第二章

全球變化的主要特征與過程第二章第一節全球變化的時空譜特征全球變化全球變化事件與過程的時空尺度全球變化的過程跨越了不同的時間尺度，地球系統從100年以下到10年的各個時空尺度上均存在變化。全球變化的變與不變是相對于一定時間尺度而言的第一節全球變化的時空譜特征全球變化全球變化事件與過程的時全球變化全球變化的空間尺度全球尺度：◆全球的太陽輻射能量◆經向與緯向大氣環流◆平流層臭氧◆對流層溫室氣體與氣候效應◆海洋環流◆板塊運動與大洋擴張全球變化全球變化的空間尺度全球尺度：全球變化全球變化的空間尺度區域尺度：◆氣候帶變化◆海洋局部變化◆季風變化、熱帶氣旋◆山地冰川、冰蓋變化◆造山運動全球變化全球變化的空間尺度區域尺度：全球變化全球變化的空間尺度地方尺度：◆地震◆暴雨和水災◆大氣污染◆水體污染◆地貌與土壤環境◆資源分布臺灣臺風水災2009，8全球變化全球變化的空間尺度地方尺度：臺灣臺風水災2009，全球變化全球變化的空間尺度局地尺度（<10km）：◆?歌樂山地陷全球變化全球變化的空間尺度局地尺度（<10km）：歌樂山地陷全球變化全球變化在空間尺度上將區域尺度和全球尺度綜合考慮，既研究全球變化過程，又關注區域表現形式區域尺度與全球尺度的相關性全球變化全球變化在空間尺度上將區域尺度和全球尺度綜合考慮，既時間尺度問題氣候變化證據?冰川活動證據？全球變化時間尺度？時間尺度？時間尺度問題氣候變化證據?對1-1000年時間尺度響應的系統對1-1000年時間尺度響應的系統全球變化全球變化研究的時間尺度問題天-月-季年際尺度百年尺度千年尺度萬年尺度十萬年尺度百萬年尺度千萬年-億年尺度天氣變化季節變化農業活動太陽黑子活動火山活動溫室效應天氣長期變化海洋環流變化歷史人類擾動冰期-間冰期地球軌道周期海平面變化人類文明歷史巖石圈循環板塊運動造山運動大氣圈形成生命起源進化天氣變化、人類擾動、大氣與海洋環流、軌道周期、巖石圈循環、板塊運動全球變化全球變化研究的時間尺度問題天-月-季天氣變化太陽黑子(一)百萬年至億年尺度全球變化發生在地質歷史時期內（地質學研究的主要內容）受地球行星演化規律與進程的控制屬于不可逆過程中的地質事件根據地質學和地球物理學的研究，地球大約經歷46億年的歷史，其間，固體地球的形成完成于地球誕生后的1億年之內。此后的地質活動都屬于這一特征時間尺度的全球事件。板塊運動、海陸變遷、山脈形成、大洋擴張、大氣圈形成、生命起源與進化(一)百萬年至億年尺度全球變化發生在地質歷史時期內（地(二)千年至萬年尺度發生在地質年代表最新的一個地質時期——第四紀和人類歷史時期內，主要受到地球軌道參數如偏心率、黃赤交角和歲差等變化的影響。具有準周期性變化的特點，屬于可逆過程中的事件。典型事件包括第四紀冰期一間冰期的交替，冷暖、干濕變化冰蓋變化導致海面的大幅度升降大氣成分變化，塵埃含量變化；干旱區古土壤層的發育；生物種的分布、遷移和滅絕人類文明的誕生與發展：如北京猿人出現于（0.5Ma），馬壩人（0.13Ma）、丁村文化（0.12Ma），仰韶文化（7ka）全球變化(二)千年至萬年尺度發生在地質年代表最新的一個地質時期——第(三)年際至百年尺度

