為什么只有古氣候學, 沒有古天氣學?

  作者:晏宏
 
  為什么只有古氣候學(Paleoclimate),沒有古天氣學(Paleoweather)?
 
  

 

  (一) 天氣與氣候的區別

  首先我們先來明確一下氣候和天氣的區別。
 
  天氣:大氣物理特征的瞬時態,某瞬時內大氣中各要素(如氣溫、氣壓、濕度、風、云、霧、雨、閃、雪、霜、雷、雹、霾等)的狀態和變化。時間尺度為天、小時、分鐘甚至秒(月以下),比如一場暴雨、一個臺風、一次寒潮等。研究天氣的學科是氣象學或天氣學。
 
  氣候:大氣物理特征的長期平均狀態或變化,與天氣不同,它具有一定的穩定性。時間尺度為月、季、年、數年到數百年以上(月及以上)。氣候以冷、暖、干、濕這些特征來衡量,通常由某一時期的平均值和離差值表征。研究氣候的學科是氣候學。
 
  
 
  圖1  暴雨、暴雪、龍卷風、臺風等都屬于天氣事件,發生時間尺度為天、小時、分鐘甚至秒
 
  簡單點說,月尺度以下的快速變化,屬于天氣變化,而月尺度以上的變化,屬于氣候變化。無論是天氣變化還是氣候變化,都會對地表環境、生態系統和人類生存生活帶來顯著的影響。通常氣候變化的影響會比較緩慢,而天氣變化會比較快速。比如我們通常講的全球變暖,就是一個典型的氣候問題;它可能導致的海平面上升,高山冰川融化等都是在相對比較緩慢的時間尺度(月以上)發生的。
 
  但是如果我們討論全球變暖導致今年南海發生了一次超強臺風,襲擊了我國東南沿海,帶來強風和暴雨,這就是一個天氣尺度問題了;它可能導致經濟損失近百億,傷亡數十人等,都會在較短時間(月以下,比如幾天幾小時甚至幾分鐘)內發生。
 
  (二)天氣和氣候研究以及現代器測資料

  無論是天氣變化還是氣候變化,對于人類在地球上的生存和發展都非常重要,因此人類對氣候和天氣認知的索求一直都沒有停止過。
  
  很可能我們的老祖宗古人類就已經學會了觀天象預測天氣變化,當然這個我們已經無從考證。但是自人類文明誕生以來,認知氣候和天氣變化就成為了最重要的工作之一,比如中國古代的歷史文獻中,就記載了大量氣候和天氣變化的信息,春秋戰國時代就誕生了堪稱偉大的二十四節氣并沿用至今。而在歐洲,古希臘哲學家亞里士多德在公元前300多年就已經著書《氣象匯論》,這也是世界上最早的氣象書籍。當然,這個時期從學科性質來講,氣象學與天文學是混在一起的,可以說具有天象學的性質。
 
  
 
  圖2:誕生于春秋戰國時的二十四節氣是中華文明悠久歷史的重要組成部分
 
  現代氣象學和氣候學的建立則與觀測儀器的發展密不可分。
 
  16世紀中葉到19世紀末,歐洲工業的發展,推動了科學技術的發展,物理學、化學和流體力學等隨著當時工業革命的要求,也快速發展起來。又由于航海技術的進步,遠距離商業與探險隊的活動,擴大了人們的視野,地理學也蓬勃興起,這為氣象學和氣候學的發展奠定了基礎。再加上這一段時間內氣象觀測儀器紛紛發明,比如:
 
  1593年意大利學者伽利略(Galileo)發明溫度表
 
  1643年意大利學者托里拆利(Torricelli)發明氣壓表
 
  1783年索修爾(Saussure)發明濕度表
  ...
  有了這些儀器就為建立氣象臺站提供了必要的條件。地面氣象觀測臺、站相繼建立,形成了地面氣象觀測網;并因無線電技術的發明,人們開始繪制地面天氣圖。在具備這些條件之后,氣象學、氣候學逐漸分離,成為了獨立的學科。
 
  
 
  圖3:伽利略(1564~1642)發明了溫度表
 
  (三) 古氣候學(Paleoclimate)的誕生

  雖然人類發明溫度計、氣壓計等氣象觀測儀器的時間有近400年,但是早期的觀測資料要么沒有統一的標準,要么已經遺失,而且在地域分布上也比較稀疏且不均勻。高質量的氣象站觀測資料最長不過一百多年,大部分的氣象站則不到100年。
 
  這不足百年的氣象資料對于準確理解地球氣候和天氣的變化并預測未來是遠遠不夠的。舉個簡單的例子,過去100多年全球年平均溫度大約變化了1度左右,如果讓我們根據這1度多的觀測事實去推測地球歷史上曾經發生的或者未來將要發生的變化,無異于坐井觀天,看著井口大的天空就要去想象世界有多么豐富多彩,難度可想而知。比如,始新世地球曾出現比現代溫暖10多度的時期,第四紀冰期-間冰期旋回地球溫度也曾發生過5-10度的振幅,近百年的觀測變化不到這些地球氣候自然變化的五分之一甚至十分之一,顯然這樣有限的器測資料無法給我們足夠的空間去思考和理解地球氣候-天氣系統的變率到底會有多大?
 
