第9章全球气候变化课件

第9章 全球气候变化9.1 过去的气候变化9.2 近期的气候变化9.3 人类活动对气候变化的影响9.4 当前的全球气候变化研究9.1 过去的气候变化1.地质时期的气候变化2.第四纪气候变化3.全新世气候变化4.历史时期的气候变化5.仪测时期的气候变化6.气候变化的原因机制思考：在地质时思考：在地质时期，地表经历几期，地表经历几次大冰期？次大冰期？三次三次冷冷暖暖干干湿湿地质时期气候地质时期气候变化特点：变化特点：冰期和间冰期交替。冰期和间冰期交替。思考：恐龙繁盛思考：恐龙繁盛时期的气候有什时期的气候有什么特点？么特点？高温干燥高温干燥冷冷暖暖干干湿湿地质时期的气候变化地质时期的气候变化第一次大冰期第一次大冰期间间冰冰期期第二次大冰期第二次大冰期间间冰冰期期第三次大冰期第三次大冰期距今距今6 6亿年前亿年前距今距今2.32.3亿年前亿年前距今二、三百距今二、三百万年前万年前元古代震旦纪元古代震旦纪大冰期大冰期古生代石炭古生代石炭二二叠纪大冰期叠纪大冰期新生代第四纪新生代第四纪大冰期大冰期特点：特点：波动变化，冷暖干湿交替，变化周期长短不一。波动变化，冷暖干湿交替，变化周期长短不一。温暖期较长，寒冷期偏短；温暖期较长，寒冷期偏短；湿润期与干旱期相互交替，湿润期与干旱期相互交替，但中生代以干旱为主，新生代以湿润为主。但中生代以干旱为主，新生代以湿润为主。第四纪气候第四纪气候（一）第四纪冰川发育概况一）第四纪冰川发育概况第四纪气候以全球性变冷为最突出的特征，表第四纪气候以全球性变冷为最突出的特征，表现为冰川作用的盛衰和气候带的移动，即冰期现为冰川作用的盛衰和气候带的移动，即冰期和间冰期的更替。和间冰期的更替。第四纪冰期鼎盛时，全球大陆有第四纪冰期鼎盛时，全球大陆有20到到30的的面积为冰川覆盖，据弗林特估计，总面积达面积为冰川覆盖，据弗林特估计，总面积达4438106平方公里，而现在仅有平方公里，而现在仅有10的面积被的面积被冰川覆盖。冰川覆盖。第四纪冰期的出现，明显地改变了地球上的自然第四纪冰期的出现，明显地改变了地球上的自然面貌，无论大陆或海洋，都发生了一系列巨大变面貌，无论大陆或海洋，都发生了一系列巨大变化。化。其中受影响最大的是生物界，表现为喜冷生物群其中受影响最大的是生物界，表现为喜冷生物群的发展和分布区的扩大。的发展和分布区的扩大。此外，冰川还对陆地表面进行塑造，引起全球性此外，冰川还对陆地表面进行塑造，引起全球性海平面的升降以及海陆轮廓的变化等。海平面的升降以及海陆轮廓的变化等。二、第四纪气候变化证据二、第四纪气候变化证据（一）岩性方面的证据一）岩性方面的证据风化作用的性质和强度、沉积物的分异程度等风化作用的性质和强度、沉积物的分异程度等方面都可以反映古气候。方面都可以反映古气候。冰碛物是冰川作用的产物，是寒冷气候的标志，冰碛物是冰川作用的产物，是寒冷气候的标志，可以恢复古冰川的规模。可以恢复古冰川的规模。红色风化壳、含铁锰的沉积是在炎热潮湿的气红色风化壳、含铁锰的沉积是在炎热潮湿的气候下形成的。候下形成的。矿物的风化程度和矿物组合也可以反映形成时矿物的风化程度和矿物组合也可以反映形成时的气候。的气候。黄土和古土壤黄土和古土壤 黄土是寒冷气候的标志，古土壤是温暖气黄土是寒冷气候的标志，古土壤是温暖气候的标志。候的标志。