全新世氣候變化研究的重要意義

全新世氣候變化研究的重要意義

1氣候變化歷史世界環(huán)境處于一種非常嚴(yán)重的形勢。全球氣候變暖、酸雨危害、臭氧層空洞、荒漠化加劇、生物多樣性銳減等等問題引起了全世界的重視。為此,全球變化成為一個十分迫切的研究課題。世界氣候研究計劃(WCRP)是全球變化研究中的一個重要組成部分。WCRP的目的是要深化對氣候、氣候變遷、引起氣候變化的驅(qū)動力的認(rèn)識,探索未來氣候的可預(yù)報性及人類活動對氣候的影響程度。國際上1988年成立了政府間氣候變化專門委員會(IPCC),其主要職能是提供國際公認(rèn)的、權(quán)威的有關(guān)全球氣候變化、氣候變化對環(huán)境的可能影響、氣候與社會之間的相互作用的科學(xué)信息。為了預(yù)測未來的氣候變化,需要對過去氣候變化歷史有一個清晰的認(rèn)識。全新世是與人類密切相關(guān)的一個時期。人類從原始人演化為現(xiàn)代人,人類歷史上的數(shù)次文明都是在這一時期完成的,故這段時期的氣候變化成為國際過去氣候變化研究(PAGES)的重點(diǎn)。中國學(xué)者對全新世氣候變化做了比較深入的研究,取得了豐碩的研究成果。2泥炭系的氣候變化載體對過去氣候變化的研究,關(guān)鍵是要選取合適的信息載體。常見的載體有冰芯、泥炭、孢粉、樹木年輪、湖泊沉積物、黃土堆積等等。不同的信息載體特性不同,使用范圍也相異。對于冰芯來說,由于其分辨率較高、時間跨度長,成為一種理想的全新世氣候信息載體。泥炭同樣也因?yàn)樗哂蟹直媛矢摺r間跨度長的優(yōu)點(diǎn)而倍受全新世研究學(xué)者的重視。孢粉也是一種較理想的全新世氣候代用記錄。樹輪作為氣候變化的信息載體具有分辨率很高的特點(diǎn),但時間跨度較短,只適合于研究某一段較短的時間范圍內(nèi)的氣候變化。黃土中包含的信息的時間跨度很長,但分辨率相對較差,只適合于研究更長時間尺度上的氣候變化,如選擇黃土為信息載體來研究萬年、百萬年時間尺度上的氣候變化。另外,歷史記載、考古研究、物候研究等手段的應(yīng)用,也為全新世氣候的恢復(fù)做出了很大的貢獻(xiàn)。2.1大氣候的發(fā)生和發(fā)展施雅風(fēng)等用古里雅冰芯的δ18O序列和累積量,恢復(fù)了中國西部近2000年來的氣候變化。施雅風(fēng)等認(rèn)為:270年以前高溫溫濕,280～960年低溫干旱,970～1500年中溫干旱,1510～1920年為冷暖波動強(qiáng)烈的小冰期,1920年后升溫。與中國東部地區(qū)文獻(xiàn)記錄比較,西部地區(qū)許多重大氣候都是同時期發(fā)生的;但也有顯著區(qū)別,表現(xiàn)在“中世紀(jì)溫暖期”在東部有相當(dāng)表現(xiàn)而西部表現(xiàn)不足。近1200年為低頻變化趨勢,東部顯著降溫,而西部則有所上升。姚檀棟等研究了取自昆侖山古里雅冰帽地區(qū)鉆取的三根冰芯。分析表明,約在10.5kaBP時升溫,進(jìn)入全新世,在9～8kaBP時有降溫過程,7～6kaBP是全新世最暖期,平均溫度高于現(xiàn)代1.5℃;約在5kaBP左右,開始激烈降溫,至近代才又上升。姚檀棟等對敦德冰芯記錄的研究表明,3kaBP左右是過去5000年中氣候變化的一個界限,在此之前,氣候較溫暖,此后開始變冷。1000aA.D.時為最冷期,此后雖進(jìn)入小冰期,但總體趨勢是逐步上升。13世紀(jì)是5ka以來溫暖期,這是中世紀(jì)溫暖期記錄在西部地區(qū)的首次發(fā)現(xiàn)。相對于700aA.D.左右的隋唐溫暖期,冰芯中記錄的是冷期。在近代15,17,19世紀(jì)為冷期,尤以17世紀(jì)為最冷期;16,18,20世紀(jì)則為暖期(如圖1)。2.2冷峰的發(fā)現(xiàn)和對比洪業(yè)湯等依據(jù)金川泥炭纖維素δ18O氣候代用指標(biāo),分析了中國東部全新世6000aBP以來的氣候變化(如圖2)。這是中國學(xué)者首次使用泥炭纖維素δ18O序列作為氣候代用指標(biāo)來研究氣候變化。