2021, Vol.41
2 中国科学院大学, 北京 100049)
在全球变化研究中，过去2000年是一个极具特殊意义的时段。在这一时段中，全球环境变化从主要受自然驱动转变为受自然与人类活动的共同影响，且人类活动对地球系统的驱动作用日益增强。特别是自工业革命(约公元1750年前后)起，化石燃料的大量利用造成人为排放CO2不断增加，使全球大气的CO2含量从其前的约280 ppm增至2020年的414 ppm，超出了过去830 ka自然波动的最大变幅，加剧了地球“温室效应”，导致全球气温在19世纪前的缓慢下降趋势反转为20世纪的快速增暖[1]，表明人类影响地球“自然”演变的时代——“人类世”已经到来[2~4]。而且，从过去气候环境变化研究角度看，这一时段还是文献记录(documentary records)、自然代用证据(natural proxy)与器测数据(instrumental data)并存的时段，对各种气候环境变化代用指标的定量校准也至关重要[5]。因此，揭示该时段的气候变化史实与规律，一直是国际全球变化研究的核心问题，也是IPCC评估重点关注的问题之一；对辨识当代增暖是否超出自然变率约束、区分气候变化的自然与人为驱动相对贡献、诊断地球系统模式性能、预估未来年代至百年尺度变化等均具有独特价值[6~7]。
2008年，国际过去全球变化研究计划(Past Global Changes，简称PAGES)专门创建了“过去2000年全球变化网络”(PAGES2k Network，简称“PAGES2k”，具体内容参见http://pastglobalchanges.org/science/wg/2k-network)，以加强该时段气候系统变化的全球与区域尺度集成研究[8]。根据PAGES2k的实施计划时间表，至今共执行了三期研究任务，其中第一期为2008~2013年，重点是进行局地和区域尺度的温度变化代用资料集成，以重建洲际过去2000年温度变化；第二期为2014~2016年，重点是建立跨区域/洲际工作小组，发展方法、建设数据库，重建大尺度气候变化，以期集成新建高信度的过去2000年全球温度变化序列，进行重建-模拟对比，为IPCC第6次评估报告提供依据；第三期为2017~2021年，聚焦方法与不确定性、代用资料与模拟结果的差异、气候变率、模态及驱动机制等问题。至今已取得了大量新成果，也出版一些研究专辑[8]。本文拟据此综述这方面研究的主要进展，并对其未来研究动向进行简要展望，以期为中国进一步开展相关问题研究提供参考。
需要说明的是，因PAGES2k第一阶段取得的成果在2013年出版的IPCC第五次评估报告已较多述及，因而本文以2013年以后的研究为重点。此外，在PAGES2k集成研究计划的引领和推动下，区域(如北极[9]、欧洲[10~11]、北美[12~14]、东亚[15~17]及中国[18~19]、中亚[20]、澳洲[21~23]、南极[24]等)、跨区域(如欧亚中纬度地区[25~26]、绕北极地区[27]、北大西洋地区[28]及南北半球内部比较[29]等) 等尺度的集成研究在近年也均取得了大量进展。其中，中国不但有多位学者作为重要成员先后多次参与了PAGES2k组织的全球和跨区域(包括亚洲-澳洲、亚洲-欧洲等)研究任务，同时贡献了共计近百条树轮年表1)1)其中在亚洲地区31条长度超过1000年的年表中，中国境内的年表占19条；且其中10条来自中国科学院地理科学与资源研究所的树轮实验室、30余条利用中国历史文献记载重建的温度及干湿变化序列、10多个地点(区)的冰芯、石笋、珊瑚等高分辨率代用证据(详见http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/study/21171，https://zenodo.org/record/1189006)；而且还作为其中亚洲区域(PAGES-Asia2k)的主要组织者2)2)PAGES-Asia2k成立于2010年，分2010~2014年和2014~2017年两期实施，其中任职的中国学者主要有：中国科学院地理科学与资源研究所葛全胜(第一期，成员；第二期，主席)、邵雪梅(第二期，共同召集人)、郝志新(第二期，资料采编与汇交，Data acquisition)，中国科学院地质与地球物理研究所史锋(第一期，成员，2010~2014年先后在中国科学院原寒区旱区环境与工程研究所、大气物理研究所工作)、许晨曦(第二期，资料管理，Data manager), 北京大学周力平(第二期，共同召集人)；具体详见：http://pastglobalchanges.org/science/wg/2k-network/former-2k-activities/regional-2k-groups/asia2k/people，主持开展了多次代用资料采集整编汇交与多项气候变化重建任务(主要产出详见：http://pastglobalchanges.org/science/wg/2k-network/former-2k-activities/regional-2k-groups/asia2k/products)。然因这些进展已多被全球尺度的集成研究作为主要资料源、案例引用或评述，中国学者对全球集成研究的贡献也多已作为论文合作者体现在后文引用的主要文献中，故限于篇幅，后文对此不再具体述及。
