现代气象站观测资料时间跨度较短(大多不到100年)，制约了人们对地球气候的理解。100多年以来，地质学家们利用地球上的各种地质生物载体，如冰芯、海洋沉积、树轮、珊瑚、湖沼、石笋等，获取了大量地球过去气候变化的资料。
但是，当前古气候研究载体的: Q h E B Y q v时间分辨率较低，通常为数十年到月。这样的时间分辨率可以研究地球过去的气候变化，但是无法用于研究发生在日-小时甚1 ! n C至更短时间尺度的天气变化。
在中国科学院院士安芷生的指导下，中国科学院地球环境研究所等单位的研究人T : V ( ?员经过5年多的努力，发现从南海砗磲化石中可以获得日-小时分辨率的古代天气信息。相关论文近日发表在《美国国家科学院院刊》上。我们特约论文第一作者，中科院地球环j ! = z =境所研究员晏宏为读者做相关科普解读。
为什么只有古气候学，没有古天气学？
气候是大气物d n 7 I h $ ] # }理特征的长期平均状态或变化，时间尺度为月、2 J H a季、年、数年到数百年以上。气候以冷、暖、干、湿这些特征来衡量，通常由某一@ { y - e时期的平均值和离差值表征。而天气是大气物理特征的瞬时态，时间尺度为E E k P M ?日、F # b小时、分钟甚至秒，比如一场暴雨、一个台风、一次寒潮等。
自人类文明诞生以来，认知气候和天气变U 3 ( _ ^ l n化就成L 8 s为了最重要的工作之一，比如中国古代的历史文N y - L { D N U `献中，就记载了大量气候和天气变化的信息，春秋战国时代诞生了堪称伟大的二十四节气并沿用至今。而在欧洲，古希腊哲学家亚里士多德在公元前300多年就已r 6 3 d 1经著书《气象汇论》，这也是世界上最早的气象书籍。
16世纪中期后，欧洲工业的发展推动了科学技术的发展，各种气象观测仪器纷纷发o i n明出来，比如1593年意大利学者伽利略发明温度表，1643年意大利学者托里拆利发明气压表，1783年索修尔发明湿度表等等。这些仪器为建立气象台站提供了必要的条件。地) g # 8 - +面气象观测台、站相继建立，形成了地面气象观测网。
虽然人类发明温度计、气压计等气象观测仪器的时间有近400年，但是早期的观测资料要么没有统一的标准，要么已经遗失，而且在地域分布上也比较稀疏且不均匀。高质量的气象站观测g - - U K ~ U E t资料最长不过一百多年，大部分的气象站则不到100年。
这不足百年的气象资料对于p a j 0 D &准确理解地球气候和天气的变化并预测未来是远远不够的。为了弥补现代器测资料的短缺，自19世纪中期以来，地质学家们开始利用地球上的各种地质生物载体，如冰芯、海洋沉积、树轮、珊瑚、湖沼沉积、石笋等x % a f ( A，来重建地球过去的o x 6气候变化，并由此诞生了古气候学这样一门学科。
比如利用树轮的宽度重建某一区域过去数千年的温度或者降水变化;利用珊瑚年层的氧同位素和元素比值重建海洋表面的温z p + L = f V度变化;利用黄土沉积的粒度来指示过去几百万年东亚冬季风的强度等等。
经过一百多年的努力，地质学v E K 8 S s Z :家们成功地构建了过去6500万* K y d 5 | 6 K 0年甚至更长时间地球气候变化的框架。这9 h G 0 s H 9 R R些知识极大地丰富了我们对于地球气候历4 Z z 4史的了解，让我们知道了地球历史上曾经存在过f } # x A超级大冰期、超J Y B 6 e 9 Y &级大暖期，也存在过剧烈的冰期-间冰期旋回，还帮助我们理解了当前全球变暖在地球气候历史- ) v J上的地位。
