气候变率与变化

气候变率与变化（climate variability and change）包含两件事，气候变率（climate variability）谈的是持续期间超过单一天气事件的变动，而气候变化仅指那些持续时间较长（通常为数十年或更长）的变化。气候变化可指地球史上的任何时期，但此名词现在通常用于描述当代的。自第一次工业革命以来，气候越来越受到人类活动的影响（参见人类对环境的影响）。
地球气候系统的能量几乎都由太阳而来，同时也会把能量辐射到外太空。能量之传入以及传出地球，以及能量在地球气候系统中通过，统称为地球能量收支。当传入的能量大于传出时，收支呈正数，气候系统因此变暖。如果能量传出较多，收支呈负数，地球就会变冷。
在地球气候系统中通过的能量，以天气形式表达，随地理规模和时间的不同而有变化。一个地区天气的长期平均值和变率，构成当地的气候。当气候系统中各种固有的自然过程把能量分布改变时，这种变化是“内部变化”，例子包括海盆内的变化（如太平洋十年振荡和大西洋多年代际振荡）。当气候系统组成之外的事件造成系统内的变化时，这类变化就是“外部强迫”的结果。例子包括由太阳能输出和火山作用等因素所造成的。
气候变化对海平面变化、植物生命和大规模生物集群灭绝都有影响，也会影响到人类社会。
术语.
气候变率是描述变化的平均状态和其他气候特征（例如极端天气的可能性等）“在单个天气事件之外的所有空间和时间尺度上”的变化。有些变化似乎不是由已知气候系统所引起，而是在看似随机的时间内发生。这种变化称为随机性（或称。另一方面，周期性变化就相对会规律发生，并以特有的变化或天气模式出现。
气候变化一词通常特指人为气候变化（也称全球暖化）。人为气候变化是由人类活动所引起，这与部分由地球自然过程导致的气候变化不相同。从这个意义上讲，气候变化已成为人为全球变暖的代名词。在科学期刊中，全球变暖是指地表温度升高，而气候变化则包括全球变暖和温室气体水平增加所造成的其他所有影响。
世界气象组织 (WMO) 于1966年提出一个相关术语，即climatic change，用来涵盖时间尺度超过10年但不论原因的所有形式的天气变化。在1970年代，climatic change被climate change取代，专注于人为原因，因为人类活动很明显的能把地球的气候彻底改变。climate change被纳入联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）和《联合国气候变迁纲要公约》（UNFCCC）采用的名称。climate change（气候变化）现在既用作这个过程的技术性描述，也作为这个问题的名称。
成因.
依最广义的说法，地球从太阳接收能量以及将能量辐射进入外太空的速率决定地球平衡温度和气候。这种能量透过风、洋流和其他机制而分布到全球各地，对不同地区的气候产生影响。
可影响气候的各种因素被称为气候强迫(或称“强迫机制”），包括有变化、地球轨道变化、大陆、大气和海洋的反照率变化、造山运动和大陆飘移、以及温室气体浓度变化等过程。外部强迫是人为（例如温室气体和粉尘排放量的增加），也有自然而来（例如太阳能输出、地球轨道变化，及火山喷发）。有多种气候变化反馈可放大或减少初始强迫机制。还有一些气候临界点，超过之后会产生快速或不可逆转的变化。
气候系统的某些部分，如海洋和冰帽，对气候强迫的反应较慢，而其他部分则反应较快。快速变化的例子之一是火山喷发后，火山灰反射阳光，造成大气变冷。大气变暖，海水受热而膨胀（热膨胀），但速率缓慢，可能要花上数千年。但也有不同因素组合而产生的影响，例如北极海的反照率因海冰融化而大减，而让太阳能量输入增加，会产生季节性的海冰融化加速。
地球内部过程也会导致天气变化。内部非强迫过程通常涉及海洋和大气中能量分布的变化，例如温盐环流导致的变化。
内部变率.
