俯以察地——第三章 自然地理环境（22）

气候变化

气候同样处于不断的变化之中。各种观测事实已经表明，地球上的气候一直不停的呈现波浪式发展，冷暖干湿相互交替，并且变化的周期长短不一。气候变化，特别是近代以来有观测记录的气候变化已经成为地理学重要的热点话题和研究领域之一。

和研究地球演化历史一样，研究气候变化同样需要通过一些载体进行分析和重建。气候变化信息的来源可以分为以下三种：一是观测记录，精度高但是时间尺度较短，大多数地区的观测资料不足百年；二是考古和文献记载，能够还原人类历史上的气候变化；三是各种古环境形成的历史自然体，如黄土-古土壤、冰芯、深海沉积等，可以反演地质历史时期的气候。

世界大洋彼此贯通，沉积连续性好，利用深海岩芯能够建立连续的、反映气候变化的时间序列。根据深海沉积中碎屑物质的含量及分布，能够获得有关大气环流状况、大气中尘埃物质等信息。

有孔虫是一类单细胞的原生动物，由于有孔虫能够分泌钙质或硅质，形成外壳。深海沉积中有孔虫的碳酸盐外壳中氧同位素的比值能够定量的反映全球温度与冰量的变化。氧有两种同位素比较稳定，一是氧-16，二是氧-18，含有氧-18的水分子不易蒸发，并且更容易凝结，因此氧-18和氧-16的比值关系可以反映气候状况。在寒冷期，大陆冰盖扩展，大量低氧-18含量的淡水被固定在冰盖中，大洋中的氧-18含量上升，有孔虫外壳中的氧-18含量也相应的增加，另一方面，水温升高时氧-18的富集效应减弱，水温降低时氧-18的富集效应增强，这两种影响是同向的，都是在低温时氧-18含量增加。以现代平均大洋水中氧-18和氧-16的比值作为标准，计算不同时期沉积物中氧-18和氧-16比值与标准值的差值，就可以反演有孔虫生存时的温度。

冰川积雪终年不化，也能够形成连续的气候序列。冰川在形成时，其中可能冻结了一些小气泡，提取冰芯中的这些小气泡并对其成分进行分析，就可以推测过去大气的成分。冰芯的氧稳定同位素记录同样是气温的替代性指标，其原理与有孔虫外壳中氧同位素记录类似，低氧-18含量反映冷期，高氧-18含量反映暖期，通过建立冰芯中氧同位素比值与标准值的差值和温度的关系，就可以推断温度变化。近6.5万以来的冰芯气候记录显示，大气温室气体（如二氧化碳、甲烷）含量的增加与气候变暖呈现一定的相关性。

第四纪黄土沉积以黄土和古土壤相交替沉积为特征，中国的黄土堆积最为典型，利用黄土-古土壤序列重建气候变化是我国在世界上独具特色的研究领域之一。黄土和古土壤的交互出现时风尘堆积和成土作用两种对立的过程此消彼长的结果，当风尘堆积大于成土作用时形成黄土层，当成土作用大于风尘堆积时形成古土壤层。黄土-古土壤序列不仅是第四纪以来连续的风成沉积，而且记录了第四纪以来古气候的变迁，黄土沉积与冰期相对应，古土壤则与相对温暖的间冰期相对应。

刘东生通过黄土剖面由许多黄土与古土壤交替而成提出了第四纪气候“多旋回学说”：第四纪环境变化是频繁的、周期性的冷暖交替，而并非传统上认为的四次冰期，这是全球环境变化研究历史上的一次重大革命。20世纪80年代，基于对中国黄土解释了250万年以来的气候变化历史，使黄土与深海沉积、极地冰芯并列成为全球环境变化研究的三大支柱，为全球气候变化研究做出重要贡献。

生物同样可以反演气候，其中最为重要的是孢粉和树木年轮。孢粉是孢子和花粉的统称，是孢子植物和种子植物的繁殖器官。植物体产生的孢子和花粉数量多，体积小，除了个别实现繁殖外，大部分都降落到地面后埋藏在沉积物中。借助于显微镜分析鉴定可以确定沉积物中孢粉的类型，从而推断植被的时空演化过程以及气候变化。