虽然古气候学的研究取得了大量的z z s 1 7成果，为我们认识地球气_ @ ;候变化提供了重要的z 7 % * q 2 } 9 9帮助，但是我们似乎很少听说古天气学这4 G |个词，是古天气研究不重要吗?当然不是。
虽然地质学家们开发出了很多古气候研究载体，如冰芯、海洋沉积、树轮、珊瑚、湖沼沉积、R I | M J I +石笋等，但是他们能够提供的信息的时间分辨率都太低，通常为数十年到数百年，最高分辨率的载体如树轮和珊瑚* r x a Q %，也只能到( h { %年或者月。也就是说，我们通v f Q 6 +过这些地质生物载体获取的，都是几百年平均c , I P f，最多几个月平均的气候信息。这些信息可以用来理解地球气候(月及以上尺度)的变化，但是无法用于研究发生时间在日-小时甚至更短时间尺度的天气变化。
砗磲为何有潜力成为古天气研究载体？
首先让我们来认识一下什S $ D [ ^么是砗磲。
砗磲是全球最大的双壳类贝壳，自始新世(距今约5000万年)以来便一直是热u : ! J带太平洋-印度洋珊瑚礁中m u ; - ! k 的重要组成部分。砗@ K ; 3 !磲寿命能达到甚至超过100年，其碳酸盐壳体生长速度非常快，几十年就能长到1米以上。砗磲壳体通常具有年生长纹层甚至日生长纹层，是一种非常理想的高分辨率全球天气变化历史研究载体。
大家知道，. E = U c _ [我们常见的小贝壳通常是开口向下，可以通过肌肉移动。但砗磲一般都是开口向上固定在珊瑚礁盘上，一辈子都不会移动。这个固定不动的特征对于我们做古气候古天气研究非常重要。如果砗磲不停地移动，那么所记录l 2 | U : [ :的气候环境信息就会随位置的改变而受到干扰。好在砗磲一辈子不移动，就像一个海洋气象站一样，在同一个位置不停地记录周边的海洋、天( ; r & z - v气、气候信息。简直就是天生的“地质气象站”。
砗磲表面的B - C m 5 s R s外套膜上面，有很多虫黄藻，虫黄藻光合作用能直接给砗磲提供能量，因6 5 S此砗磲实际上是靠光合作用生活的，除了幼年期吃几个虫黄藻外，一辈子几乎不吃东西。砗8 C . S x V X磲这个靠光合作用生活的特性，对于我们用砗磲做古天气重建也非常重要，天气一变化，虫黄藻光合作用效率就会变化，砗磲生长速率等生物地球m C c [ ] l W e #化学特征就会变u 1 C + C ` 6化。因此通过测试化石砗磲的生长速率变化，就` u f { m 9 d有可能提取出古代气候和天气变化的信息。
砗磲寿命最长能到100年，大部分在50年左右。也就是说，单个的砗磲可以提供50-100年的气候或天气记录。虽然不长，但是我们有很多个化石砗磲，k U w %有的生活在几十年前，有的在几千年甚至几万年前，很多个化石砗磲在一起，就能提供很多过去的气候和天气变化信息。
首先我们来看看o R 3 # L Y J } U砗磲的年纹层。在一个采自# ! / 1 f )南海西沙的砗磲截面上，我们可以清晰地看到纹层，这个纹层就是砗磲的年纹层，因为冬夏的生长速率不同，碳酸盐呈现出不同的光学特征。m N /每个年纹层的宽度不一，大约1-20毫米，幼年期的时候长得o # U快点，老了长得慢点。但是它不会像人一样年纪大了就不长高。
利用我们实验室自行开发的微钻设| ) n @ / v备，可以从每个砗磲年纹层中取到超过12个样品，获得月分辨率的样品。对这些样品进行测试，我们就可以获得月分辨率的氧同位素、元素比值等记录。这些数据主要受温度控制，它们与温度之间有定量关系，可以建立转换方程，从而计算当时的温度。