因内部化而引起的气候变化有时会以周期性或振荡性形式展现。但此外的自然变化，我们无法预测何时会发生，这种变化被称为随机性。从气候的角度来看，气候变率被认为具有随机性。如果特定年份的云很少，就会出现能量不平衡，海洋会将额外的热量吸收。由于，此现象会“存储”在海洋中，并在距离原始天气扰动更长的时间后以变化的形式出现。如果天气扰动是完全随机性，此形式称为白噪音，而冰河或海洋的惯性可将其转化为气候变化，其中持续时间较长的振荡会形成较大的振荡，这种扰动称为布朗噪音（又称红噪音）。许多气候变化具有随机性，也有周期性，这种现象被称为随机共振。2021年诺贝尔物理学奖金中有一半，因德国籍克劳斯·哈塞尔曼和日本裔美国籍真锅淑郎在气候模型方面的工作而颁给他们。而义大利籍乔治·帕里西与其同僚引入随机共振的概念而获得另一半奖金，乔治·帕里西团队的贡献主要是在理论物理学方面的工作。
海洋-大气变化.
海洋和大气可以共同作用，自发产生内部气候变化，这种变化可一次持续数年至数十年。这些变化可透过重新分配深海和大气之间的热量和/或改变云/水蒸气/海冰的分布来影响全球表面平均温度，而影响地球总体的能量收支。
振荡和周期.
气候振荡（即气候周期）是全球或区域气候中任何反复出现的周期性振荡。这些现象有（并非精确的周期性），因此以傅立叶分析制作的中并无尖峰出现。目前已发现或假设许多不同时间尺度的振荡：
洋流变化.
论及气候变率，海洋可在百年时间尺度上产生变率，因为海洋的质量是大气的数百倍，因此具有非常高的容积热容（热惯性）。例如温盐环流等的海洋过程，在世界海洋热量再分配而造成变化上具有关键作用。
洋流将大量能量从温暖的热带地区输送到寒冷的极地区域。上一次冰期（技术上称为上一次冰河时期）前后发生的变化显示北大西洋的环流会突然发生重大变化，而导致全球气候变化，即使是进入气候系统的能量总额没变化太大也能产生。这些巨大的变化可能由所谓的造成，当时冰帽的内部不稳定导致巨大的冰山释放进入海洋。当这些冰帽融化时，产生的水含盐量很低而且温度很低，能推动温盐环流变化。
生物.
生物透过其在碳循环和水循环中的作用，加上反照率、蒸发散、云形成和风化等机制来共同影响气候。过往
生物影响气候的例子包括有：
外部影响.
温室气体.
生物圈释放的温室气体通常被视为反馈（或称内部）气候过程，而火山释放的温室气体通常被气候学家归类为外部气候过程。二氧化碳、甲烷和一氧化二氮等温室气体会捕获红外线而增高气候系统的温度。火山也有扩展碳循环的功能，在经历很长的（地质）时间，从地壳和地幔释放二氧化碳，抵消沉积岩和其他地质吸收二氧化碳（碳汇）的功能。
人类活动.
自第一次工业革命以来，人类一直在燃烧化石燃料而排放二氧化碳、砍伐森林来改变土地利用也会增加温室气体排放，并产生气胶（大气中的悬浮微粒），及释放微量气体（例如氮氧化物、一氧化碳或甲烷）更进一步改变气候。其他因素，包括土地利用、、畜牧业（如家牛等反刍亚目动物会产生甲烷）和森林砍伐，也会发挥一定的作用。
美国地质调查局（USGS）估计，火山喷发的排放量远低于当前人类活动的效果，后者产生的二氧化碳量是火山排放的100-300倍。人类活动每年释放的会大于超级火山一次释放的数量，最近一次的超级火山喷发是发生在74,000年前的印尼多峇喷发。
轨道变化.
地球轨道的微小变化会导致照射地球的阳光发生季节性及其在全球分布的变化。地区的年均日照变化很小，但地理和季节分布可能有很大的变化。地球的三种运动学变化是轨道离心率变化、地球转轴倾角变化和地轴的进动。三者结合，产生影响气候的米兰科维奇循环，并且产生与冰期和间冰期的相关性，撒哈拉沙漠出现及退却的相关性，以及在地质记录中的。
在冰期循环期间，二氧化碳浓度与温度之间存在高度相关性。早期研究，显示二氧化碳浓度滞后于温度，但后来发现情况并非总是如此。当海洋温度升高时，二氧化碳的溶解度降低，会从海洋中释放。空气和海洋之间的二氧化碳交换也会受到气候变化的其他方面影响。这些和其他自我强化过程会让地球运动的微小变化而产生对气候的巨大影响。
太阳能输出.