树木年轮是树木形成层周期性生长的结果，在季节差异明显的地区，温暖或湿润的时期树木生长快，细胞大而细胞壁薄，形成较宽的浅色早材；寒冷或干燥的时期树木生长慢，细胞小而细胞壁厚，形成较窄的暗色晚材。早材和晚材合成一个年轮。一般情况下，树木每年每年向外生长一个年轮，松柏等针叶树种和一些阔叶树早晚材差异显著，因此具有清晰的年轮。树木年轮中的缺轮、伪轮等异常变化，可以用来反映冻害、虫害、火灾等异常环境事件。树轮资料能够提供精度很高的气候变化的信息，是重建几十、几百年乃至千年尺度全球变化的重要信息源之一。

除了这些气候代用指标，历史文献的记录、考古发掘物同样是重建气候信息的重要信息，可以从中提取出十分有价值的人类历史时期气候变化的证据。

根据这些丰富的资料，从不同时间尺度和研究方法来看，可以将地球气候变化的历史分为三个阶段：地质时期的气候变化，时间跨度最大，从距今约22亿年至1万年前；历史时期的气候变化，指一万年以来（全新世）的气候变化；近代气候变化，最近一两百年有气象观测记录以来的气候变化。

地质时期距今遥远，科学家通过分析地层、冰川遗迹、动植物化石等间接方法反推其气候变化。地质时期地球反复经历过几次大冰期，其中最具有全球意义的是震旦纪大冰期、石炭-二叠纪大冰期和第四纪大冰期，这三次冰期发生的时间也比较确定，每次大冰期持续时间约几千万年至上亿年。大冰期之间的时期是相对温暖的间冰期。

震旦纪大冰期发生在约6亿年前，影响范围遍布全球。石炭-二叠纪大冰期发生在约3亿年至2亿年前，持续时间较短，寒冷气候的极盛期只有2000-3000万年，这次冰期影响的主要是南半球。

第四纪大冰期从距今200万年前开始直到现在，冰期最盛时在北半球有三个主要的大陆冰川中心：斯堪的纳维亚、北美和西伯利亚，其中北美冰川延伸最广，曾达到38°N附近，估计当时陆地约有24%被冰雪覆盖。在这次大冰期中，气候变动很大，冰川有多次进退，根据对阿尔卑斯山第四纪冰川的研究，确定第四纪大冰期中有四个亚冰期，但从黄土-古土壤的交替可见，第四纪气候呈现出冷暖交替多旋回的特点。距今1.25万年的新仙女木事件是末次冰期的最后一次寒冷事件，持续约千年，此后全球气候带分布基本形成现代气候的特点，目前我们正处在一个相对温暖期。

新仙女木事件后，气候迅速变暖，全新世开始，全球进入冰后期。我国著名地理学家、气象学家竺可桢根据历史文献和考古发掘等有关资料，得到了中国近五千年来的温度变化曲线，与一万年来挪威雪线高度变化比对，表现出明显的一致性。在公元前5000年至公元前1500年的最适气候期，当时的气温比现在高3-4℃，而15世纪以来的寒冷气候期气温比现在低1-2℃。五千年来的中国气候则表现出四个温暖期和四个寒冷期。

近代有了大量的观测资料记录，百年来的气候变化更加准确和详细，尽管各个学者获得的观测资料和处理方法不尽相同，但总体趋势大同小异。19世纪末到20世纪40年代，世界气温呈现波动上升，此后则是变冷，进入70年代以后，世界气候又趋于变暖，目前这种增暖趋势更加突出。IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）第六次评估报告表明：相对于1850-1900年，2001-2020年这20年平均的全球地表温度升高了0.99℃，而2011-2020年十年平均的全球地表温度已经上升约1.09℃，1850年以来，最近四十年的每个十年的全球地表温度都相继比此前的任何一个十年要暖。全球降水变化十分复杂，区域差异明显，呈现出混沌体系的特征。全球变暖背景下，极端天气事件也明显增多。

总的来说，地质历史时期的气候变化以冰期和间冰期交替为特点，气温变化幅度在10℃以上，历史时期的气候变化中气温的变化幅度大约为2-3℃，近代气候变化的气温振幅在0.5-1.0℃。

关于气候变化的原因，许多学者提出了不少假设和理论进行解释。归结起来，气候变化的原因可以分为两类，一是外部因素，二是内部因素。外部因素主要为宇宙因素和地质因素，气候系统对其没有反馈作用，称为气候强迫项，内部因素是气候系统内各要素之间存在反馈作用，从而发生气候变化。