一层黄土和一层古土壤构成了一个气候变一层黄土和一层古土壤构成了一个气候变化周期。化周期。黄土高原的黄土中夹有黄土高原的黄土中夹有20多层古土壤（埋多层古土壤（埋藏土壤），这表明第四纪期间有藏土壤），这表明第四纪期间有20多次气候多次气候的冷暖变化。的冷暖变化。根据黄土研究和根据深海沉积研究得出的根据黄土研究和根据深海沉积研究得出的气候变化曲线是可以对比的。气候变化曲线是可以对比的。红色条带为古土壤红色条带为古土壤 暖湿气候暖湿气候黄色条带为黄土黄色条带为黄土 干冷气候干冷气候渭南黄土剖面黄土古土壤记录欧洲和北美均有第四纪黄土沉积,我国的黄土高原地区更分布有数百米厚的第四纪黄土.我国的黄土和古土壤序列是已知陆地上连续性最好,且能够很好地与深海沉积序列对比的沉积物,利用黄土与古土壤序列重建过去的全球变化是我国在世界上独具特色的研究领域之一.黄土成因研究简史1930初期,杨钟健等开始中国黄土研究,将华北晚更新世黄土确定为典型的风力堆积物,定名为马兰黄土(刘东生等,1985)1980以前,主要研究了第四纪黄土的分布成因和地层划分.对晚更新世黄土的系统研究较少.1980以后,刘东生、安芷生、李吉均等引入新的手段与方法，在黄土和古土壤的年代测定、地层划分、形成环境等方面进行大量研究。取得成果：晚更新世黄土地层中含有最后一个间冰期-冰期旋回中环境变迁的多种信息。发现晚更新世黄土中夹有古土壤层从马兰黄土中存在的古土壤层中获取了大量的环境变化信息与测年数据，并建立了多种气候代用指标。黄土沉积特征第四纪黄土沉积以黄土层和古土壤层交互沉积为特征。黄土层的形成反映风尘堆积作用过程，而古土壤层的形成反映成土作用过程。当风尘堆积作用大于成土作用时形成黄土层，反之，形成古土壤层。黄土沉积与寒冷的冰期相对应，古土壤与相对温暖的间冰期相对应。我国黄土主要分布在干旱荒漠区的外缘，表明黄土沉积时期当地属于干寒草原环境，而古土壤发育时期则对应温暖的森林草原环境。黄土与古土壤层的交替变化是第四纪冰期-间冰期环境周期性变化的反映。根据黄土层的风化程度和古土壤发育程度的差别，推断环境在不同时期的差别。黄土古土壤序列是目前已知的唯一能与深海氧同位素记录对比的陆上沉积。两者有很好的对应关系。黄土地层序列及其年代黄土层:一般为灰黄色,质地均一,无明显结构.古土壤层:为红色,有明显的土壤结构和土壤发育层次.研究中以L代表黄土层,以S代表古土壤层重要的气候代用指标从黄土-古土壤序列中提取的具有指示古气候、古环境变化的重要指标有：1、粒度2、CaCO3含量3、有机碳含量（TOC-总量）4、全氧化铁含量5、黄土地层中生物遗存1、粒度：是用来反映黄土粗细程度的指标，粒度的大小差别反映风力搬运强度的差别。对我国来说，上世纪60年代，刘东生等发现黄土高原马兰黄土的粒度分布表现出由西北向东南逐渐减小的趋势，这种分布与现代西北季风和现代沙尘暴天气的移动路径完全吻合，推论黄土是来自于西北荒漠的风尘堆积物。黄土剖面粒度大小与西北季风的强弱直接相关。2 CaCO3含量 为易溶盐类，在次生风化改造过程中变化非常明显，可以当作探索大气降水或湿润程度的指标。研究发现规律是CaCO3在黄土层中含量高，而在古土壤层中含量低。表明在黄土沉积时期，为干旱少雨的环境，CaCO3在土层中淋溶少，沉积多，故含量高。在古土壤沉积时期，环境湿润多雨，大量CaCO3被淋溶殆尽，故含量低。