第9章 全球氣候變化

1、第9章 全球氣候變化9.1 過去的氣候變化9.2 近期的氣候變化9.3 人類活動對氣候變化的影響9.4 當前的全球氣候變化研究9.1 過去的氣候變化 1.地質時期的氣候變化 2.第四紀氣候變化 3.全新世氣候變化 4.歷史時期的氣候變化 5.儀測時期的氣候變化 6.氣候變化的原因機制思考：在地質時思考：在地質時期，地表經(jīng)歷幾期，地表經(jīng)歷幾次大冰期？次大冰期？三次三次冷冷暖暖干干濕濕地質時期氣候地質時期氣候變化特點：變化特點：冰期和間冰期交替。冰期和間冰期交替。思考：恐龍繁盛思考：恐龍繁盛時期的氣候有什時期的氣候有什么特點？么特點？高溫干燥高溫干燥冷冷暖暖干干濕濕地質時期的氣候變化地質時期的氣候

2、變化第一次大冰期第一次大冰期間間冰冰期期第二次大冰期第二次大冰期間間冰冰期期第三次大冰期第三次大冰期距今距今6 6億年前億年前距今距今2.32.3億年前億年前距今二、三百距今二、三百萬年前萬年前元古代震旦紀元古代震旦紀大冰期大冰期古生代石炭古生代石炭二二疊紀大冰期疊紀大冰期新生代第四紀新生代第四紀大冰期大冰期特點：特點：波動變化，冷暖干濕交替，變化周期長短不一。波動變化，冷暖干濕交替，變化周期長短不一。 溫暖期較長，寒冷期偏短；溫暖期較長，寒冷期偏短； 濕潤期與干旱期相互交替，濕潤期與干旱期相互交替， 但中生代以干旱為主，新生代以濕潤為主。但中生代以干旱為主，新生代以濕潤為主。第四紀氣候第四紀

3、氣候（一）第四紀冰川發(fā)育概況（一）第四紀冰川發(fā)育概況第四紀氣候以全球性變冷為最突出的特征，表第四紀氣候以全球性變冷為最突出的特征，表現(xiàn)為冰川作用的盛衰和氣候帶的移動，即冰期現(xiàn)為冰川作用的盛衰和氣候帶的移動，即冰期和間冰期的更替。和間冰期的更替。第四紀冰期鼎盛時，全球大陸有第四紀冰期鼎盛時，全球大陸有20到到30的的面積為冰川覆蓋，據(jù)弗林特估計，總面積達面積為冰川覆蓋，據(jù)弗林特估計，總面積達4438106平方公里，而現(xiàn)在僅有平方公里，而現(xiàn)在僅有10的面積的面積被冰川覆蓋。被冰川覆蓋。第四紀冰期的出現(xiàn)，明顯地改變了地球上的自第四紀冰期的出現(xiàn)，明顯地改變了地球上的自然面貌，無論大陸或海洋，都發(fā)生了一

4、系列巨然面貌，無論大陸或海洋，都發(fā)生了一系列巨大變化。大變化。其中受影響最大的是生物界，表現(xiàn)為喜冷生物其中受影響最大的是生物界，表現(xiàn)為喜冷生物群的發(fā)展和分布區(qū)的擴大。群的發(fā)展和分布區(qū)的擴大。此外，冰川還對陸地表面進行塑造，引起全球此外，冰川還對陸地表面進行塑造，引起全球性海平面的升降以及海陸輪廓的變化等。性海平面的升降以及海陸輪廓的變化等。二、第四紀氣候變化證據(jù)二、第四紀氣候變化證據(jù)（一）巖性方面的證據(jù)（一）巖性方面的證據(jù)風化作用的性質和強度、沉積物的分異程度風化作用的性質和強度、沉積物的分異程度等方面都可以反映古氣候。等方面都可以反映古氣候。冰磧物是冰川作用的產(chǎn)物，是寒冷氣候的標冰磧物是冰川

