1、,全球气候变化,主要内容,1、6500万年前的地球气候2、6500万年以来新生代气候3第四纪气候4末次冰期气候5气候的快速变化6全新世环境72000年来的气候变化,周期、准周期变化 平稳序列趋势变化 变率变化突变：均值、周期、变率在时间坐标上 环境演变的基 本表现形式（据Hare 1979年修改）,一开一合谓之变，化新裁旧谓之变,1、6500万年前地球气候,全球气候变化,地球历史早期时太阳 的光度比现代低20 30，如果按照现代 大气成分估算，地球 的平均温度在20亿年 以前均应处于冰点以 下，大气中含量远高 于现代的CO2等温室气 体的强温室作用应是 地球保持温暖状态的 原因。,现代CO2含
2、量,现代太阳光度,地球历史的绝大 部分时期是温暖 的，从地质时期 的气候演变看，目前所处的第四,第四纪冰期,石炭二叠纪纪冰期 纪冰期是相对寒冷的时期。前寒武纪冰期地球气候的长期演变(L.A.Frakes,1984）,至迟在距今20亿年前后，现代意义的板块 运动的开始。自此之后，地壳的演变主要 表现为大陆的合并与解体的板块运动旋回 阶段。可能在距今11.5亿年前后存在一个主要大 陆块联合在一起的古联合大陆（Proto-Pangaea）时期，在距今106亿年期间，古统一大陆解体。,现代的海陆分布格局 是由约200MaBP的泛 大陆和泛大洋分裂形 成的。,理想泛大陆的气候状况模拟(据Kutzbach
3、和Gallimore,1989；引自R.J.Huggett,1991),巨大的陆地使得气 候的大陆性极其显 著，并存在大尺度 的冬夏季风环流。,整个陆地上的年降 水量大多不超过 720mm，东海岸日 降水量超过2mm，西海岸日降水量平 均达2mm的地区位 在冬季受西风带控 制的中纬度地区和 赤道辐合带控制下 的赤道地区。低纬地区降水小于 蒸发，中纬度地区 降水大于蒸发。,石炭纪和白垩纪时期的自然带分布（引自白顺良等，1984）,2、6500万年以来新生代气候,全球气候变化,大洋传送带洋流是自然界的冷热水管。洋流变动与气候变化密切相 关，互为因果。,密度差异是海 洋水团运动的 重要原因。密度取决
4、于温 度和盐度。低 纬地带因蒸发 强而盐度高，但同时温度也 高，所以密度 并不高。当洋流向高纬 运动过程中，温度下降而盐 分保留，所以 密度增大而下 沉。再沿洋底 流向低纬地带。,新生代以来的大陆漂移与温度变化（M.A.J.Williams等，1997）,澳大利亚从南极洲分离 建立起绕极环流,南极洲和澳大利亚之间的 进一步分离，塔斯马尼亚 海道开启,出现大规模的 海冰,印度大陆向欧亚大陆的接近，南 大洋和杜累克海峡增宽,极大陆上逐步发育起来地中海与世界其它大洋分离,6.25MaBP，杜累克海峡的张开,冰川在南“Messinisn 盐度危,机”，大洋中的盐 度下降约6，海水 冻结温度提高，造 成
5、高纬地区的海冰 进一步扩展,南北美洲之间的通道关闭在上新世的轻微转暖之后。到3MaBP北半球的气候变冷导致冰川 的显著扩展，在北大西洋中发现有冰漂碎屑存在，标志着作为第 四纪特征的冰盖迅速增长与消融的时期的开始,白垩纪到早第三纪的大洋环流及其与晚第三纪以来大洋 环流的对比(J.Rogers,1993）,13C显示的7MaBP前后巴基斯坦和北美地区从C3植物到C4植物的转化（引自Turekin,1996）,东非地区2.4MaBP前后环境的变化（引自Steven M.Stanley,1995）,晚新生代的变冷和干旱化不仅限于从西撒 哈拉经阿拉伯到印度西北部的广阔热带干 旱带，也不限于北半球。中国从
6、2.4MaBP 开始出现黄土沉积，地中海地区的夏季干 旱也在此时出现。热带安第斯地区的植物 群于2.5MaBP发生显著变化。南美、南非 和澳大利亚地区虽尚无法准确地确定时间，但地貌学、地球化学、动植物方面的证据 均表明新第三纪干旱化的趋向。,新生代以来自然带格局变化示意图,3、第四纪气候变化,全球气候变化,深海沉积记录的第四纪气候旋回,地球轨道参数变化及其引起的地球接收太阳辐射的变化,NATURE|VOL 429|10 JUNE 2004,最近80万 年来深海 气候记录 与天文轨 道周期,第四纪万年尺度气候变化原因,在深海氧同位素序列和我国黄土古土壤序列中均分别检 测出地球轨道参数变化的几个特
7、征周期，即0.4Ma、0.1Ma的偏心率周期，41ka的地轴倾斜率周期，以及 23ka和19ka的岁差周期，表明第四纪冷暖波动周期与地 球轨道参数周期（米兰柯维奇周期）相一致。深海沉积、黄土和冰芯等各指标曲线的形式与根据地球轨道参数变 化所计算的北半球高纬度地区太阳辐射量的变化曲线相 一致，仅时相上略有落后，因此，地球轨道参数变化可 能是第四纪环境周期性变化的驱动力。,Set points at ca.200&290ppm,Atmos composition and climate are closely coupled,Periodicity at ca.100 000 years,Long
