汪品先：人类尺度的环境演变

轨道尺度的气候环境周期变化及其转型，虽然也谈了突变，但重心还是在万年和十万年的时间尺度上。尽管从几十亿年的地质历史看来这已经属于“高分辨率”，而相对人类来说却是“一万年太久，只争朝夕”。20 世纪90 年代以来的研究进展证明，地球系统还存在千年、百年、年代际以及更短时间尺度的变化。本章(文)将这些时间等级统称为人类尺度，并择要介绍地球表层系统在该尺度上的典型演化过程。

人类尺度环境变化的研究

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直到19 世纪末，现代科学并不承认气候环境会有重大变化。承认有短期的波动，但是只要取长时期的记录加以平均，就会发现气候基本上还是稳定的。到20 世纪晚期，发现地球的气候环境是一个有着高度敏感性的非线性系统。当环境参数超过某个阈值，地球气候就会突然从一个状态跳跃到另一个状态，跳变的过程常在数十年甚至数年内完成，这就是人类时间尺度上的变化。例如在末次冰消期，气候的变暖进程突然被一个千余年的新仙女木冷期所打断。当这个冷期结束时，三年内格陵兰岛冰雪堆积速率增加一倍，水汽源区出现突变，说明输送水汽的大气系统出现大范围调整（Alley et al.，1993）。并且在几十年时间内，格陵兰上空大气温度升高约15 ℃（Severinghaus et al.，1998）！极地的降尘堆积速率下降超过10 倍，说明风尘源区的亚洲内陆变得潮湿，并且横扫欧亚大陆和北美大陆的西风急流减弱，或者路径出现变化（Fischer et al.，2007a）。

进入全新世后气候相对稳定，但千百年尺度的气候波动依然存在，其中包括我国五千年来文物历史的记载（竺可桢，1973）和西方大量历史文档记录的中世纪暖期和小冰河期。除去被人类活动严重影响的20 世纪这段时间，发生于公元950 至1250 年间的中世纪暖期是过去两千年以来最温暖的时段。北欧气温的升高尤其明显，维京人殖民活动相当活跃，在格陵兰岛南部的东西两岸以及纽芬兰岛都开拓了定居点。而在随后的公元1300 至1850 年期间，欧洲进入寒冷的小冰河期。大量高海拔和高纬度的农业开拓点被抛弃，冬季河流封冻状况严重。中世纪暖期和小冰河期时，东亚和中美洲夏季风强度也分别出现强弱交替，说明至少是波及整个北半球的气候事件。比这个尺度更短的是全新世典型的200 年气候周期，比如玛雅文明的衰弱终结都与这个周期存在关联（Haug et al.，2003）。

最直接影响现代人类社会的是年代际和年际尺度气候变化，这其中又以厄尔尼诺现象最为突出。厄尔尼诺是赤道太平洋东西两侧热不对称引发的年际气候波动。在厄尔尼诺年，东西太平洋热梯度和赤道信风带减弱，秘鲁沿岸上升流和渔场消失，鸟类因为找不到充足食物大量死去。同时期大气对流中心转移到太平洋中部，拉丁美洲的太平洋地区沿岸出现洪涝灾害，而澳大利亚、印度和印尼等地出现大规模的干旱。厄尔尼诺又通过遥相关作用影响其他的气候子系统，北美、非洲甚至欧洲的气候都出现调整（Zahn et al.，2003）。因此，从千年到年际尺度的环境演变和灾难，与人类文明和个人生命的时间跨度相当，这也正是本章（文）的重要性所在。

人类尺度演变的记录载体

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研究人类尺度环境变迁需要高分辨率的气候环境信息载体，其中包括物质和文字两类。物质记录应该具有高沉积速率、信息连续无扰动、易于准确定年等特点，常用的有冰芯、石笋、纹层沉积、珊瑚、树轮等（图9-1 左）；文字记录包括历史档案和器测资料。人类记录气候变化有着数千年的历史，但大部分时期内只有定性和零星的描述，散见于卷帙浩繁的古文献档案中，如果将这些资料收集和定量化处理，也可以提供近几千年气候变化资料。我国历史悠久，在这方面可以做出独特的贡献（如张德二、蒋光美，2004）。人类利用仪器定量和连续观测气温变化始于1659 年的英格兰，之后从1850 年开始有全球陆地气温变化资料。近几十年来利用遥感技术更是可以对地球环境进行大规模监测，获得的海量数据极大拓展了人类对地球系统的认识。但是文字记录的时间尺度偏短，千年以上的记录只能依靠大自然界留下的气候档案（图9-1 右）。