這一時間尺度的事件發生在年際、年代際到世紀際主要驅動因子包括太陽活動、火山活動、大氣環流的長期變化、厄爾尼諾—南方濤動等自然因子和大氣溫室效應的增強等人為因子。太陽活動具有大致11a和80a的周期火山塵埃指數的變化具有大致70a的周期赤道平流層緯向風具有準2a的振蕩厄爾尼諾—南方濤動具有3a一7a的短周期和大約70a的長周期近百年來地球大氣中溫室氣體CO2含量的變化則呈現持續上升趨勢。全球變化該尺度涉及的典型內容：氣溫變化、海洋表層水溫、降水量、徑流量、地表侵蝕、植物物候期、植物種群結構的變化、植被帶的可能移動、動物遷移、物種消失等。(三)年際至百年尺度

這一時間尺度的事件發生在年際、年代(四)天-季度尺度發生在數天到1年，特征是季節更替主要驅動因子：太陽輻射輸入的年循環。與地表系統中較長時間尺度的變化相比，季節變化屬于一種規則的韻律波動或周期性變化，它構成了地表能量流、物質流和信息流等以年為周期變化的時間背景與人類的物質生產(農、林、牧、漁業)和文化生活(旅游、節慶、娛樂、著裝等)的關系特別密切。該尺度的典型內容：季節氣候變化，氣溫、降水、物候、候鳥與昆蟲活動土壤—植物—大氣之間生物地球化學循環的年際變化等。全球變化(四)天-季度尺度全球變化對不同氣候系統的響應時間對不同氣候系統的響應時間什么是引起全球變化的驅動力？

pause什么是引起全球變化的驅動力？

pauseHow?太陽黑子周期?地日軌道周期引起太陽輻射量變化?地球表面地溫降低?大氣環流改變?板塊運動與海陸變遷?海洋環流改變?地球在太陽系中的位置變化?火山活動?How?太陽黑子周期?思考外因:內因:全球變化太陽輻射量變化:地球軌道參數、太陽周期、太陽耀斑外星撞擊等板塊運動：海陸分布格局的改變山地隆起與平原造山帶：改變大氣環流海洋分布：改變大洋環流極地大陸：冰蓋形成火山活動：排出CO2溫室效應人為因素：人類生態系統改變地球的重要營力思考外因:全球變化太陽輻射量變化:地球軌道參數、太陽周全球變化外動力因素的驅動力1、太陽本身變化導致的地球輻射量變化：黑子活動周期周期：10-100a（沃爾夫周期11a、海爾周期22a,世紀周期80a）2、地日軌道因素引起的地球輻射量變化：偏心率、地軸斜率、歲差周期分別為：410Ma、100Ma、40Ma、20Ma全球變化外動力因素的驅動力1、太陽本身變化導致的地球輻射冬至點夏至點春分或秋分>黃赤交角>春分和秋分>冬至和夏至>南、北回歸線北半球太陽回歸運動驅動的季節變化冬至點夏至點春分或秋分>黃赤交角北半球太陽回歸運動太陽黑子高峰周期Cyc23太陽黑子低峰周期Cyc242001/03/292008/05/16ConservativepredictionsshowninredbyHathaway,NASA/NOAA,2007,usesanolderstatistically-basedmodel.OtherpredictionsusingSolarDynamicModelsindicateahigherpeakforCycle24.Cycle25"seems"toolowinthischartwhencomparedtothepastnineActivityCycles太陽黑子高峰周期Cyc23太陽黑子低峰周期CyTheEarthssurfaceandtheatmosphereshowaSolarCyclefluctuation,anannualfluctuationandanENSOfluctuation.TheEarthssurfaceandtheatm最近400年的太陽黑子活動最近400年的太陽黑子活動Untilnow,scientistscouldonlystudysunspotrecordsbackto1610,whenastronomersstartedkeepingtrackofsunspotsbydirectobservation.Now,thankstoaclevernewmethod,the400-yearsunspotrecordcanbeextendedbacktotheIceAge.Thenewsunspotrecordwaspresentedinanarticleinthisweek'sissueofthejournalNature."Theauthors(oftheNaturearticle)didshowthattheirsunspotnumberreconstructionmatchedtheobservedsunspotrecordquitecloselyfromcirca1610—1900A.D.,"saidcarbon-14specialistPaulaReimer,directoroftheCenterforClimate,theEnvironment&ChronologyatQueen'sUniversityinBelfast,Ireland."Sothisdoesprovideatestofthemethod."Thenewmethodworkslikethis:Treesandtreeringscontaincarbon,whichtheygetfromcarbondioxideintheatmosphere.Someofthatcarbonistheisotopecarbon-14whichiscreatedintheEarth'satmospherebycosmicraysflyinginfromoutsidethesolarsystem.Butthosecosmicrayscan'treachEarthwhenthesunisstormywithsunspotsandthesolarwindisroaring.Soatreeringcontaininglowcarbon-14isasignoffewcosmicraysinthatgrowthyear,whichisanindicatorofastormysun,contendMax-Planck-InstitutfürSonnensystemforschung'sSamiSolankiandcolleagues.Moststrikinginthenewsunspotarchivederivedfromthenewmethodishowmuchtoday'songoingstormyperiodstandsoutfrompastperiods,theresearcherssaid."Duringthelasteightmillennia,theepisodewiththehighestaveragesunspotnumberistheongoingonethatstartedabout60yearsago,"reportedSolanki.Andalthough11,400yearsismerelyamomentinthemulti-billion-yearlifeofthesun,itisenoughtocontainarecordof31highsunspotperiodswhichaverageabout30yearsinlength,theresearcherssaid.Thelongestis90yearslong.Thatisenoughofasampletoenabletheresearcherstoventureaguessabouthowlongthecurrentstormyperiodwilllast."Theprobabilitythatitwillcontinueuntiltheendofthetwenty-firstcenturyisbelowonepercent,"theresearchersconclude.Asforwhetherthelastfewdecadesofstorminessonthesunisthecauseofglobalwarmingoverthesameperiod,it'snotlikely,saidReimer."Theincreasedsolaractivitymayaccountforpartoftheclimatetrendanditdoescomeatabadtime,"shesaid."However,intermsofactualwarmingitprobablyisn'talargecontributor."Untilnow,scientistscouldon全球變化的主要特征與過程ppt課件