这就是利用砗磲进行古气候研究的基本原理。通! } F k R ( 5 5 ,常我们采集一u ^ u个化石砗磲后，会用放射性碳测年方法测定它大致生活在什么年代，然后在每个年纹层中取超过12个样品，再测试样品的氧同位素和元素比值，然后利用转换方程，计算当时的温度，并讨论相应的气候系统变化。
到这里为止，我们利用砗磲所做的仍然是古气候9 g X t M +研究，分辨率为月，仍然无法深入到日-小时尺度的天气变化。
接下来的重点是，之前我们观测砗磲的年纹层用的都是肉眼看f 1 m 6 M R a，后来我们升级了，采用了生物学研究上常用的激光共聚焦显微镜，R T X F O =在显微镜下我们看到了清晰连续的日生长 } 4 7 W , 9纹层。日纹层宽度为10-60微米。也就是说，砗磲实际上每天在长一小层，只是我们肉眼看} I A U G F [不到，但显微镜能看到{ ^ { E 4。
这个日纹层很重要，因为它可以用来建立日分辨率的年代学框架，这也是我们v t r ( n r j : #进行日分辨率古天气研g 5 w 1 { 6 b究的基础。
如果砗磲有清晰连续的日纹层，那么我们就可以把砗磲寿命? b ) X c / D中所经历过的时间一天一天地分开。然后至少可以根据每天的生长宽度1 E ? A = a 6 /建立砗磲日分辨率的生长速率变化。前面我们也提到，砗磲生长靠光合作用，会受到天气变化影响。因此日生长速率的快慢就有可能反映当时的天气变化。
有了准确的日分辨率年代学框架，我们还可以进一步在每个日纹层中做文章，n T - i T把分辨率进一步提高。比如用纳米二次离子质谱测试日纹层中的元素分布。; L . A K d
刚才我们提到砗磲每个日纹层宽5 0 S度在10-6, J V O y ( /0微米，而纳米二次离子质谱的测试分辨率可达1微米甚至更高，理论上可在每个/ I t ] | L |日纹层中获得13 + r k D 10-60个连续元素数据(数据分辨率0.4-2.4小时)，可建立小时分辨率的地球化学序列。
有了日分辨率的生长速率和小时分辨y | b 4 g / x c率的地球化学记录，我们就可以开展M 6 _ * | c # j日-小时分辨率的古天气研究了。比如我们发现，砗磲日-小时分辨率生长速率和元素比值记录Z k ~ R N R i C中的脉冲式突变，几乎都与南海北部的极端天气事件有关，如夏季的台风和冬季的寒潮。比如，在台风袭击南海北部的时候，砗磲日生长速率会因为天气状况的变差而降低;同时台风带来的强风搅动可以导致海洋表层Fe、Ba等营养盐的升高和表层生产力的增加，并在砗磲地球化学参数中得到记录。
这些信息) j O x O Z表明，砗磲的日生长纹层，有潜力* o G .用于研究过去发生的台风、寒潮等极端天气事件。也就是说，每年有多少次台风，多少次暴雨，冬天有多少次寒潮等等，这些信息都可以在砗磲化石中读到。
比如，我们获得了一个化石砗磲，利用碳测年方法得到这个砗磲存活在大约2000年前，也就是我国的汉朝时期。然后通过肉眼数年纹层，我们知道了这个砗磲寿命是60年，那么我们就可以建立连续60年的相对~ x i M 0年代学框架。我们可以通过测试月分辨率的氧同位素、元素比值来计算当时的平均气候状态，假如计算结果显示那时候的温度比现~ F ! k V l H r在j J |高1.2℃，那么就可以推断我国汉朝的时候，南海的温度比现在高1.2℃，是一个典型的温暖期。进一步利用激光共聚焦显微镜} 8 9 I ` ) h和纳米二次离子质谱，我们可以获得这60年中，日-小时分辨率的生物地球化学记录。随后我们就可以对当时的天气状况进行分析，比如每年有多少次台风，多少次暴雨，冬天有多少次寒潮等等。
