一個是上圖b里面的MBH1999，這個系列是根據(jù)樹木年 輪、冰芯數(shù)據(jù)、人文資料等建立的，包括了1850年以后的儀器分析數(shù)據(jù)，研究的是1000到1980年的年均北半球陸地海洋的氣溫變化，不過主要基于中高 緯度的數(shù)據(jù)，有少量的中低緯度數(shù)據(jù)。這個研究發(fā)現(xiàn)在這900年里面，有一個振幅高達0.3攝氏度的波動，同時有一個0.15攝氏度的降溫趨勢，然后是20 世紀的突然增溫。第二個系列是上圖b中的JBB1998，數(shù)據(jù)的數(shù)量要少一些，研究的是北緯20度以北地區(qū)的夏季氣溫變化。第三個是BOS2001，完全 依據(jù)樹木年輪研究北半球夏季的氣溫，覆蓋北緯20度以北地區(qū)，高緯度數(shù)據(jù)更充分一些，不過僅從1402年開始。后兩個系列都顯示了17世紀的氣溫比第一個 系列的結(jié)果要低，第一組數(shù)據(jù)后來也遭到了廣泛的質(zhì)疑。最熱鬧的就是關(guān)于中世紀暖期的問題。
北半球一些地區(qū)的溫度歷史重建
中世紀可能比較溫暖的概念早在1920年代就已經(jīng)被提出了，區(qū)域至少在北美、斯堪的納維亞以及東歐，一些關(guān)于古人類生活資料的記載顯示10世紀的氣溫應(yīng)該 比14世紀要高。同時提出的還有17世紀的變冷概念。不過正式提出中世紀暖期的概念是在1960年代，時間段定義在公元1000到1200年之間。在這個 時候，就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了不同地區(qū)的暖期是有區(qū)別的，比如俄羅斯部分以及格陵蘭發(fā)生在950到1200年間，但是在歐洲大部地區(qū)都要晚一些，在1150到 1300年間。這個概念所使用的證據(jù)也不少，從人類的紀錄，到葡萄的種植期、樹木的生長線、植被的變化等等，還包括一些早期的冰芯數(shù)據(jù)以及年輪資料。這個 1960年代進行的研究，得到的結(jié)論是在歐洲，所謂中世紀暖期的時候，氣溫可能比20世紀初的氣溫高出了1到2攝氏度?，F(xiàn)代的研究對這個結(jié)論持保留態(tài)度。 更加可靠的，可以定量的證據(jù)的研究顯示，這個早期研究最多只能說在全球的某個地區(qū)的一些年份里面，氣溫有點偏高?，F(xiàn)在對于最近千年各個地區(qū)的溫度復(fù)原現(xiàn)在 也有了不少工作，上圖是不同地區(qū)的研究結(jié)果，上面一行從左到右分別是西北加拿大、美國西部、格陵蘭西部、瑞典北部，下面一行從左到右分別是西北俄羅斯、俄 羅斯北部、蒙古、東亞。把這些數(shù)據(jù)放到一起來看，這個中世紀暖期就不這么明顯了，因為各個不同地區(qū)的變率非常大。要確定是否整個北半球都有這種變化，可能 還需要更加全面可靠的證據(jù)。從在前面一圖圖b里面AR4引用的1300年來北半球氣溫估計資料匯總上面可以看到，在公元950到1100年間，有可能出現(xiàn) 了一個相對溫暖的時期，但是即使是這個時候，也要比1961到1990年的北半球平均溫度（圖中的零點）要低上0.1到0.2攝氏度。AR4給的結(jié)論是在 公元950到1100年間，北半球的確觀測到了較溫暖的氣候，在工業(yè)化之前的2千年內(nèi)這個時期里面是比較高的。但是這些觀察還很難說整個北半球的平均氣溫 在這個時期偏高，這個可能的中世紀暖期也與20世紀觀測到的北半球整體的升溫是有區(qū)別的。對于17世紀的小冰期，目前的數(shù)據(jù)仍然不夠充分，還無法判定其廣 泛程度。下圖里面可以看一下目前研究的取樣分布，三個圖從上到下分別是公元1000、1500和1750年。紅色溫度計是儀器測量點，棕色三角是樹木年 輪，黑圈是地洞，藍星代表冰芯，冰洞，其他資料是紫色的方塊。
研究千年以來氣候變化的代用資料選取地點