軌道偏心率周期＝10萬和41萬年

地軸斜率周期＝4萬年

旋轉軸歲差周期＝2.3&1.9萬年軌道偏心率From:

Cane2005.EPSL230:227-240.ElNi?oSouthernOscillation厄爾尼諾現象帶來的思考From:ElNi?oSouthernOscilla全球變化內動力因素的驅動力1、地幔對流引起的板塊構造和海陸分布變化太平洋、古特提斯洋、地中海、大西洋聯合古陸、勞亞古陸、岡瓦那古陸、印度板塊亞洲的喜馬拉雅山脈、歐洲的阿爾卑斯山脈、北美洲的科迪勒拉山脈、南美洲的安第斯山脈2、火山活動：火山灰粉塵等白堊紀印度德干火山導致恐龍滅絕。普林尼(Plinian)式火山噴發主要造成氣候變冷和臭氧層破壞。大面積火山噴發造成氣候變化的時空范圍及程度均較大,它能夠導致地表溫度、海平面大幅度變化,最終引起生物滅絕;中小規模玄武質裂隙式噴發主要造成火山盆地內氣候較大幅度變化,但對氣候影響的持續時間較短,主要氣候效應是導致附近地區溫度快速下降和形成酸雨.全球變化內動力因素的驅動力1、地幔對流引起的板塊構造和海陸晚元古代的海陸分布晚元古代的海陸分布BytheEarlyJurassic,south-centralAsiahadassembled.AwideTethysoceanseparatedthenortherncontinentsfromGondwana.ThoughPangeawasintact,thefirstrumblingsofcontinentalbreakupcouldbeheard早侏羅紀的海陸分布（大西洋尚不存在！）TethysoceanGondwanaPangeaBytheEarlyJurassic,south-c晚白堊紀火山作用引發溫室效應和恐龍絕滅晚白堊紀火山作用引發溫室效應和恐龍絕滅TheamountofaerosolsintheairhasdirecteffectontheamountofsolarradiationhittingtheEarth'ssurface.火山作用引起氣候變冷TheamountofaerosolsintheThe1991eruptionofMtPinatubointhePhilippineswasoneofthelargestinthepast100years.Theinjectionintothestratosphereof14-26milliontonnesofsulfurdioxideledtoaglobalsurfacecoolingof0.5°C

