GQH-第2讲

第2讲古气候变化原因（轨道尺度）一、地球轨道变化与冰期旋回二、古气候变化的数值模拟不同尺度气候变化有不同的原因古气候变化三个时间尺度1、亚轨道尺度（sub-orbitaltimescales,101－103年)－太阳活动(solaractivity)等因素驱动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前二者表现为波动性，后者表现为不可逆性太阳系中的各行星1、太阳系中各星体各有其运动轨迹和运动速度，从而使地球处在不断变化的重力场中，并导致其轨道三要素沿时间不断变化。地球大气层顶部所接受的太阳辐射强度是太阳常数和地球轨道三要素的函数地球轨道三要素2、地球轨道三要素（1）、偏心率（eccentricity)表示运动轨道的形状（现为0.016)（2）、地轴倾斜度（obliquityoraxialtilt)表示转动轴的倾斜程度（黄赤夹角）(23o27’)（3）、分点进动（岁差）(precessionofequinoxes)表示某季地球－太阳的距离(现冬季近日点）3、轨道三要素变化偏心率：0.0--0.0607,10万年周期、41.3万年周期地轴：22o--24o30’,4.1万年周期岁差：1.9万年与2.3万年两个变化周期椭圆的偏心率偏心率与地球到太阳的距离地轴倾斜度（黄－赤交角）地球像陀螺一样，存在三种运动地球的轴进动(Wobble)黄道面进动运行轨道面缓慢旋转，带到长、短轴移动近（远）日点的季节进动－－岁差变化以上两种运动合在一起，引起分点、至点在黄道面上的位置变化4、对地球大气层顶部接受太阳辐射的影响地轴倾斜度的影响北半球冬季日照地轴倾斜度对辐射的影响地轴变化对太阳辐射的影响1、决定极圈、回归线纬度，极昼、极夜天数2、角度越大，高纬夏季辐射越多，冬季越少3、两半球影响一致（从季节角度论）4、其影响高纬大，低纬小地轴倾斜度的影响－－两半球“季节影响一致性”地轴倾斜度变化及周期数值越大，高纬夏季接受辐射越多。岁差的影响近（远）日点的季节进动－－岁差变化以上两种运动合在一起，引起分点、至点在黄道面上的位置变化地球相对于太阳的两条运动线完成一周运动近日点轴与春分点的夹角假定轨道为圆时，变化在1与-1间-1代表夏至近日点，＋1夏至远日点（轨道为椭圆，由偏心率调节幅度）岁差变化的辐射效应1、决定近日点何季出现2、其影响两半球相反3、低纬影响大于高纬4、受偏心率调控(偏心率越大，其调控作用越大）岁差变化对太阳辐射的影响－－何时离太阳最近、最远岁差变化的辐射效应1、决定近日点何季出现2、其影响两半球相反3、低纬影响大于高纬4、受偏心率调控(偏心率越大，其调控作用越大）岁差变化对两半球的影响岁差变化的辐射效应1、决定近日点何季出现2、其影响两半球相反3、低纬影响大于高纬4、受偏心率调控(偏心率越大，其调控作用越大）岁差变化对两半球的影响岁差变化的辐射效应1、决定近日点何季出现2、其影响两半球相反3、低纬影响大于高纬4、受偏心率调控(偏心率越大，其调控作用越大）偏心率与地球到太阳的距离偏心率的影响偏心率对太阳辐射的影响1、调节季节差别大小2、两半球效应相反（北半球夏季大时，南半球夏季小3、两季最大差别可达30％4、可对辐射总量微调（0.2%)其实偏心率通过调节岁差起作用！5、三要素作用下太阳辐射沿纬度和季节作周期性变化6月不同纬度太阳辐射变化曲线（夏半球P主要，冬半球高纬T主要）12月太阳辐射沿不同纬度变化曲线（夏半球P主要，冬半球高纬T主要）01002003004005004004404805203040506040044048052020022024026028036038040042044036038040042044020022024026028044046048050052036404448524004204404604805000100200300400500红线：7月兰线：1月60N30N030S60S同季全球一致，冬夏反相位Time（Ka）（7月）（1月）赤道区冬、夏呈反相位（幅度一致）所谓周期，实为准周期总结：在太阳常数不变的前提下，地球大气圈顶部每年接收的辐射总量基本不变，轨道要素只引起辐射量沿纬度配置和季节配置的变化问题：何季、何纬度最重要？6、米兰科维奇冰期旋回驱动理论Erraticboulders:glacier-depositedorgreatfloodingdepositsNoah’sTime?冰期的认识1787,B.F.Kuhn,aSwissminister:erraticboulders1795,JamesHutton,aScottishgeologist:ancientglaciation1815,J.