  未來到底會發生什么?
 
  
  圖4:氣象站觀測資料時間較短(100多年,粉紅色部分),溫度波動約為1度(右上圖);遠小于歷史時期自然氣候波動(如過去25000年,暗紅色)和未來預期的氣候變化(亮紅色)
 
  為了彌補現代器測資料的短缺,自19世紀中期以來,地質學家們開始利用地球上的各種地質生物載體,如冰芯、海洋沉積、樹輪、珊瑚、湖沼沉積、石筍等,來重建地球過去的氣候變化,并由此誕生了古氣候學(Paleoclimate)這樣一門學科。
 
  比如利用樹輪的寬度重建某一區域過去數千年的溫度或者降水變化;利用珊瑚年層的氧同位素和元素比值重建海洋表面的溫度變化;利用黃土沉積的粒度來指示過去幾百萬年東亞冬季風的強度等等。
 
  經過一百多年的努力,地質學家們成功地構建了過去6500萬年甚至更長時間地球氣候變化的框架。這些知識極大地豐富了我們對于地球氣候歷史的了解,讓我們知道了地球歷史上曾經存在過超級大冰期,也存在過超級大暖期,還存在過劇烈的冰期-間冰期旋回,還幫助我們理解了當前全球變暖在地球氣候歷史上的地位。此外,這些古氣候資料對于檢驗氣候模式和預測未來氣候變化也具有不可估量的價值。
  
 
  圖5:過去6500萬年地球氣候變化框架
 
  (四) 為什么沒有古天氣學(Paleo-weather)?

  雖然古氣候學的研究取得了大量的成果,為我們認識地球氣候變化提供了重要的幫助,但是我們似乎很少聽說過古天氣學這個詞,是古天氣研究不重要嗎?
  
  答案顯然不是
 
  與氣候變化一樣,現有的器測資料對于研究天氣系統的變率同樣是不足的,一百多年的器測資料很難將地球天氣系統的長期變率檢測出來,尤其是天氣系統隨背景氣候態的變化規律。
 
  雖然通過現代氣候學和古氣候的研究,我們知道了全球變暖可能是地球氣候的未來發展趨勢。但是對于全球變暖后,地球的天氣系統會發生什么樣的變化,臺風會不會更多更強、極端暴雨強度會不會大幅度提升、冬季寒潮會不會更多等,都還沒有可靠的認知。
 
  例如,2000年左右的一些研究發現北大西洋和西北太平洋臺風的破壞力從1960s到1990s發生了增強,而這一時期恰好是全球快速變暖的時段,據此作者們推斷出全球變暖可能導致更為嚴重的臺風破壞力的結論,相關工作在Nature和Science上發表了多篇論文。但是很快被打臉,1990s以來的近20多年,全球變暖依然在持續,而觀測的臺風頻率和破壞力并沒有持續上升,反而出現了下降。出現這種矛盾的原因主要是現代觀測資料的時段太短,難以將天氣系統的長期趨勢從短周期震蕩中準確解讀并分離出來。
 
  
  圖6:近半個世紀臺風研究的爭議
 
  既然天氣研究很重要,現代天氣觀測資料又有限,那為什么科學家們不像開發古氣候學一樣,開發出古天氣學呢?如果獲得了過去溫暖期地球天氣系統的狀態和變率的資料,對于預測未來全球變暖預期下天氣系統的發展趨勢顯然是有利的。
 
  答案是:大家都想,但是臣妾做不到啊。
  
 
  雖然地質學家們開發出了很多古氣候研究載體,如冰芯、海洋沉積、樹輪、珊瑚、湖沼沉積、石筍等,但是他們能夠提供的信息的時間分辨率都太低,通常為數十年到數百年,最高分辨率的載體如樹輪和珊瑚,也只能到年或者月。也就是說我們通過這些地質生物載體獲取的,都是幾百年平均,最多幾個月平均的氣候信息。這些信息可以用來理解地球氣候(月及以上尺度)的變化,但是無法用于研究發生時間在天-小時甚至更短時間尺度的天氣變化。
 
  最終導致,雖然通過一百多年的古氣候研究我們已經差不多知道了地球過去6500萬年甚至更長時間以來的氣候變化框架,但是我們對不同氣候背景下古天氣(Paleoweather)的認知,幾乎為零。也就是說雖然我們知道地球歷史上有超級溫暖期,但是對于超級溫暖期地球天氣系統的狀況,比如臺風會不會更多更強、暴雨強度會不會大幅度提升、冬季寒潮會不會更多等,幾乎都沒有任何了解。
 
  這就是為什么氣候和天氣對我們同樣重要,但過去全球變化研究中卻只有古氣候學,而沒有古天氣學的原因。
 
  
 
  圖7:除了器測資料,現有古氣候載體的時間分辨率最高只能到月,無法用于研究發生在天-小時甚至更短時間尺度的古天氣變化

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