1 温度变化集成全球各地的508条代用资料，PAGES2k团队新建了过去2000年各洲温度变化[30~31]。与先前的同类研究通常主要采用树轮资料相比，这一集成重建除采用树轮(427条，占84.1%)外，还采用了冰芯(29条，占5.7%)、湖泊沉积(20条，占3.9%)、海洋沉积、孢粉、石笋、珊瑚、历史文献等多类代用资料(表 1)，其中482条(占94.9%)的资料具有年分辨率。从代用资料的洲际分布看，亚洲最多，共229条(占45.1%)，但均为树轮；其次为北美，含树轮146条(占28.7%)，孢粉4条；第三为北极，共56条(占11.0%)，其资料类型最多，有冰芯、湖泊沉积、海洋沉积、树轮、石笋、历史文献共6种；其余分别是欧洲11条，南美洲23条，澳洲28条，南极洲11条(表 1)。由于各州所用代用资料的类型不同，因而其所指示的温度变化季节、重建标的(reconstruction target)与相应的重建方法及其校准方程的相关系数也存在明显差异，其中北极、南极和北美重建年均温，欧、亚和南美洲为夏季温度，澳洲则为暖季温度(表 1)。此外，各地代用资料的长度也有显著差异，其中覆盖至公元初年(1 A.D.)的序列共48条(占总数508条的9.4%，年分辨率序列31条)，但主要集中在北极和欧洲；至公元850年，即可覆盖完整的中世纪气候异常期(Medieval Climate Anomaly，简称MCA，约公元950~1250年[1])的序列共120条(占总数508条的23.6%，年分辨率的序列97条)，其中南极洲有5条冰芯序列覆盖至公元200年之前，北美4个生态区的孢粉序列覆盖至公元360年，亚洲有17条树轮序列覆盖至公元800年之前。覆盖至公元1200年的序列共225条(占总数508条的44.3%，年分辨率的序列200条)，各州均有分布。这使得北极和欧洲温度重建结果(年分辨率)可达公元初年，南极洲达公元167年，亚洲、南美、澳洲、北美则只分别达公元800年、857年、1001年和1204年；而利用孢粉重建的北美温度序列虽亦覆盖至公元440年，但其分辨率仅30年(表 1)。
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表 1 集成重建的过去2000年洲际温度变化序列及所用的代用资料简介[30~31] Table 1 Summary of continental-scale proxy-based temperature reconstructions during the past two millennia[30~31] |
与之前多个团队集成重建的过去千年北半球或全球温度序列相比，这一重建结果(图 1a)显示了过去2000年温度变化的许多新特征，其中突出表现在：一是各洲除20世纪几乎同步增暖外，20世纪之前的年代至百年尺度温度波动存在显著的洲际差异，因而不能定义出全球同步的中世纪气候异常期和小冰期(Little Ice Age，简称LIA，约公元1450~1850年[1])；不过公元1580~1880年间全球各洲均持续寒冷(仅少数洲在18世纪间出现过年代尺度的回暖[30])，而公元830~1100年间北半球4个洲持续温暖，且除欧、亚这两洲在公元1101~1130年间出现过寒冷外，北半球的这一温暖阶段至少持续至公元1220年前后；南美和澳洲也在公元1160~1370年持续温暖[30]。二是除亚、澳两洲外，北极、欧洲、北美、南美和南极这5个洲在20世纪之前均存在较20世纪最暖30年更为温暖的时段，即这些洲的20世纪最暖30年均不是各序列覆盖时段的最暖30年；且全球平均(即有记录洲温度重建值的面积加权结果，当北美同时有孢粉和树轮则用二者均值作为其重建值)也显示，在20世纪之前有3个(公元381~410年、411~440年及591~620年)较1971~2000年(20世纪的最暖30年)更为温暖的30年(表 1)。不过这3个时段均出现在公元620年之前，除北极、欧洲外，南极、北美的重建结果仅覆盖部分时段，亚、澳、南美三洲的重建结果未至该时段；因而这一结果存在显著的不确定性[30]。三是在千年尺度上，各洲温度在19世纪后期之前均呈相似的长期下降趋势，之后则均转为增暖；公元1~1850年间全球平均温度以约-0.03 ℃/100 a的微弱趋势下降，而之后的1851~2000年则以0.43 ℃/100 a的趋势上升(图 1a)；且除南极外，其他6个洲的20世纪为最暖或接近最暖的世纪，6个洲的平均温度也较其前5个世纪的平均温度高约0.4 ℃[30]。因此，IPCC评估认为：尽管在公元950~1250年的MCA期间，有些洲的多年代最暖时段与20世纪中叶相当，还有一些洲的最暖时段甚至与20世纪后期相仿(高信度)；但在北半球温度长期变化趋势上，过去2000年受轨道强迫等自然因素主控的长期下降趋势已被20世纪增暖所逆转(高信度)，且最近30年(公元1983~2012年)可能是过去1400年以来的最暖30年(中等信度)[1]。
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图 1 PAGES2k团队重建的过去2000年温度变化序列及冷暖变化的同步性 (a)洲际温度标准化值与全球加权平均结果[30]；(b)不同方法重建的全球平均地表温度[41]；(c)全球冷暖区域面积百分比[49]温度距平以公元1961~1990年均值为基准 Fig. 1 Temperature reconstructions for the past 2000 years by PAGES2k Consortium and the coherent warm and cold periods. (a)Continental-scale temperature reconstructions and the global weighted average series[30]; (b)Global mean surface temperature reconstructed by different methods[41]; (c)Percentage of global surface area with warm and cold anomalies[49]. Temperature anomalies with respect to mean of 1961~1990 A.D. |