洪業(yè)湯等認(rèn)為,大約4000～2600aB.C.為寒冷期,對應(yīng)北美洲與歐洲的中全新世寒冷氣候。該期中存在3800aB.C.、3300aB.C.、2600aB.C.三個明顯的冷峰,與敦德冰芯同一時期記錄到的3個冷峰一一對應(yīng)。另外,考古研究表明,長江黃河地區(qū)該期的古文化遺址個數(shù)也明顯少于相鄰時期,表明該期氣溫比相鄰時期氣溫低。2600～1600aB.C.為一段自然升溫期,1000年中共升高約6‰,1600aB.C.左右達(dá)到最大值,與格陵蘭冰芯同期記錄相一致。溫暖的氣候一直持續(xù)到350aA.D.左右,歷時達(dá)2000年,跨越8個朝代。大量的考古、歷史資料也記錄了這段時期的溫暖氣候。記錄到幾次趨冷的溫度振蕩,如1500aB.C和800～700aB.C.為兩個典型的冷峰。350～500aA.D.有明顯的降溫趨勢,與歷史上南北朝時期建業(yè)地區(qū)可以建造冰房來存儲食物的冷氣候相一致。500～1800aA.D.記錄到9個冷峰,其中1550a、1650a、1750a最寒冷,與Lamb提出的1550～1700年間的寒冷氣候?qū)?yīng)。大約1100～1200aA.D.為一段溫暖時期,與中世紀(jì)溫暖期相一致。2.3個獨(dú)特的氣候特點(diǎn)孢粉也是恢復(fù)全新世古氣候研究的一種理想的代用資料。施雅風(fēng)等人曾根據(jù)孢粉分析來探討全新世氣候變化,并寫成專著。王紹武以施雅風(fēng)等人的專著為資料來源,重建了我國各地區(qū)大暖期氣候變化模式。王奉瑜對內(nèi)蒙古察素齊泥炭剖面中孢粉的研究,重建了該區(qū)全新世古環(huán)境變遷序列。王奉瑜指出:內(nèi)蒙古中部地區(qū)全新世以來氣候變化經(jīng)歷了涼→溫→暖→涼序列。9100～7400aBP,氣候偏干冷;7400～5000aBP氣候波動劇烈,屬過渡期,氣候前期溫偏干,后期溫偏濕;5000～4100aBP氣候溫暖濕潤;4100～1350aBP屬氣候過渡期,逐漸趨向干旱;1350aBP至今氣候溫和半干旱。7400～4100aBP為全新世暖期。其中5000-4100aBP為最適宜期。童國榜等對采自江蘇龍感湖的湖底沉積物柱樣進(jìn)行了孢粉分析,得出結(jié)論:該區(qū)3kaBP前后氣溫急劇變化,平均氣溫變幅達(dá)6℃之多。他們分析了該區(qū)3.2kaBP以來的8個時段的氣候變化,如表1。2.4漢至隋時期氣候比較竺可楨結(jié)合考古資料、物候資料、地方志資料、儀器觀察等多種手段,初步恢復(fù)了中國近5000年來的氣候變遷,并認(rèn)為這種變遷是具有世界性的。竺可楨認(rèn)為我國近5000年中,最初二千年,即從仰韶文化時代到河南安陽時代,年平均溫度比現(xiàn)在高2℃左右。之后,年平均溫度有2～3℃的擺動,最寒冷時期出現(xiàn)在公元前1000年(殷末周初)、公元前400年(六朝)、公元1200年(南宋)、公元1700年(明末清初)。漢唐兩代是比較溫暖的。竺可楨將他的物候研究結(jié)果與丹麥哈根大學(xué)物理研究所的W.Dansgaard教授對格陵蘭島上的Campcentury地方的冰川塊研究結(jié)果進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)果幾乎平行,從而提出中國氣候變化具有世界性的論點(diǎn)(如圖3)。朱士光等開展了關(guān)中地區(qū)的考古研究。他們認(rèn)為全新世早期(10～8kaBP)氣溫較現(xiàn)今低5～6℃;中期仰韶文化期(7～5kaBP)氣溫高于現(xiàn)今2℃;后期龍山文化期(5～4kaBP)氣溫有所下降,但仍較現(xiàn)今溫暖。西周初期即約3kaBP氣溫開始變冷;進(jìn)入晚全新世,氣溫平均比現(xiàn)今低1～2℃;春秋、戰(zhàn)國、秦與西漢早期(770aBP～24aBP)氣候溫暖濕潤,西漢晚期氣候變冷;至隋唐(581～907aA.D.)