2023年8月8日，世界气象组织宣布，2023年7月是有气象记录以来全球平均气温最高的月份，而且可能是12万年以来地球最热的一个月。

现代气候学主要依靠温度计精准记录一个地区气温的长期连续变化，再通过分析这些数据判断其冷暖状况。目前全球最长的站点观测数据为４个欧洲城市，但最远也只能追溯到工业革命前（1721年）以来欧洲的年平均气温序列。更远的过去，并没有足够长的器测资料可用。那依据什么，今天的气象学家能够放此豪言：2023年7月，可能是地球12万年以来最热的一个月。

图源：千库网

我们是如何知道古代气候的？

研究古气候的科学手段有哪些

古气候是一个泛化的概念。任国玉等在其《古气候演化特征、驱动与反馈及对现代气候变化研究的启示意义》中认为，古气候包含的时间尺度囊括了现代仪器观测时期的多年代尺度，再到世纪尺度、千年尺度、万年尺度，以及新生代（约6600万年）以来的百万年尺度。而事实上，以今天的科学手段，我们不仅可以了解12万年前地球的气候环境，还可以知道更加遥远年代，比如百万年尺度的地球气候。

复原地球古气候的科学手段中最常见的是“放射性同位素法”。科学家们通过已经开发出的放射性同位素，如氚、碳、氧、氢、镁、钾等，以其衰变期或子体同位素为基础进行定年，来测定地下水、冰、岩石、沉积物等的年龄，以此来确定过去气候事件的确切时间范围。比如碳-14的半衰期为5730年，借助这种同位素可以测定的年龄为几百到4万年左右。其他许多放射性同位素，它们的半衰期有的比碳-14 短，有的则长得多，比如铀-235的半衰期为7亿年，钾-40的半衰期为13亿年。在实际的古气候研究中，许多同位素定年法原则上都可以用，但究竟选用何种方法，则取决于被研究系统的年龄范围和性质。

“放射性碳年代测定法”能测定物体的时间尺度相对要短一些。地球上所有生物都吸收碳-14和碳-12这两种同位素，所以这两种元素在动植物组织中所占的比率与其在大气中所占的比率是一致的。生物体死亡后便不再吸收碳，但它的碳-14继续衰变为碳-12，从而改变了生物组织中碳-14与碳-12的比率。科学家们将动植物样本中放射性碳的含量与目前大气中的含量进行对比，就可以推算出它死亡的时间。比如，中华人民共和国成立后首个大规模进行的史前聚落遗址考古的西安半坡遗址（仰韶文化），用碳-14同位素测定年份为5600～6080年前。

相对于大陆，海洋质量较大，其热量等变化也就十分缓慢，因此短期气候变化对海洋的影响十分有限，科学家主要通过“海底沉积物测定法”来复原海洋古气候。一般通过海洋氧同位素来进行分析，如利用氧-18放射性同位素的含量，就可以研究结冰时的温度，还能从沉积物里得到一些关于气候变化的时间。就目前的测定手段，氧-18放射性同位素最长可以提供过去200万年间气候发生变化的信息。科学家们常常利用一种被称为有孔虫类的海相沉积物（指经海洋动力过程产生的海洋生物骨骼和残骸沉积物）来测定年代，这种生物碳酸盐壳中氧-18与氧-16比率，是随海水中的氧-18与氧-16比率及其温度而变化的。科学家利用这一规律，获得海洋温度变化的数据，并辅助以放射性碳方法、铀系不平衡方法等，对海洋沉积物的不同部分同时进行年龄测定，建立了第四纪（约260万年）以来大部分时间内海洋温度变化的情况。科学家还利用海洋沉积物有孔虫介壳钙与镁比率（Mg/Ca）等指示海表温度（SST）的代用资料，对全球中低纬度地带年平均 SST进行重建，得出自全新世初（约11000年）到现代，地球气温持续上升的结论。这些研究数据甚至表明，最近1万年来地球平均温度变化幅度很小，可能不超过0.5℃，但近100年却是全球气候变暖最显著的时期，全球年平均温度上升幅度接近1.0℃。

我们所熟悉的“树木年轮测量法”，是通过计算树干截面上的年轮数量来确定的。一个春季和一个冬季算是树木的一个年轮，春季树木生长快，冬季生长慢，每年会重复一次材质由松到密、纹圈由大到小的变化。年轮的数量确定树木的年龄，年轮的色泽、质地则显示生长时期的气候。首先，一般情形下，温带地区的树木年轮较明显，而热带地区的树木因为一年气候温暖则年轮不明显。其次，气候温和、雨量充沛的天气气候环境下，树木细胞分裂旺盛，年轮颜色淡、质地松。而气温相对低，或者遇到干旱天气年轮质地密而硬，颜色也深。最后，树木初生阶段，年轮较宽，随着树龄的增加，年轮会变得越来越窄。一般来说，年轮越宽说明气候越适宜，降水越丰富。相反，干旱或寒冷的环境，由于生长条件较差，年轮一般都比较窄。所以，科学家可以通过世界上寿命最长的狐尾松的年轮分析一个地区的古气候历史。

科学家利用“冰芯测定法”通过测定南极和格陵兰岛的冰芯（冰盖），让我们有机会了解第四纪（约260万年）以来地球气候变化的大部分知识。极地的冰原是由被压得很结实的雪而不是冰形成的，而且会一直保持着垂直层理。降水（降雪）中的氧-18与氧-16 比率和氢-2与氢-1的比率，与形成降水（降雪）时的温度紧密相关。较低的形成温度会导致同位素贫化的降水，这意味着，降水的同位素组成相应的也有季节性变化，那就是，夏季降水的重同位素浓度要比冬季的高。沿着垂直剖面分析这些从地表向下约1.5千米深的冰盖季节同位素变化，来确定冰的年龄和评估积累速率，不仅让今天的人们有可能详细地重建高纬地区最近的一个冰期/间冰期循环中的古温度，还可以通过这些冰的重同位素变化与现代的降水的对比情况，预计未来气候变化。