继PAGES2k的洲际温度集成重建之后，又有数家团队采用树轮等资料集成重建了5条长度超过1250年、分辨率达年的北半球(特别是其中热带以外区域)温度变化序列(表 2)[32~36]。对其中4条新建序列[32~35]与先前多家团队集成重建的序列对比评估表明[37~39]：绝大多数序列之间在30年以上尺度的变化过程显著相关，均显示10~13世纪相对温暖，15世纪中期~19世纪前期相对寒冷；但随着时间前推，相关系数减小，特别至1300年之前则更小，这主要是因越往前可用于集成重建的代用资料越少、重建结果不确定性范围也越大而造成的[37]；同时也表明已有研究对MCA气候特征的认识仍有显著的不确定性[37~39]。不过这4条新建序列均较以前多数序列更好地重建出了因强火山喷发而致的高频降温信号[32~35]。此外，另一序列与全球34个强火山喷发事件的对比也显示，强火山爆发后的第1年北半球降温最为显著，至第4年降温效应消失，说明强火山爆发对北半球年均温度的影响主要体现在年际尺度上；而大西洋多年代际涛动(Atlantic Multidecadal Oscillation, 简称AMO)则可能是影响过去2000年北半球温度多年代变化的主要因子[36]。
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表 2 2013年以来集成新建的过去2000年北半球温度变化序列简介 Table 2 Summary of Northern Hemisphere temperature reconstructions for the past two millennia derived from proxy synthesis updated after 2013 |
公元2014~2017年，PAGES2k团队再次整编了全球范围对温度变化敏感的代用序列(简称“PAGES2k v.2.0.0”，具体数据见http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/study/21171)[40]。这些序列源于648地点(区)，包括树轮、冰芯、湖沼沉积、珊瑚、洞穴石笋、历史文献等，共692条(其中最多者仍为树轮，共415条)；长度为52~2000年不等，中位数为547年，平均为760年；时间分辨率为两周至百年不等，但大多数为年。对逐条序列所代表的温度变化季节和空间范围分析显示：在所有692条中，可指示其所在格点年均温、冬季和夏季温度变化的序列分别为181条、114条和228条；而可指示所在格点2000 km半径范围内某一或多个格点年均、冬季和夏季温变化的序列则分别达411条、396和488条。对所有序列可指示年均温变化的区域合计显示，其覆盖度达全球的75%以上，仅中太平洋、南大西洋、中南印度洋及南美东部、非洲中西部的部分区域尚无序列覆盖(图 2)。将所有代用记录按时间分辨率分为高(< 5 a)、低(≥5 a)两类，以25 a、50 a和100 a为单位时段分别对高、低两类分辨率序列进行重采样和变化信号合成分析(参见相关文献[40]图 7)显示：二者所合成出的全球温度变化信号具有显著一致性(a remarkable degree of coherence)。这表明仅采用时间分辨率高或低的代用资料，或将二者的信号合成，可能并不会对25年尺度以上的全球温度变化重建结果造成显著影响。
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图 2 全球各格点年均温与以该格点为中心的2000 km半径范围内每条代用序列的相关系数绝对值中位数的空间分布 灰色表示该格点的相关系数未达到显著水平或2000 km半径范围内无代用资料[40] Fig. 2 Spatial pattern for median absolute correlations of mean annual temperature at each grid point and its proxy neighbors within a 2000 km radius. Grid-centric in grey shows the correlations are insignificant or no proxy neighbor within 2000 km radius[40] |
依托PAGES2k v.2.0.0资料，PAGES2k团队再次对过去2000年全球平均地表温度(Global Mean Surface Temperature，简称GMST)进行了集成重建(图 1b)，并据此分析其间全球温度的多年代际变化特征[41]。与以前集成重建方案不同是，这次集成重建除采用先前洲际温度重建所用的PCR、CPS、PaiCo等方法外，还新增了最优信号提取法(OIE)[36, 42]、变量含误差正则化法(Regularized errors in variables，简称M08)[43]、贝叶斯分层模型(Bayesian Hierarchical Model，简称BHM)[44]等3种更为复杂的集成统计技术，并采用了离线模式同化方法(offline data assimilation with climate models，简称DA)[45]；同时对每个重建方法的校准残差项均进行了1000次随机扰动试验，因此每种均有1000个重建试验结果，然后取1000个试验的中位数作为每个方法的最终重建结果。结果(图 1b)显示：尽管采用不同方法重建的过去2000年GMST变幅各异(如在公元1600年前后，不同方法之间的30年低通滤波结果最大差异达0.5 ℃)，但不同方法的重建结果却具有较为一致的多年代际变率(consistent multidecadal variability)，且其与模拟结果也基本一致。