第 4 讲 地球气候的演变与近百年气候变化

目 录1 、地质年代的气候变化的特征与主要驱动力2 、人类活动影响现代全球气候的证据3 、不同时间尺度地球气候演变的比较

• 地球的气候不断地在变化着，但地质年代的气候变化总体上在时间上是缓慢的，而现代气候变化是快速的，它比地质年代的气候变化速率一般要快 1 千到 1 万倍。这种变化速度是空前的，并且二氧化碳与温度变化总是以相同的趋势在演变。二氧化碳是气候变化的一个关键驱动力。

• 近百年的现代气候变化是由自然的气候波动与人类活动共同造成，而近 50 年的全球变暖主要是由人类活动造成。有三个证据可以支持这个结论。这种科学的共识导致了国际上政治层面的重大决策，即制定了联合国气候变化框架公约与京都议定书。

1 、地质年代的气候变化的特征与主要驱动力

4 亿年来大陆冰期的 CO2 的变化

7000 万年以来深海 18O 同位素记录（温度）

6500 万年以来 CO2

的详细演变

IPCC,2007

地质年代气候的变化

新生代（ 6500 万年 - 现在）

新生代（ 6500 万年 - 现在）Cenozoic Era

65 Million Years Ago Present DayGlobal Climate Forcings

External (solar irradiance): +1 W/m2

Surface (continent locations): <1 W/m2

Atmosphere (CO2 changes): > 10 W/m2

地质年代的 CO2 含量有时比现在高得多，地球的气候比现在暖吗？

回答是肯定的。从地球大气逐渐形成到 1 亿年前的地质年代是高 CO2 时期， CO2 浓度很高，可以达到 3000 ～ 7000 ppmv 。那时，地球上的气候是很暖的。 但是在 1 亿年（ 100Ma 年）前，有三次大冰河期，分别发生在 22-24 亿年前（氧上升期）， 6-7.5 亿年前和 2.8 亿年前（古生代二叠纪大冰期）。那时海洋完全被冰封，通过冰—反照率反馈机制，最后全球冰封，进入雪球阶段。以后通过大陆漂移，板块碰撞，使地壳变形，同时又有火山爆发作用，使 CO2 排放入大气。由于没有碳汇（全球冰封），大气中 CO2 浓度增加，最终由 CO2 产生的温室效应和风吹降尘产生的冰盖变黑（减少反照率）使地表温度上升到一临界值，首先使热带冰层融化，一旦这个过程开始，则通过冰—反照率反馈机制使增暖增强并扩展到全球。最后使整个地球进入无冰的水球状态，此即雪球——水球轮回时期。1 亿年前左右，板块运动减慢，地球上的气候由不稳定状态进入稳定状态。

6500 万年时白垩纪结束，温暖的气候结束（那时 CO2 比今天高一个量级；热带到处是恐龙和葱绿植物） 。 此后，地球气候总趋势是不断变冷。到更新世（ 250 万年），气候十分寒冷。一个值得注意的事件是发生在始新世（ 5500 万年前）的气候极暖期，它是突然来到的（ 1 万年量级，延续 10 万年），所释放的碳与 21 世纪预测释放的量相近。高纬增暖 20 ℃ 左右。在 6000 万年以来的气候变冷期，总体上，温度比今天要暖， CO2 浓度比今天高，如在 330-300 万年时（上新世）温度比工业化前高 2-3 ℃ ， CO2浓度为 360-400ppmv 。海平面高度比今天高 15-25 米。以后温度和 CO2 浓度主要由冰芯获取，揭示了 10 万年周期的冰期 - 间冰期循环，即米兰科维奇气候循环。

由上可见：（ 1 ）不论任何时期，任何起因，地质资料告诉我们， CO2 与温度变化总是以相同的趋势演变， CO2 是气候变化的一个关键驱动力；（ 2 ）人类排放的 CO2 是地球气候变化中近代产生的一个新的驱动力；（ 3 ）如果 CO2及其它温室气体的大气含量增加到 400-500ppm 以上，地球的平均温度至少要升高 2 ℃ 以上。因而从地质年代 CO2

与温度长期记录看，现代全球气候变暖是非常值得关注的。它可能逐渐地向地质年代晚期的气候状态演变。

近万年来全球和中国温度变化

近万年来，全球地表温度波动的幅度为 2-3℃ ，共经历了三次暖期：即气候最宜期（距今 8000-3500 年）、中世纪温暖期（公元 10-13 世纪）以及近代暖期（ 20 世纪中后期至今）。

（朝仓正 , 1991 ）

2 、人类活动影响现代全球气候的证据

证据一

过去 10000 年大气 CO2 ，CH4 ， N2O 的变化。由冰芯和大气测量组合得到。

工业化（ 1750 年）以来，大气中温室气体明显增加。

年1000 1200 1400 1600 1800 2000

280

300

320

340

360

浓度(ppmv)

CO2

南极 Law Dome 冰芯资料显示的近 1000 年大气 CO2 浓度

（ IPCC ， 2001 ）

年

夏威夷Mauna Loa观象台测量的大气 CO2 浓度变化

( updated from Keeling and Whorf, 2004 )( updated from Keeling and Whorf, 2004 )

380

310

320

330

340

350

360

370

1960 1970 1980 1990 2000

浓度

CO2

(ppmv)

