在任何时刻，人们都在对全球的天气进行成千上万的测量。在陆地、海洋和天空，数据正在通过从简陋的温度计到最新的一系列技术手动和自动收集数百万磅的卫星．

多年来，这些测量结果表明地球气候的记录它是如何变化的。

但即使是世界上最长的气候档案-英格兰中部气温记录-只追溯到1659年。考虑到人类已经在地球上漫游了数十万年，这只是一个时间上的快照。

幸运的是，地球一直有自己的记录。从贝壳、钟乳石到花粉和海豹皮，自然界隐藏在各种意想不到的地方，记录了数百万年来气候的潮起潮落。

这就是所谓的“代理数据”——印在生物圈不同部分的气候的间接记录。

同样，“史前”的东西与有文字记载的历史之前的时间有关，代理数据提供了对专门记录之前气候的洞察。它构成了过去气候研究的一个基本部分，被称为“古气候学”，同时也有助于支撑科学家对未来气候如何变化的理解。

在这个深入的问答中，碳简报探讨了代理数据是什必威手机官网么，不同的类型，科学家如何从中提取气候数据，以及它们可以告诉我们关于地球过去、现在和未来的气候。

此外，Carbon Bri必威手机官网ef还制作了美国的交互式地图国家海洋和大气管理局(NOAA)档案超过10,000个代理数据集．

• 什么是代理数据?
• 代理捕获哪些信息?
• 代理数据的不同来源是什么?
• 如何校准和使用代理数据?
• 代理数据如何为气候科学提供信息?biwei6868
• 代理数据的局限性是什么?

什么是代理数据?

1714年，德国物理学家丹尼尔·加布里埃尔·华伦发明了什么被认为是现代温度计的第一个例子．它把水银装在一个玻璃管里，并在玻璃管的侧面有一个标准化的刻度。十年后，他添加了以他的名字命名的温标。(瑞典天文学家安德斯摄氏他不会在未来20年内设计出另一种规模。)

温度计，以及其他仪器，如气压计用于测量空气压力和湿度计湿度，后来成为正式气象站的关键部分。这些站都被挡在百叶窗后面史蒂文森的屏幕-于19世纪首次在欧洲和美国安装，并在整个世纪及以后传播到世界各地。

到19世纪中叶，陆地上已经有了足够多的气象站和足够多的观测记录海-提供可靠的全球温度测量方法。的最长的全球温度记录- - - - - -产生共同由英国气象局哈德利中心和东安格利亚大学的气候研究小组——始于1850年。其他的，如由美国国家航空航天局和国家海洋和大气管理局(NOAA)，开始于1880年。

这意味着科学家们对过去一个半世纪左右全球气温的变化有了一个强有力的解释。但是，当然，地球比那要古老得多。为了进一步回顾——以及那些直到最近才有仪器的地方——科学家们需要将目光投向直接观测之外的间接证据，这些证据以各种形式被锁定在地球各地。这是“代理”数据。

“代理”一词通常被定义为中介或替代品，通常指的是被授权代表他人投票或发言的人。因此，代理数据是代替直接观测地球气候的信息。

“气候代理是我们用来重建过去气候相关因素变化的东西，如温度、降水、二氧化碳水平或任何其他感兴趣的东西，”解释说Paul Pearson教授来自地球与海洋科学学院biwei6868卡迪夫大学．他告诉碳简报:必威手机官网

因此，科学家们在寻找气候“在环境中留下印记”的方式，他说Maisa Rojas博士他是地球物理系的副教授智利大学也是古气候章(pdf)政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告(AR5)。她告诉Carbon 必威手机官网Brief:

这些过去气候的线索散布在地球各地，从巨大的冰盖和湖底的沉积物，到树木生长的年轮和洞穴中高耸的石笋。(见后面的一节有关代理数据不同来源的更多信息。)

这些信息使科学家能够“研究过去几个世纪和几千年的气候，从而比单独使用仪器气候数据更早地追溯到过去”，他解释说Valerie Trouet教授他是哈佛大学的教授树木年轮研究实验室“，在亚利桑那大学他是树的故事这是一本关于年轮的书。她补充道:

气候在地球表面留下印记的方式早已被观察到。例如，在15世纪，意大利艺术家和发明家莱昂纳多·达·芬奇记录树木年轮的厚度——穿过树干的同心圆——随着降雨量的变化而变化。

后来，美国天文学家开创了树木年轮测年这门学科，即所谓的“树木年代学”道格拉斯在20世纪早期。他的研究试图将太阳黑子周期的模式与气候波动和树木年轮模式联系起来。从这个最早的工作开始，道格拉斯继续建立了上面提到的树年轮研究实验室。

另一个具有悠久历史的代用品是“的氧同位素组成方解石皮尔森说:

Urey证明了这些贝壳的化学成分(见下一节有关同位素的更多信息)取决于水的温度。提取这些信息，从而提供了生物存活时的气候信息——可以追溯到数百万年前。

Urey将他的发现描述为“突然发现自己有了一种地质温度计皮尔逊解释道。

在世界上哪里可以找到代理数据?