同时所有重建结果均证明：第一个千年较其后千年(除20世纪外)更为温暖；1850年以前GMST存在显著降温趋势，其后则转为快速增暖(图 1b)。特别是这一新建结果显示：在过去2000年中，最暖的10年、30年、50年均出现在20世纪后半叶；20世纪全球平均温度不但较其前5个世纪平均高0.3 ℃以上，而且也较之前最暖百年(403~502年)高约0.1 ℃；同时1971~2000年的全球平均温度较之前最暖30年(746~775年)也高0.2 ℃以上(表 3)[41]。此外，新结果给出的1850年前后升降温趋势和30年及百年尺度温度变幅度等，在统计显著性水平和不确定性范围上也分别较其2013年的重建结果有一定改善(表 3)。这是对其2013年所给出的“在20世纪之前有3个较1971~2000年更为温暖的30年”结果(参见表 1)[30]的重要更新。究其原因，主要包括两个方面：一是代用资料的质量控制与增补，包括：通过质量控制剔除了2013年所用的覆盖时段不足300年、年表与温度呈负相关的树轮或对温度变化响应关系不明确等的代用证据共157条及北美洲4个区域的孢粉合成序列；同时新增补了代用资料(特别是非树轮代用资料)，不但使总量增至692条(其中覆盖至公元1000年之前增至176条)；而且也使非树轮代用资料占比从2013年的16%增至40%，减小了对树轮资料的过度依赖，从而加密代用资料的空间覆盖度(特别是也覆盖至原先未重建的非洲)。二是在方法上，不再先重建洲际温度然后计算全球各洲温度的面积加权平均，而直接将GMST作为重建标的，缩减了校准过程的统计步骤。
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表 3 PAGES2k团队2019年新建的过去2000年GMST序列与2013年重建序列的主要结果对比(根据文献[30, 41]的附录数据计算) Table 3 Comparison between the main results from the past 2000-yr long GMST series reconstructed by PAGES2k Consortium in 2019 and 2013 respectively(data cited from references[30, 41]) |
以往研究通常将过去2000年气候大致分为小冰期(约公元1450~1850年[1])、中世纪气候异常期(约公元950~1250年[1])、黑暗时代冷期(约公元300~800年[46~47])、罗马暖期(约公元初~300年[46~47])等冷暖阶段[7, 48]。但对PAGES2k v.2.0.0所有温度代用序列指示的冷暖阶段时空一致性分析[49]显示，除20世纪暖期在全球同步发生外，工业革命前各个冷暖阶段的起讫时间在世界各地不同步(参见文献[49]图 3)，其间各地最冷/暖时段的空间同步率及范围分布与随机气候变率的空间一致性(spatial coherence of stochastic climatic variability)相仿(参见文献[49]图 4)；这导致全球在工业革命前，未出现温度变化位相一致的多年代至百年尺度冷暖阶段[49]。特别是发现：即使是以往所认为的冷暖变化具有最高时空一致性的小冰期(图 1c)，其间最冷时段的出现时间也存在区域差异，其中在中东太平洋地区15世纪最冷，西北欧、北美东南部等地17世纪最冷，其他地区是19世纪中期最冷(参见文献[49]图 3e)；表明工业革命前的气候系统外强迫异常不足以导致全球各地温度出现多年代至百年尺度的同步极端异常[49]。而20世纪，则是除南极局部外，全球有超过98%的区域为过去2000年最暖[49]；这说明，因人类活动而致的20世纪全球增暖，其空间一致性也是空前的。
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图 3 (a) 北半球公元850~1950年干湿区域面积百分比[59]；(b)全球陆地公元1~2000年干湿区域面积百分比(根据相关文献[61]的附录数据计算) Fig. 3 (a)Percentage of Northern Hemisphere land area with wet and dry anomalies during 850~1950 A.D.[59]; (b)Same as (a) but for global during 1~2000 A.D.(data cited from reference [61]) |
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图 4 国际过去2000年全球变化(PAGES2k)的最新研究框架 图中3个角代表 3个研究主题(themes)，中心“资料管理(Data stewardship)”为PAGES的综合性任务(Integrative activity)；过去千年再分析(Last Millennium Reanalysis，简称LMR)及互联地球(LinkedEarth)为2个综合性研究伙伴计划(Partner Project)；黑字缩写为第三阶段的9具体研究计划(表 4) Fig. 4 The PAGES2k science structure with research activities(also in Table 4)at phase 3(http://pastglobalchanges.org/science/wg/2k-network/projects) |