2003 年 5月已达到 379ppmv (百万分之一体积 )。过去 10 年中大气 CO2 浓度以 1.8ppmv/年 的速率增长，而过去 50 年平均仅为 1ppmv/年。

379 ppmv379 ppmv

（ IPCC ， 2001 ）

中国气象局-瓦里关全球大气本底站（36°17’N，100°54’E，3816m asl）

大气 CO2 浓度测量结果（One of the 22 GAW Global Stations）

345

350

355

360

365

370

375

380

385

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

CO

2 月平均浓度

(ppm

)

气瓶采样（5米距地高度）

在线连续（80米距地高度）

-中国气象局 中国气象科学研究院 NOAA C MDL C C GG美国

提供数据（Preliminary）年

383ppm

CO2 浓度 2004 年已高达 383ppmv 。

1979-2005 年地表（上左），对流层（上右）线性全球温度趋势分布。下图是年全球平均温度曲线（点）。红线是线性趋势（ 1850-2005 ）。仪器观测头 70 年（ 1850-1919）到最近 5 年（ 2001-2005 ）的温度变化为 0.78±0.18℃

证据二

中高纬度大陆地区变暖最为明显。增温速率（℃ /10 年）

1979-2003 年全球年平均气温变化趋势（ Tom Peterson, NOAA/NCDC ）

全球 SST年距平分布（ 1861-2004 ）

0-700m 和 0-3000m 层海洋热含量（ 1022J）曲线。垂直线代表 1 个标准差误差。

1866-2004 年 SOI 曲线。红色： Darwin 为正海平面气压距平，即 El Nino 年

ENSO

20 世纪是过去 2000 年中最温暖的 100 年。

近两千年全球地表平均气温变化（相对于 1961-1990 年 30 年气候平均）

公元 200-1980 年 公元 1856-2004 年

（根据 Mann and Jones, 2003改绘）

全球平均温度距平。黑线：观测。灰线：多模式（ 13个）集成模拟。（ a ）人类活动 +自然强迫；（ b）只有自然强迫

证据三

不同地区气温变化原因的模拟结果（ 1906-2005 ） 黑线：观测值 红色：人类变化 +自然变化 蓝色：自然变化

过去 1100 年的辐射强迫和模拟的温度（ a ）火山活动，（ b）太阳辐射变化，（ c ）所有强迫，（ e ）北半球年温度（分别对人类活动和自然强迫）

“最近 50 年的气候变化是由人类活动产生的”这一结论的可信度提高

IPCC 关于气候变化成因的认识逐步深化：

第三次评估报告（第三次评估报告（ 20012001 年）年）：新的、更强的证据表明，过去 50 年观测到的大部分增暖“可能可能”归因于人类活动（ 66％以上可能性）；

第四次评估报告（第四次评估报告（ 20072007 年）年）：人类活动“很可很可能能”是气候变暖的主要原因（ 90％以上可能性）。

有三个原因把工业化后 CO2 增加趋势归因于化石燃料燃烧

（ 1 ）南极和格林兰冰芯记录表明：大气中 CO2开始增加的时间是在工业革命前后，从那以后，其浓度变化大致与化石燃料消耗的增长率相近。（ 2 ）北半球大气 CO2 浓度比南半球的高几个 ppmv ，因为大多数最强的排放源位于北半球。（ 3 ）大气中氧含量每年减少 3ppmv ，这与大气中 CO2 增加是相对应的，因为 CO2 是燃烧的一种产品。

3 、不同时间尺度地球气候演变的比较

更新世（ 200 万年 -1 万年）气候变化及其意义

1.气候变化的主要启动力是地球轨道变化，非常弱的强迫

2.更新世气候变化的主要机制是 GHGs和冰盖区，作为反馈机制

3. 长时间尺度的气候变化对很小的强迫是很敏感的

4.人类造成的强迫矮化了引起冰期与间冰期气候变化的自然强迫，人类活动成为近代气候（尤其是 200 年）的一个主要驱动力。

Hansen,2007

新生代气候变化的特点1. 主要驱动力：自然 CO2 变化

- 变率 ~100 ppm/百万年 (0.0001 ppm/年 )- 今天人类的速率： ~2 ppm/年

人类活动压倒缓慢的地质变化

2. 气候敏感性高- 如果 CO2 < ~450 ppm 南极冰形成- 冰盖形成是可逆的

人类能够产生一个不同的星球3 、变化速度快近百年的全球气候变化是快速的变

化，其速度比地质年代要快近千倍到近万倍。

驱动冰河期循环的地球轨道参数变化示意图

全球气候是否会向冰期（变冷）演变？

太阳活动的变化是引起近代气候变暖的主要原因吗？

总太阳辐射变化（太阳常数） 最近 28年太阳总辐射量的变化

过去 650000 年以来，南极冰芯 δD（ 代表温度），CO2 ， CH4 和 N2O 浓度的变化，阴影柱代表间冰暖期

由上可见：（ 1 ）不论任何时期，任何起因，地质资料告诉我们， CO2 与温度变化总是以相同的趋势演变， CO2 是气候变化的一个关键驱动力；（ 2 ）人类排放的 CO2 是地球气候变化中近代产生的一个新的驱动力；（ 3 ）如果 CO2及其它温室气体的大气含量增加到 400-500ppm 以上，地球的平均温度至少要升高 2 ℃ 以上。因而从地质年代 CO2

与温度长期记录看，现代全球气候变暖是非常值得关注的。它可能逐渐地向地质年代晚期的气候状态演变。