丁仲礼-古气候学1

古气候学第一讲气候变化与古气候学（七个方面）七、本课程安排1、气候变化与古气候2、古气候变化记录重建方法3、第四纪气候变化记录（深海与冰芯）4、古气候变化原因（一）5、古气候变化原因（二）一、古气候学（paleoclimatology)定义古气候学主要研究“器测时期”之前的气候变化历史、过程及原因，其目的为预测今后气候变化及解决有关资源、环境问题服务。几点解释2、器测时期1、天气与气候3、地史时期4、水的三相平衡点5、snowball、大气圈演变6、古气候学是气候学与地质学的交叉7、与气候变化有关的资源环境问题8、globalchange,globalwarming9、气候变化预测第四纪的相对长度几点解释2、器测时期1、天气与气候3、地史时期4、水的三相平衡点5、snowball、大气圈演变6、古气候学是气候学与地质学的交叉7、与气候变化有关的资源环境问题8、globalchange,globalwarming9、气候变化预测几点解释2、器测时期1、天气与气候3、地史时期4、水的三相平衡点5、snowball、大气圈演变6、古气候学是气候学与地质学的交叉7、与气候变化有关的资源环境问题8、globalchange,globalwarming9、气候变化预测•snowballEarth（雪球）•聚集在赤道附近的Rodinia超大陆开始裂解•陆地硅酸盐风化加剧，消耗大量大气圈CO2，转移到海洋成碳酸盐沉淀。•气温下降，两极冰盖向中纬度扩展，日照返射增加。•CO2下降和日照返射率双重因素使冰盖推进到30º纬度，迅速形成“雪球”，即大洋也全冰冻。冰平均厚达1km，温度降至-50℃以下。•生物只能在局部海底热泉处存活。•大气-海洋之间物质交换被切断，大陆没有化学风化，海洋没有碳酸盐岩沉淀。•海底火山和洋中脊仍不断喷出CO2，在冰下积累。•持续大约10Ma的热液和火山活动，CO2积累到正常大气的1000倍，由于冰裂或构造-岩浆活动CO2释放至大气，迅速转变为极端“温室”效应。•冰川迅速退却，气候快速转变。•大陆岩石风化带入海洋大量碱金属离子与溶解的CO2形成帽碳酸盐，消耗大气中CO2含量。•气温从最高的50℃下降。•生物经过冰期的筛选、变异，又经历繁衍。新生代大气CO2浓度变化的海洋氧同位素记录地质时期重大气候变化事件往往与岩石圈和大气圈的变化相伴随几点解释2、器测时期1、天气与气候3、地史时期4、水的三相平衡点5、snowball、大气圈演变6、古气候学是气候学与地质学的交叉7、与气候变化有关的资源环境问题8、globalchange,globalwarming9、气候变化预测1860年来全球平均气温变化几个时间尺度的大气二氧化碳浓度变化几点解释2、器测时期1、天气与气候3、地史时期4、水的三相平衡点5、snowball、大气圈演变6、古气候学是气候学与地质学的交叉7、与气候变化有关的资源环境问题8、globalchange,globalwarming9、气候变化预测到2100年气温推测图二、如何做古气候研究第一步选择一个问题第二步取得研究材料北京石花洞石笋LS9602TIMS-U-Th定年及年层确定0.5mm63±25年51-64层294±37年300-310层775±46年795-813层1006±52年990-999层2cm28002400200016001200800400010008006004002000020406080LS9602Calendarage(yearbefore1996)年层厚度（微米）19961496996日历年代（公元年）StalagmiteandHigh-resolutionClimaterecordDrillinginalakeintheInnerMongolia湖泊钻探湖泊钻孔取芯Holocenesectorinthecores湖泊岩心图Warvesinmaarlakes第三步从地质记录中提取气候变化信息（代用指标）对沉积物定年第四步建立气候变化时间序列04080120JingbianSUS(10-8m3.kg-1)2802702602502402302202102001901801701601501401301201101009080706050403020100Depth(m)12080400JingbianMd(m)806040200Jingbian63m(%)403020100Jingbian125m(%)543DeepSea18O(permil)300028002600240022002000180016001400120010008006004002000Age(ka)12840Lingtai63m(%)252015105LingtaiMd(m)S1S2S3S4S5S6S6'S7L8S8S9S10S11S12L13S13S14L15S15S16S17S18S19S20S21S22S23S24S25S26S27S28S29S30S31S32L33S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S12S13L15S16S20S23S24S26S27S29L32S32L33RedClayRedClayBMJOMG(A)(B)(C)(D)(E)(F)(G)L2(~0.2Ma)L2L3L9L7L7(~0.72Ma)L14L14(~1.2Ma)L33~2.6Ma)第五步分析（描述）气候变化历史：变化周期(periodicity)变化幅度(amplitude)变化速率(variability)变化趋势(tendency)特殊事件(events)相位关系(phasing)区域与全球对比（correlation)等04080120JingbianSUS(10-8m3.kg-1)2802702602502402302202102001901801701601501401301201101009080706050403020100Depth(m)12080400JingbianMd(m)