相较于温度变化的全球集成研究，尽管全球范围的干湿变化代用资料数量更多，但由于干湿变化的局地信号强、时空差异大，格局多样，因而全球/半球范围的干湿变化集成研究工作至PAGES2k第二期时才得以启动。而在此前，多数工作仅局限于国别和洲际范围，如利用历史旱涝记载编制《中国近五百年旱涝图集》(公元1470~1979年)[50]和过去2000年中国东部63个站旱涝等级数据集[51]；根据树轮资料分别研制过去2000年北美[52]、欧洲[53]和过去700年亚洲季风区[54]逐年干旱指数(Palmer Drought Severity Index, 简称PDSI)格网化数据集等。不过受代用证据的时空覆盖度所限，如仅亚洲和欧洲的部分国家有较长历史文献记载，且无法保障各站的所有年份均有连续记载；树轮主要集中在山地区域(仅美国本土空间覆盖度相对均匀)；同时无论是树轮还是历史文献，均是时间越早，代用资料越少；因而导致这些数据集或存在缺值、且越早覆盖区域亦越小，或因在格网数据集研制时，常对无资料区域进行大量的空间点对点回归插值，而导致插值结果偏离史实[55]。同时，不同数据集的重建标的(reconstruction target，如不同季节的PDSI、旱涝等级、降水量等)也不一致，因此使得不同数据集间可比性较差，也不便于同模拟、同化等数据进行对比。其间虽也有研究结合历史文献、树轮、冰芯、珊瑚、石笋及早期零散器测资料研制了公元1500~1900年欧洲四季降水距平格网数据集[56]；结合历史旱涝等级和树轮研制了中国及亚洲季风区公元1470年以来夏季降水异常格网数据集[42, 57~58]，但这些研究仍属区域尺度研究工作，且时段也仅及过去500年左右，未覆盖至中世纪气候异常期；因而仍不便与模拟、同化等数据的对比，也无法进行半球、全球尺度的千年干湿变化特征研究。
在PAGES2k组织下，Ljungqvist等[59]首先对过去1200年北半球陆地区域的干湿变化进行了重建，并与模拟结果进行了对比分析。其采用的代用证据有树轮、冰芯、泥炭、石笋、历史文献、湖泊沉积、海洋沉积等7类，筛选原则为：1)有明确的干湿变化指示意义，如指示降水、干旱、洪涝、水分平衡和径流等；2)覆盖长度至少达到公元1000年；3)位于北半球，或位于南半球赤道附近且能指示赤道以北干湿变化；4)时间分辨率低的序列，平均一个世纪要至少有2个时点的记录；5)研究结果已正式发表。采用的重建方法借鉴CPS思路，第一步先对时间采样间隔不均匀的代用序列进行线性插补至年分辨率，同时利用三次样条函数平滑保留百年尺度波动，然后再对所有代用序列进行标准化处理，用该标准化序列指示干湿程度变化(下简称“标准化干湿指数”)；二是利用气候模式ECHO-G模拟的1°×1°格点结果，计算每个格点干湿指数与其他格点的相关系数，取所有相关系数显著的格点，以每个格点为中心，构建该中心格点与其他格点相关系数由大到小随该格点与其他格点距离从近到远的衰减函数，用该衰减函数估算值作为计算该中心格点与不同距离网格点之间干湿指数加权平均值的权重；然后以第一步所得到的有代用资料的格点干湿指数为依据，按该权重计算每个格点的标准化干湿指数，据此得到空间分辨率1°×1°的标准化干湿指数格网数据；最后按时点(分辨率取25年)统计干湿异常格点占所有格点的百分比，用于指示850~1975年每25年的北半球干湿变化[59]。
结果显示(图 3)，在9~11世纪、14世纪和18~19世纪，北半球多数区域相对偏湿，其他时段则多数区域相对偏干；而且发现，在器测时期许多区域(如欧洲东部、欧洲西部、美国西北部、美国西南部、中国东部和青藏高原等)所存在的年代际干湿反相异常格局(如中国东部的南涝北旱或南旱北涝等)在历史上也曾长期存在。同时干湿与温度变化的协同分析还显示，欧洲北部、地中海东岸、格陵兰、中国北部、北美西北部和美国东南部干湿变化与温度变化的一致性较高，常出现湿润与温暖、干旱与寒冷的同步特征[59]。不过因代用资料分布不均匀和空间覆盖度有限，这套数据的空间覆盖范围仍限于欧洲、北美和亚洲的部分地区，未覆盖北半球全部陆地；同时其空间分辨率虽达1°×1°，但从所给出的数据看，经常是相邻的数十个格网数值一致，因而其所指示的实际上只是区域尺度的干湿异常特征，很可能无法指示局地的干湿程度。
此后，PAGES2k在第二期特别设立了Hydro2k工作组，旨在系统整编全球范围的过去2000年干湿变化代用资料，探究全球干湿变化数据集的研制方法，重建全球过去2000年干湿变化的格网数据集；以便和模拟结果对比，揭示全球与半球尺度的干湿时空变化规律与机制。至今已完成了2项重要成果。其一是对代用指标揭示的气候变率和模式模拟的气候变率进行对比，分析了重建—模拟数据对比研究的现状和难点；特别是深入辨识了不同代用证据、指标的气候意义异同，探索了全球干湿格网化数据集研制途径和技术方法[60]。二是整编了全球范围的过去2000年干湿变化代用资料，研制了首套过去2000年全球陆地区域干湿变化格点数据集[61]。
结果显示：至今为止PAGES2k所整编的全球范围高分辨率干湿代用序列共计2978条(详见：https://zenodo.org/record/1189006)，其中最多为树轮(2591条)，其次分别是珊瑚(197条)、冰芯(153条)、石笋(26条)、湖泊沉积(10条)和海洋沉积序列(1条)。不过从其时空覆盖度看，仍呈显著不均匀特征(参见相关文献[61]图 1)。其中在时间上，长度达500年的618条(占总数20.8%)，长度达1000年的190条(仅占总数6.4%)，长度达2000年的仅40条(占总数1.3%)。在空间上，亚洲东部、中亚至东欧、南亚和中东、非洲北部及南部球陆地的大多数区域均存在大范围的资料空白。同时在资料类型上，也未纳入根据文献记载重建的欧洲各地逐季干湿指数[56]和中国的旱涝等级数据[50~51]，以及Ljungqvist等[59]2016年所采用的大部分低分辨率干湿变化代用证据。
