全球气候与环境变化研究的主要途径
一、基本概念：三种途径
全球变化研究遵循"过去---现在---未来"的逻辑框架，主要依赖三种相互补充的途径：
| 途径 | 核心用途 | 主要时间尺度 |
|---|---|---|
| 1. 过去全球变化重建（古气候学） | 解读历史，理解地球系统自然变率、关键过程与反馈机制，为模拟提供验证基准。 | 几十年至亿年（地质历史时期） |
| 2. 全球变化的动态监测 | 捕捉当前变化的状态、速率和格局，识别人类活动的信号，为模式提供初始场和验证数据。 | 实时至百年（仪器记录时期） |
| 3. 全球变化的模拟（数值模拟） | 集成知识，量化过程，揭示机理，预测未来可能的情景，评估人类活动的影响。 | 未来预测（几十年至百年）及过去气候实验 |
二、过去全球变化的重建
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主要档案及其气候信息、分辨率
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深海沉积物：
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信息：海洋温度（浮游有孔虫壳体 δ¹⁸O、Mg/Ca）、海水 δ¹⁸O（指示全球冰量）、生产力（生物壳体通量）、大气CO₂浓度（底栖有孔虫δ¹³C、B/Ca）、洋流通畅度（底栖有孔虫群落、沉积物粒度）。
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分辨率：通常较低，从百年至千年（连续沉积）。
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冰芯：
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信息 ：最全面的单档案。大气温度（δD/δ¹⁸O）、温室气体浓度（CO₂、CH₄、N₂O）、气溶胶含量（火山喷发、沙尘）、大气环流（粉尘来源、海盐离子）、太阳活动（¹⁰Be）。
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分辨率：极高，可达年甚至季节（如极地冰芯）。
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黄土-古土壤序列：
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信息：干湿变化（磁化率增强指示成壤强、气候湿润；粒度变粗指示风力强、气候干旱）、冬季风强度（粗颗粒组分）、粉尘源区变化。
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分辨率：中等，从十年至千年。
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石笋：
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信息：洞穴上方区域降水/湿度变化（δ¹⁸O，主要反映水汽来源和降水量；生长速率）、温度（流体包裹体 δD、Δ⁴⁷）、植被类型（δ¹³C）。
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分辨率：极高，可达年际甚至季节，且可精确定年（U-Th法）。
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其他档案：树木年轮（年分辨率温度/降水）、珊瑚（月分辨率海表温度/盐度）、历史文献（数百年分辨率灾异事件）。
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相关古气候指标举例
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δ¹⁸O（氧同位素） ：最重要的古气候指标之一。在冰芯中，冰的δ¹⁸O越负，指示形成时温度越低；在海洋有孔虫壳体中，δ¹⁸O值受海水温度（负相关）和全球冰量（正相关，冰期更重）共同影响。
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粒度：在黄土中，平均粒径或粗颗粒含量指示风力强度（冬季风）；在深海/湖泊中，指示水流强度或物质来源。
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磁化率：在黄土中，高磁化率指示成壤作用强（暖湿），低值指示粉尘堆积为主（冷干）。在湖泊沉积中，可能与流域侵蚀或自生矿物有关。
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孢粉：重建古植被类型与古气候（温度、降水）。
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元素比值（如Mg/Ca）：在生物碳酸盐壳体中，用于定量重建古海水温度。
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重要的测年方法
| 方法 | 基本原理 | 测年材料 | 测年范围 | 备注 |
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| 放射性碳测年（¹⁴C） | 测量样品中残留的放射性¹⁴C含量（半衰期5730年）。 | 含碳有机物：木头、炭屑、贝壳、骨骼等。 | ~200 - 5万年 | 需进行碳库效应校正和树轮日历校正。 |
| 释光测年（OSL/TL） | 测量矿物（石英/长石）晶格中累积的辐射损伤（被困电子），通过光照/加热释放发光信号来定年。 | 风成/水成沉积物中的石英、长石砂粒。 | 百年 - 几十万年 | 测定最后一次曝光或受热事件的时间。 |
| 古地磁定年 | 利用地层记录的地磁场方向或强度变化，与已知的全球地磁极性年表（GPTS）进行对比。 | 连续沉积的序列：深海/湖相沉积、黄土、火山岩。 | 数万年以上 | 相对定年，需与其他方法结合。 |