還要回到1300年來北半球溫度重新中的圖b。這里面可以看到從TAR到AR4之間，進行北半球氣溫復(fù)原的工作多了很多。這里就不一一列舉。使用的代用資 料也更多，分析方法也有進步。比如樹木年輪的寬度、密度，冰的各種重要同位素的組成比例，珊瑚的生長帶等等都被大量使用。不過使用這些代用資料的不確定因 素仍然很大，特別是降水的影響與溫度的影響很多時候很難分開，有的時候一些變化只代表特定的原因而并不代表一定特定的年份等等。綜合來看，這些新的研究顯 然增加了這個時期數(shù)據(jù)的不確定性。這些新的數(shù)據(jù)里面，大多數(shù)都是對全年平均進行研究，少數(shù)研究的是夏季的變化。圖c就綜合了這些研究結(jié)果，考慮了這些研究 的統(tǒng)計不確定性，給出了北半球平均溫度的可能值，不同深淺的色帶表示不同的置信區(qū)間。從這個分析里面，還是能看出來17世紀早期和19世紀可能相對較冷， 而11世紀和15世紀都相對較暖，一些數(shù)據(jù)顯示在10世紀末期有一個很短的變暖。不過最暖的時候還是出現(xiàn)在20世紀。眾多研究中只有1組數(shù)據(jù)顯示暖期的北 半球平均氣溫可能超過了1940年代的平均氣溫。更加肯定的是，這些研究都顯示，20世紀最后20年，非?？赡苤辽偈亲罱?300年以來最溫暖的時期，而 20世紀后半葉的平均溫度，也比此前500年的任何一個50年的平均溫度要高。對南半球的歷史氣候情況也有類似的重建工作，一些研究結(jié)果列在下圖。不過由 于數(shù)據(jù)實在太稀少，還不能對南半球的變化做出評估。
一些南半球的溫度重建研究
有一些模型對過去500到1000年的氣候進行了模擬，使用的是自然和人類所造成的輻射強迫。這里面，有一些因素還是可以比較精確的計算的，比如地球相對 太陽的軌道變化可以進行精確計算，這樣各個時期不同的緯度、季節(jié)抵達大氣層頂?shù)奶栞椛渚涂梢赃M行計算。溫室氣體的資料可以直接使用冰芯的分析結(jié)果，也算 是比較準確地。其他的因素不確定性就比較高了。土地的改變，雖然有一些文獻記載和間接證據(jù)，但是不確定性仍然不少，而平流層的氣溶膠的分布、變化，臭氧的 濃度變化，人們的了解就非常有限了。在人們對太陽輻射進行觀察的30年里面，平均太陽輻射的變化非常小，扣除了平均大約11年的太陽黑子周期之后，變化幅 度僅有0.1%，相當于0.2W/m2的輻射強迫。對于歷史數(shù)據(jù)，太陽輻射的變化一般使用宇宙同位素資料，比如太陽黑子活動少的時候，Be10和C14的 濃度就要偏高，不過兩者之間的之間定量關(guān)系還并不明確。在很多研究中都假定宇宙同位素與太陽輻射有線性關(guān)系，較新的研究開始使用物理模型進行模擬，得出了 非線性關(guān)系。按照這個較新的研究，有研究者認為最近的8000年里面，太陽活動的變化很小，不過另有研究認為在過去的1000年里面，有三個時期太陽略微 活躍，分別是公元1785年，1600年和1140年?？傊栞椛渥兓拈L期趨勢仍然不明朗。AR4采用的結(jié)果，認為相對TAR時候，太陽輻射的變化被 大幅度調(diào)低，前面介紹太陽輻射強迫的時候講過了。TAR時期的重建認為17世紀時候的蒙德爾極小值要比現(xiàn)在的平均低0.15%到0.65%，相當于 0.36到1.55W/m2的輻射強迫，AR4采用的是這個變化僅有0.1%，折合的輻射強迫低于0.2W/m2。對火山輻射強迫的估計不確定性很大，前 面討論過?；鹕交顒釉谧罱臄?shù)百年有所增加。由于火山基本上給出一個負的短期的輻射強迫，火山對氣候的影響應(yīng)該是變冷。下圖給出了不同研究者使用輻射強迫 得出的模擬結(jié)果。上面的圖，a是火山活動造成的輻射強迫，b是太陽輻射的強迫變化，c是其他因素的輻射強迫。下圖是前面見到的溫度復(fù)原概率圖與一些模擬結(jié) 果，粗線是考慮了自然與人類共同造成的輻射強迫的模擬結(jié)果，細線則是只考慮自然影響的輻射強迫模擬結(jié)果。雖然模型各有不同，基本上還算是模擬了主要的氣候 變化，比如12到14世紀期間略暖，15世紀中期，17世紀和19世紀較冷，這些都處于不確定性的范圍之內(nèi)。所有使用了人類造成的輻射強迫因素的模型都模 擬到了20世紀的變暖。
使用輻射強迫模型對千年來氣溫變化的模擬
工業(yè)化之前的一千年里面，冰芯記錄到的二氧化碳濃度變化很小。對更久遠的冰期時期的記錄表示，二氧化碳濃度與氣溫有一定的相關(guān)性，在過去的65萬年里面， 南極的大氣里面的二氧化碳濃度與氣溫有共同的變化。一些模型也揭示了二氧化碳濃度會受到氣溫的影響，具體的物理機制，包括氣溫變化帶來的海水中二氧化碳溶 解度變化，以及土地對溫度和降水的相應(yīng)導(dǎo)致的碳儲存量的變化等等。很多模型對這個影響進行了模擬，得到的結(jié)論是每攝氏度氣溫變化對應(yīng)4到16個ppm的大 氣二氧化碳濃度變化，另外有研究者推斷每攝氏度變化帶來10-17ppm的大氣二氧化碳濃度變化。根據(jù)二氧化碳的歷史數(shù)據(jù)，在過去的千年大氣二氧化碳濃度 變化在6到10ppm以內(nèi)，由此推斷這期間北半球年代際平均氣溫變化應(yīng)該小于0.6攝氏度。二氧化碳很可能在氣候變化過程中起到一定的放大反饋作用。