氣溫高于現(xiàn)今1℃左右;北宋、金、元(960～1368aA.D.)等期氣候以溫涼為主;明清以后(1368A.D.～)進(jìn)入小冰期,尤以17世紀(jì)及19世紀(jì)后半葉為最寒冷期。2.5環(huán)境信息的提取另外,還有大量的氣候代用指標(biāo)可以用于恢復(fù)全新世氣候變化。例如,從湖泊沉積物中提取的碳、氧同位素信息,可以反映氣候的變化;從黃土堆積中提取了大量氣候信息,為恢復(fù)全新世氣候變化做出了重大貢獻(xiàn);從樹輪纖維素中提取氣候信息等等。限于篇幅,這里不作進(jìn)一步描述。3研究前現(xiàn)輪廓綜合眾多的研究成果,中國全新世氣候變化研究已經(jīng)初現(xiàn)輪廓。但是,由于中國地形地貌復(fù)雜,又處在具有復(fù)雜變率的東亞季風(fēng)控制范圍內(nèi),所以氣候具有明顯的地區(qū)差異。3.1溫度波動,特性王奉瑜等的研究表明,中國內(nèi)蒙地區(qū)9.1～7.4kaBP干冷;7.4～5.0kaBP激烈波動,前期溫干,后期溫濕;4.1～1.35kaBP趨于干旱;7.4～4.1kaBP為溫暖期,5.0～4.1kaBP為最適期。3.2古里雅冰芯10a尺度的氣候變化如前所述,洪業(yè)湯等通過分析吉林金川泥炭纖維素δ18O序列重建了過去6000年中國東部氣候變化,其結(jié)果與敦德冰芯的研究結(jié)果有較好的對應(yīng)關(guān)系;近2000年的氣候變化曲線與施雅風(fēng)等《近2000a古里雅冰芯10a尺度的氣候變化及其與中國東部文獻(xiàn)記錄的比較》一文中的結(jié)論也有較好相似性;全新世大暖期、中世紀(jì)溫暖期、小冰期等特征氣候時段在該序列中均有充分的體現(xiàn)。王蘇民等認(rèn)為從7.2kaBP開始,為由早全新世進(jìn)入中全新世過渡階段,氣候波動頻繁,氣溫有所下降;約在6.6kaBP左右,氣候趨溫濕。王開發(fā)等認(rèn)為上海地區(qū)約在7.0kaBP或6.4～5.6kaBP氣候溫暖;5.6～5.2kaBP氣溫比以前涼干,比現(xiàn)今大約低1.5℃;5.2～3.8kaBP早期溫暖濕潤,中期氣溫涼干,晚期轉(zhuǎn)暖。3.3氣候突變事件李平日等分析了珠江三角洲地區(qū)全新世氣候變化,并認(rèn)為全新世該區(qū)氣候變化幅度不大,約從7.5kaBP起已屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,其間幾次波動;5～4.5kaBP時變涼;4.5～3.4kaBP時炎熱;3kaBP以來僅有小的波動;1488～1893aA.D.進(jìn)入小冰期,在小冰期內(nèi)可以進(jìn)一步劃分出3個冷期和2個暖期。溫孝勝等研究了采自珠江口伶仃洋的鉆孔巖心,結(jié)果表明9.0～6.0kaBP之間氣溫較溫暖濕潤;6.0kaBP以后氣溫有所下降;3.2kaBP左右環(huán)境發(fā)生劇烈變化。3.4小冰期進(jìn)入時間如前所述,施雅風(fēng)、姚檀棟等人對古里雅冰芯、敦德冰芯的研究結(jié)果表明,中國西部隋唐溫暖期氣候表現(xiàn)不明顯,小冰期的進(jìn)入時間比東部晚,歷時較東部短。4關(guān)鍵時期明代對近萬年的氣候變遷的研究主要集中在幾個關(guān)鍵時期,即全新世大暖期、中世紀(jì)溫暖期、小冰期和近現(xiàn)代升溫期。這些時期同時也是研究爭論的焦點(diǎn)所在。4.1采用新的氣候模式吳錫浩、安芷生等將全新世濕度最大值出現(xiàn)的時期定義為全新世氣候最適宜期。他們從湖泊波動、花粉資料、風(fēng)成堆積以及青藏高原的氣候資料中總結(jié)出大量氣候信息,并結(jié)合數(shù)值模擬計算,提出了中國全新世氣候適宜期的穿時性模式等創(chuàng)新性觀點(diǎn)。他們指出,全新世氣候適宜期有效降水增量的峰值在中國具有明顯的穿時性。以東亞夏季風(fēng)降水或有效濕度為標(biāo)志的全新世氣候適宜期在中國出現(xiàn)的時期不同,東北、西北和華北三區(qū)偏早,長江中下游稍晚,華南區(qū)最晚,而西南區(qū)又偏早。