气候是什么：一把打开气候史的钥匙
想象这样一个场景：今天是2024年7月15日，你所在的城市气温达到了38摄氏度。你打开手机查看天气，看到预报显示“今日晴，最高气温38度，体感温度42度”。你可能会想：“这天也太热了，这气候到底是怎么了？”或者你可能只是嘟囔一句“今年夏天怎么这么热”，然后继续一天的生活。
但如果我告诉你，就在不远的历史时期——大约一万年前——这个时候地球正处于一个被称为“新仙女木事件”的寒冷时期，北半球的气温比现在低10到15度。你脚下的这片土地可能被厚厚的冰雪覆盖，而现在繁华的城市在当时可能是一片冰原。再往前推，在距今约12万年前的间冰期，情况则完全相反，当时的气温比现在还要暖和两三度，海平面比现在高6到8米。
这样的对比可能会让你感到困惑：同样的地球、同样的太阳，为什么气候会如此不同？这一万年的时光在地球漫长的历史上又处于什么位置？要想理解这一切，我们首先需要回答一个看似简单却至关重要的问题——气候究竟是什么？
天气与气候：一对容易混淆的兄弟
在日常生活中，很多人会把“天气”和“气候”这两个词混用。当我们说“北京的气候是干燥的”时，有时候其实在说“北京的天气很干燥”。这种混淆在口语交流中并无大碍，但如果我们想要真正理解气候的变化历史，就必须把这两个概念区分清楚。
天气是指一个地区在短时间内（几分钟到几天）的温度、降水、风力、大气压力等气象要素的综合表现。简单来说，天气就是每天出门时你需要决定“今天穿什么衣服、要不要带伞”的依据。它是多变的、短暂的、充满不确定性的。你可能听说过“六月天，孩子脸”这样的谚语，说的就是天气变化无常的特点。
气候则是指一个地区长期（通常指30年以上）的天气统计特征。它描述的是这片区域在长时间尺度上的“平均状态”和“变化范围”。当你查询某个城市的“气候特征”时，你会得到类似这样的信息：年均温度是多少度、降水量主要集中在那几个月、夏季多雨还是冬季多雪、风向以什么为主。这些信息反映的是该地区几十年来的总体规律，而不是某一天的天气情况。
用一个也许不太恰当但很形象的比喻：天气就像一个人的日常情绪和穿着打扮，而气候则像这个人的性格和基本气质。一个人今天心情不好、穿得邋遢，并不代表他性格忧郁、总是衣冠不整；反过来，一个人平时温文尔雅，也不能保证他每天都是笑容满面、整洁体面。天气是“今天怎么样”，气候是“总体一般怎么样”。
这个区别对于理解气候史至关重要。当我们说“地球气候正在变暖”时，指的并不是某一天或某一年特别热——那可能只是异常的天气事件。我们说的是在过去几十年甚至更长的时间里，全球的平均气温呈现出持续的、显著的上升趋势。这是气候层面的变化，而不是天气层面的波动。
为什么偏偏是三十年？
你可能已经注意到，我在定义气候时反复提到“30年”这个时间尺度。为什么科学家们偏偏选择30年，而不是20年、50年或100年呢？
这个数字可不是随意选定的，而是经过科学界长期讨论和实践检验后确定的标准。它的确立可以追溯到20世纪早期的气象学研究，但在1934年得到了一个重要的推动。当时，美国气象学家威廉·冯特·华盛顿（William fetton Washington）在研究中发现，要获得一个地区可靠的“气候平均值”，至少需要30年的观测数据。在此之前，不同国家、不同研究使用了不同长度的数据期，导致结果难以比较。1934年，国际气象组织（后来的世界气象组织）正式建议各国采用统一的标准气候平均值计算期，这个建议后来逐步成为国际通用标准。
30年这个时间尺度之所以被选中，是因为它恰好处于一个微妙的平衡点上。太短的时间（比如5年或10年）会过多地受到随机波动和短期异常事件的影响，无法代表真正的气候特征。比如，你不能因为某地连续三年特别干旱，就说这里变成了沙漠气候；也不能因为某年夏天异常凉爽，就说全球变暖是谎言。10年的时间尺度上，天气因素的影响太大了。