ayearaftertheeruption.TheclimaticimpactofthePinatuboaerosolwasstrongerthanthewarmingeffectsofeitherElNi?oorhuman-inducedgreenhousegaschangesduring1991-93.TheeruptionofTobainSumatra73,500yearsagomayhavecooledtheplanetby3-5°C,resultingina‘volcanicwinter’1991年菲律賓Pinatubo火山引發全球氣候變冷The1991eruptionofMtPinatu人類因素的驅動力溫室氣體：森林砍伐人口增長環境污染Estimatingpotentialimpactsofclimatechangebyhumanactivities全球變化人類因素的驅動力溫室氣體：EstimatingpotenTheOrbitingCarbonObservatorymissionisscheduledtolaunchin2009。Itwillbethefirstspacecraftdedicatedtostudyingatmosphericcarbondioxide,theprincipalhuman-produceddriverofclimatechange.TheOrbitingCarbonObservatorCO2CO2NotetheclearincreaseinCO2intheatmospheresincehumansstartedusinglargeamountsoffossilfuelsintheindustrialrevolution.Clicktoenlarge.(NASA)NotetheclearincreaseinCO2碳循環碳循環CarbonCycle.Unitsareingigatonsofcarbon(NASA)CarbonCycle.Unitsareingig全球變化的主要特征與過程ppt課件全球變化的主要特征與過程ppt課件全球變化的主要特征與過程ppt課件全球變化的主要特征與過程ppt課件全球變化的主要特征與過程ppt課件05101520SeasurfacetemperatureAge(Ma)第四紀環境+2+10-1-2OxygenIsotope第三紀第四紀上新世中新世漸新世始新世古新世第三紀以來海洋有孔蟲氧同位素及海洋表層水溫變化05板塊運動與海流第四紀環境板塊運動與海流第四紀環境新生代全球主要構造事件新生代全球主要構造事件板塊運動與洋流第四紀環境新生代初：南極年均溫攝氏18度古新世：赤道暖流環繞全球始新世末：前德雷克海峽形成漸新世早期：印度、歐亞大陸阻擋赤道洋流，南極環流加強早中新世：南-北美赤道海洋通道關閉中新世中期：南極大陸冰蓋初步形成，赤道－極地溫度梯度增加中新世晚期：海平面下降40－50m，地中海形成厚層的蒸發巖晚上新世（2.4ma）：北半球降溫，中等規模冰蓋形成第四紀：北半球冰期／間冰期的周期性變化ov板塊運動與洋流第四紀環境新生代初：南極年均溫攝氏18度PangeaBeginstoRiftApartPangeaBeginstoRiftApartTheEndoftheDinosaursBytheLateCretaceoustheoceanshadwidened,andIndiaapproachedthesouthernmarginofAsia.TheEndoftheDinosaurs新生代海洋氧同位素記錄與重大氣候事件和構造事件對比約34Ma前后，南極形成冰蓋，與澳洲板塊北漂有關。新生代海洋氧同位素記錄與重大氣候事件和構造事件對比約34Ma20millionyearsago,Antarcticawascoveredbyiceandthenortherncontinentswerecoolingrapidly.Theworldhastakenona"modern"look,butnoticethatFloridaandpartsofAsiawerefloodedbythesea20millionyearsago,Antarcti全球變化的主要特征與過程ppt課件全球變化的主要特征與過程ppt課件更多閱讀拓守廷,劉志飛：始新世—漸新世界線的全球氣候事件:從“溫室”到“冰室”。地球科學進展，2003，第18卷第5期第四紀環境更多閱讀拓守廷,劉志飛：始新世—漸新世界線的全球氣候事件:第四紀冰期與間冰期第四紀環境過去經典的說法認為第四紀中有4次冰期。由老至新為：貢茲（Gunz）、民德（Mindel）、里斯（Riss）及武木（Wurm），其中除最后1次冰期大約從110KaBP開始到10KaBP為止進入全新世間冰期。中國東部曾確定潘陽、大姑、廬山及大理4次冰期。第四紀冰期與間冰期第四紀環境過去經典的說法認為第四紀中有4次深海有孔蟲沉積測定的

