氣候變化

氣候同樣處于不斷的變化之中。各種觀測事實已經表明，地球上的氣候一直不停的呈現波浪式發(fā)展，冷暖干濕相互交替，并且變化的周期長短不一。氣候變化，特別是近代以來有觀測記錄的氣候變化已經成為地理學重要的熱點話題和研究領域之一。

和研究地球演化歷史一樣，研究氣候變化同樣需要通過一些載體進行分析和重建。氣候變化信息的來源可以分為以下三種：一是觀測記錄，精度高但是時間尺度較短，大多數地區(qū)的觀測資料不足百年；二是考古和文獻記載，能夠還原人類歷史上的氣候變化；三是各種古環(huán)境形成的歷史自然體，如黃土-古土壤、冰芯、深海沉積等，可以反演地質歷史時期的氣候。

世界大洋彼此貫通，沉積連續(xù)性好，利用深海巖芯能夠建立連續(xù)的、反映氣候變化的時間序列。根據深海沉積中碎屑物質的含量及分布，能夠獲得有關大氣環(huán)流狀況、大氣中塵埃物質等信息。

有孔蟲是一類單細胞的原生動物，由于有孔蟲能夠分泌鈣質或硅質，形成外殼。深海沉積中有孔蟲的碳酸鹽外殼中氧同位素的比值能夠定量的反映全球溫度與冰量的變化。氧有兩種同位素比較穩(wěn)定，一是氧-16，二是氧-18，含有氧-18的水分子不易蒸發(fā)，并且更容易凝結，因此氧-18和氧-16的比值關系可以反映氣候狀況。在寒冷期，大陸冰蓋擴展，大量低氧-18含量的淡水被固定在冰蓋中，大洋中的氧-18含量上升，有孔蟲外殼中的氧-18含量也相應的增加，另一方面，水溫升高時氧-18的富集效應減弱，水溫降低時氧-18的富集效應增強，這兩種影響是同向的，都是在低溫時氧-18含量增加。以現代平均大洋水中氧-18和氧-16的比值作為標準，計算不同時期沉積物中氧-18和氧-16比值與標準值的差值，就可以反演有孔蟲生存時的溫度。

冰川積雪終年不化，也能夠形成連續(xù)的氣候序列。冰川在形成時，其中可能凍結了一些小氣泡，提取冰芯中的這些小氣泡并對其成分進行分析，就可以推測過去大氣的成分。冰芯的氧穩(wěn)定同位素記錄同樣是氣溫的替代性指標，其原理與有孔蟲外殼中氧同位素記錄類似，低氧-18含量反映冷期，高氧-18含量反映暖期，通過建立冰芯中氧同位素比值與標準值的差值和溫度的關系，就可以推斷溫度變化。近6.5萬以來的冰芯氣候記錄顯示，大氣溫室氣體（如二氧化碳、甲烷）含量的增加與氣候變暖呈現一定的相關性。

第四紀黃土沉積以黃土和古土壤相交替沉積為特征，中國的黃土堆積最為典型，利用黃土-古土壤序列重建氣候變化是我國在世界上獨具特色的研究領域之一。黃土和古土壤的交互出現時風塵堆積和成土作用兩種對立的過程此消彼長的結果，當風塵堆積大于成土作用時形成黃土層，當成土作用大于風塵堆積時形成古土壤層。黃土-古土壤序列不僅是第四紀以來連續(xù)的風成沉積，而且記錄了第四紀以來古氣候的變遷，黃土沉積與冰期相對應，古土壤則與相對溫暖的間冰期相對應。

劉東生通過黃土剖面由許多黃土與古土壤交替而成提出了第四紀氣候“多旋回學說”：第四紀環(huán)境變化是頻繁的、周期性的冷暖交替，而并非傳統(tǒng)上認為的四次冰期，這是全球環(huán)境變化研究歷史上的一次重大革命。20世紀80年代，基于對中國黃土解釋了250萬年以來的氣候變化歷史，使黃土與深海沉積、極地冰芯并列成為全球環(huán)境變化研究的三大支柱，為全球氣候變化研究做出重要貢獻。

生物同樣可以反演氣候，其中最為重要的是孢粉和樹木年輪。孢粉是孢子和花粉的統(tǒng)稱，是孢子植物和種子植物的繁殖器官。植物體產生的孢子和花粉數量多，體積小，除了個別實現繁殖外，大部分都降落到地面后埋藏在沉積物中。借助于顯微鏡分析鑒定可以確定沉積物中孢粉的類型，從而推斷植被的時空演化過程以及氣候變化。