CaCO3在古土壤剖面中淀积深度的变化，也可作为衡量气候湿润程度的指标，这对于推断黄土地区过去的全球变化具有重要意义.3、有机碳含量（TOC-总量）黄土中有机碳含量（TOC-总量）与其堆积之后生物气候环境有密切关系，所以它可以作为气候变化的代用指标。例如：渭南剖面有机碳的平均含量：0.26%古土壤层中含量较高,在0.3%0.64%黄土层中的含量明显低,在0.04%0.45%整个剖面有机碳含量曲线的峰值与古土壤层对应良好,反映古土壤层形成于温暖湿润,生物繁茂的时期.（二）地貌证据二）地貌证据冰川地貌冰川地貌是冰川作用的产物，是寒冷气候的标志。是冰川作用的产物，是寒冷气候的标志。冰斗形成于雪线附近；所以根据古冰斗可以恢冰斗形成于雪线附近；所以根据古冰斗可以恢复古雪线位置，计算温度下降值。复古雪线位置，计算温度下降值。根据多层冰斗、根据多层冰斗、U型谷的叠置，冰碛物的分层型谷的叠置，冰碛物的分层等现象可以恢复冰川作用序列。等现象可以恢复冰川作用序列。2.冰缘地貌冰缘地貌 根据冰缘地貌可以恢复冰川作用范围。根据冰缘地貌可以恢复冰川作用范围。浙江新昌县天姥山麓浙江新昌县天姥山麓发现了我国最大的第发现了我国最大的第四纪冰川石河遗迹四纪冰川石河遗迹万马渡冰石河。万马渡冰石河。在当地绵延在当地绵延3公里的公里的万马渡河谷发现了大万马渡河谷发现了大量冰川漂砾、冰碛垄量冰川漂砾、冰碛垄等第四纪冰帽冰川遗等第四纪冰帽冰川遗迹。迹。万马渡冰石河第四纪冰万马渡冰石河第四纪冰川遗迹冰碛砾石川遗迹冰碛砾石3.沙漠的演变（扩大、收缩）沙漠的演变（扩大、收缩）沙漠是干燥气候的产物。沙漠是干燥气候的产物。随着气候干湿的变化，沙漠的范围也发生变随着气候干湿的变化，沙漠的范围也发生变化，气候干燥时扩大，湿润时缩小。化，气候干燥时扩大，湿润时缩小。4.内陆湖泊的演变内陆湖泊的演变 一般高湖面代表雨期，低湖面代表间雨期。一般高湖面代表雨期，低湖面代表间雨期。可以通过湖底沉积以及湖泊附近地层剖面的可以通过湖底沉积以及湖泊附近地层剖面的研究恢复古气候。研究恢复古气候。5.海面变化海面变化 海面变化分为地动型和水动型；海面变化分为地动型和水动型；地动型海面变化是局部的，反映新构造运动。地动型海面变化是局部的，反映新构造运动。水动型海面变化是全球性的，反映气候变化。水动型海面变化是全球性的，反映气候变化。全球低海面代表冰期；全球高海面代表间冰期。全球低海面代表冰期；全球高海面代表间冰期。第四纪冰期最盛时，海面比现在低第四纪冰期最盛时，海面比现在低120130米。米。（三）生物化石证据三）生物化石证据 生物的生存和发展对气候条件有比较严格的要求，生物的生存和发展对气候条件有比较严格的要求，气候条件发生变化，它们的生存和发展不仅受到气候条件发生变化，它们的生存和发展不仅受到影响和限制，而且还会引起生物的变种甚至被淘影响和限制，而且还会引起生物的变种甚至被淘汰。汰。各类生物对气候的变化有一定的适应能力。各类生物对气候的变化有一定的适应能力。生物可以分为喜热性生物群，喜温性生物群和喜生物可以分为喜热性生物群，喜温性生物群和喜寒性生物群。寒性生物群。不同的生物群分布在不同的气候区域。不同的生物群分布在不同的气候区域。根据地层中的化石和现代生物群的对比，可以根据地层中的化石和现代生物群的对比，可以恢复第四纪各时期的气候变化情况。恢复第四纪各时期的气候变化情况。