IPCC 第四次評估報告 Ch6. 導讀

IPCC 第四次評估報告Ch6.導讀 題目報告人 • 6.1 Introduction 米泓生 • 6.2 Palaeoclimatic Methods 米泓生 • 6.3 The Pre-Quaternary Climates 劉峰榮 • 6.4 Glacial-Interglacial Variability and Dynamics 許揚蕙 • 6.5 The Current Interglacial 林蔭 • 6.6 The Last 2,000 Years 林怡美 • Executive Summary 米泓生 • 6.7 Concluding Remarks on Key Uncertainties 米泓生

6.1簡介 • 古氣候科學自1970年代起有顯著的進步，當時研究的主要目的在冰期的起源、迫在眉梢的冰期來臨之可能性、以及初次探討所謂的「小冰期」和「中世紀暖期」。即使在第一份評估報告出版之時(IPCC,1990)，許多有儀器紀錄之前的氣候變化情形是鮮為人知的，15年後，我們的了解增進了許多，觀察資料與模式模擬間有較佳且較好的整合。 • 本章評估古氣候資料和氣候系統如何在年際間至千年尺度間變化的知識、以及氣候模式可以模擬這些變化的吻合程度，其餘古氣候的展望將被包含在其他章節。

6.1簡介 (from Ruddiman, 2001)

6.1簡介 • 在簡短敘述古氣候學的方法及其優缺點之後，本章由古老至近代，依時間順序檢視古氣候紀錄。選擇這種方法是因為氣候系統在所有的時間尺度變化，而且了解低頻率的氣候變化模式或許會影響高頻率的氣候變化是具有啟發作用的。另外，檢視過去氣候系統如何回應大的氣候作用力的改變對於評估未來氣候將會如何回應預期中的氣候力的改變是有助益的。

6.1簡介 • 穿過此一以年代為基準的報告為對氣候力及反應的評估，以及正在發展中最好的氣候模式模擬氣候變化的能力。在可能的情況下，來自古氣候觀測、理論及氣候模擬的觀點會被整合在一起，以期降低評估的不確定性。數個小節也評估最新迅速發展有關快速氣候變遷的研究，亦即，具氣候力或非氣候力作用且包括了跨越門檻到另外一個新的氣候形式的氣候變遷(例如變異度的新平均狀態或特性)，通常此一新氣候形式的持續期間會較過度時間為長(Rahmstorf, 2001; Alley et al., 2003; Overpeck and Trenberth, 2004)。

6.2古氣候研究方法 6.2.1方法-力及反應的觀測自第三次評估報告出版以來，古氣候學領域方法論已有明顯的進步，本小節的目的在於強調這些方法的進步，同時也概述產生本章所提及的數據的方法。若有需求，後續的小節會介紹一些關鍵性研究方法的細節，因此本節僅對古氣候研究方法做一般性的簡介，下列相關期刊或書籍可提供進一步詳細的研究方法(Bradley, 1999; Cronin, 1999; Fischer and Wefer, 1999; Ruddiman and Thomson, 2001; Alverson et al., 2003; Mackay et al., 2003; Kucera et al., 2005; NRC, 2006)。

6.2古氣候研究方法 6.2.1.1如何得知過去的氣候作用力？ (from Ruddiman, 2001)

6.2古氣候研究方法 6.2.1.1如何得知過去的氣候作用力？吾人非常了解受到天文時間序列驅動之日照量的改變，且此一驅動序列可藉由天體運動機制計算得出(Box6.1)。雖然一些重要的不確定性仍然存在，重建過去太陽及火山力的研究方法仍在改進之中。

6.2古氣候研究方法 6.2.1.2如何得知過去全球大氣組成的改變？ (from Ruddiman, 2001)

6.2古氣候研究方法 6.2.1.2如何得知過去全球大氣組成的改變？或許現代古氣候學最重要的一個觀點便是可以自極區冰層所捕捉住的氣泡及冰本身推知自65萬年前至現今的大氣微量氣體及氣溶膠的時序變化(6.4至6.6節有更詳盡的介紹)。

6.2古氣候研究方法 6.2.1.3氣候應力與反應的古氣候紀錄的定年的精密度為何？與古氣候等相關的定年方法已有許多書籍出版，讀者可於先前引用之資料中了解相關背景資料。一般而言，定年的精密度隨著時間的久遠而變小，而定年方法隨著不同的時間範圍而不同。樹輪紀錄一般而言為最準確的，可以準確到年或季的尺度(即使回溯數千年)，還有許多其他定年的指標具有年層或年紋(例如：珊瑚、紋泥沉積物、某些洞穴沉積物、某些冰芯)，但伴隨這些定年指標的年代模式並非永遠精確到某一特定的年。古氣候學家常是由多重來源建立年代資訊來降低不確定性，古氣候學的解釋必須考慮入年代控制的不確定因素。