8、 glacial periods;short interglacials,TheVostokChallenge,Whataretheforcingsandfeedbacksthatmovethe EarthSystem betweenglacialandinterglacialstates?Whatcontrolsthesetpoints?Howimportantisbiologyintheself-regulationof theEarthSystemasseenintheVostokrecord?,转换过程的不对称性冰期与间冰期之间的转换是不对称的，从间 冰期向冰期的过程是缓慢的、阶段性的
9、，缓 慢的变冷过程可能会持续7090ka，其间并 发生数次轻微回暖的阶段；从冰期向间冰期 的变化是迅速的，冰川融化只需要8ka的时 间，冰川的退缩使环境迅速转变为现代的间 冰期。,Source:Labeyrie et al(2003)In:Paleoclimate,Global Change and the Future,Springer.,45万年来全球大洋海平面的变化,末次间冰期以来 的大气CO2含量 变化(A)、温度 变化(B)、深海18O变化(C)与海平面变化(D)。(Barnola等，1987；Chappell 等，1986),南极冰芯中15kaBP以来的全球变化记录:a.微粒的体积
10、浓 度，b.非海相硫酸盐的含量，c.CO2含量，d.18O，e.估计 的降水率，f.推测的古温度。（引自Williams,1997）,北半球冰盖的发育按照这样的模式：冰雪积 累形成冰盖的过程十分缓慢，但冰川融化、冰盖退缩的过程却十分迅速。冰盖随冰期间 冰期的转换发生大幅度的往复进退（以深海 18O的变化为代表），这一过程既是对全球 温度变化的响应，同时也对全球温度变化起 到强烈的正反馈作用。,冰盖与海冰反馈,与冰盖的扩张与收缩相关联的是全球海平面 的升降。在从间冰期向冰期转换的过程中，大量的水分被从海洋转移到冰盖中固定下来，导致全球海平面随着冰盖的强烈扩张而发生 大幅度下降。由于冰期大洋缩小、
11、海面蒸发 减弱，导致全球降水减少，气候变干，陆地 冰盖因缺少水分供应而不会无限制增大，使 冰盖反射率反馈不致无限制增加。,“下削”机制的意义在于，冰退作用 的增强不是靠大气的增温使冰体融化，而是靠崩裂的海冰随海流漂走之后由 海水的热量使冰融化。,大气温室气体的反馈与气溶胶反馈,冰芯记录显示，温室气体CO2和CH4的含量在冰期 时减少，在间冰期时增大，呈现与温度变化相同的 趋势。这种强相关暗示存在着大气通过温室气体的 变化影响温度的反馈作用，使得变冷或变暖的程度 加大。南极冰芯资料表明，在增暖事件中，CO2的变化与 温度的变化几乎是同步的，但落后于日射变化。在 变冷事件中，温度变化落后于日射变化
12、，而CO2 的 变化又落后于温度变化。,冰期降水减少、风速增大、经向环流增强，浅海大 量出露为大陆，陆地植被覆盖降低，有大量的尘埃 由陆地吹向海洋，甚至到达南极中部，冰芯中粉尘 浓度在冰期时增大，冰期最盛期的冰芯中粉尘浓度 是冰后期的70倍。气溶胶粒子在大气中的载荷增大 具有正反馈效应，能将太阳辐射反射回太空，从而 加速地面冷却，使冰期加剧。间冰期时情况则相反。,地表风蚀,大气粉尘,沙尘天气,水汽凝结核,阳伞效应,全球温度,大气降水,黄土/土壤,大洋降尘,陆地降尘,戈壁/荒漠,陆地生态系统,海洋生物泵,碳循环,风尘搬运与堆积对气候系统的影响,我国黄土古土 壤记录表明，由粒度代表的 冬季风记录都
13、 先于由磁化率 代表的夏季风 记录的变化，表明在冰期和 间冰期之间的 转折时期，冬、夏季风在千年 尺度上存在明 显的位相差。这种滞后信息 可能是热带太 平洋海气系统 的状态调整滞 后于高纬陆地 的反映北京斋堂黄土的粒度与磁化率的变化（线框表示冬、夏季 风存在位相差的时段。熊尚发等，1996）,过去250kaBP以来，在岁差周期内，东赤道 太平洋与南半球海温同步变化（或略晚于后 者），而它们的变化明显领先于北半球海温 和大陆冰量的变化（Mcintyre）。,4、末次冰期气候,全球气候变化,末次冰期冰盛期(Last Glacial Maximum：LGM)系指 末次冰期中气候最冷、冰川规模最大的