太阳是地球气候系统能量输入的主要来源。其他来源包括地核的地热能、月球的潮汐能和放射性化合物衰变时产生的热量。太阳强度的长期变化会影响全球气候。太阳能输出在较短的时间尺度上变化，包括为期11年的太阳周期和较长期的调变。太阳黑子与气候变化之间的相关性充其量仅为存在，但不强。
在30到40亿年前，太阳发出的能量只有今天的75%。如果当时的大气成分和今天一样，地球表面就不会存在液态水（而是以结冰型态存在）。但有证据显示地球早期（在冥古宙和太古宙时期）存在液态水，而产生所谓的年轻太阳黯淡悖论。解释这个悖论的假设方案包括当时存在一个截然不同的大气层，其温室气体浓度比目前存在的高得多（温室气体导致当时地球有较高的温度）。在接下来的大约40亿年里，太阳的能量输出增加。在之后的50亿年里，太阳最终会走向死亡，变成一颗红巨星，然后变成白矮星，将会对地球气候产生巨大影响。在红巨星阶段，地球上幸存的任何生命均将遭到毁灭。
火山活动.
被认为足以影响地球气候，为期超过1年的火山喷发，是那些向平流层注入超过100,000吨二氧化硫的喷发。由于二氧化硫和硫酸盐气胶的光学特性，会强烈吸收或散射太阳辐射，而形成一层全球性的硫酸雾霾。平均而言，此类喷发每个世纪会发生数次，并造成冷却效果（经阻挡部分太阳辐射抵达地球表面）长达数年之久。虽然火山在技术上是地球岩石圈的一部分，而岩石圈本身是气候系统的一部分，但政府间气候变化专门委员会（IPCC）明确把火山作用定义为外部强迫因素。
历史记录中有名的喷发是菲律宾，导致全球气温降低约0.5°C（0.9°F）为时3年，和位于今日印尼的1815年坦博拉火山爆发，让当年成为一个无夏之年。
在更大的范围 - 每5,000万到1亿间发生几次 - 大型火成岩区域的喷发，把大量火成岩从地幔和岩石圈带到地球表面。岩石中的二氧化碳随后被释放进入大气。 
小型火山每次喷发，向平流层注入不到0.1公吨的二氧化硫，导致温度变化程度与自然变化产生的类似，对大气的影响很小。但由于较小的喷发会以更高的频率发生，加总后也会产生巨大的影响。
板块构造论.
在数百万年的过程里，地球构造板块的运动重新改变全球陆地和海洋区域，产生新的地貌，而影响全球或是局部地区的气候及大气-海洋环流模式。
大陆的位置决定海洋的形状、大小及分布，而会影响海洋环流的模式。海洋的位置对于控制全球热量和水分的传递非常重要，因此在决定全球气候方面也很重要。板块构造控制海洋环流的最近一个例子是大约500万年前巴拿马地峡的形成，而阻断大西洋和太平洋之间直接混合。强烈影响到今日的墨西哥湾暖流（一种边界流），并导致北半球冰帽形成。在大约3到3.6亿年前的石炭纪时期，板块构造可能引发大规模的碳储存和冰河作用的增加。地质证据显示超大陆盘古大陆时期存在“巨型季风”环流模式，气候模型显示因有超大陆存在，有利于季风的形成。
大陆的面积也很重要。由于海洋具有稳定温度的作用，沿海地区的年度温度变化通常低于内陆地区。因此，一个巨大的超大陆将比几个较小的大陆或是岛屿拥有更多的强烈季节性气候地区。
其他机制.