6.2古氣候研究方法 6.2.1.4古氣候指標方法如何被用於重建過去氣候動力學？放射性定年學持續有顯著的進步，每一放射性系列有其適用之時間範圍且成果發表時大都一併列出分析上的不確定性，由於其他可能的不確定性因素，故有些其他獨立方法被研發出來交叉驗證某些假設。例如，過去1萬2千年及3萬5千年以來的放射性碳同位素的長期變化是非常清楚的，這些變化及放射性碳同位素時鐘的品質曾被藉由精密樹輪年代模式、紋泥沉積物紀錄、和如鈾系定年法的結果比較，展現出良好的結果。然而，對於每一指標紀錄，放射性碳同位素定年學的品質仍受到定年密度、材料的多寡、14C貯存庫效應的影響。

6.2古氣候研究方法 6.2.1.4古氣候指標方法如何被用於重建過去氣候動力學？重建本章所提及的古氣候評估所需的方法詳細內容可見於先前提過之書或每一章節之引用文獻。在某些章節，重要研究方法的背景及爭議會被討論以期對古氣候研究的不確定性的評估有所助益。

6.2古氣候研究方法 6.2.1.4古氣候指標方法如何被用於重建過去氣候動力學？古氣候學重建方法於過去數十年來趨於成熟，範圍包括了過去變遷之直接測量(例如地表溫度變化、冰芯中氣泡的氣體組成、海洋沉積物孔隙水變化、以及冰層範圍的改變)乃至於隨著化學、物理和生物的環境參數改變而變化的代用指標的分析。

6.2古氣候研究方法 6.2.1.4古氣候指標方法如何被用於重建過去氣候動力學？除了這些方法，古氣候學家也利用文獻資料(如某一特定觀測資料，日誌和收成資料)來重建古氣候。儘管存在有許多不確定性，許多生物(如樹本、珊瑚、浮游生物、昆蟲和其他生物)因反應氣候變遷而改變其生長方式或族群動態是被驗證過且被接受的。這些因氣候變化而產生的生物變化被良好的紀錄在現生和化石標本或生物群集之中。

6.2古氣候研究方法 6.2.1.4古氣候指標方法如何被用於重建過去氣候動力學？ (鄒佩珊，科學發展2003年9月，369期) 樹輪寬度和密度和定年被用來推測古溫度和濕氣的變化

6.2古氣候研究方法 6.2.1.4古氣候指標方法如何被用於重建過去氣候動力學？ (劉平妹，科學發展2003年9月，369期) 藉由統計方法校正沉積物中孢粉和浮游生物現今的分布與所相伴隨之知氣候參數，過去沉積物中的孢粉和浮游生物的分布可用來定量上推測古氣候

6.2古氣候研究方法 6.2.1.4古氣候指標方法如何被用於重建過去氣候動力學？ • The first practical equation is that of Epstein and others (1953): • T(℃) = 16.5 - 4.3 (d18OCaCO3 - dw,AMW) • +0.14 (d18OCaCO3 - dw,AMW)2 • T = temperature in℃, • d18OCaCO3 is the d18O of CaCO3 and dw,AMW is the d18O of the waters of precipitation relative to average marine water (AMW; Epstein and others, 1953). 珊瑚和有孔蟲碳酸鈣的氧同位素比例可推測古溫度和塩度

6.2古氣候研究方法 6.2.1.4古氣候指標方法如何被用於重建過去氣候動力學？ (魏國彥，科學發展2003年9月，369期) 碳酸鈣中的鎂∕鈣比值和鍶∕鈣比值可以估計溫度

6.2古氣候研究方法 6.2.1.4古氣候指標方法如何被用於重建過去氣候動力學？ (沈川洲，科學發展2003年9月，369期) 碳酸鈣中的鎂∕鈣比值和鍶∕鈣比值可以估計溫度

6.2古氣候研究方法 6.2.1.4古氣候指標方法如何被用於重建過去氣候動力學？海洋有機分子的烯酮類不飽酸(Uk’37)指標可用來推測古海洋表水溫度；冰芯的氧、氫、氮、氬同位素可以用來研究溫度和大氣的輸送。依可預測方式而改變的許多物理系統(如沉積物和風吹物沉積)也可被用來推測古氣候變遷。