14、时段，其时间在21kaBP（或相当于14C 年代18kaBP）前后，是距今最近的一 个与现代环境反差最大的气候时期。,Two reconstructions of what the world looked like during the height of the last glaciation(below)and around 6000 years ago(above).Note that the extent of sea-ice is not shown(nor is Antartica).Work is continuing on refi ning these maps.There
15、 is a considerable debate over the former extent of ice cover(e.g.in North West Russia)and over the character ofvegetation cover in many regions(e.g.Amazonia)during glacial times.On these maps greens represent vegetation requiring more moisture and browns and yellows are aridity tolerant biomes.Purp
16、les represent tundra,taiga and step vegetation and white is ice.Full documentation is available in the original publication.source:Petit-Maire(1999)C.R.Acad Sci Paris,Earth+Planetary Sciences,328,273-279.,6000 years ago,last glaciation,最后冰期时全球冰盖与 永久冻土的分布(上,下图 为现代的分布范围)（引 自Willianms,1997）,现代冰雪覆盖面积为 1
17、5106km2，占陆地面积 的10左右，海冰覆盖大 洋的7.3左右，冰川体积 30106km3，最后冰期最盛时，冰盖的 体积为90106km3，冰川 覆盖面积为40106km2，接近1/3的陆地被冰覆盖。,20kaBP以来北大西洋极地水团南界的变化.（据Lowe和 Walker,1984；引自Moore等，1996）,最后冰期时因 海面下降而出 露的陆架浅海 区分布（引自Willianms,1997）,最后冰期时美 国东部冰盖扩 张，植被地带 向南退缩（章 基嘉，1996）,冰 期,现 代,最后冰期时全球沙 漠的分布（引自 Willianms,1997）,非洲大陆最后冰期以来大气环流变化的模拟
18、结果（Nicholson等，1980）,5、气候的快速变化,全球气候变化,北大西洋和格陵兰冰芯记录中的气候快速波动（据Jouzel,1994;引自IPCC,1996）,Source:Labeyrie et al(2003)In:Paleoclimate,GlobalChange and the Future,Springer.,末次冰期南京石笋与GISP2冰芯氧同位素对比,From Rahmstorf and Alley 2002,模拟认为H事件可以用冰盖自 发波动进行解释；但有事实表 明H事件是对全球气候变化的 一种响应。H事件和D-O颤动事件可以对比，,Broeckerr认为H事件是通过大
19、 洋传送带开合机制激发全球气 候变化的原因。全球变冷H事件（通过大洋传送带）反馈放大全球气候变化,Source:Alley et al(1993)Nature 362:527-229.,新仙女木事件（Younger Dryas：YD）指全球冰川消退、气候回暖过 程中发生的气候恶化和严重的环境灾变事件。一般认为该事件发生于 日历年代1290011500aBP（14C年代1110kaBP），该事件结束后即 进入了温暖湿润的全新世。,瑞士吉森湖氧同位素记录和格陵兰DYE3冰芯记录所显示 的新仙女木事件（引自Houghton,1997）,An iceberg originating from nort
20、hwestern Greenland floating in the northern North Atlantic.As such icebergs drift into warmer water and melt,debris particles rain down onto the sea floor leaving a record of the equatorward extent of iceberg drift.During the last glacial period ice-rafted debris in the North Atlantic was delivered