作者還對導(dǎo)致這種穿時性的軌道驅(qū)動力和季風(fēng)峰面移動的機(jī)理進(jìn)行了解釋。安芷生等近來對該觀點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步的總結(jié)與發(fā)展。4.2全新世大暖期概念大暖期(Megathermal)指間冰期中最暖的階段,又稱高溫期(Hypsithermal)或氣候最適宜期(ClimaticOptimum)。這段時期的氣候代用資料相對較少。Hafsten于1976年首次提出全新世大暖期這個概念,并認(rèn)為時期為8.2～3.5kaB.P.;Brzenkova等認(rèn)為這一時期為9～5.3kaBP。施雅風(fēng)等將中國全新世大暖期定為8.5～3.0kaBP。并將該高溫期分為4個階段。8.5～7.3kaBP為溫度不穩(wěn)定,由暖變冷階段;7.2～6.0kaBP為穩(wěn)定溫?zé)釟夂?即大暖期的暖濕階段(鼎盛階段);6～5kaBP為氣候波動激烈,環(huán)境較差階段;5～3kaBP為溫度波動緩和氣候。黃河中游陜西省與長江下游太湖地區(qū)文化遺址的14C年代統(tǒng)計結(jié)果(如圖4)在一定程度上反映了該期的環(huán)境變動。陳云等研究表明,全新世高溫期氣候不穩(wěn)定,在約9～6kaBP期間,曾發(fā)生數(shù)次強(qiáng)度不等的快速變化。4.3中世紀(jì)不同時期的氣候狀況公元600～900年(隋唐時期),900～1300年(歐洲的中世紀(jì)溫暖期)這兩段時期為中國全新世氣候研究者爭論的焦點(diǎn)之一。竺可楨首次提出了隋唐溫暖期(約600aAD～900aAD)概念,并指出600aAD～1000aAD期間為相對溫暖的時期。但敦德冰芯記錄表明這一段時期為冷期。朱士光等認(rèn)為當(dāng)時氣候比現(xiàn)在約高1℃左右,而從施雅風(fēng)等發(fā)表的古里雅冰芯中10年尺度的δ18O記錄中,卻看不出明顯的隋唐溫暖期。竺可楨認(rèn)為10～13世紀(jì)之間無明顯的暖期,即不存在中世紀(jì)溫暖期。滿志敏對中國全新世中世紀(jì)溫暖期與竺可楨有不同的觀點(diǎn),滿志敏認(rèn)為五代中至元朝前期(10世紀(jì)初～13世紀(jì)末)為氣候溫暖期。姚檀棟等的古里雅冰芯研究結(jié)果中沒有明顯的中世紀(jì)溫暖期記錄,而中世紀(jì)溫暖期在洪業(yè)湯等得出的泥炭δ18O序列中卻比較明顯。施雅風(fēng)指出這些差異是由地理因素引起的,中國中世紀(jì)溫暖期在東部表現(xiàn)明顯而在西部表現(xiàn)不足。溫孝勝等也指出,上述差異可能是地理差異所致,而這些差異在東西部表現(xiàn)更加明顯。王紹武等綜合大量史料,分別分析了公元800年以來中國東部、西部和全國的平均氣候(如圖5),從圖中也可見中國東部地區(qū)中世紀(jì)溫暖期明顯,而西部表現(xiàn)不足。4.4東部氣候突變期小冰期是Lamb最早提出的,泛指1550～1850年間氣候相對寒冷時期。中國進(jìn)入小冰期的時間有所差異,有的認(rèn)為是13世紀(jì),有的認(rèn)為是14世紀(jì),甚至15世紀(jì)或16世紀(jì)。從洪業(yè)湯等的泥炭δ18O序列圖中可得知中國東部大約從1200aAD開始波動降溫并持續(xù)變冷,約在1550,1650,1750年左右出現(xiàn)三個最冷峰,大約1830年后氣溫開始回升。施雅風(fēng)的古里雅冰芯記錄到的小冰期約為1510～1920年間。這可能表明中國西部小冰期發(fā)生時間相對于東部較晚。竺可楨指出中國小冰期有3個寒冷階段,出現(xiàn)于1470～1520年、1620～1720年、1840～1890年。施雅風(fēng)等研究得出的小冰期中也包含3個很明顯的寒冷階段。王紹武結(jié)合豐富的史料,重建了1380年以來華北四季約10年的平均氣溫變化曲線。最近,王紹武又根據(jù)史料恢復(fù)了小冰期以來中國華北、華東及全國平均氣溫變化(如圖6)。