5、作用的產(chǎn)物，是寒冷氣候的標志，可以恢復古冰川的規(guī)模。志，可以恢復古冰川的規(guī)模。紅色風化殼、含鐵錳的沉積是在炎熱潮濕的紅色風化殼、含鐵錳的沉積是在炎熱潮濕的氣候下形成的。氣候下形成的。礦物的風化程度和礦物組合也可以反映形成礦物的風化程度和礦物組合也可以反映形成時的氣候。時的氣候。黃土和古土壤黃土和古土壤 黃土是寒冷氣候的標志，古土壤是溫暖氣黃土是寒冷氣候的標志，古土壤是溫暖氣候的標志。候的標志。 一層黃土和一層古土壤構成了一個氣候變一層黃土和一層古土壤構成了一個氣候變化周期?；芷?。 黃土高原的黃土中夾有黃土高原的黃土中夾有20多層古土壤（埋多層古土壤（埋藏土壤），這表明第四紀期間有藏土壤），這

6、表明第四紀期間有20多次氣候多次氣候的冷暖變化。的冷暖變化。 根據(jù)黃土研究和根據(jù)深海沉積研究得出的根據(jù)黃土研究和根據(jù)深海沉積研究得出的氣候變化曲線是可以對比的。氣候變化曲線是可以對比的。紅色條帶為古土壤紅色條帶為古土壤 暖濕氣候暖濕氣候黃色條帶為黃土黃色條帶為黃土 干冷氣候干冷氣候渭南黃土剖面黃土古土壤記錄 歐洲和北美均有第四紀黃土沉積,我國的黃土高原地區(qū)更分布有數(shù)百米厚的第四紀黃土.我國的黃土和古土壤序列是已知陸地上連續(xù)性最好,且能夠很好地與深海沉積序列對比的沉積物,利用黃土與古土壤序列重建過去的全球變化是我國在世界上獨具特色的研究領域之一.黃土成因研究簡史 1930初期,楊鐘健等開始中國黃

7、土研究,將華北晚更新世黃土確定為典型的風力堆積物,定名為馬蘭黃土(劉東生等,1985) 1980以前,主要研究了第四紀黃土的分布成因和地層劃分.對晚更新世黃土的系統(tǒng)研究較少. 1980以后,劉東生、安芷生、李吉均等引入新的手段與方法，在黃土和古土壤的年代測定、地層劃分、形成環(huán)境等方面進行大量研究。 取得成果： 晚更新世黃土地層中含有最后一個間冰期-冰期旋回中環(huán)境變遷的多種信息。 發(fā)現(xiàn)晚更新世黃土中夾有古土壤層 從馬蘭黃土中存在的古土壤層中獲取了大量的環(huán)境變化信息與測年數(shù)據(jù)，并建立了多種氣候代用指標。黃土沉積特征 第四紀黃土沉積以黃土層和古土壤層交互沉積為特征。黃土層的形成反映風塵堆積作用過程，

8、而古土壤層的形成反映成土作用過程。當風塵堆積作用大于成土作用時形成黃土層，反之，形成古土壤層。 黃土沉積與寒冷的冰期相對應，古土壤與相對溫暖的間冰期相對應。 我國黃土主要分布在干旱荒漠區(qū)的外緣，表明黃土沉積時期當?shù)貙儆诟珊菰h(huán)境，而古土壤發(fā)育時期則對應溫暖的森林草原環(huán)境。 黃土與古土壤層的交替變化是第四紀冰期-間冰期環(huán)境周期性變化的反映。 根據(jù)黃土層的風化程度和古土壤發(fā)育程度的差別，推斷環(huán)境在不同時期的差別。 黃土古土壤序列是目前已知的唯一能與深海氧同位素記錄對比的陸上沉積。兩者有很好的對應關系。黃土地層序列及其年代 黃土層: 一般為灰黃色,質地均一,無明顯結構. 古土壤層: 為紅色,有明顯

9、的土壤結構和土壤發(fā)育層次. 研究中以L代表黃土層,以S代表古土壤層重要的氣候代用指標從黃土-古土壤序列中提取的具有指示古氣候、古環(huán)境變化的重要指標有：1、粒度2、CaCO3含量3、有機碳含量（TOC-總量）4、全氧化鐵含量5、黃土地層中生物遺存1、粒度：是用來反映黃土粗細程度的指標，粒度的大小差別反映風力搬運強度的差別。對我國來說，上世紀60年代，劉東生等發(fā)現(xiàn)黃土高原馬蘭黃土的粒度分布表現(xiàn)出由西北向東南逐漸減小的趨勢，這種分布與現(xiàn)代西北季風和現(xiàn)代沙塵暴天氣的移動路徑完全吻合，推論黃土是來自于西北荒漠的風塵堆積物。黃土剖面粒度大小與西北季風的強弱直接相關。 2 CaCO3含量 為易溶鹽類，在次生