21、as far south as the Portuguese margin.photo:Anne JenningsSource:Anne Jennings,A simulation of the Younger Dryas cold event using a simplified climate-carbon cycles model.Model results(black lines)are compared with several different paleo proxydata records from northern and southern hemispheres(color
22、s).source:Stocker and Marchal(2000).P.N.A.S.,97,1362-1365YD事件是由于冰盖融化,淡水注入 导致 北大西洋温盐环流中断,从而 带来寒冷气候;也有认为与CO2浓度 降低有关或者是大气圈变化的后果,6、全新世环境,全球气候变化,The top portion of the graphic to the left shows the global temperature trends across 18,000 years before present,determined by Paleoclimate proxy data.,北美（左）和斯
23、堪的那维亚地区（右）冰盖的退缩 过程（单位:kaBP.引自施奈德，1998）,冰盖融化,全新世海 面的变化(据 Williams,1 997;Roberts,1989）,海面上 升与地 壳均衡 调整,北美冰盖 边缘湖泊 的演变（据 Dawson,19 92),冰盖边缘 湖泊生消,与北美和欧洲冰盖消融相联系的罕见特大洪水发生的时间 及主要河流路径（据Dawson,1992）,松、栎在北 美和欧洲的 扩展过程（引自 Moore，1996）,全新世期间 加拿大树线 北界的变化（Sorenson 和Knox，1974；引自 R.S.Bradley,1985）,气候的变化最为迅速，表现出典型的突变 的特
24、征。植被的变化也比较迅速，但略滞 后于气候变化，在欧洲北部树木随气候转 暖而向北扩展的速度为160200m/年。冰 盖的消融则比气候的转暖缓慢，因为冰原 体积巨大、且部分地控制了区域气候，格 陵兰冰盖后退的速度可达3000km/百年，比 植被的变化慢得多（高迪，1984）。,德国黑森地区全新世植被类型的演替,北非和西亚全 新世湖泊变化 的记录（引自 Robert,1989）,降水增加与湖 泊水位上升,最后冰期以来 非洲森林的变 化（引自R.S.Brdley,1985）,全新世大暖期(Megathermal)是指全 新世间冰期中最温暖阶段，这个阶段时限较宽，包括了一些冷波动和在水分热量搭配上的气
25、 候不良波动。Hafsten建议大暖期起止时期为 8.23.3kaBP，施雅风等认为我国全新世大暖 期的时间为8.53 ka BP。,7、2000年来的气候变化,全球气候变化,北半球2000年来气温变化,(b),(a),(c),中国东部地区过去2000年冬半年温度变化序列（折线为3点滑动平均）Winter-half-year temperature change during the past 2000 years in eastern China,重建的北半球近1000年平均温度变化序列(Mann,1999),过去2000年中国东部冬半年的温度变化,第2页,中世纪暖期,亦称“气候小适宜期”或
26、“小气候适宜期”；最早由气候 学家Lamb于20世纪60年代提出；指欧洲及临近的北大西 洋地区气候史上距今最近的一个长达数百年的温暖气候阶 段，其起讫时间约为9001300年。在这个时段内，欧洲 及临近的北大西洋地区气候不但较其前后数百年温暖，而 且也较“现代”（指19001939年）温暖；特别是在11 12世纪，欧洲冬季较少出现严寒，而夏季却有较多的干旱 此后，许多学者利用各种证据证明，这一时期的温暖气候 不仅局限于欧洲及临近的北大西洋地区，而且在世界的其 它地区也明显存在，同时在北半球的其它一些地区也伴有 严重的长期干旱事件。,小冰期,小冰期名称最早由冰川学家Matthes于20世纪30年
27、 代提出；当时泛指大约开始于距今4000年的一系列 冰川前进阶段，即所谓的“后全新世”的广泛冷期。但20世纪60年代以后，越来越多的学者把“后全 新世”广泛冷期称为“新冰期”，而把距今最近的 持续数百年以上的冰川前进阶段称为“小冰期”。20世纪70年代，气候学家Lamb将“小冰期”的起讫 时间定为1619世纪中期；在此期间，欧洲山地冰 川前进，气候寒冷。然而后来的许多研究表明，在 同期或更早一些的1415世纪，在欧洲以外的许多 其它地区，气候就明显较其前期（中世纪暖期）寒 冷，并伴有大量的冰川前进事件。,引起气候变化的因素 自然波动：,太阳辐射的变化、火山爆发等；,人类活动：温室气体和硫化物气