从南极洲的冰原和大西洋的海床，到欧洲的北方森林和东南亚的珊瑚，在地球的陆地和海洋中都可以找到代理数据。

国家海洋和大气管理局拥有超过10,000个代理数据集涵盖十几个类别。经允许，碳简报绘制了这些数据。必威手机官网

使用左边图例中的类别来选择特定的代理或存档类型，使用右上角的按钮来放大和缩小。点击单个数据点将显示数据所涵盖的时期、站点名称和NOAA参考网页的链接，以获取进一步信息。

代理捕获哪些信息?

代理数据可以为一系列与气候相关的变化提供见解。这包括突发事件，比如火山喷发或洪水以及逐渐的、长期的趋势，例如加热和冷却，干旱，海平面变化，气旋模式，季风季节，波动大气二氧化碳或冰盖变薄．

皮尔逊教授解释说，替代品通常分为三种类型之一——物理、生物或化学:

这些不同类型的代理已经被一系列古气候所捕获。”档案，例如沉积物、冰芯和洞穴构造。这些是“代理数据被记录在其中的媒体”，他解释道Allison Cluett他是哈佛大学的博士研究生布法罗大学．

例如，克鲁特的研究分析了海洋沉积物(档案)中的叶蜡(代理)，以重建格陵兰岛南部的气候。

每一种类型的代理都反映了条件的变化，但它们不是简单地捕捉温度、降雨量或其他单一变量。相反，它们通常反映了几种因素的结合。因此，古气候学领域涉及到“解开”具体的气候信息，Rojas博士说。

生物

以年轮为例，它提供了树木如何随着时间推移增加新木材层的生物学记录。每个环由明暗两部分组成，浅色部分表示春季和初夏生长较快，深色部分表示夏末和秋季生长较慢。总的来说，每个年轮代表一棵树的一年。

科学家可以。”核心从树干中提取横截面的树。这使得他们可以在不损坏树木的情况下分析年轮。

罗哈斯解释说，树木的生长速度可以“对降水和温度做出反应，并将取决于树木和它所在的位置”。在温暖潮湿的年份，树木会得到足够的阳光和降雨来支持其生长，年轮会变宽，而在干旱或树木遭受虫害、疾病或火灾时，年轮会变窄。

因此，从代理提供的信息中提取气候数据是科学家的工作。在树木年轮的例子中，这首先涉及到“cross-dating的年轮，以确定每个年轮的正确年份。

然后，利用当地天气数据的记录，科学家可以根据观测到的气候记录校准这些环。简单的关系可以用一个简单的方程来校准，但科学家们对那些更复杂的关系使用模型。

如果两个数据源匹配得很好，树木年轮可以用来进一步回溯——在观测记录开始之前——以分析树木整个生命周期的气候。(见后面的一节有关校准代理数据的更多信息。)

特鲁埃教授指出，树木年轮的记录可以追溯到很久以前:

Trouet解释说，关于哪些地点最适合进行某些分析，有一些微妙之处:

当然，还有其他复杂因素。年轮在一年四季分明的树木中最为突出。这意味着“中纬度地区的树木比热带地区的树木对气候的反应更灵敏”，罗哈斯说:

相比之下，热带树木对树木年代学来说是一个更大的挑战，尽管一些物种仍然形成年轮。

这可以从上面的地图中看到——大部分的年轮数据来自北半球的温带和北方森林。Trouet补充说，在热带地区，树木年轮数据并不是不可能的——有数百个可用的记录，而且“肯定有更多的潜力”。

化学

举个化学替代品的例子同位素．这为我们提供了一个讨论最著名的古气候档案类型之一——冰芯的机会。

这些圆柱形的冰是从冰原和冰川中钻出来的，长度可达数公里。地球上的冰原和冰川是由数千年的降雪形成的，每一层都随着时间的推移而压实，并捕获了微小的空气气泡。通过冰的横切面，可以提供这些气泡几个世纪以来的时间轴。