太长的时期则会掩盖正在发生的气候变化趋势。如果用100年或更长的时间来定义“气候”，我们就可能无法及时察觉那些正在进行中的重要变化。比如，当前我们正在经历的全球变暖，如果用100年前的气候定义来评判，很多细微但重要的变化信号就会被掩盖。30年的时间长度既能过滤掉短期的天气噪音，又能保持对气候变化的敏感性。
世界气象组织在2015年进一步更新了气候标准值的计算期，从原来的1961-1990年调整为1981-2010年，随后又在2021年更新为1991-2020年。这种定期更新的做法确保了气候标准值能够反映最新的气候状态，也让不同时期的气候数据具有可比性。
值得一提的是，虽然30年是定义气候的标准时间尺度，但在科学研究中，气候学家会根据需要分析不同时间尺度的变化。厄尔尼诺现象的周期大约是2-7年，被称为“年际变化”；太阳黑子的活动周期大约是11年，被称为“年代际变化”；而冰期和间冰期的交替则以数万年为周期，被称为“轨道尺度变化”。这些不同时间尺度的气候波动相互作用，共同塑造了地球气候的复杂面貌。
气候系统：一部由多个齿轮组成的精密机器
了解了天气和气候的区别之后，我们自然会好奇：是什么因素决定了某个地区的气候？又是什么力量驱动着气候在长时间尺度上发生变化？
答案藏在“气候系统”这个概念中。气候系统并不是单一的因素，而是一个由大气圈、水圈、冰圈、岩石圈和生物圈五个主要组成部分构成的复杂系统。这些圈层之间相互作用、相互影响，任何一个环节的变化都可能引发连锁反应，最终导致气候的改变。
大气圈是我们最为熟悉的组成部分，就是我们每天呼吸的空气以及包裹地球的那层气体。大气中含有氮气、氧气、氩气、二氧化碳、水蒸气等各种成分，它们共同决定了空气的性质和运动规律。大气是气候系统中最为活跃的组成部分，它的运动驱动着风的形成和天气的变化；同时，它也是热量传输的主要媒介，赤道地区的热量通过大气环流被输送到两极。
水圈包括地球表面的所有液态水：海洋、湖泊、河流、地下水等。地球表面约71%的面积被海洋覆盖，海洋的平均深度超过3700米。这意味着海洋实际上是一个巨大的热量储存库——它吸收的太阳辐射量是大气的数倍。海洋还通过蒸发、降水、洋流等过程参与水循环，调节全球的湿度和降水分布。可以说，没有海洋的调节，地球的气候会比现在极端得多。
冰圈指的是地球上的所有冰雪，包括极地冰盖、山地冰川、海冰和季节性积雪。冰圈对气候有着独特的双向影响：一方面，冰雪表面具有很高的反射率（称为“反照率”），能够将大量太阳辐射反射回太空，减少地球吸收的热量；另一方面，当冰雪融化时，露出下垫面（通常是深色的陆地或海洋），会大幅降低地球表面的反射率，导致更多热量被吸收。这种正反馈机制在气候变暖过程中起着重要作用——变暖导致冰雪减少，冰雪减少又进一步加速变暖。
岩石圈是地球的固体外壳，包括大陆地壳和海底地壳，以及地表的土壤和沉积物。岩石圈虽然看起来“笨重”且变化缓慢，但它对气候的影响不容忽视。板块运动可以改变大陆的分布和海洋通道的开闭，从而改变洋流和大气环流模式；火山喷发会将大量二氧化碳和二氧化硫等气体释放到大气中，影响全球气温；山脉的形成会改变大气的流动路径，塑造区域性气候。著名的青藏高原就是因为它的隆起，改变了亚洲季风系统的运行规律，造就了中国南方湿润多雨、西北地区干旱少雨的气候格局。
生物圈包括地球上所有的生物——从微小的浮游植物到巨大的蓝鲸，从热带雨林到极地苔原。生物对气候的影响是多方面的：植物通过光合作用吸收二氧化碳，释放氧气，是大气成分的重要调节者；森林和海洋吸收大量的二氧化碳，帮助缓解温室效应；生物的活动还会影响大气的化学成分和云的形成。例如，海洋中的浮游植物每年产生的二甲基硫（DMS）约占全球DMS排放量的50%，而DMS是云凝结核的重要来源，从而影响云的形成和分布。