樹木年輪是樹木形成層周期性生長的結果，在季節(jié)差異明顯的地區(qū)，溫暖或濕潤的時期樹木生長快，細胞大而細胞壁薄，形成較寬的淺色早材；寒冷或干燥的時期樹木生長慢，細胞小而細胞壁厚，形成較窄的暗色晚材。早材和晚材合成一個年輪。一般情況下，樹木每年每年向外生長一個年輪，松柏等針葉樹種和一些闊葉樹早晚材差異顯著，因此具有清晰的年輪。樹木年輪中的缺輪、偽輪等異常變化，可以用來反映凍害、蟲害、火災等異常環(huán)境事件。樹輪資料能夠提供精度很高的氣候變化的信息，是重建幾十、幾百年乃至千年尺度全球變化的重要信息源之一。

除了這些氣候代用指標，歷史文獻的記錄、考古發(fā)掘物同樣是重建氣候信息的重要信息，可以從中提取出十分有價值的人類歷史時期氣候變化的證據。

根據這些豐富的資料，從不同時間尺度和研究方法來看，可以將地球氣候變化的歷史分為三個階段：地質時期的氣候變化，時間跨度最大，從距今約22億年至1萬年前；歷史時期的氣候變化，指一萬年以來（全新世）的氣候變化；近代氣候變化，最近一兩百年有氣象觀測記錄以來的氣候變化。

地質時期距今遙遠，科學家通過分析地層、冰川遺跡、動植物化石等間接方法反推其氣候變化。地質時期地球反復經歷過幾次大冰期，其中最具有全球意義的是震旦紀大冰期、石炭-二疊紀大冰期和第四紀大冰期，這三次冰期發(fā)生的時間也比較確定，每次大冰期持續(xù)時間約幾千萬年至上億年。大冰期之間的時期是相對溫暖的間冰期。

震旦紀大冰期發(fā)生在約6億年前，影響范圍遍布全球。石炭-二疊紀大冰期發(fā)生在約3億年至2億年前，持續(xù)時間較短，寒冷氣候的極盛期只有2000-3000萬年，這次冰期影響的主要是南半球。

第四紀大冰期從距今200萬年前開始直到現在，冰期最盛時在北半球有三個主要的大陸冰川中心：斯堪的納維亞、北美和西伯利亞，其中北美冰川延伸最廣，曾達到38°N附近，估計當時陸地約有24%被冰雪覆蓋。在這次大冰期中，氣候變動很大，冰川有多次進退，根據對阿爾卑斯山第四紀冰川的研究，確定第四紀大冰期中有四個亞冰期，但從黃土-古土壤的交替可見，第四紀氣候呈現出冷暖交替多旋回的特點。距今1.25萬年的新仙女木事件是末次冰期的最后一次寒冷事件，持續(xù)約千年，此后全球氣候帶分布基本形成現代氣候的特點，目前我們正處在一個相對溫暖期。

新仙女木事件后，氣候迅速變暖，全新世開始，全球進入冰后期。我國著名地理學家、氣象學家竺可楨根據歷史文獻和考古發(fā)掘等有關資料，得到了中國近五千年來的溫度變化曲線，與一萬年來挪威雪線高度變化比對，表現出明顯的一致性。在公元前5000年至公元前1500年的最適氣候期，當時的氣溫比現在高3-4℃，而15世紀以來的寒冷氣候期氣溫比現在低1-2℃。五千年來的中國氣候則表現出四個溫暖期和四個寒冷期。

近代有了大量的觀測資料記錄，百年來的氣候變化更加準確和詳細，盡管各個學者獲得的觀測資料和處理方法不盡相同，但總體趨勢大同小異。19世紀末到20世紀40年代，世界氣溫呈現波動上升，此后則是變冷，進入70年代以后，世界氣候又趨于變暖，目前這種增暖趨勢更加突出。IPCC（聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會）第六次評估報告表明：相對于1850-1900年，2001-2020年這20年平均的全球地表溫度升高了0.99℃，而2011-2020年十年平均的全球地表溫度已經上升約1.09℃，1850年以來，最近四十年的每個十年的全球地表溫度都相繼比此前的任何一個十年要暖。全球降水變化十分復雜，區(qū)域差異明顯，呈現出混沌體系的特征。全球變暖背景下，極端天氣事件也明顯增多。

總的來說，地質歷史時期的氣候變化以冰期和間冰期交替為特點，氣溫變化幅度在10℃以上，歷史時期的氣候變化中氣溫的變化幅度大約為2-3℃，近代氣候變化的氣溫振幅在0.5-1.0℃。

關于氣候變化的原因，許多學者提出了不少假設和理論進行解釋。歸結起來，氣候變化的原因可以分為兩類，一是外部因素，二是內部因素。外部因素主要為宇宙因素和地質因素，氣候系統(tǒng)對其沒有反饋作用，稱為氣候強迫項，內部因素是氣候系統(tǒng)內各要素之間存在反饋作用，從而發(fā)生氣候變化。