806040200Jingbian63m(%)403020100Jingbian125m(%)543DeepSea18O(permil)300028002600240022002000180016001400120010008006004002000Age(ka)12840Lingtai63m(%)252015105LingtaiMd(m)S1S2S3S4S5S6S6'S7L8S8S9S10S11S12L13S13S14L15S15S16S17S18S19S20S21S22S23S24S25S26S27S28S29S30S31S32L33S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S12S13L15S16S20S23S24S26S27S29L32S32L33RedClayRedClayBMJOMG(A)(B)(C)(D)(E)(F)(G)L2(~0.2Ma)L2L3L9L7L7(~0.72Ma)L14L14(~1.2Ma)L33~2.6Ma)（第六步）空间上变化特点（在重建时间序列的基础上完成）4030现今山脉沙漠戈壁固定沙丘剖面9080701301001103040120末次盛冰期1103040全新世适宜期古沙漠变幅有多大？末次盛冰期沙漠扩张到125OE，全新世退缩到105OE空间变幅1500km第七步探讨气候变化原因与机制动力因素动力过程第八步预测气候变化趋势时间序列空间格局动力机制变化趋势三、气候系统的基本概念气候系统由大气圈、水圈、生物圈、岩石圈、冰冻圈共同组成，气候是这些子系统相互作用的终极产物。气候系统运动的能量主要来自太阳。地球轨道三要素大气在高低压之间的运动地球大气环流型式全球大气环流与地面风场海洋表层流（风驱环流）全球大洋传送带示意图（密度流）全球二氧化碳循环大陆漂移示意图四、气候系统的能量平衡五、古气候变化的尺度与幅度问题古气候变化三个时间尺度前二者表现为波动性，后者表现为不可逆性1、亚轨道尺度（sub-orbitaltimescales,101－103年)－太阳活动(solaractivity)等驱动2、轨道尺度(orbital-scale)－日照(insolation)季节、纬度配置变化驱动3、构造尺度(tectonical-scale)－岩石圈构造变化驱动不同时间尺度的气候变化记录蓝田黄土－红粘土序列04080120JingbianSUS(10-8m3.kg-1)2802702602502402302202102001901801701601501401301201101009080706050403020100Depth(m)12080400JingbianMd(m)806040200Jingbian63m(%)403020100Jingbian125m(%)543DeepSea18O(permil)300028002600240022002000180016001400120010008006004002000Age(ka)12840Lingtai63m(%)252015105LingtaiMd(m)S1S2S3S4S5S6S6'S7L8S8S9S10S11S12L13S13S14L15S15S16S17S18S19S20S21S22S23S24S25S26S27S28S29S30S31S32L33S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S12S13L15S16S20S23S24S26S27S29L32S32L33RedClayRedClayBMJOMG(A)(B)(C)(D)(E)(F)(G)L2(~0.2Ma)L2L3L9L7L7(~0.72Ma)L14L14(~1.2Ma)L33~2.6Ma)气候变化幅度可以末次盛冰期（21000年）为例说明最大的变化是冰盖扩张末次冰盛期(~21ka)与现代北半球高纬冰盖分布南极末次盛冰期冰盖与现代对比冰盖的范围1、现代陆地冰雪覆盖面积：1500万平方公里（~10%）LGM时：4000万平方公里（~1/3）2、LGM时，北半球冰盖：加拿大大部（HudsonBay,CanadianRockies)美国北部，最南端达~38度南北欧、英伦三岛、丹麦、德国北部、波兰等3、LGM冰盖增长主要在北半球4、冰盖厚度在2-3公里1、海平面下降约120m2、全球温度下降5-10度（赤道：2-5度；极地：15度以上）3、全球总体降水量减少：~10-30%4、SST降低5、沙漠扩大6、气候带南移7、动、植物南迁1、海平面下降约120m2、全球温度下降5-10度（赤道：2-5度；极地：15度以上）3、全球总体降水量减少：~10-30%4、SST降低5、沙漠扩大6、气候带南移7、动、植物南迁海面温度分布图1、海平面下降约120m2、全球温度下降5-10度（赤道：2-5度；极地：15度以上）3、全球总体降水量减少：~10-30%4、SST降低5、沙漠扩大6、气候带南移7、动、植物南迁4030现今山脉沙漠戈壁固定沙丘剖面9080701301001103040120末次盛冰期1103040全新世适宜期古沙漠变幅有多大？末次盛冰期沙漠扩张到125OE，全新世退缩到105OE空间变幅1500km撒哈拉沙漠南界的移动1、海平面下降约120m2、全球温度下降5-10度（赤道：2-5度；极地：15度以上）3、全球总体降水量减少：~10-30%4、SST降低5、沙漠扩大6、气候带南移7、动、植物南迁大气二氧化碳、甲烷降低16万年来大气二氧化碳变化的冰芯记录全新世的气候波动与不稳定性亚大西洋期(0-2500年)亚北方期(2500-5000年)北方期(7500-9800年)大西洋期(5000-7500年)前北方期(9800-10500年)新仙女木期阿尔露德期老仙女木期全新世气候事件亚大西洋期(0-2500年)亚北方期(2500-5000年)北方期(7500-9800年)大西洋期(5000-7500年)前北方期(9800-10500年)新