气泡是冰原或冰川生命过程中大气的微小样本。

虽然科学家们可以直接分析气泡来确定遥远过去的大气构成，但它们也包含了一个代理估计过去的温度——氧同位素”18 o”。

同位素是同一元素的不同形式，除了不同的数量中子在原子核内。最丰富的氧同位素是16 o它有8个中子，总的原子质量为16(8个中子加8个)质子)。

18O多了两个中子，所以它的相对原子质量是18。因此，18O原子比16O原子稍微重一点。当水从海洋中蒸发，在地球两极以雪的形式落下时，这种重量差异就会产生影响，解释说罗伯特·马尔瓦尼博士他是芝加哥大学的冰川学家英国南极考察队，在一篇文章中科学美国人：

Mulvaney说，这两个过程都依赖于温度，这意味着在冰芯中测量18O可以告诉科学家过去那个时候的气候有多温暖。

对氧同位素的研究——很大一部分涉及海洋沉积物-是20世纪科学重大发现的基础biwei6868冰河时代是由地球的轨道变量离心率、轴向倾角和岁差来决定的。”

这些轨道变量被称为"米兰科维奇旋回提出这一理论的塞尔维亚科学家米卢廷·米兰科维奇描述了地球相对太阳位置的一系列变化是如何引发冰河时代的开始和结束的。

物理

最后，对于三类中的最后一类，一个物理代理的例子是海洋和湖泊沉积物。

每年，数十亿吨的沉积物被冲进世界各地的湖泊和海洋。这些沉积物随着时间的推移而逐渐积累，随着时间的推移一层又一层地增加。因此，在海底或湖底钻取岩心可以提供沉积物以及气候变化的时间轴。

这些沉积物的大小、形状、结构和颜色都可以提供有关当时气候的线索。例如，解释美国地质调查局网站：

但沉积物对于其他代理来说也是非常重要的档案。与沉积物层一起埋藏的是科学家们可以分析的各种化石。”有孔虫是一个经典的例子，皮尔森解释道:

有孔虫用从海水中提取的碳酸钙造壳。同位素分析可以揭示这些生物存活时的海洋条件，从而揭示气候。

硅藻是另一种微化石，这次的外壳是二氧化硅。而有孔虫是局限于海洋和沿海环境的在美国，内陆湖泊中也发现了硅藻。湖泊沉积物是重建干旱历史的关键自然档案例如，它们所含的硅藻被用来组装美国中西部极端干旱的记录．

在海洋沉积物中发现的叶蜡也是一种有用的气候代理人，Cluett补充道:

克鲁特指出，对叶蜡的同位素分析“提供了类似于在冰芯中测量稳定水同位素的陆地气候记录”。例如，这种方法已被用于重建大约11000 - 5000年前“绿色撒哈拉”时期的降雨模式，当时该地区支持降雨多样的植被，永久的湖泊和人口．

由于代理数据是自然积累的，其记录可以追溯到该介质存在的任何时间。例如，对于冰芯中的同位素来说，只要冰盖或冰川一直存在。海洋沉积记录可以长达数百万年，一直追溯到白垩纪一亿年前，恐龙的时代。这反映了海床存在的时间比树木、珊瑚甚至冰盖都要长得多的事实。

为了探测地球历史上最古老的部分，古气候学家必须使用岩层，他解释道Jessica Tierney博士，他是亚利桑那大学的副教授第一作者IPCC的第六次评估报告．她告诉Carbon 必威手机官网Brief:

岩化是沉积物在压力下压实形成坚固岩石的过程。蒂尔尼说，这些岩石可能会自然地“露头”在地表上，或者科学家们可能会在它们身上钻取一个岩心。她补充道:

虽然来自海洋沉积物的潜在记录很长，但可以得出的采样“间隔”更有限。这些数据可能只能显示从一个世纪到下一个世纪的气候变化，而来自树木年轮和石笋的数据则可以显示从一年到下一年的变化。(有关不同类型的代理和存档的更多信息，请参阅下面的部分。)

代理数据可以帮助我们了解人类对环境变化的反应方式。例如，biwei6868科学的进步今年早些时候的一篇论文使用了来自17个沉积物岩心的花粉和木炭数据，以及考古调查，展示了英格兰西南角锡利群岛的居民在大约4- 5000年前的青铜时代如何适应不断变化的海平面。

最后，值得强调的是另一种形式的古气候档案——历史文献。这些可以是日记，日志，照片和即使绘画它们携带着直接和间接的气候信息。

例如，中世纪的英国庄园账目——由农村庄园保存的财务和农业记录——提供了关于收成和牛奶生产的详细信息。科学家们利用这些记录拼凑干旱的记录几百年前袭击了英国

另一个例子是历史照片和草图地图可以用来重建冰川长度的变化，从而重建气候的波动。

其他形式包括天气描述个人日记，记录葡萄收获日期，以及对风、天气和海冰覆盖的描述在航海日志中．

回到顶部

代理数据的不同来源是什么?