这五个圈层并不是孤立存在的，而是通过物理、化学和生物过程紧密联系在一起。大气中的水汽可以在一定条件下凝结成云，云又可以反射太阳光影响温度；海洋中的热量可以蒸发成水汽，水汽随着大气环流到达陆地上空，凝结成降水；降下的雨水汇入河流，河流侵蚀岩石，将岩石中的化学物质带入海洋；这些物质为海洋生物提供营养，生物死亡后沉入海底，部分碳被封存起来……这样一个循环往复的过程构成了复杂的气候系统。
理解气候系统的整体性对于理解气候史至关重要。当我们分析过去的气候变化时，不能只关注某一个因素的变化，而要考虑整个系统的相互作用。例如，在冰期和间冰期的转换中，既有太阳辐射变化（米兰科维奇旋回）这样的外部驱动，也有大气二氧化碳浓度变化、冰盖反馈、云反馈等内部过程的影响。正是这些复杂的相互作用，造就了气候在时间尺度上的丰富变化。
太阳：气候系统的不竭之源
如果说气候系统是一部精密的机器，那么太阳就是驱动这部机器运转的引擎。没有太阳提供的能量，地球将是一片冰冷死寂的世界，平均气温会低至零下200多摄氏度，大气会被冻结，我们所知的一切生命都将不复存在。
太阳对地球气候的影响主要通过两种方式：总辐射量的变化和辐射分布的变化。
太阳的总辐射量并不是恒定不变的。太阳内部核聚变反应的强度会有小幅波动，这种波动在太阳物理学中被称为“太阳常数”的变化。虽然称为“常数”，但它实际上会有约0.1%到0.2%的变化，周期从数天到数百年不等。太阳黑子是太阳表面温度较低的区域，黑子数量的多少反映了太阳活动的强弱。大约每11年，太阳黑子数量会经历一个从多到少、再从少到多的周期性变化，这就是著名的“太阳黑子周期”。
然而，科学研究表明，在过去的一万年间，太阳辐射量的变化对全球气候的影响相对较小，大约只能解释0.1到0.2摄氏度的温度变化。这个幅度虽然不能忽视，但与人类活动导致的当前全球变暖（约1.2摄氏度）相比，显然不是主要驱动因素。
太阳影响气候的第二种方式——辐射分布的变化——则更为重要。地球是一个球体，太阳光线到达不同纬度时的入射角度不同，导致不同纬度接收到的太阳能量差异巨大。在赤道地区，太阳光几乎直射，单位面积接收的能量大；而在高纬度地区，太阳光斜射，单位面积接收的能量小。这种不均匀的太阳辐射分布是地球气候系统运转的根本动力。
更为重要的是，地球在围绕太阳公转的过程中，由于轨道参数的周期性变化，不同纬度接收到的太阳辐射量会呈现规律性的变化。这些参数包括：偏心率（地球轨道椭圆形程度的变化，周期约10万年）、倾斜度（地轴倾斜角度的变化，周期约4.1万年）和岁差（地轴进动的变化，周期约2.6万年到2万年）。塞尔维亚地球物理学家米卢廷·米兰科维奇在20世纪初首先提出了这些轨道参数变化与冰期轮回之间的联系，因此这些变化也被称为“米兰科维奇旋回”。
米兰科维奇旋回是解释过去数百万年冰期和间冰期交替的主要理论之一。当地球轨道参数处于有利于高纬度地区夏季接受更多太阳辐射的组合时，北美和欧亚大陆的冰盖会在夏季融化，难以积累，导致冰期衰退；当参数组合不利于高纬度夏季接收足够热量时，冰盖就会扩张，进入冰期。整个第四纪时期（约260万年前至今）的多次冰期和间冰期旋回，很大程度上都可以用米兰科维奇旋回来解释。
当然，太阳辐射本身的变化只是气候系统的“外部驱动”因素。这些辐射进入地球系统后，如何被分配、传输和储存，还要看气候系统内部各组成部分之间的相互作用。这就像同样是一桌食材，不同的厨师会做出口味截然不同的菜肴——气候系统就是那个“厨师”，它决定了太阳给予的能量最终如何影响地球的温度和天气。
地质时钟：把一万年放入历史的坐标