其实，今天的人类复原古气候的科学方法不仅限于本文的介绍，比如近年来，科学家通过研究历史时期海洋和陆地物质中大气温室气体含量，如CO2浓度、水汽，以及粉尘气溶胶含量变化等数据，推演古代气候。可以说，随着科学手段和研究方法的日渐丰富和不断改进，人类对古代气候的了解会越来越准确，而所涉及的时间跨度也会越来越长。

在实际的研究中，对于古气候研究数据的获取，科学家不会只采用某一类型的方法进行，而是根据实际情形综合使用。IPCC第五次评估报告（AR5）评估了全球各个纬度带的全新世年平均温度变化，指出全新世早中期北半球中高纬度普遍存在一个偏暖时期，热带印度洋和热带太平洋全新世早中期温度偏低，正是利用冰川进退、植物花粉、湖泊沉积等多种代用记录数据重建结果而得出的。

研究古气候的人文证据

台北故宫博物院收藏着一幅《宋问喘图》的宋代古画。画中烟雾弥漫在原野山间，汉宣帝时期的宰相丙吉路遇农人，亲切问话，并通过观察牛的状态，判断当年气候情况。当然，今天的我们也可以通过这幅画粗浅判断丙吉生活的时代，也就是公元前55年左右的汉代，气候要比今天温暖一些，因为画里的事发生在春季，气温并不高，如果一头耕牛只因行走就气喘，说明那一年的春天气温可能比往年要高。

如果说将放射性同位素、冰芯、树木年轮等科学手段进行研究的动植物遗骸、湖泊沉积物等，称为研究古气候的“自然证据”，那么文献、出土文物、史书，甚至是古代艺术品等，则可以称为了解古代气候的“人文证据”。在《中国近五千年来气候变迁的初步研究》中，我国气象学奠基者竺可桢通过研究历史文献、物候、方志等，认为在近5000年中的最初2000年，即从仰韶文化到商代，我国大部分时间的年平均气温高于现在2℃左右。1月气温比现在高3～5℃。此后则有一系列的上下摆动。在公元前1000年，公元400年、1200年和1700年，最低气温的摆动范围为1～2℃。同时，他还以当时古气候研究的最新方法，即通过测定古代冰和水中氧-18与氧-16的比率来佐证他以物候、古文献等人文资料进行研究的科学性，认为利用古史书所载物候资料来做古气候是一个有效的方法。

事实上，对于有文献记录的千年尺度的古气候研究，建立在自然证据之上的数据研究方法和建立在文献、文物基础的推算研究方法，并不是泾渭分明的关系，而是常常被综合应用。比如自2005年以来，国内外不同的研究者利用高分辨率代用指标，如树木年轮、历史文献、冰芯等重建北半球过去千年温度变化情况，提出了“中世纪暖期”及15—19世纪的“小冰期”等说法。

为什么要研究古代气候

一般而言，气候变化与大气圈、太阳活动、地球变化等息息相关，研究过去气候变化过程，加深了人类对地球气候系统运行机制的理解。比如，科学家通过对南极和格陵兰冰盖的冰芯记录提供的古气候信息研究，认为在过去75万年内，最近40万年地球冷暖波动具有10万年左右的周期，即冰期－间冰期循环。而早期的气候波动则以4万年左右的周期为主。但不管长周期还是短周期，一般认为它们都是地球轨道参数变化引发的，分别由地球公转轨道偏心率、黄赤交角和岁差周期共同调制所影响。

这些研究结论不仅有助于我们了解古代气候，还将对预估未来气候变化有借鉴意义。当然，更为直观的是，通过复原古气候，我们了解到了地球环境的变迁、人类活动的轨迹、气候变化的历史和规律，帮助人们知晓历史环境演变和生态系统的变化，探索生物多样性形成和演化的机制，为生态系统的保护和恢复提供科学依据。

一些研究者还将古代气候变化与人类文明、王朝更替等人类历史上重大事件联系在一起。比如有研究者认为，在全新世最初的6000年前，地球的夏季更加炎热，北非、印度和西南亚的气候更加潮湿，北非成为一片水源丰富的肥沃平原，撒哈拉地区气候则由湿转为干旱，最终导致地球上最大沙漠的形成。西南亚因为湿润的气候所形成的适宜生态环境，引领着人类文明的发展。撒哈拉地区曾经的游牧文明崩溃了，取而代之的是延续了数个世纪的埃及文明。可以说，在人类文明的兴起和衰落中，全新世以来的变暖过程中气候的不稳定性成为一个不可忽视的原因。气候变冷迫使北方的日耳曼部落向南越过罗马帝国的边防，并最终毁灭了曾经不可一世的古罗马帝国，与此同时还有亚洲北部匈奴人南下，屡犯强大的大汉王朝。有德国的科学家也声称，中国唐朝的灭亡是因为北方气候的变冷。

这些研究帮助我们了解人类文明的演化过程，揭示人类和环境的相互作用和影响关系。一言以蔽之，研究古气候变化，不仅让后来的人类更好地理解人类文明的发展历程和未来趋势，还有助于了解地球环境和生态系统演变、地球气候的敏感性，以便制定应对气候变化的政策和措施。