太阳辐射是气候系统的能源，因此太阳辐射的变化必然导致气候系统内部能量平衡的变化。首先，太阳辐射本身的强度就会发生变化，太阳常数可能的变化范围在1-2%左右，有模拟实验表明，太阳常数增加2%，地面气温可能上升3℃，但减少2%，地面气温可能下降4.3℃。

其次，太阳活动如黑子、耀斑等也会使太阳辐射发生变化，并且以11年为太阳活动准周期，其引起的气候效应十分显著。太阳黑子活动高峰期，全球范围的雷雨和闪电活动频繁，紫外线辐射也更强，气候较暖；而太阳黑子活动较弱或没有的时期，则与历史记录中的冷期相对应。

第三，地球轨道参数周期性的变化，包括地球轨道偏心率、地轴倾斜角度和春分点的移动，会引起到达地表的太阳辐射发生变化，控制着冰期循环，由塞尔维亚数学家米兰科维奇（1879-1958）首先提出，称为米兰科维奇旋回。地球公转椭圆轨道的偏心率在0.005-0.06之间变动，其周期为约96000年，以目前的情况作为对比，在近日点时获得的天文辐射较远日点约大1/15，当偏心率极大时这一差异就会变为1/3。地轴倾斜角度（或者说黄赤交角）是产生四季的原因，这个角度也在22.1°-24.24°之间变化，周期为约40000年，黄赤交角的变化会改变地球热量带的分布，地轴倾斜角度增大1°，极地年辐射量增加4.02%，而赤道则会减少0.35%。由于地轴进动，春分点西移，产生岁差，以大约21000年为周期，引起四季开始时间的移动和近日点、远日点处所处季节的变化，影响地表的热量状况。

此外，地外物体的撞击作用也会导致气候变化。地质记录显示，新生代以来地球至少经历了6次撞击事件，撞击作用产生的能量、尘埃等产生直接的气候效应，最为显著的就是降温。大约6500万年前的撞击事件时气温剧烈降低，很可能导致了恐龙的灭绝。

地球内部的能量驱动着岩石圈运动，改变下垫面，对气候产生影响。岩石圈板块运动导致海底扩张和大陆漂移，改变了海陆分布格局，从而对全球气候变化产生深刻影响。造山运动使下垫面更加复杂，能够改变大气环流格局，特别是青藏高原的隆升扰乱了北半球的大气环流，对亚洲季风的形成和维持具有重要意义。火山活动同样会改变气候，大型火山喷发时，火山灰进入平流层产生“阳伞效应”，在2-3年中削弱全球的入射太阳辐射，进而显著地影响气候。地球磁场的变化同样与气候变化有一定联系，全新世以来，强地磁活动都与全球变冷并行。

海洋、陆地和大气之间的反馈作用复杂，各种气候系统外部的强迫很有可能通过海-陆-气耦合起来产生放大效应，改变地表热量、水汽的输送，从而改变整个气候系统的物理状态。海-气耦合涛动有显著的年代际变率，是驱动全球与区域气候产生年代际变化的最重要因子。

人类活动强烈地改变了地表环境，也成为了气候变化的重要因素。IPCC第六次评估报告明确指出：“毋庸置疑的是，自工业化以来，人为影响已经使大气、海洋和陆地变暖；人类活动引起的温室气体增加很可能是1979年以来对流层变暖的主要驱动因子。”人类活动对气候系统影响这一结论的信度提高。但在有些领域仍然存在不确定性，通过模型模拟的海温、降水、大气环流等方面仍然存在不足，难以给出有关人类贡献的确凿结论。人为气候变化对极端事件影响的证据加强，人类活动导致的气候变化已经影响到全球各个区域的许多极端事件的变化，预估极端热事件、强降水、农业生态干旱的强度和频次以及强台风（飓风）比例等将增加。

IPCC第六次评估报告还指出：“除非大力、迅速、持续减少温室气体排放，否则无法将温升限制在1.5℃、甚至2℃内。”环球同此凉热，人类前途命运休戚与共，全球性问题需要全球行动、全球应对、全球合作，应对全球气候变化需要全人类的共同努力。

（本节完）