曾有推测，被称为宇宙线的离子化颗粒会影响云层，继而对气候发生影响。由于太阳有保护地球免受这些粒子影响的作用，因此也存在太阳活动变化会间接影响气候的假说。欧洲核子研究组织（CERN）为验证这一假设，设计一项计划，结果显示宇宙线的作用太弱，无法对气候造成显著影响。
有证据显示大约6,600万年前的希克苏鲁伯陨石坑事件，对地球的气候造成严重影响。大量硫酸盐气胶喷发进入大气，全球温度因此降低26°C，并在3-16年的时间里产生低于冰点的温度，而事件经30多年才能恢复。科学家还研究大规模使用核子武器对气候的影响。假设情况是因此造成的大规模火灾，其释放的烟灰会阻挡大部分阳光，时间长达一年，让地球温度在几年内急剧下降。这种假设的事件被描述为核冬天。
人类对土地的利用会影响地表反射的阳光量和灰尘的浓度（参见地表对气候的影响）。云的形成不仅受空气中水分和温度的影响，还受空气中气胶（如灰尘）数量的影响。如果地球上有许多地区土壤干燥、植被稀少，且风力强劲的话，就会出现更多的灰尘。
气候变化的证据与测量.
古气候学是研究地球整体历史中气候变化的学科。它使用地球和生命科学中的各种代理方法，从保存在如岩石、沉积物、冰帽、树木年轮、珊瑚、贝壳和微体化石等事物中取得数据。再使用这些记录来确定过去地球各个气候区域及其大气系统的状态。
直接测量.
广泛部署测量设备可直接观测到气候变化。从19世纪中后期起，人类已可取得相当完整的全球地表温度记录。进一步的研究可间接从历史文献中取得。自1970年代起，可透过人造卫星取得云和降水的数据。直接测量可更全面了解气候变率。
研究的是气候的历史变化及其对人类历史和发展的影响。主要来源包括书面记录，如传奇、年代记、地图和地方史，以及绘画、素描甚至等图形表现形式。最近的气候变化可能源于定居点和农业模式的变化。考古学证据、口述历史和历史文件可提供对过去气候变化的洞察。气候变化与各种文明的兴起和崩溃有关联。
代理测量.
过去气候的各种资料存于岩石、树木和化石之中。从这些资料档案中，可得出间接的气候测量值，即所谓的代理值。使用海洋沉积物、、洞穴内石笋和树木年轮等替代物对前几个世纪和历代降水气候变化做推测，所得结果并不完整，但可得到近似的结果。压力、降水量过少或温度不佳都会改变树木的生长速度，让科学家借由分析树木年轮的生长速度来推断气候趋势。研究此的科学分支称为。冰和留下的冰碛含有丰富的内涵 - 包括有机质、石英和钾，这些物质可用来确定年代 - 由此得知冰河前进和后退的时期。
对从冰帽（如南极冰盖）钻取的冰芯进行分析，可显示温度与全球海平面变化之间的关系。冰芯气泡中的空气也可揭示遥远过去大气中二氧化碳的变化，此类变化远早于受到现代环境的影响。这些冰芯提供的资讯一直是研究数千年来二氧化碳变化的重要指标，并提供有关古代和现代大气条件差异的宝贵信息。根据方解石和冰芯样本中的18O/16O比率（参见）可用于推断遥远过去的海洋温度，是利用代理测量的一个例子。
植物的残余，特别是花粉，也被用来研究气候变化。不同气候条件下的植物分布不同。不同植物群的花粉具有截然不同的形状和表面纹理，而且由于花粉的表面由非常有韧性的材料构成，不易腐烂。在不同沉积层中发现的花粉类型变化可显示植物群落的变化。这些变化通常是气候变化的标志。例如花粉研究已被用于追踪第四纪冰河时期整体植被模式的变化，尤其是末次盛冰期开始的这一段。甲虫的遗骸在淡水和陆地沉积物中很常见。在不同的气候条件下往往会出现不同种类的甲虫。由于甲虫的广泛谱系经历几千年，基因构成却没发生显著变化、对不同物种在当前气候分布的了解，以及确定遗骸所在沉积物的年代，可推断出过去的气候条件。
分析与不确定性.