孢粉分析孢粉分析孢子是孢子植物的繁殖细胞，花粉是种子植物的孢子是孢子植物的繁殖细胞，花粉是种子植物的繁殖细胞。繁殖细胞。孢粉的体积很小（直径孢粉的体积很小（直径10100微米）；产量大微米）；产量大（桦树一朵花（桦树一朵花67000粒）；外壁坚固，可以长期粒）；外壁坚固，可以长期保存。保存。根据地层剖面中的孢粉组合恢复古植被，然后恢根据地层剖面中的孢粉组合恢复古植被，然后恢复古气候。复古气候。2.树木年轮学（树木年轮学（tree-ring）研究研究 树木的年轮是树木周期树木的年轮是树木周期性生长的结果。性生长的结果。植物的生长受温度和湿度的影响和控制；气候条植物的生长受温度和湿度的影响和控制；气候条件不同，植物的生长速度就不同，因而年轮的宽件不同，植物的生长速度就不同，因而年轮的宽度也不同。度也不同。可以采用树木年轮宽度的变化作为反映气候变化可以采用树木年轮宽度的变化作为反映气候变化的指标。的指标。树木年轮记录 树木年轮是树木形成层周期性生长的结果。在温暖或湿润的生长季节树木生长快，细胞大而细胞壁薄，形成较宽的浅色早材；在寒冷或干燥的季节树木生长缓慢，细胞小而细胞壁厚，形成较窄的暗色晚材。早材和晚材合起来为一个年轮。正常情况下，树木每年向外生长一个年轮。树木年轮可提供时间分辨率为年或季的全球变化信息，是重建几十年到几百年尺度全球变化的最重要信息源之一。树木年轮指标1.年轮宽度：反映树木生长量状况。它的大小与树木的年龄、前期生长状况和环境等多种因素有关。在寒冷地区，温度起主导作用。低温年份年轮窄，高温年份年轮宽。在干旱半干旱区，多雨年份年轮宽，少雨年份，年轮窄。年轮中的缺轮、伪轮等变异轮可用来反映冻害、虫害、火灾等异常环境事件。2.年轮密度：反映年轮细胞大小、细胞壁厚度和细胞数量多少的一个量。分最大密度、最小密度、平均密度等参数。比宽度反映更多的环境信息。它适用于早晚材颜色差别不明显或年轮宽度变化不明显的地区。3.树轮C、H、O同位素：它们的比值变化可反映温度、降水等 气候要素的变化。4.14C:由年轮中的14C含量变化可推断大气中的14C的变化，进而推断导致大气中14C变化的太阳活动和宇宙射线变化的历史。5.年轮中的化学元素：年轮中的化学元素与当年环境中化学元素含量存在着相关性，根据年轮中的化学元素含量变化，可以反映环境中化学元素的变化。6.火灾疤痕：可以用来恢复火灾事件。3.第四纪哺乳动物群第四纪哺乳动物群 根据哺乳动物群的组合特征恢复古气候。根据哺乳动物群的组合特征恢复古气候。如猛犸象是寒冷气候的标志；而棱齿象则代表如猛犸象是寒冷气候的标志；而棱齿象则代表间冰期温暖气候。间冰期温暖气候。4.珊瑚发育于热带海洋，是热带海洋的标志。珊瑚发育于热带海洋，是热带海洋的标志。5.海洋微体生物研究海洋微体生物研究 包括有孔虫、放射虫和硅藻等。包括有孔虫、放射虫和硅藻等。微体生物的分布与海深、海水温度、盐度及微体生物的分布与海深、海水温度、盐度及CO2含量有关含量有关 硅藻主要分布在较寒冷的海洋。硅藻主要分布在较寒冷的海洋。放射虫分布于热带海洋。放射虫分布于热带海洋。有孔虫分为喜暖有孔虫和喜冷有孔虫。有孔虫分为喜暖有孔虫和喜冷有孔虫。（四）同位素证据四）同位素证据 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测定古温度的变化。以测定古温度的变化。