28、溶胶的 排放、土地利用的变化等。,1991年6月12日从克拉克空军基地东边拍摄的皮纳图博火山喷发的尘埃柱。图片来源：美国地质勘探局（USGS）,火山活动对气候影响的历史记录,格陵兰冰芯中保留的火山喷发的气溶胶记录,也在树轮 存在火山喷发对气候影响的证据1883年印度尼西亚 Krakatau火山；181 5年印度尼西亚Tambola,强烈的火山喷发能够把大量的 气体和火山灰抛向高空，火山 尘幕中的固体粒子直径在 0.52m，甚至更小，它们可 在平流层大气中停留1年以上，并通过对平流层化学/动力学的影响而介入到全球变化过程。强火山爆发能在平流层下部形 成一个持久的含有硫酸盐粒子 的气溶胶层，它们存
29、留在平流 层中增加了大气的反照率，因 而减少了到达地面的直接太阳 辐射，进而导致温度下降，这 个影响被称为“阳伞效应”。,美国夏威夷岛冒纳罗亚山(Mauna Loa)的CO2观测,1992 Melt Extent,Melting of Ice over Greenland:1992-2002Passive Microwave derived maximum melt extent,2002 Melt Extent,Greenland ice sheet melt area increased on average by 16%from 1979 to 2002.The smallest mel
30、t extent was observed after the Mt.Pinatubo eruption in 1992Data from Konrad Steffen and Russell Huff,University of Colorado,人类活动导致温室气体增加的证据,从1750年以来，大气中CO2的浓度已经增加了31%，CH4增加了151%，N2O增加了17%，O3增加36%，这在过去几千甚至几十万年都没有过的（图1-3）（IPCC，2001）。,Mann重建的北半球近1000年平均温度变化序列(Mann,1999),第2页,过去1000 年温度下 降趋势在 过去100多 年被突
31、然 打断，更 显得不正 常,年,全球地表温度变化,1998年,相对于19611990年30年气候平均 公元2001980年公元18562003年温度距平(),20世纪是过去2000年中最温暖的100年。,(redrew from Mann and Jones,2003),过去2000年温度变化看，突然转折的过程不只是过去100年 才出现的。因此过去100年的变化中至少存在自然波动的因 素。,模式结果 观测结果,模式结果 观测结果,温度距平（）,温度距平（）自然强迫人类活动强迫,年,人类活动强迫,同时考虑自然变化和人类活动的共同作用才能更好地模拟1860,2000年气候演变。温度距平（）自然强迫
32、,近50年的气候变化主要由人类活动引起。,年,模式结果 观测结果年,TheFuture?,IPCCProjections 2100 AD,2,4,3Temperature(C),5,6,1,0,Global,0.5,1,N.H.Temperature(,C),0-0.51000,1500,2000,Mann et al(1999)and IPCC 2000,未来变暖的趋势?,大气中80 ppmv的CO2增量，并没有使我们 今天的间冰期比过去更温暖？为什么？,我们对 CO2 的气候效应 及环境系统 内部的运作 过程还缺乏 深入的理解。,0510152025303540,温度(-C4),-8-12
33、,2,280260,(ppm24V0),22020018016040,深度(m)0 500 10001500200025002750300032003300,年龄(ka BP)Vostok冰芯记录的过去420 ka温度和大气CO2含量变化(from Petit et al.,1999),人类活动造成的 温室气体增量究,竟起了多大作用？自然因素起了多 大作用？,C-7,C-6,c-5 C-4,C-3,c-2C-1,w-7,W-6,W-5 W-4,W-3W-2,W-1,唐代,东周,西汉,东汉,国,三晋 南北朝,宋代,元 代,明代,清代,春秋,战国,秦,汉代,隋,早 盛 中 晚 五 北,代 宋 十国,南宋,现 代,温度距平(C),日历 年代,朝代,随着大气CO2浓度的进一步增加，温度是否会这样增加下去？,各种模型预测21世纪CO2 浓度变化趋势各种模型预测21世纪温度变化趋势,5 IPCC Pr