10、風化改造過程中變化非常明顯，可以當作探索大氣降水或濕潤程度的指標。研究發(fā)現(xiàn)規(guī)律是CaCO3在黃土層中含量高，而在古土壤層中含量低。表明在黃土沉積時期，為干旱少雨的環(huán)境， CaCO3在土層中淋溶少，沉積多，故含量高。在古土壤沉積時期，環(huán)境濕潤多雨，大量CaCO3被淋溶殆盡，故含量低。 CaCO3在古土壤剖面中淀積深度的變化，也可作為衡量氣候濕潤程度的指標，這對于推斷黃土地區(qū)過去的全球變化具有重要意義. 3、有機碳含量（TOC-總量） 黃土中有機碳含量（TOC-總量）與其堆積之后生物氣候環(huán)境有密切關系，所以它可以作為氣候變化的代用指標。例如：渭南剖面有機碳的平均含量：0.26% 古土壤層中含量較高

11、,在0.3%0.64%黃土層中的含量明顯低,在0.04%0.45%整個剖面有機碳含量曲線的峰值與古土壤層對應良好,反映古土壤層形成于溫暖濕潤,生物繁茂的時期.（二）地貌證據(jù)（二）地貌證據(jù)冰川地貌冰川地貌是冰川作用的產(chǎn)物，是寒冷氣候的標志。是冰川作用的產(chǎn)物，是寒冷氣候的標志。冰斗形成于雪線附近；所以根據(jù)古冰斗可以冰斗形成于雪線附近；所以根據(jù)古冰斗可以恢復古雪線位置，計算溫度下降值?；謴凸叛┚€位置，計算溫度下降值。根據(jù)多層冰斗、根據(jù)多層冰斗、U型谷的疊置，冰磧物的分層型谷的疊置，冰磧物的分層等現(xiàn)象可以恢復冰川作用序列。等現(xiàn)象可以恢復冰川作用序列。2. 冰緣地貌冰緣地貌 根據(jù)冰緣地貌可以恢復冰川作用

12、范圍。根據(jù)冰緣地貌可以恢復冰川作用范圍。浙江新昌縣天姥山麓浙江新昌縣天姥山麓發(fā)現(xiàn)了我國最大的第發(fā)現(xiàn)了我國最大的第四紀冰川石河遺跡四紀冰川石河遺跡萬馬渡冰石河。萬馬渡冰石河。在當?shù)鼐d延在當?shù)鼐d延3公里的公里的萬馬渡河谷發(fā)現(xiàn)了大萬馬渡河谷發(fā)現(xiàn)了大量冰川漂礫、冰磧壟量冰川漂礫、冰磧壟等第四紀冰帽冰川遺等第四紀冰帽冰川遺跡。跡。萬馬渡冰石河第四紀冰萬馬渡冰石河第四紀冰川遺跡冰磧礫石川遺跡冰磧礫石3. 沙漠的演變（擴大、收縮）沙漠的演變（擴大、收縮） 沙漠是干燥氣候的產(chǎn)物。沙漠是干燥氣候的產(chǎn)物。 隨著氣候干濕的變化，沙漠的范圍也發(fā)生變隨著氣候干濕的變化，沙漠的范圍也發(fā)生變化，氣候干燥時擴大，濕潤時縮小。

13、化，氣候干燥時擴大，濕潤時縮小。4. 內陸湖泊的演變內陸湖泊的演變 一般高湖面代表雨期，低湖面代表間雨期。一般高湖面代表雨期，低湖面代表間雨期。 可以通過湖底沉積以及湖泊附近地層剖面的可以通過湖底沉積以及湖泊附近地層剖面的研究恢復古氣候。研究恢復古氣候。5. 海面變化海面變化 海面變化分為地動型和水動型；海面變化分為地動型和水動型； 地動型海面變化是局部的，反映新構造運動。地動型海面變化是局部的，反映新構造運動。 水動型海面變化是全球性的，反映氣候變化。水動型海面變化是全球性的，反映氣候變化。 全球低海面代表冰期；全球高海面代表間冰期。全球低海面代表冰期；全球高海面代表間冰期。 第四紀冰期最盛