| 铀系测年（如U-Th） | 测量²³⁸U-²³⁴U-²³⁰Th等子体核素的不平衡状态，达到平衡所需时间即为年龄。 | 碳酸盐：石笋、珊瑚、洞穴堆积物。 | 数百年 - 60万年 | 精度极高，是石笋定年和晚第四纪海平面变化的金标准。 |
| 天文（轨道）调谐 | 将地质记录中的气候旋回（如δ¹⁸O曲线）与计算出的地球轨道参数（偏心率、斜率、岁差）变化曲线进行匹配。 | 任何连续、高分辨率的古气候序列。 | 主要应用于新生代，特别是上新世-第四纪 | 建立长期、高精度年代标尺的关键方法。 |
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重要科学家（举例）
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米兰科维奇：提出地球轨道参数变化（米兰科维奇旋回）驱动冰期-间冰期旋回的理论。
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克劳德·洛里斯：领导团队钻取首个完整的南极东方站（Vostok）冰芯，首次揭示了过去42万年气候与温室气体的协同变化。
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华莱士·布罗克：现代古海洋学奠基人之一，系统阐述了"全球传送带"（温盐环流）概念及其对气候的影响。
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刘东生：中国黄土研究的奠基人，领导建立了完整的中国黄土-古土壤序列，被誉为"黄土之父"，使其成为全球气候变化研究的三大支柱（深海、冰芯、黄土）之一。
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三、全球变化的动态监测
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核心：利用现代仪器和观测网络，对地球系统各圈层进行连续、立体、同步的观测。
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主要监测体系：
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空基观测：卫星遥感，监测全球气温、海平面、海冰范围、植被指数、大气成分（CO₂、气溶胶）、海洋颜色（叶绿素）等。
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地基观测：气象站、海洋浮标、通量塔、验潮站、地震/重力监测网等，提供高精度、连续的定点数据。
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实地调查：科学考察船、飞机航测、冰川/冻土钻探等，获取特定区域和剖面的详细数据。
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关键计划：全球气候观测系统（GCOS）、世界天气研究计划（WWRP）等，旨在协调全球观测数据。
四、全球变化的模拟
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数值模拟的类型和特征应用范围
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概念模型：
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特征：高度简化，用少数关键方程或箱式模型描述系统核心过程（如能量平衡模型）。
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应用范围 ：用于理解特定物理机制、测试科学假说、进行敏感性分析。不用于预测。
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中等复杂程度地球系统模型（EMICs）：
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特征：在概念模型基础上增加了一些过程的复杂性（如简化的海洋或植被动力），但计算量远小于综合模型。
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应用范围 ：模拟长时间尺度（千年至百万年） 的气候演变，如冰期旋回、构造尺度气候变化。在计算资源和研究目标间取得平衡。
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综合地球系统模型（ESMs/GCMS）：
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特征 ：基于物理、化学、生物过程的最复杂模型，耦合了大气、海洋、海冰、陆面、生物地球化学等分量模块，空间分辨率高。
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应用范围：
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未来气候预测：为IPCC评估报告提供核心情景模拟。
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归因研究：量化自然变率和人类活动对已观测变化的影响。
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机制诊断：深入研究极端事件、碳循环反馈、云反馈等复杂过程。
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古气候模拟：在给定古边界条件下，模拟过去特定时期（如末次盛冰期）的气候状态，与重建数据对比以检验模型性能。
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总结 ：这三条途径环环相扣。重建过去 提供了理解系统行为的"实验室"；监测现在 揭示了变化的实时轨迹；模拟未来则集成了前两者的知识，成为预测和决策不可替代的工具。三者结合，共同构成了全球变化研究的完整方法论体系。