其中華東地區(qū)小冰期持續(xù)長,且小冰期的三個寒冷階段十分明顯。4.5氣溫變化的驅(qū)動因子近現(xiàn)代升溫是眾家研究結(jié)果所公認(rèn)的,只是在起始時間上有差異,其差異主要也是受地區(qū)差異影響所致。近現(xiàn)代氣候變化爭論的焦點(diǎn)不在于起始時間上,而在于氣候變化的驅(qū)動因子上,即近現(xiàn)代氣溫上升的主要驅(qū)動力到底是太陽輻射變化還是人為因素。20世紀(jì)是最近12個世紀(jì)以來最暖的一個世紀(jì)。從19世紀(jì)末至今,全球平均氣溫上升了0.3～0.6℃。IPCC1990年估計,未來氣溫變化每十年會增加0.3℃,至2025年氣溫會比現(xiàn)在高1℃,2100年會比現(xiàn)今高3℃。與此同時,溫室氣體的排放量急劇增加,太陽輻射又處在一個加強(qiáng)階段,到底誰是近現(xiàn)代升溫的主要驅(qū)動力這個問題變得更加復(fù)雜,需要進(jìn)一步的研究。5氣候變化的驅(qū)動因子關(guān)于氣候變化的驅(qū)動力的探討是當(dāng)前氣候變化的焦點(diǎn)之一。氣候?qū)W上一般將太陽輻射、地球天文參數(shù)、下墊面和大氣環(huán)流作為氣候形成和變化的最主要因子。隨著人類活動對地球環(huán)境影響的加劇,人類活動又被列為氣候變化的一個大的影響因素。各個因子對氣候的影響不是相互獨(dú)立的。最近的研究工作認(rèn)為太陽提供的能量是地球系統(tǒng)的主要動力,太陽本身提供的能量變化或者地球接收到的太陽能量發(fā)生變化都影響到地球氣候系統(tǒng)的變化。研究意見主要在①太陽本身提供的能量發(fā)生變化是驅(qū)動氣候變化的主要力量;②人類活動是近代氣候變化的主要影響因子這兩個方面發(fā)生了分歧。由于近150年來工業(yè)排放CO2等溫室氣體加劇,導(dǎo)致全球變暖,這使得近代氣候變化的主要驅(qū)動因子是太陽輻射、地球天文參數(shù)變化,還是人為因素這一問題變得錯綜復(fù)雜。模擬研究表明,氣候系統(tǒng)內(nèi)部的變化產(chǎn)生可觀測到的全球增溫圖式的可能性很小,Graham、Wallance等卻有不同的看法。Lean等提供了近400年太陽輻射變化序列,并計算了太陽輻射同Bradley等的北半球夏季溫度之間的相關(guān)系數(shù),在1610～1800年間相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.86,認(rèn)為太陽輻射是近代氣候變化的主要驅(qū)動力;Overpack等用環(huán)北極地帶溫度序列和Lean等的太陽輻射序列重復(fù)了這種分析,卻發(fā)現(xiàn)1610～1800年間的相關(guān)系數(shù)只有0.47。外推這個關(guān)系到現(xiàn)代,認(rèn)為20世紀(jì)20年代以后的溫室氣體效應(yīng)對氣候的影響最為重要。然而,從十年至百年的長時間尺度角度出發(fā),大部分學(xué)者認(rèn)為影響氣候的長期波動的主要因子是太陽輻射[4,5,6,7,8,36,45,46,47]。Eddy以樹輪放射性碳濃度異常為太陽活動水平的指示,以歐洲和全球冰川進(jìn)退為氣候變化的指示,發(fā)現(xiàn)太陽活動水平的長期變化與全球氣候變化之間有很好的正相關(guān)。從過去7500年中識別出18個顯著的太陽活動水平變化期,推測存在一個周期約為1000年或2500年的波動趨勢。洪業(yè)湯等分析了中國東北金川泥炭纖維素的δ18O序列,發(fā)現(xiàn)泥炭δ18O大小變化正好對應(yīng)于Eddy提出的太陽活動變化及其變化強(qiáng)弱水平,在位相特征和發(fā)生年代上幾乎完全一致。許靖華分析了歷史記載、考古研究等得出的氣候變化與太陽黑子活動的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)二者基本吻合。最近,洪業(yè)湯綜合論述