氧同位素階段---冰期與間冰期

(SPECMAP)(OIS)第四紀環境深海有孔蟲沉積測定的

氧同位素階段---冰期與間冰期

(SP全球變化的主要特征與過程ppt課件全球變化的主要特征與過程ppt課件全球變化的主要特征與過程ppt課件第四紀環境研究的時間尺度問題第四紀環境第四紀環境研究的時間尺度問題第四紀環境第四紀環境變化

研究的時間尺度年代越新，時間尺度越短，要求越高的分辨率Logscale第四紀環境變化

研究的時間尺度年代越新，時間尺度越短，要求越第四紀環境變化研究的時間尺度與分辨率第四紀環境變化研究的時間尺度與分辨率環境記錄的載體環境記錄的載體第四紀環境變化歷史重建方法儀器觀測利用儀器觀測的記錄作為闡明環境演變的依據，能得到最直接和定量的結果。缺點在于記錄所覆蓋的時間多數比較短。通過器測資料對接代用資料并發展代用資料第四紀環境第四紀環境變化歷史重建方法儀器觀測第四紀環境儀器觀測歷史氣象記錄一般只有一二百年的歷史。1424年明成祖朱棣曾下令地方官，每年報告雨量，藉以估計各地農業收成豐歉，應有量雨器，但不久即廢。在北京建立臺站以溫度計觀測氣溫遲至1867年才開始。英格蘭中部的溫度記錄是世界上最長的氣溫記錄之一，起自1659年，但這一記錄實際上是由北起愛丁堡（Edinburgh）南至普利茅斯（Plymouth）許多不同地點的記錄連續而成的，1815年以后才在牛津（Oxford）地區穩定下來。荷蘭DeBilt冬季氣溫記錄起自1634年，但實際上正式觀測記錄從1897年才開始，以前的記錄都是根據當地運河結冰日數推算而來的。世界各地長短不同的氣象記錄，經過整理，都是研究近數百年氣候演變的基本依據水位測量可能從公元前3100年埃及第一代法老時已經開始，至今已有長達五千年的歷史。第四紀環境儀器觀測歷史氣象記錄一般只有一二百年的歷史。1424年明成器測資料與代用資料對比南方濤動指數（SOI）海洋表層水溫(SST)第四紀環境器測資料與代用資料對比南方濤動指數（SOI）第四紀環境南方濤動（SOI）指數南方濤動指數自2004年6月開始連續7個月維持負值，11、12月份分別為－0.9、－1.1，表示最近半年多南方濤動指數較為穩定第四紀環境南方濤動（SOI）指數南方濤動指數自2004年6月開始連續7器測資料與代用資料對比第四紀環境南方濤動100年的變化器測資料與代用資料對比第四紀環境南方濤動100年的變化第四紀環境變化代用資料

器測資料對接代用資料

第四紀環境變化代用資料

器測資料對接代用資料

器測資料對接代用資料器測資料對接代用資料第四紀環境變化代用資料珊瑚、樹木年輪、冰芯、石筍、花粉沉積、黃土粉塵沉積等(1)BoreholeData(2)ClimateForcing（OrbitalVariations,SolarVariability,VolcanicAerosols,TroposphericAerosols,AtmosphericTraceGases,）(3)Corals(4)Fauna(5)IceCores(6)Insecta(7)PaleoclimateModeling(8)Paleolimnology(9)Paleomagnetism(10)Paleoceanography(11)PlantMacrofossils(12)Pollen(13)TreeRing(14)Loess(15)OtherPaleoData器測時期，在此以前的稱為Paleo-(theGreekroot)巴黎(1370-1879)的氣溫和漢城(1777-1919)的降水第四紀環境變化代用資料珊瑚、(1)BoreholeD珊瑚Corals:珊瑚從海水中分離出鈣離子及碳酸鹽來形成牠們的骨骼，碳酸鹽中包含了氧及其同位素。如同微量的金屬一般，這些珊瑚生長資料可以用來判斷海水的溫度，可以利用來重建珊瑚生長期間氣候的資料。如果要了解更多有關珊瑚的研究，可以參考下面的網站：NOAA'sCoralPaleoclimatologySite.珊瑚Corals:全球變化的主要特征與過程ppt課件孢子花粉Pollen&Spores每種植物都會產生各種各樣的花粉或孢子，這些不同的孢粉外型可以用來識別不同的植物。由於這些花粉粒經常完整的保存於沉積層或泥沼、湖泊及海洋的底部，分析每一個沉積層的花粉，可以使我們了解沉積時植物生長的種類，而根據植物生長的種類我們就可以推測沉積時的氣候環境。如果要了解更多有關花粉化石，可以參考下面的網站：TheInstituteofPaleontology,UniversityofVienna,AustriaFossilGroups:SporesandPollens,U.S.GeologicalSurvey(USGS)孢子花粉Pollen&Spores樹輪