根据上述整编的2978条干湿代用资料，Steiger等[61]采用离线模式同化方法(DA)，即通过气候模式提供的动力学框架与代用资料相互约束，将气候模拟结果所给出的气候系统变化空间场(受气候变量场的空间型及各变量间的物理过程约束)信号和因气候系统各要素异常而致的代用指标时间变化(通常指年或多年变化)信号融合；研制了首套过去2000年全球陆地区域的干湿变化格网数据集；这与过去通常采用的点对点空间插值方法[52~54]有显著不同。该数据集含PDSI和标准化降水蒸散发指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index, 简称SPEI)两个指标，分夏季(6~8月)、冬季(12~2月)和年(当年4月~次年3月)，时间分辨率为年，空间分辨率为2°×2°。统计过去2000年干湿异常格点占所有格点的百分比(图 3b)变化表明：全球陆地在过去2000年干湿没有显著的趋势变化；且多年代波动幅度也较弱，偏干和偏湿格点的百分比变幅均在10%以内；但极端旱涝事件的发生比例却越来越大。
不过需要注意的是，该数据集给出的PDSI结果与先前利用树轮重建的结果[52~54]在很多区域的一致性较差，有些时段二者的结果甚至相反。同时与器测时期的降水格点数据对比评估还显示，其同化的PDSI结果连续排序概率技巧评分(Continuous Ranked Probability Skill Score，简称CRPSS；该值为1.0表示其与观测结果完全一致；最低值为0，表示结果全部错误)全球均值只有0.3左右；SPEI结果的CRPSS全球均值更均在0.3以下；同时2者均有不少格点与器测数据呈负相关(详见相关文献[61]图 2)。这些都说明现有研究仅是初步尝试，其结果尚存在显著的不确定性，需要继续改进。
3 发展趋势与研究难点尽管在PAGES2k组织下，过去2000年全球与区域尺度气候变化的集成研究在最近10余年取得了上述显著进展，但应当看到上述成果主要是依托对过去已有代用资料整编和在更大时空尺度上应用而获得的，且现有的研究仍大多以具有年分辨率的树轮资料为主[38, 48, 61~62]，并未实现对不同分辨率资料的有效集成[40, 48, 60]。同时对代用资料固有问题，如：各类代用资料时空分布不均、时间越早可用资料越少问题，代用资料的定年精度、指示的气候要素、季节差异及多要素共信号问题，代用指标敏感度的时空差异与代表性问题等[1, 40, 48, 60, 63~67]，也并未进行深入研究；加之目前所整编代用资料主要来源于研究者的自愿贡献，且其占各地所发表的资料比例却较为有限，导致仍有大量的资料并未用于集成分析。
当前，PAGES正在“未来地球”(Future Earth，http://www.futureearth.org/projects)前沿计划目标引领下，将气候(climate)、环境(environment)、人类(humans)这3个关键子系统结合在一起，依托资料管理(Data stewardship)计划进行多源资料整编、分析和集成(data compilation，analysis，and synthesis)，聚焦“地球系统演变的阈值(thresholds)、翻转点(tipping points)与多重均衡(multiple equilibria)，极端事件的影响与响应、适应”等主题，开展综合研究。主要发展态势是：在研究理念上，更强调地球系统科学的整体思维、全球与区域的关联和多学科的深度交叉，更突出多圈层、多尺度、多要素和气候、环境、人类等子系统间的相互作用与反馈关系分析，特别是区域尺度气候变化与全球气候系统变化的深度结合，以及气候变化重建、时空规律揭示和影响适应研究间的深度交叉。在代用资料方面，更强调不同来源证据和多指标数据的整合与集成，且更重视数据挖掘、大数据分析和模式同化等新技术在其中的应用[48, 68]。在研究手段和方法上，更强调气候重建与模拟诊断的结合及时空特征分析—归因检测—动力学机制诊断的结合；也更重视模拟诊断在解析代用指标气候意义方面的应用[68]。
因此，为深入开展过去2000年多源代用资料的集成融合、重建与模拟的对比等研究，实现对过去2000年气候变化及其成因机制的全面了解，PAGES2k将继续依托PAGES的资料管理这一综合性基础工作(integrative activity)，以揭示气候系统变化及其影响研究为核心，把源于陆地、海洋和人类社会的记录及相关研究成果融为一体，重点针对“气候变率、模态与机制(climate variability，modes and mechanisms，核心是全球气候系统变化的动力学机制及区域气候年-百年尺度变化的驱动机制)、代用资料与模式理解(proxy and model understanding，核心是重建—模拟结果的异同及其影响因素辨识)、方法与不确定性(methods and uncertainties，核心是代用资料对气候环境变化响应过程与敏感度的解析及其不确定性)”这3个主题开展各类专题的深入研究和多主题综合研究(图 4)。其中在其第三阶段共设置了9项专题任务(表 4，其中的GMST Reconstructions和Global T CFR为跨第二、三阶段任务，目前已完成)；并设置了“过去千年再分析(Last Millennium Reanalysis，简称LMR)”和“互联地球(LinkedEarth)”2个更长远的综合性研究伙伴计划(Partner Project)。综合分析这些研究任务与计划显示，本领域的研究难点主要体现在以下4个方面。
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表 4 PAGES2k第三阶段专题研究任务中英文对照表 Table 4 List of research activities at PAGES2k phase 3 in Chinese and English |