在我们深入探索气候史之前，还需要建立一个大尺度的时间观念。一万年——本书标题中提到的数字——在地球46亿年的历史中究竟意味着什么？它在人类进化和文明发展的历程中又处于什么位置？
让我们把地球的历史压缩成一天24小时，制作一张“地质时钟”。
凌晨零点，地球形成。大约46亿年前，地球从一个由气体和尘埃组成的旋转盘中聚集而成，经历了一段剧烈的陨石撞击期。
凌晨3点左右，地球的原始海洋开始形成。早期地球可能没有固态的“地壳”，而是一个炙热的岩浆球。随着地球逐渐冷却，地表开始固化，水蒸气冷凝成液态水，形成了第一批海洋。
凌晨7点到8点之间（约38亿年前），最原始的生命——单细胞原核生物——在海洋中出现了。这些简单的生命形式虽然没有留下明显的化石记录，但它们的后代改变了地球的大气成分，为更复杂生命的出现奠定了基础。
上午10点半左右（约28亿年前），蓝藻细菌开始通过光合作用释放氧气。地球的大气开始从无氧状态向有氧状态转变，这个过程持续了数十亿年，直到约5亿年前，大气氧气含量才达到现代水平。
下午3点至6点之间（约7亿到5.4亿年前），地球经历了多次“雪球地球”事件，整个地球表面被冰封。这些极端冰期可能与大气氧气含量上升导致的甲烷减少有关。当冰封解除后，生命迎来了寒武纪大爆发，复杂的多细胞生物开始大量出现。
傍晚6点到8点之间（约5.4亿到2.5亿年前），古生代时期。海洋中出现了各种奇异的生物——三叶虫、珊瑚、腕足动物、原始鱼类。生命从海洋向陆地扩展，出现了最早的陆生植物和四足动物。
晚上9点左右（约2.5亿年前），发生了地球历史上最严重的生物大灭绝——二叠纪-三叠纪大灭绝，约96%的海洋物种和70%的陆地脊椎动物灭绝。科学家认为，这次大灭绝与西伯利亚地区的巨型火山喷发有关，大量二氧化碳和甲烷释放导致全球变暖。
晚上9点到10点半之间（约2.5亿到6600万年前），中生代时期，也就是恐龙的时代。侏罗纪时期恐龙达到了鼎盛，白垩纪末期一颗直径约10公里的小行星撞击地球，导致恐龙和大量生物灭绝。
晚上10点45分到11点40分（约6600万到260万年前），新生代早期。哺乳动物开始多样化，灵长目动物出现并逐步演化。大约2500万年前，青藏高原开始快速隆升，改变了亚洲的气候格局。
晚上11点40分左右（约260万年前），第四纪开始。地球进入了所谓的“冰河时代”，北半球发育了大规模的冰盖。这个时期一直延续到约1万年前，进入了我们今天所处的间冰期。
深夜11点59分到午夜，整个人类文明史都在这最后1分钟内！如果把地球46亿年的历史压缩成24小时，那么人类（ Homo sapiens ）的出现大约在晚上11点37分，而农业文明的诞生则是在深夜11点59分55秒左右。也就是说，人类文明的全部历史——从苏美尔人种植小麦到今天的智能手机和互联网——仅仅占地球历史的约0.0004%。
一万年前，也就是距今10000年，在地质时钟上大约相当于0.7秒。这个时间短暂到几乎可以忽略不计，但在人类历史上却意义重大——正是在这个时期，人类从狩猎采集的游牧生活逐步转向农耕定居，文字被发明，城市开始出现，人类文明进入了全新的发展阶段。
有意思的是，从地质学的角度来看，一万年前的气候状态与今天有显著不同。当时地球正处于全新世早期的温暖期，但随后在约8200年前经历了一次短暂的气候突变（称为“8.2千年事件”），全球气温短暂下降。此后直到工业革命前，气候总体保持相对稳定，虽然期间也经历了中世纪暖期和小冰期等波动。
这就引出了一个关键问题：工业革命以来的人类活动——尤其是燃烧化石燃料释放二氧化碳——正在改变气候的自然轨迹。我们在本书后续章节中将详细探讨，一万年来气候经历了怎样的起伏，人类活动又是如何成为当前气候变化的主要驱动力。