6.2古氣候研究方法 6.2.1.4古氣候指標方法如何被用於重建過去氣候動力學？現在有許多的工作正在發展或改進古氣候學研究方法，而不同研究方法造成空間及季節上的不同偏差程度也是正在關心的研究議題。古氣候學領域非常倚重由不同來源之古氣候紀錄的重複性與交叉驗證，以期建立所推測之古氣候變異度與變遷的信心度。在本章，大部分的資料取自那些經由特別健全或重複過的方法所建立的研究成果。

6.2古氣候研究方法 6.2.2方法-古氣候模擬氣候模式被用來模擬古氣候之事件(如上次冰盛期、上次間冰期或是快速氣候變遷事件)來協助了解古氣候變遷的機制。模式為以定量方式測試物理學假設如米蘭科維奇理論(6.4節,Box6.1) 與氣候的關鍵，模式可以用來調查古氣候變遷因果關係的關聯性。模式可以填補地區性和全球性尺度古氣候資訊不足的地方，例如，長冰芯紀錄顯示南極地區溫度與全球性混合後CO2和CH4濃度間之關係，但模式模擬展示最佳之二者之間的因果關聯性。或許因為沒有與未來氣候直接相同的類似物，定量的了解古氣候變遷的機制為最有效研究未來氣候的方法。

6.2古氣候研究方法 6.2.2方法-古氣候模擬在氣候應力可以大致確認且其反應可以有效限制的情況下，古氣候重建提供了測試氣候模式的機會。較早期的氣候(即比現在全新世間冰期早)，氣候應力與反應涵蓋了更大的範圍，但數據更少且不確定性更高，近幾千年的資料雖然較多，但氣候應力與反應的範圍卻較小。因為並非所有的模擬結果均可與儀器資料比對，故模式結果與古氣候資料的測試便顯得重要，例如，一個好的現代氣候模式其對CO2濃度的靈敏度尚未確實的驗證，我們可以採用非常不同CO2濃度的設定以模式模擬結果來驗證。

6.2古氣候研究方法 6.2.2方法-古氣候模擬許多描述次經緯度網格尺度作用參數(如雲的參數、旋渦混合)被發展應用於現今之觀測，因此，未用於模式模擬的氣候狀態提供了一個測試模式的獨立基準點。古氣候資料為評估氣候模式模擬真實氣候變遷的關鍵，原則上來說，用來模擬現代或未來氣候之模式，改用不同的預設驅動力和很久遠的海陸配置，亦被用來模擬古氣候。由簡單的概念模式到中級複雜地球系統模式(Earth System Models of Intermediate Complexity)和耦合一般循環模式(coupled Gernal Circulation Models)均被採用(Claussem et al.,2002)，(各種模式的詳細內涵請見第8章)。

6.2古氣候研究方法 6.2.2方法-古氣候模擬由於古氣候模擬需長時間(數千年)的運算，因此電腦的運算能力仍然成為了限制因素，所以通常相對「快速」的耦合模式常常被採用。許多非模擬現代氣候模式所用的標準組成例如陸地冰層模式或於氣候模式中可以追蹤穩定同位素的組成(Le Grande et al.,2006)亦常常被用在古氣候的模式之中。植被模式組件和海陸生態系統模式組件也被漸漸增加放入模式之中來模擬生物物理和生物地球化學對氣候之回饋，同時也可以驗證模式結果與古生態資料(如孢粉)。當與碳循環及與其它營養塩相關的古環境資料大量呈現之際，生地化示跡劑和作用的代表性對古氣候模擬是一重要的新發展。

6.3第四紀之前的氣候 國立台灣師範大學地球科學所劉峰榮

6.3.1 在前第四紀這段期間內，CO2和溫度之間的關係為何？ • 根據資料分析得知，早在2.6Ma的前第四紀氣候，幾乎均暖於現今的氣溫且具有較多的CO2氣體。 • 目前研究普遍認為，氣候的暖化與溫室氣體濃度的增多有關。

6.3.1CO2氣體的測量 本章節提及四個代用指標可以指示前第四紀的CO2氣體含量： • 土壤的有機體 • 海水的有機體 • 硼同位素比率。 • 由樹葉的氣孔與大氣CO2含量的經驗關係，求得CO2的含量。分析其碳同位素比率，可區分出大氣來的物質，進而推得當時CO2的含量。