氧氧有有三种同位素，分别是：三种同位素，分别是：16O、17O、18O。在空气中的含量分别是：在空气中的含量分别是：16O 99.759%17O 0.0374%（忽略不计）忽略不计）18O 0.2039%温度不同，蒸发作用的强度不同，海水中氧温度不同，蒸发作用的强度不同，海水中氧同位素的组成也不同。同位素的组成也不同。当水分蒸发时，当水分蒸发时，16O 和和18O 逸出的速度不同。逸出的速度不同。16O 为轻为轻同位素，水气蒸发时逸出量较大。而同位素，水气蒸发时逸出量较大。而较重的较重的18O在在海水中富集。海水中富集。温度每变化温度每变化1C，18O/16O变化变化0.0023。因此，温度下降或在冰期期间，海水中、因此，温度下降或在冰期期间，海水中、海洋沉积物或生物的海洋沉积物或生物的CaCOCaCO3 3 外壳中，外壳中，1818O O相相对富集。对富集。在温度升高或在间冰期期间，在温度升高或在间冰期期间，1616O O相对富集。相对富集。（五）考古学证据五）考古学证据在中国，根据历史文献和考古资料，可在中国，根据历史文献和考古资料，可以恢复以恢复5 5千年以上的气候变化。千年以上的气候变化。我国著名气象学家竺可桢根据考古、物候、历史我国著名气象学家竺可桢根据考古、物候、历史文献和气象观测资料，详细研究了中国文献和气象观测资料，详细研究了中国5千年来气千年来气候变迁。候变迁。30001100年年B.C，为温暖时期。为温暖时期。西安附近属于仰韶文化的半坡村遗址（据西安附近属于仰韶文化的半坡村遗址（据14C 56006080a B.P），），河南安阳的殷墟遗址（约河南安阳的殷墟遗址（约14001100年年 B.C），），比现在的年平均温度高比现在的年平均温度高2C 左右。左右。1100 B.C1400 A.D为冷暖交替时期，为冷暖交替时期，年平均温度有年平均温度有23 C 的波动。的波动。14001900 A.D 为寒冷期。其中最冷的为寒冷期。其中最冷的时间在时间在1617 世纪。世纪。1900年以来为气候波动时期。年以来为气候波动时期。20世纪初期，世界气温升高，到世纪初期，世界气温升高，到40年代年代达到顶点，之后气温开始下降。达到顶点，之后气温开始下降。60年代以后气温下降较大，气候异常现年代以后气温下降较大，气候异常现象增多。象增多。早期增暖早期增暖早期增暖早期增暖中期暖期中期暖期中期暖期中期暖期晚期变冷晚期变冷晚期变冷晚期变冷图7-2 全新世的温度变化（据张丕远等 1996）在1000年尺度上,10kaBP以来的气候变化一般分为早期的增暖,中期的全新世暖期和晚期的变冷三个阶段(图7-2)。8.58.0kaBP4.03.5kaBP全新世的气候变化全新世的气候变化各阶段特点：各阶段特点：早期早期：以阶段性的迅速升温为特征中期中期：一个较现在温暖的时期，但不是一个持续的 温暖期晚期晚期：气候发生重大调整，呈现变冷的趋势 历史时期的气候变化历史时期的气候变化特点：两次较大的波动特点：两次较大的波动l公元前公元前50005000年到公元前年到公元前15001500年的温暖期年的温暖期l1515世纪以来的寒冷期世纪以来的寒冷期影响：影响：l温暖期：冰盖缩小，海平面上升，热带亚热带范围扩大温暖期：冰盖缩小，海平面上升，热带亚热带范围扩大l寒冷期：农作物歉收或决收寒冷期：农作物歉收或决收