检测气候周期遇到的困难处是地球气候在大多数古气候时期，一直是以非周期的方式变化。目前我们正处于人为全球变暖的时期。在更大的时间框架内，地球正经历过最近的冰河时代，从全新世气候最适宜期开始冷却，从“小冰期”开始变暖，这表示气候在过去15,000年左右的时间里一直在变化。在温暖时期，温度波动的幅度通常较小。以反复冰河作用为主的更新世时期，是由更稳定的中新世和上新世气候条件下发展而来。全新世的气候一直比较稳定。这些变化都导致寻找气候周期性的工作变得复杂。
来自陆地-海洋-大气系统的正回馈、负回馈和生态稳定性通常会减弱或逆转较小的影响（无论是来自轨道强迫、太阳输入变化还是温室气体浓度的变化）。某些涉及云等过程的回馈也具有不确定性。对于飞机云、天然卷云、海洋二甲硫醚和陆基等价物，存在关于对气候温度影响的竞争理论，例如两种不同的（认为红外线辐射泄漏是种地球暖化的负回馈）和（认为浮游植物受地球暖化的影响而繁殖，最终产生负回馈）。
影响.
生命.
植被.
气候变化会导致植被类型、分布和覆盖率发生变化。有些气候变化会导致降水量增加和温度升高，而促进植物生长并随后把空气中的二氧化碳封存。预计这些因素会影响许多自然循环的速率，例如凋落物分解速率。]一个地区的温度逐渐升高将导致开花和结果时间提前，而推动依赖生物的生命周期所需时间发生变化。反之，寒冷会导致植物生物循环滞后。
但在某些情况下，更大、更快或更彻底的变化会导致植被压力、植物快速流失和沙漠化。这方面的一个例子是石炭纪雨林崩溃事件 (CRC) ，这是在3亿年前的一次灭绝事件。广袤的热带雨林覆盖当时欧洲和美洲的赤道地区。气候变化摧毁这些热带雨林，突然将栖息地分割成孤立的“岛屿”，并导致许多动植物物种灭绝。 
野生动物.
动物应对气候变化的最重要方式之一是迁移到更温暖或更寒冷的地区。在更长的时间尺度上，进化让包含动物在内的生态系统更能适应新的气候。当快速或大规模的气候变化，超过生物能够调适的程度时，会导致大规模灭绝。
人类及文明.
过去文明的崩溃（如马雅文明）可能与降水循环有关，尤其是干旱，而马雅文明的例子也与西半球暖池有关联。大约7万年前，超级火山多峇喷发事件在冰河时代造成一个特别寒冷的时期，导致人类种群可能出现人口瓶颈。
冰冻圈的变化.
冰河和冰帽.
冰河被认为是气候变化时最敏感的指标之一。它们的大小取决于雪输入和融化输出之间的质量平衡。冰河随著温度升高而导致融化加快，除非降雪量能补足，否则就会退却。冰河会因自然变化和外部强迫而增长或是缩小。在特定季节中的冰河，其演变会受到温度、降水和水文的强烈影响。
自上新世中晚期（大约300万年前）以来最重要的气候过程是冰河和间冰期的循环。最近的间冰期（全新世）已持续大约11,700年。受米兰科维奇循环的影响，大陆冰帽的上升和下降以及海平面的显著变化等反应帮助创造了气候。但其他变化，包括、丹斯高-厄施格周期和新仙女木期，说明在没有轨道强迫的情况下，冰河变化也能影响到气候。
海平面变化.
在大约25,000年前的末次冰盛期，海平面比今天大约低130米。之后冰河消退，海平面快速上升。在上新世早期，全球温度比现在高1-2˚C，但海平面比今日高15-25米。
海冰.
海冰会影响从地球反射的阳光总量，在气候形成中发挥重要作用。地球的海洋过去有几次在几乎完全被海冰覆盖，呈现所谓的雪球地球状态，而在温暖气候时期，海洋完全无冰。当全地球，尤其是在热带和亚热带存在大量海冰时，因为强烈，更具气候敏感度。
气候史.
在整个地质时期中通常充斥各种气候强迫，地球温度的某些过程可能是种自我调节的结果。例如在雪球地球时期，大片冰河和冰帽横跨地球赤道，几乎覆盖整个地球表面，极高的反照率导致极低的温度，而冰雪的积累可能会通过沉降而去除大气中的二氧化碳。但由于缺乏植物覆盖层来吸收火山排放的二氧化碳，表示温室气体可能会在大气中积累。当时也没暴露的矽酸盐岩石（在风化时会消耗二氧化碳），而造成暖化作用，最后导致冰融化而让地球温度回升。
古新世－始新世极热事件.