下表总结了气候代用指标的关键档案、它们提供的数据以及它们所涵盖的典型间隔和时间跨度。

如何校准和使用代理数据?

由于代用指标不能直接测量气候变量，因此需要将氧同位素值、树轮宽度或其他代用指标转化为气候变量，如温度或降雨量。这种转换被称为"校准，通常有两种形式。

许多最新的高分辨率代理可以是“calibrated-in-time”。在这里，研究人员希望了解在最近存在气候观测的时期，代理值和直接观测值之间的关系，并利用这种关系推断更久远的过去的值。

例如，如果树的年轮宽度与1850-2000年期间的温度密切相关，科学家就可以使用1850年以前的树的年轮记录——比如1500 - 1850年——来重建那个时期的温度。

第二种方法是“calibration-in-space”。这包括在现代环境的大空间范围内测量代理，其中控制因素(如温度)是已知的。当不可能与观测记录进行直接比较时，使用这种技术。

例如，可以在跨越一定温度范围的现代湖泊沉积物中测量不同种类的花粉，以产生校准。在某些情况下，校准也可以在实验室中进行，方法是在不同温度下培养生物(如有孔虫或藻类)。

然而，在某些情况下，影响代理评估的因素可能不止一个。例如，树轮宽度可能取决于一个地点的降雨量和温度，研究人员希望确保他们不会将干旱误解为低温时期。研究人员可以利用复杂的统计模型来区分影响代理测量的不同因素。

此外，代理值与气候变量之间的关系可能不随时间保持稳定。例如，如果气候变化使树木年轮宽度(以及相关的树木生长)更依赖于降雨而不是温度，那么这个代理可能就不再有用了。这发生在一些狐尾松记录．

一个例子是“分歧的问题-一些树木年轮的密度记录趋向于解耦从1950年以后观测到的温度。虽然世界上一些地区的树木密度和树木年轮宽度与1950年之前观测到的温度吻合得很好，但一些(虽然不是全部)树木年轮记录未能捕捉到1950年之后观测到的快速变暖。

然而，这类事件是有问题的，因为研究人员必须尝试并确保在观测记录可用之前的其他时期，代理值和气候变量之间的关系中没有出现类似的分歧。

在某些情况下，在现代气候监测网络出现之前有限的历史观测可以使用对基于其他代理记录的重建提供交叉检查，并验证过去的模型模拟。

回到顶部

代理数据如何为气候科学提供信息?biwei6868

如上所述，观测到的全球温度记录只能追溯到1850年，在许多地区，温度记录甚至更短。其他气候记录——如地球大气的组成、气流、飓风、野火或太阳输出——可能有更短的历史观测记录。

因此，为了了解在仪器记录开始之前地球系统不同方面的变化，科学家必须依赖代理测量。

代用物在许多方面对现代气候科学的发展起着重要作用。biwei6868例如，过去80万年中温室气体浓度和温度的代理记录帮助科学家了解了冰期周期的驱动因素——包括冰川CO2临界作用在这个过程中。

虽然许多研究都检查了个别的代理类型和位置——例如特定的珊瑚礁或洞穴——但在过去几十年里，人们一直专注于将许多不同的代理结合起来使用，以更好地了解区域或全球变化。

这一点很重要，因为像南极洲这样的单一地点，随着时间的推移，温度或其他气候变量的波动可能比全球整体要大得多。这些“多代理气候重建研究了气温、干旱、降水、海面温度、海平面、海冰和植被等因素的变化。

例如，最近自然一项研究汇集了“大量海洋表面温度的地球化学指标”，以努力重建最近冰河期(被称为冰河期)的全球温度末次冰期．然后，研究人员用来自冰芯和洞穴的18O同位素记录验证了他们的结果。

最大的多代理重构之一来自过去的全局更改(页面这个项目始于1991年，由来自125个不同国家的数千名古气候学家合作完成。

2019年，他们发表一项对过去2000年全球表面温度的全面分析页面2 k项目。下图显示了他们在所有不同方法下的重建结果。黄线显示了他们检查的所有古气候代理重建的中位数，而黄色阴影区域显示了代理重建的不确定性范围(2.5个百分位数到97.5个百分位数)。红线表示1850年以后观测到的全球表面温度。