(1) 代用指标气候指示意义的时空差异问题：由于代用证据来源广泛、代用指标类型多样，各种指标对气候环境变化的响应特征不同，且许多代用指标(特别是源于自然证据的理化与生物指标)还常受温度、降水(干湿)及其他气候因子的共同影响，加之全球气候环境也存在显著的时空差异，因此使得不同代用证据、不同指标的气候指示意义不一，即使是同一指标所指示的气候环境要素及其时间尺度、空间范围与敏感度也存在时空差异。这一问题是制约集成重建结果可信度的关键，也一直是古气候变化的基础与难点问题[48, 68~69]。PAGES2k的所有在研任务中均不同程度涉及这一问题，特别是ARAMATE、CLIVASH2k、CoralHydro2k、Iso2k等任务，均将其作为研究重点，亟待新突破。
(2) 代用证据的定年精度与多源证据校核问题：代用证据的准确定年是定量校准代用指标与气候变化关系、解析代用指标气候指示意义的基础。对代用证据定年的主要方法包括三类：年轮或层序(如纹层、一些特征指标的年循环等)计数，放射性同位素(如14C、39Ar、137Cs、铀系同位素等)测年，文字记载；其中除树轮采用大样本交叉定年、文字记录通过历法换算可获得明确年份外，只有少数的冰芯[66]、湖芯[70]、石笋[71]、珊瑚[72]等样品可采用层序定年；其余的大量代用证据年代均采用放射性同位素测年方法获得[73~74]。尽管随着热电离质谱计、加速器质谱计和样品分离技术的进步，放射性同位素测年精度得到显著提升，但每种方法仍存在一定误差范围而无法测出具体年份；且有大量早期采集的代用证据因受当时测年和样品分离技术所限，测年精度不高。因此借鉴树轮大样本交叉定年思想，对各种来源代用证据的年代进行交叉校核，是深入开展代用资料集成分析、降低测年结果不确定性的关键。如PAGES2k第三期在研任务CLIM-ARCH-DATE，就是通过集成来自不同专业的定年学者，融合考古文化层定年(特别是多数文化层还沉积有如贝壳、树木等可供测年和高分辨率定年的材料，且这些材料随着沉积物多次沉积，形成层序，并与沉积在同一区域的海湾、湖泊等自然沉积物对应)与文献记录及其他高分辨率气候代用证据，通过关键气候事件与考古文化层中高分辨率材料定年结果的交叉校核，以提升对考古文化层及对应自然沉积物序列的精细定年能力作为研究重点之一。MULTICHRON也强调需利用贝壳年轮、珊瑚生长纹等源于海洋生物的高分辨率证据来精确区域气候系统多年代变率的自然约束；均体现了对这方面研究的良好开端。
(3) 代用资料挖掘技术：由于代用资料通常由专业人员自行研究获得，方法多样、标准不一；且目前所整编代用资料主要来源于研究者自愿贡献，导致仍有大量的代用资料未用于集成分析。因此研发从公开发表文献中挖掘代用资料的技术体系是本领域研究面临的另一个难点问题。其中关键技术主要包括：从发表文献采集代用资料的智能技术；文本、图形图像等复杂类型数据的气候变化信息提取技术；不同来源数据的分类、质量评价、遴选、清理及噪音剔除技术等。目前这方面的研究虽在LinkedEarth计划中已有体现，亦有成果问世[75]，但总体尚处在探索阶段。预计随着数据挖掘、大数据分析和人工智能等技术的广泛应用，这方面的研究也将会得到不断强化。
(4) 多源数据融合、校准方法：由于代用资料来源广泛、指标多样，时空分辨率、频谱特征、量纲和数据精度不一；单类资料受其分布地域限制存在区域缺值；单指标研究结果因受自身局限性的影响使得不同指标间的研究结果常有显著分歧；因此，研发物理意义明确的多源资料融合、多指标多尺度数据的集合校准、分析方法，仍是本领域研究的难点。其中关键方法包括：不同来源代用资料的对比、不确定性评估与高信度信号提取方法；不同季节(如历史气象记录指示的温度变化多为冷季信息，而树轮则多为暖季信息)、不同地区信息的对比与合成方法；各类代用资料的时空插补方法；不同时间分辨率数据与高、低频信息的分析、集合校准和格网化重建方法等[48, 60, 68~69]。这方面研究在PAGES2k的已有各项任务中均有体现，其中GMST Reconstructions、Global T CFR、PALEOLINK、Iso2k和LMR计划均将其作为研究重点；但至今进展仍相对有限，亟待加强。
4 结语与展望综上所述，在PAGES2k的组织下，过去2000年气候变化的全球集成研究在最近10余年已取得了显著进展。其中在温度变化方面，先后重建了过去2000年各洲温度和全球平均地表温度序列，得到的主要新认识有：从全球平均看，第一个千年较其后千年(除20世纪外)更暖；1850年以前全球平均地表温度存在显著降温趋势，其后则转为快速增暖；过去2000年全球最暖的10年、30年、50年均出现在20世纪后半叶。从区域差异看，除20世纪暖期在全球同步发生外，工业革命前的小冰期、中世纪气候异常期、黑暗时代冷期、罗马暖期等各个冷暖阶段发生时间在世界各地不同步，其间各地最冷/暖时段的空间同步率及范围分布与随机气候变率的空间一致性相仿。在干湿变化方面，北半球千年以上的代用资料揭示多数区域9~11世纪、14世纪和18~19世纪偏湿，其他时段则相对偏干；另外还整编了全球范围的代用资料，研制了首套全球陆地区域的干湿变化格点数据集，结果显示全球陆地干湿虽在过去2000年没有显著的趋势变化，但极端旱涝事件的发生比例逐渐加大。但受这方面研究处于起步阶段影响，现有研究所整编的代用证据分布不均匀，空间覆盖度有限，对因干湿变化局地信号强、时空差异大、格局多样而致的各种资料使用与重建方法也尚处在探索之中，因而现有研究结果仍存在显著不确信性。
此外，现有研究仍大多以具有年分辨率的树轮资料为主，并未实现不同分辨率资料的有效集成。展望未来，PAGES2k将继续依托资料管理计划，融陆地、海洋和人类社会的代用记录及相关研究于一体，针对代用资料与模式理解、方法与不确定性、气候变率、模态与机制等三大主题，重点开展代用指标气候指示意义的时空差异、代用证据的定年精度与多源证据校核、代用资料挖掘技术与多源数据融合、校准方法等难点问题研究。