14、時，海面比現(xiàn)在低第四紀冰期最盛時，海面比現(xiàn)在低120130米。米。（三）生物化石證據(jù)（三）生物化石證據(jù) 生物的生存和發(fā)展對氣候條件有比較嚴格的要生物的生存和發(fā)展對氣候條件有比較嚴格的要求，氣候條件發(fā)生變化，它們的生存和發(fā)展不僅求，氣候條件發(fā)生變化，它們的生存和發(fā)展不僅受到影響和限制，而且還會引起生物的變種甚至受到影響和限制，而且還會引起生物的變種甚至被淘汰。被淘汰。 各類生物對氣候的變化有一定的適應能力。各類生物對氣候的變化有一定的適應能力。 生物可以分為喜熱性生物群，喜溫性生物群和生物可以分為喜熱性生物群，喜溫性生物群和喜寒性生物群。喜寒性生物群。 不同的生物群分布在不同的氣候區(qū)域。不同的生

15、物群分布在不同的氣候區(qū)域。 根據(jù)地層中的化石和現(xiàn)代生物群的對比，可以根據(jù)地層中的化石和現(xiàn)代生物群的對比，可以恢復第四紀各時期的氣候變化情況?；謴偷谒募o各時期的氣候變化情況。孢粉分析孢粉分析孢子是孢子植物的繁殖細胞，花粉是種子植物孢子是孢子植物的繁殖細胞，花粉是種子植物的繁殖細胞。的繁殖細胞。孢粉的體積很?。ㄖ睆芥叻鄣捏w積很?。ㄖ睆?0100微米）；產(chǎn)量大微米）；產(chǎn)量大（樺樹一朵花（樺樹一朵花67000粒）；外壁堅固，可以長期粒）；外壁堅固，可以長期保存。保存。根據(jù)地層剖面中的孢粉組合恢復古植被，然后根據(jù)地層剖面中的孢粉組合恢復古植被，然后恢復古氣候。恢復古氣候。2. 樹木年輪學（樹木年輪學（t

16、ree-ring）研究）研究 樹木的年輪是樹木周期樹木的年輪是樹木周期性生長的結果。性生長的結果。 植物的生長受溫度和濕度的影響和控制；氣候植物的生長受溫度和濕度的影響和控制；氣候條件不同，植物的生長速度就不同，因而年輪的條件不同，植物的生長速度就不同，因而年輪的寬度也不同。寬度也不同。 可以采用樹木年輪寬度的變化作為反映氣候變可以采用樹木年輪寬度的變化作為反映氣候變化的指標。化的指標。樹木年輪記錄 樹木年輪是樹木形成層周期性生長的結果。在溫暖或濕潤的生長季節(jié)樹木生長快，細胞大而細胞壁薄，形成較寬的淺色早材；在寒冷或干燥的季節(jié)樹木生長緩慢，細胞小而細胞壁厚，形成較窄的暗色晚材。早材和晚材合起來

17、為一個年輪。正常情況下，樹木每年向外生長一個年輪 。樹木年輪可提供時間分辨率為年或季的全球變化信息，是重建幾十年到幾百年尺度全球變化的最重要信息源之一。樹木年輪指標 1.年輪寬度：反映樹木生長量狀況。它的大小與樹木的年齡、前期生長狀況和環(huán)境等多種因素有關。在寒冷地區(qū)，溫度起主導作用。低溫年份年輪窄，高溫年份年輪寬。在干旱半干旱區(qū)，多雨年份年輪寬，少雨年份，年輪窄。年輪中的缺輪、偽輪等變異輪可用來反映凍害、蟲害、火災等異常環(huán)境事件。 2.年輪密度：反映年輪細胞大小、細胞壁厚度和細胞數(shù)量多少的一個量。分最大密度、最小密度、平均密度等參數(shù)。比寬度反映更多的環(huán)境信息。它適用于早晚材顏色差別不明顯或年輪