6.3.1

6.3.1古氣溫的重建 • 本章節所討論的溫度重建，主要依賴有孔蟲的氧同位素與鎂鈣比及alkenones所做出來的結果。

6.3.1 CO2與溫度關係的追蹤也可以回朔更早期的年代： • 中生代主要的冰河期大約發生在300Ma，可能是大氣中含較低的CO2，集中在這個階段所造成的。 • 230~65Ma的大暖期，可能就是CO2含量太高才導致高溫的現象。

6.3.1 • 近年來經過不斷的努力，得到量化且重建超過65Ma的氣候資料後，在此特別討論第四紀之前二個深具意義的氣候事件。

6.3.2 上新世中期的環境紀錄反映了什麼？ • 上新世中期(大約3.3~3.0 Ma)是地球歷史上最近的一次全球氣溫溫暖期，由GCM估計約比工業革命前的氣溫高出2°C 到 3°C 。 • 由於上新世以來，大陸及海洋盆地的地理結構與現今環境差異不大，再加上這麼ㄧ個實際且特殊的環境紀錄發生在這段時間內，那麼經由模式的計算，便可預測21世紀未來可能變暖的地球氣候環境。

6.3.2 環境證據 • 在上新世中期平均最暖的時期，全球呈現一個熱的平衡狀態 • 當時大氣二氧化碳濃度約為360~400 ppm (高於工業革命前的數值) • 海平面至少比現今高了15~25公尺 • 較少冰原且少有大陸性乾旱 • 陸地和海洋的古氣候代用指標指出 • 高緯度變得特別溫暖 • 赤道的水表溫和表面空氣的溫度都和現今沒什麼不同

6.3.2氣候模擬 • 經由北緯60度的北大西洋的氣候GCM模擬指出 • 冬季的表面氣溫較平常的溫度升高10~20℃ • 赤道的表面氣溫卻沒有改變。 • 在模擬系統中加入400 ppmCO2，在與工業革命前的溫度相比 • 北大西洋溫度，高出3°~ 5°C的現象 • 赤道地區則是高出1°~ 3°C

6.3.2 • 從海洋及陸地兩種古環境訊號來看，實際的高緯度地區對於CO2的增加比起模式模擬，似乎有較高的敏感度。 • 溫鹽環流的增強導致海洋熱傳輸的增加 • 較強的風應力造成表面海水水流的增強高緯地區產生較大的溫差變化!!

6.3.3 古-始新世大暖期的紀錄反映了什麼？ • 在古新世與始新世的交界(~55Ma)時，地球上發生了一次大規模突然變暖的事件，科學家藉由氧同位素和鎂鈣比的紀錄發現，全球有攝氏好幾度的上升現象，因此被稱為「古-始新世大暖期(PETM)」(Palaeocene-Eocene Thermal Maximum)。 • 此現象在每個緯度區都能感受到，甚至遍及表層及深層海水，持續大概有10萬年之久，

6.3.3 • 大量的碳應該在此時被釋放到大氣和海洋中。 • 碳的來源： • 海底的clathrates分解產生甲烷 • 火山活動產生二氧化碳或是 • 沉積物中富含的有機質氧化當時的碳量達到 1 ~ 2 × 1018 g。這一質量的碳大到可以降低海洋的pH值，因而驅使海底碳酸鹽類大量的溶解。

6.3.3 • 「古-始新世大暖期」改變了世界各地的生態系統，跟人類持續快速的釋放碳進入大氣中的情況有些相似。 • 回到研究層面，雖然我們在取得PETM時期的氣候資料上，仍有許多不確定因素；但這個事件是一個大量碳釋放的警訊，且與極端的氣候暖化有關，身處現代的我們不得不省思。

IPCC AR4:6.4 Glacial-Interglacial Variability and Dynamics Yang-Hui HsuResearch Center for Environmental Changes, Academic Sinica

6.4.1 Climate Forcings and Responses Over Glacial-Interglacial Cycles

Glacial-Interglacial cycles in Paleoclimatic records ice cores: ~740kyr (EPICA Dome C) Deep ocean sediments: several million years loess

Figure 6.3

Glacial-Interglacial cycles in Paleoclimatic records Characteristics: • Large amplitude of 100kyr cycles form ~430 ka BP • 20% of the time are interglacial (duration: 10~30kyr) • Greenhouse gases co-varied with Antarctic temperature • During deglaciation, Antarctic temp. leads CO2 several hundred years. Polar temp. rise earlier than sea level rise. • Stable coupling between climate and carbon cycle

Climate Forcings and Responses Over Glacial-Interglacial Cycles • Modify seasonal contrast • Quasi-periodicity ~ 41 kyr Forcings: obliquity 22.0.5o 24.50o

Climate Forcings and Responses Over Glacial-Interglacial Cycles Forcings: precession modern winter summer perihelion aphelion 10,500 years ago tilt summer winter

Climate Forcings and Responses Over Glacial-Interglacial Cycles • Modulate the seasonal and latitudinal effects of obliquity and precession • Quasi-periodicities: 400kyr and 100kyr Forcings: eccentricity More elliptical less elliptical

Box 6.1, Figure 1

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