太陽輻射是氣候系統(tǒng)的能源，因此太陽輻射的變化必然導致氣候系統(tǒng)內部能量平衡的變化。首先，太陽輻射本身的強度就會發(fā)生變化，太陽常數可能的變化范圍在1-2%左右，有模擬實驗表明，太陽常數增加2%，地面氣溫可能上升3℃，但減少2%，地面氣溫可能下降4.3℃。

其次，太陽活動如黑子、耀斑等也會使太陽輻射發(fā)生變化，并且以11年為太陽活動準周期，其引起的氣候效應十分顯著。太陽黑子活動高峰期，全球范圍的雷雨和閃電活動頻繁，紫外線輻射也更強，氣候較暖；而太陽黑子活動較弱或沒有的時期，則與歷史記錄中的冷期相對應。

第三，地球軌道參數周期性的變化，包括地球軌道偏心率、地軸傾斜角度和春分點的移動，會引起到達地表的太陽輻射發(fā)生變化，控制著冰期循環(huán)，由塞爾維亞數學家米蘭科維奇（1879-1958）首先提出，稱為米蘭科維奇旋回。地球公轉橢圓軌道的偏心率在0.005-0.06之間變動，其周期為約96000年，以目前的情況作為對比，在近日點時獲得的天文輻射較遠日點約大1/15，當偏心率極大時這一差異就會變?yōu)?/3。地軸傾斜角度（或者說黃赤交角）是產生四季的原因，這個角度也在22.1°-24.24°之間變化，周期為約40000年，黃赤交角的變化會改變地球熱量帶的分布，地軸傾斜角度增大1°，極地年輻射量增加4.02%，而赤道則會減少0.35%。由于地軸進動，春分點西移，產生歲差，以大約21000年為周期，引起四季開始時間的移動和近日點、遠日點處所處季節(jié)的變化，影響地表的熱量狀況。

此外，地外物體的撞擊作用也會導致氣候變化。地質記錄顯示，新生代以來地球至少經歷了6次撞擊事件，撞擊作用產生的能量、塵埃等產生直接的氣候效應，最為顯著的就是降溫。大約6500萬年前的撞擊事件時氣溫劇烈降低，很可能導致了恐龍的滅絕。

地球內部的能量驅動著巖石圈運動，改變下墊面，對氣候產生影響。巖石圈板塊運動導致海底擴張和大陸漂移，改變了海陸分布格局，從而對全球氣候變化產生深刻影響。造山運動使下墊面更加復雜，能夠改變大氣環(huán)流格局，特別是青藏高原的隆升擾亂了北半球的大氣環(huán)流，對亞洲季風的形成和維持具有重要意義。火山活動同樣會改變氣候，大型火山噴發(fā)時，火山灰進入平流層產生“陽傘效應”，在2-3年中削弱全球的入射太陽輻射，進而顯著地影響氣候。地球磁場的變化同樣與氣候變化有一定聯(lián)系，全新世以來，強地磁活動都與全球變冷并行。

海洋、陸地和大氣之間的反饋作用復雜，各種氣候系統(tǒng)外部的強迫很有可能通過海-陸-氣耦合起來產生放大效應，改變地表熱量、水汽的輸送，從而改變整個氣候系統(tǒng)的物理狀態(tài)。海-氣耦合濤動有顯著的年代際變率，是驅動全球與區(qū)域氣候產生年代際變化的最重要因子。

人類活動強烈地改變了地表環(huán)境，也成為了氣候變化的重要因素。IPCC第六次評估報告明確指出：“毋庸置疑的是，自工業(yè)化以來，人為影響已經使大氣、海洋和陸地變暖；人類活動引起的溫室氣體增加很可能是1979年以來對流層變暖的主要驅動因子?！?/strong>人類活動對氣候系統(tǒng)影響這一結論的信度提高。但在有些領域仍然存在不確定性，通過模型模擬的海溫、降水、大氣環(huán)流等方面仍然存在不足，難以給出有關人類貢獻的確鑿結論。人為氣候變化對極端事件影響的證據加強，人類活動導致的氣候變化已經影響到全球各個區(qū)域的許多極端事件的變化，預估極端熱事件、強降水、農業(yè)生態(tài)干旱的強度和頻次以及強臺風（颶風）比例等將增加。

IPCC第六次評估報告還指出：“除非大力、迅速、持續(xù)減少溫室氣體排放，否則無法將溫升限制在1.5℃、甚至2℃內。”環(huán)球同此涼熱，人類前途命運休戚與共，全球性問題需要全球行動、全球應對、全球合作，應對全球氣候變化需要全人類的共同努力。

（本節(jié)完）