18、寬度變化不明顯的地區(qū)。 3.樹輪C、H、O同位素 ：它們的比值變化可反映溫度、降水等 氣候要素的變化。 4. 14C:由年輪中的14C含量變化可推斷大氣中的14C的變化，進而推斷導致大氣中14C變化的太陽活動和宇宙射線變化的歷史。 5. 年輪中的化學元素：年輪中的化學元素與當年環(huán)境中化學元素含量存在著相關性，根據(jù)年輪中的化學元素含量變化，可以反映環(huán)境中化學元素的變化。 6.火災疤痕：可以用來恢復火災事件。3. 第四紀哺乳動物群第四紀哺乳動物群 根據(jù)哺乳動物群的組合特征恢復古氣候。根據(jù)哺乳動物群的組合特征恢復古氣候。 如猛犸象是寒冷氣候的標志；而棱齒象則代表如猛犸象是寒冷氣候的標志；而棱齒象則代

19、表間冰期溫暖氣候。間冰期溫暖氣候。4. 珊瑚發(fā)育于熱帶海洋，是熱帶海洋的標志。珊瑚發(fā)育于熱帶海洋，是熱帶海洋的標志。5. 海洋微體生物研究海洋微體生物研究 包括有孔蟲、放射蟲和硅藻等。包括有孔蟲、放射蟲和硅藻等。 微體生物的分布與海深、海水溫度、鹽度及微體生物的分布與海深、海水溫度、鹽度及CO2含量有關含量有關 硅藻主要分布在較寒冷的海洋。硅藻主要分布在較寒冷的海洋。 放射蟲分布于熱帶海洋。放射蟲分布于熱帶海洋。 有孔蟲分為喜暖有孔蟲和喜冷有孔蟲。有孔蟲分為喜暖有孔蟲和喜冷有孔蟲。（四）同位素證據(jù)（四）同位素證據(jù) 1947年，尤里（年，尤里（Urey）提出用同位素方法可）提出用同位素方法可以測

20、定古溫度的變化。以測定古溫度的變化。氧有三種同位素，分別是：氧有三種同位素，分別是：16O 、17O 、18O 。 在空氣中的含量分別是：在空氣中的含量分別是： 16O 99.759% 17O 0.0374% （忽略不計）（忽略不計） 18O 0.2039% 溫度不同，蒸發(fā)作用的強度不同，海水中氧溫度不同，蒸發(fā)作用的強度不同，海水中氧同位素的組成也不同。同位素的組成也不同。 當水分蒸發(fā)時，當水分蒸發(fā)時，16O 和和18O 逸出的速度不同。逸出的速度不同。 16O 為輕同位素，水氣蒸發(fā)時逸出量較大。而為輕同位素，水氣蒸發(fā)時逸出量較大。而較重的較重的18O在海水中富集。在海水中富集。 溫度每變化溫

21、度每變化1C ， 18O/ 16O變化變化0.0023。 因此，溫度下降或在冰期期間，海水中、因此，溫度下降或在冰期期間，海水中、海洋沉積物或生物的海洋沉積物或生物的CaCOCaCO3 3 外殼中，外殼中， 1818O O相相對富集。對富集。 在溫度升高或在間冰期期間，在溫度升高或在間冰期期間， 1616O O相對富集。相對富集。（五）考古學證據(jù)（五）考古學證據(jù) 在中國，根據(jù)歷史文獻和考古資料，可在中國，根據(jù)歷史文獻和考古資料，可以恢復以恢復5 5千年以上的氣候變化。千年以上的氣候變化。 我國著名氣象學家竺可楨根據(jù)考古、物候、歷史我國著名氣象學家竺可楨根據(jù)考古、物候、歷史文獻和氣象觀測資料，詳細研究了中國文獻和氣象觀測資料，詳細研究了中國5千年來氣千年來氣候變遷。候變遷。 30001100年年B.C，為溫暖時期。，為溫暖時期。 西安附近屬于仰韶文化的半坡村遺址（據(jù)西安附近屬于仰韶文化的半