人类尺度演变的驱动机制

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千年和千年以下时间尺度的气候环境演变，与人类社会的关系最为密切，但是演变的驱动机制并不清楚。其研究深度甚至不如万年、十万年尺度的气候演变，因为并没有类似米兰科维奇理论那种公认的假说。迄今为止，千年尺度变化研究最多的是末次冰期和间冰期，最为流行的解释就是北半球冰盖的变化通过北大西洋深层水的生产和大西洋经向环流，推动全球的气候变化，这就是“大洋传送带”的假说。W. Broecker（Broecker et al.，1985）提出的这项假说，指明了大洋环流和海气交换可以有不止一种的稳定模式。经过30 年的磨炼和发展，该假说已经达到相当成熟的程度，揭示了千年尺度上气候突变的机制（Broecker，2010），并为学术界普遍接受（Alley，2007），成为近30 年古气候研究的主流。

但是我们认为，解释千年和千年以下尺度的变化还没有确立的理论，那是因为北半球冰盖变化本身需要推动力，“大洋传送带”揭示的只是其传播机制。更不清楚的是深层洋流改组的动力，因为连今天深层海流的动力机制也没有认识，何谈古代。依靠海水密度差推动“大洋传送带”，在物理海洋学上难以通过（Wunsch，2002）。至于百年尺度和更短时间尺度的气候变化，尽管有大量的研究成果，在成因解释上却更加缺乏系统的理论。如何在接受前人发现的同时保持清醒头脑，洞悉主流观点中的弱点，是科学进一步发展的必由之路。

气候变化的推动力，无非是外力推动和内力反馈两种。外力推动指的是地球表层系统以外的因素，包括太阳本身辐射量的变化和太阳辐射量在地球不同纬度和季节上的分布变化。其实至今还缺乏重视的一种外力因素，是太阳和月球对于地球潮汐作用的影响。内力反馈是指气候系统内部的相互作用，包括海气相互作用造成的季风、ENSO 和各种“涛动”。冰盖和温室气体介于这两类之间，既是内反馈，又可以看作外力因素，取决于所讨论的时间尺度。

本章内容提要

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● 近年来高分辨率的古环境记录正在增多。除了历史和沉积记录外，冰芯和石笋分别提供了大气和雨水的“化石”，发现气候可以在人类时间尺度上发生剧变，甚至有10 年里气温飙升10 ℃的记录。

● 触发千年至年际尺度气候波动的机制有两种，一种是外因，包括地球轨道、太阳活动强度和潮汐等作用的变化；另一种是内因，主要是地球气候系统内部的相互作用及其反馈机制。

● 千年尺度的气候波动广泛存在于各种气候子系统中，从极地温度、大洋环流到热带季风降雨等都有。研究最好的是与大西洋经向翻转流相关的变化，被比喻为“大洋传送带”，很可能是传输这些波动的重要途径，并且导致了两极跷跷板现象。

● 地球上的风和星体间的潮汐作用，是推动“大洋传送带”的原动力，而水团的温盐性质是这些运动的被动产物。但是水团密度的改变，又会反过来影响大洋传送带的运转。

● 低纬过程同样能够产生人类尺度上的变化，比如季风和厄尔尼诺的波动。赤道地区太阳辐射量的半岁差及其谐波周期，也会引发热带气候产生千年尺度的波动，并很可能对高纬过程产生影响。

● 月球运行的轨道变化也能影响地球的气候环境。月球轨道的18 年周期能够通过潮汐作用，造成地球表层系统年代际至千年，甚至更长时间尺度的变化。在地球系统的演变中，星体的潮汐作用是唯一能够影响所有圈层的外力驱动，可惜至今未能得到足够的重视。

● 太阳辐射本身也在变化。太阳活动存在着年代际至千年尺度的变化，在各类气候记录中均有发现，特别与近千年的气候记录有良好的对应性。但是微弱的太阳辐射强度波动如何驱动气候变化至今仍是未解之谜。

● 厄尔尼诺是热带地区纬向能量不平衡导致的海气耦合和振荡现象，也是全球规模最大的年际尺度变化。厄尔尼诺和季风、信风共同控制着低纬水循环的变化，在地质历史时期也经历过巨大差异，是研究气候演变的重要课题。

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本文摘编自《地球系统与演变》（汪品先等著. 北京：科学出版社，2018. 6）一书“第9 章 人类尺度的演变”，有删减，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-057604-0

责任编辑：韩 鹏 孟美岑

三十年来“全球变化”的研究，把地球科学推上了一个新台阶。地球上的大气圈、水圈、岩石圈和生物圈连成一个完整的系统，牵一发而动全身，甚至地球内部和表层的物质和能量交换，也在影响着人类享用的环境与资源，而这就是地球系统科学的研究对象。本书是在二十年教学科研实践基础上编写而成，前五章介绍各圈层的构成与来历，后五章讨论不同时间尺度的地球系统演变，最后两章介绍地球系统科学的研究方法和理论。全书以圈层间相互作用为主题，重点突出机理追究和问题探讨，不以灌输知识为目的。全书版面活跃、形式新颖，各章均配有内容提要和思考题，适于地球科学各学科作研究生辅助教材使用；同时尽量反映国内外研究的最新进展，提供千余篇文献供读者追索，适于地球科学工作者或者关心环境变化的读者，用作拓宽知识领域、激活研究思路的参考书。

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（本文编辑：刘四旦）

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