从气候到气候史：为什么这段旅程值得踏上
在结束这一章之前，让我们再回到开篇的那个问题：为什么要了解气候史？
首先，理解过去才能理解现在。我们今天看到的气候现象——季风的强弱、降雨的分布、极端天气的频率——都与气候的历史演变密切相关。只有了解气候是如何一步步变成今天这个样子的，我们才能准确判断哪些是正常波动，哪些是异常变化。
其次，气候史教会我们谦逊。地球气候曾经历过远比今天更热和更冷的时期，也经历过比今天更剧烈和更快速的变化。在地球46亿年的历史面前，人类的万年文明不过是一眨眼的功夫。这种大尺度的时间观念能帮助我们跳出当下短暂视角的局限，用更长远的眼光看待我们面临的气候挑战。
第三，过去的气候变化为预测未来提供了参考。气候系统虽然复杂，但它并非完全不可知。通过研究历史上的气候变化——尤其是那些发生在人类出现之前、纯粹由自然因素驱动的变化——我们可以更好地理解气候系统的运作机制，检验和完善气候模型，从而更准确地预测未来的气候变化趋势。
最后，气候史与人类史紧密交织。人类文明的兴起和发展始终受到气候的影响：四大文明古国都诞生于气候相对温和、适合农业的地区；罗马帝国的兴衰与气候波动有一定关联；中世纪温暖期促进了欧洲农业的繁荣，而小冰期则导致了社会动荡和人口减少。理解这种关联，有助于我们认识今天气候变化的潜在影响。
本章小结
在这一章中，我们建立了理解气候史所需的基础知识框架。让我们简要回顾一下核心要点：
天气与气候的区别：天气是一个地区短期的气象状态，充满变化和不确定性；气候是一个地区长期的天气统计特征，反映的是平均状态和变化范围。打个比方，天气是每天的心情，气候是长期的性格。
30年的标准：科学家选择30年作为定义气候的时间尺度，是因为它既能过滤短期的天气噪音，又能保持对气候变化趋势的敏感性。太短会受随机波动影响，太长则会掩盖正在发生的变化。
气候系统的五大圈层：气候系统由大气圈、水圈、冰圈、岩石圈和生物圈五个部分组成，它们通过物理、化学和生物过程相互作用，任何一个环节的变化都可能引发连锁反应。
太阳的驱动作用：太阳是气候系统的能量来源。太阳总辐射量的变化和辐射在地球表面分布的变化（米兰科维奇旋回）是气候长期变化的外部驱动力，但气候系统的内部反馈同样重要。
一万年的位置：在地球46亿年的历史中，一万年只是一眨眼的功夫——约等于地质时钟上的0.7秒。但对于人类文明而言，一万年是从原始走向现代的漫漫征途，也是气候与人类命运交织的关键时期。
有了这些基础知识作为“钥匙”，我们现在可以开启气候史的探索之旅了。在接下来的章节中，我们将穿越时空，从一万年前的全新世开始，逐步揭开气候变化的层层迷雾，理解那些塑造当今世界的重大气候事件，并思考我们如何应对正在发生的新变化。
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气候的度量：科学家如何描述气候？
了解了天气和气候的区别之后，你可能会好奇：科学家具体是如何描述和量化一个地区的气候的呢？气候学家们使用一系列统计指标来刻画气候特征，这些指标就像是对气候进行体检时的各项参数。
平均态指标是最基础的描述方式。气候学家会计算一个地区在30年标准期内各种气象要素的平均值，包括年均温、月均温、年降水量、月降水量、风速平均值、湿度平均值等。这些平均值告诉我们一个地区气候的“基准线”在哪里。比如，北京的年平均气温约为12.6摄氏度，年平均降水量约为571毫米；三亚的年平均气温约为25.4摄氏度，年平均降水量约为1396毫米。通过这些数字，我们可以直观地感受到两个城市气候的差异。
变率指标则告诉我们气候的“脾气”有多大。标准差是最常用的变率度量，它反映的是数据围绕平均值的分散程度。以温度为例，乌鲁木齐的夏季温度标准差可能比上海大