TreeRings:樹木的生長會被氣候的條件所影響，樹輪的寬度及密度甚至同位素的組成都會受到氣候變化的影響。在氣候溫和的區域會有固定的生長季節，通常每年都會產生一個樹輪（年輪），而這些樹木可以生長到數百年甚至數千年。根據這些樹輪的記錄可以了解百年至甚至千年間的氣候變化。樹輪TreeRings:冰芯IceCores:位於高山或極地深處冰蓋中的冰是累積了數萬年的降雪所形成的，科學家鑽探這些深層的冰蓋採集冰芯。這些冰芯包含了灰塵、氣泡或氧的同位素，而這些可以用來解釋這個區域過去的氣候狀況。想要了解更多的冰芯資料可以參考下面網站：TheAustralianAntarcticDivision,SeeDept.ofGlaciology-IssuesTheAmericanGeophysicalUnionGreenlandIceCoresSummit(GISP2)Project冰芯IceCores:冰芯記錄IceCores冰芯記錄AntarcticaByrdCaseyD57DollemanIs.DomeC(1977Core)(Loriusetal.,1979)DomeC(EPICA)DomeFujiDSS(DomeSummitSouth)DominionDronningMaudLandDumontD'UrvilleDyerPlateauEPICADomeCGomezJamesRossIs.(DallingerDome)LawDome

Mizuho(Watanabeetal.,1978)NewallGlacierPlateauRemoteShiraseDrainageBasinSipleDomeSouthPole(Jouzeletal.,1983)TalosDomeTaylorDomeVostokWindlessBightGreenland75NCampCenturyCreteD20Dye21977Dye3GISP2GITSGRIPHumboldtMilcentNASA/UNGRIPSummit1974TunuTropicalandTemperateCoresDasuopu,ChinaDunde,ChinaEclipseIcefield,Yukon,CanadaGuliya,ChinaEastRongbukGlacier,

Mt.Qomolangma(Everest)

InilchekGlacier,KyrgyzstanKilimanjaroLewisGlacier,KenyaSajama,BoliviaIllimani,BoliviaCopap,PeruCaullaraju,PeruHualcan,PeruHuascarán,PeruPucahirca,PeruQuelccaya,PeruMountLogan,CanadaMt.Wrangell,AK,USACascadeGlacier,WA,USAFremontGlacier,WY,USAGannettGlacier,WY,USAGalenaCreek,WY,USAAntarcticaGreenlandTropicala海洋及湖泊沉積物

Ocean&LakeSediments:每年大約有60～110億噸的沉積物沉積在湖泊或海洋之中，科學家去鑽探這些沉積物的巖芯。湖泊與海洋的沉積物是由海洋中的物質或附近陸地被剝蝕至海洋的物質所組成，這些物質包含保存了極微小的微體和超微化石及其他化學物質，它們可以用來解釋過去的氣候變遷。如果想要了解更多的湖泊與海洋沉積物，可以參考下列網站：OceanDrillingProgramInternationalMarineGlobalChangesStudy海洋及湖泊沉積物

Ocean&LakeSedimen歷史文獻記錄farmer’slogs,travellers’diaries,newspaperaccounts東亞歷史記錄，中國歷史記錄，甲骨文第四紀環境

我國文化悠久，歷史文獻之豐富在世界上首屈一指。從二十五史，數量近13000部之多的地方志，《