古新世-始新世极热事件 (PETM) 的整个期间，全球平均温度升高超过5-8 °C。 这一气候事件发生在古新世和始新世地质时代的时间分界线上。事件期间释放出大量甲烷（是种强效温室气体）。此事件代表现代气候变化的“案例”，因为当时的温室气体是在地质学上相对较短的时间内释放的。在PETM期间，深海中的生物发生大规模灭绝。 
新生代.
在整个新生代，多重气候强迫导致大气变暖及变冷，而导致南极冰盖的早期形成，之后融化，和后来的再次冰河作用。当时温度变化有点突然，二氧化碳浓度约为600-760ppm（目前浓度约为412ppm，在2000年约为370ppmm），温度比今日高约4°C。在更新世期间，冰河期和间冰期的周期大约为100,000年发生一次，但当轨道偏心率接近零时，间冰期可能会停留更长时间，就像目前的间冰期一样。以前的间冰期，如上次的温度比今天更高、海平面更高，而且南极西部冰盖发生部分融化。
气温会显著影响云量和降水。温度较低时，空气中的水蒸气较少，导致降水减少。在18,000年前的末次冰盛期，靠热驱动从海洋蒸发而移往大陆陆地的水蒸气很低，造成大面积的极端沙漠，包括（寒冷，但云量和降水率低）。相较下，8,000年前温暖的开始时，世界的气候比今天多云且多雨。
全新世.
全新世的特点是在全新世气候最适宜期之后开始出现长期降温，当时的温度可能仅略低于当前（21世纪第二个十年）温度，期间有强烈的非洲季风，在于当今的撒哈拉沙漠创造草原条件。从那时起，出现几起冰段事件，包括有：
相较之下，期间也出现几个暖期，包括但不限于：
在这些周期中产生某些影响。例如在中世纪暖期，今日的美国中西部极度干旱，包括今日在内布拉斯加州名为的地方都是活跃的沙丘。由鼠疫杆菌造成的黑死病瘟疫也发生在中世纪温暖期的气温波动期间，可能与气候变化有关联。
太阳活动可能是导致1930年代达到顶峰的现代变暖的部分原因。但太阳周期未能解释自1980年代至今观察到的全球变暖趋势。西北航道的开通和最近创纪录的现代北极缩减，造成的最低冰量等事件至少在前几个世纪并未发生，因为早期的探险者都无法穿越北极，即使在夏天也是如此。
现代气候变化与全球变暖.
由于人类排放温室气体，全球地表温度开始上升。全球暖化是现代气候变化的一个面向，此名词还包括降水、风暴路径和云量的变化。结果是世界各地的冰河正在显著缩减（参见）。南极洲和格陵兰的陆地冰帽自2002年以来一直在流失中，2009年起流失加速。全球海平面由于海水受热热膨胀和冰融化，而一直上升。北极海冰在过去的几十年里，其面积和厚度的减少，进一步证明气候正快速变化中。
地区间差异.
除全球气候变率和全球气候随时间变化之外，在不同区域又发生不同的变化。
由于海洋已吸收大约90%的多余热量，显示的是陆地表面温度比海洋表面的上升更快。北半球陆地与海洋的比例远大于于南半球，显示出更大的平均温度上升。.不同纬度也反映出这种平均温度升高的差异，北半球热带以外区域的温度上升程度超过热带的，而北半球热带以外区域的又超过南半球的。
大气层的上层区域变冷，而同时与大气层的低层变暖同时发生，证实温室效应和的作用。contemporaneously
根据观察到的区域气候变化（例如通过对比（更平稳的）年度全球变化与（较不稳定的）区域的年度变化，或是把不同地区的变暖模式与其各自的历史变化进行比较，把最新的温度变化模式取代各地区以往的模式），可证实持续变化确实存在。
观测区域变化有可能推测区域化的气候临界点，例如雨林损失、冰帽和海冰融化以及永冻层融化。这种区域变化是对可能的全球气候突变临界点进行研究的基础。