中国一直是PAGES各项研究的重要参与者和积极贡献者。特别是中国历史悠久、史料记载丰富，这类记录定年准、气候指示意义清晰，且覆盖自然证据匮乏区域；同时自然环境多样，拥有树轮、冰芯、石笋、珊瑚及纹层湖泊等各种自然证据。但因全球视野及国际化程度不足，限制了中国上述优势在PAGES2k全球集成研究中的发挥。不过，目前中国科学院已成为PAGES的共同资助方(还有瑞士科学院和伯尔尼大学)，凸显了中国对PAGES研究的高度重视和支持，必将推动中国对全球集成研究的深度参与，并发挥更大作用；这对促进中国气候变化及相关问题研究的深入开展，积极应对未来全球变化及生态文明建设也具有促进作用。
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2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049)
Abstract
The past 2000 years is a highlighted interval of the PAGES(Past Global Changes) project and PAGES initiates the 2k Network(PAGES2k) to coordinate and integrate studies over the world. This paper summarizes the recent advances, prospects and challenges about temperature and hydroclimate changes during the past 2000 years based on literatures related with PAGES2k. The results are as follows: (1) Although pronounced difference is shown for the amplitude of temperature changes over the past two millennia among the reconstructions of global mean surface temperature(GMST) produced by the different methods, all reconstructions show that the GMST during first millennium of the Common Era was warmer than that during the second millennium(except for the 20th century). All reconstructions show a significant cooling trend before 1850 A.D., followed by rapid industrial-era warming. The warmest 10-year, 30-year and 50-year period of the past two millennia falls within the second half of the twentieth century. (2) The synthesis reconstruction for global hydroclimate is still at the initial stage. Although the proxy data for global hydroclimatic reconstructions over the Common Era was compiled and the first gridded hydroclimate dataset covering the global land area was presented, there existed uncertainties in the results mainly due to the lack of long-term and spatially resolved proxies. (3) The tree ring with annual resolution is a major proxy for current reconstructions, while other proxies with lower resolution are not well fused in the global synthesis so far. Based on the data stewardship, PAGES2k will synthesize the proxies derived from land, oceans and societies for further studies focused on the themes of proxy and model understanding, methods and uncertainties, and climate variability, modes and mechanisms. The major challenges include the interpretation of spatiotemporal difference for the significance of climate proxies, dating and cross-validation of multiple proxies, proxy data mining, and methods for proxy data assemble, calibration and assimilation.