研究人员还对整个全新世(跨越过去12000年的现代地质时代)的古气候进行了代理重建。下图显示了一个重建范围(灰色带)以及全球平均温度的估计中位数(黄色线)。

(值得注意的是，全新世温度重建的不同方法之间存在一些分歧最近的一篇论文这表明全新世的最高温度可能比其他替代重建所估计的要低得多。)

重建的时间越久远较低的时间分辨率他们倾向于这样做。换句话说，一万年前的记录可能只代表了100年或更长时间内的平均温度值，而最近的代理数据往往更接近20年的平均值。

这在一定程度上限制了科学家在不应用类似的长期平均的情况下，将早期的代用重建数据与现代温度记录进行比较的能力已经找到了有一些方法可以解决这个问题。

除了了解温度和其他气候变量在过去是如何变化的，代理数据还为科学家提供了未来可能如何变化的线索。代理数据提供了其中之一关键证据科学家们用来更好地估计气候敏感性——这决定了如果二氧化碳浓度翻倍，地球未来会变暖多少。

例如，解释了Dan Lunt教授他是哈佛大学气候科学教授biwei6868布里斯托大学“5000万年前，二氧化碳的浓度比今天高，地球要暖和得多。二氧化碳的替代品使我们能够量化前者，而温度的替代品使我们能够估计后者。”科学家可以利用这些信息来估计气候敏感性。

然而，他补充说，这些估计存在相当大的不确定性。这是因为“我们没有完整的地理覆盖整个星球，因为代理和气候之间的相关性并不完美”。此外，气候的“敏感性”(当大气中的二氧化碳增加或减少时，地球的温度会发生多大的变化)，当地球处于不同的状态时——比如冰川期——可能不是未来其敏感性的“可靠指标”，Lunt说。

代理数据还可以帮助确定更改海平面，冰盖而且植被在过去的温暖时期。一个例子是大约12万5千年前的间冰期艾姆间冰期那可能和今天一样温暖或更温暖——这可以为所有这些因素如何随着世界变暖而变化提供证据。

另一种代理为气候科学提供信息的方式是通过建模。biwei6868代理记录可以用来帮助评估气候模型．科学家会跑。”追算“需要对模型进行模拟，看看它们在多大程度上再现了过去的气候和代理数据，以测试遥远过去的气候。

Lunt解释说，这样做的好处是双重的:

伦特领导了一个名为DeepMIP(Deep-Time Model Intercomparison Project)。他解释说，这个项目的构想是认识到气候模型通常是根据地球相对较近的过去进行评估的，而全球温度可能正走向数千万年(“深度时间”)未见的水平。

DeepMIP使用代理数据评估模型并了解过去的气候系统，Lunt说-“特别是超温暖的始新世早期气候最佳期(EECO，约5000万年前)和古新世-始新世热最大值期(PETM，约5500万年前)”。

回到顶部

代理数据的局限性是什么?

正如上面所强调的，识别、提取、解释和校准代理数据以产生气候记录的过程绝不是简单的。因此，这种复杂的技术也有其缺陷和局限性。

克鲁特说，根据定义，代理数据是间接的。因此，当代理记录环境变化时，科学家需要考虑当地条件和任何可能起作用的更广泛的影响。

例如，在本地范围内，“代理及其环境之间的关系在不同的系统中可能不同，因此了解您正在使用的系统对于准确解释代理数据至关重要，”她说。

例如，皮尔森指出，世界海洋中同位素的总量会随着时间而变化。他解释说，这会影响对个人记录的分析:

他指出，并非所有的代理记录都是平等的Justin Martin博士他是哈佛大学的生态学家美国地质调查局．他告诉Carbon Brief，理想的记录通常是“很长，日期准确，随着时间的推移具有足够高的分辨率，以提供有用的信息”。必威手机官网然而，这并不总是科学家得到的，他说:

皮尔逊补充说，所有的代理都“以这样或那样的方式受到变幻莫测的保护”。

例如，对于历史文档，旧的记录通常不太有用。一本关于温度重建的书美国国家研究委员会他指出，“爱尔兰和挪威编年史中保存的天气记录可以追溯到公元一千年中期”，但“它们的年代不准确，对天气和气候的描述经常被夸大”。

皮尔森说，所有这些复杂情况意味着，“可能存在相当大的误差条，这不仅来自于我们的分析精度，还来自于代理对目标变量的校准程度。”他补充说:

皮尔森指出，这些障碍也使古气候“有时成为一门令人抓狂的科学”，而且“关于过去的某些知识很难获得”。biwei6868尽管如此，他说:

回到顶部