-P.Perraudin,aSwissmountainer:valleyglacier1816,Venetz,aengineer:Morainesleftbyearlyglaciers1832,Bernhardi:IcecapreachasfarsouthasC.Germany1833,CharlesLyell:icebergsinflooding1837,LouisAgassiz:glaciationin1860’s,universalacceptanceJamesCrollin1875ClimateandTimeLeftschoolat13MechanicinaScotlandmillCarpenterTeashopHotelkeeperLifeinsurancesalesmanJanitorinGlascowScotlandGSFellowoftheRoyalSocietyofLondonRetiredat59(partpension)MilutinMilankovitch1878-1958SerbianCanonofInsolationandtheIceAgeProblem，19411、早年的工程师2、诗人的激励3、基本问题与无穷4、地理学家的困惑5、战俘的生涯6、工作的乐趣米兰科维奇的贡献1、计算了轨道三要素的变化（Pilgrim的结果）2、计算了现代辐射的季节与纬度配置（火地金）3、计算了辐射的季节与纬度配置的0.65-Ma变化4、给出夏季辐射与雪线高度的关系式北纬65度附近夏季太阳辐射变化是驱动冰期旋回的主因提出冰期旋回理论从历史的角度分析，这个理论的基础是什么？地球轨道变化导致的到达大气圈顶层的太阳辐射变化，其总量是基本不变的，变化的只是太阳辐射的纬度配置与季节配置。1、北半球冰盖变幅远大于南半球2、冰盖发育从中心向四周3、夏季温度是控制冰盖发展的主因DSDP,ODPProgram伟大的科学发现确认红色条带为古土壤1958:粘粒胶膜——古土壤的证据红色条带为古土壤—暖湿气候黄色条带为黄土—干冷气候00.5Chiloparts6005004003002001000Age(ka)6543ODP67718O00.5Chiloparts13001200110010009008007006543ODP67718O00.5Chiloparts19001800170016001500140013006543ODP67718O00.5Chiloparts26002500240023002200210020006543ODP67718OS0L1S1L2S2-1S2-2L3S3L4S4L5S5-1S5-2S5-3L6L6S6L7S6'L8S8L9S9-1S9-2L10S10S11L12S12L11L13S13L14S14L15S15L16S16L17S17L18S18L19S19L20S20S21S22S23L21L22L23L24S24S25S26L25L26L27S27L28S28L29S29L30S30L31S31L32S32L3312345678910111213141516171819202122232425363534333231302928272637383940414243444546474849505152535455565758596061626364S7几点说明1、模拟内容今后的气候过去的气候2、模拟古气候的目的认识古气候变化的驱动因子识别各种反馈作用了解气候系统中各子系统间的相互作用二、古气候数值模拟3、模式类型（1）能量模式(Energybalancemodels)只考虑能量交换与温度效应（零维、一维、二维、三维）（2）统计动力学模式（Statistical-dynamicmodels)用物理学方程模拟气候长期变化（如用太阳辐射和二氧化碳作为驱动因子，模拟北半球冰盖的演变）（3）辐射对流模式（Radiativeconvectivemodels)（模拟大气中的辐射过程，如气溶胶、二氧化碳变化的温度效应）（4）大气环流模式（Generalcirculationmodels)一维数值模式示意图二维数值模式示意图三维数值模式示意图4、大气环流模式（1）利用能量、质量、动量守恒方程模拟大气过程（2）地表分格、大气分层（3）每格、每层在每个时段有能量、质量、动量交换（4）大气环流模式可同多种海洋环流模式耦合“静止海洋”－温度固定，水汽交换“表层海洋”－表层海洋热量、水汽同大气交换“混层海洋”－海洋表层同深层可交换“三维海洋”－考虑海洋的三维动力学过程海－气耦合模式（5）可同大气粉尘输送模式耦合（6）可同同位素水循环模式耦合（7）可同地表植被模式耦合（8）全球模式可同区域模式嵌套5、在古气候研究中的应用（1）敏感性试验（通过改变边界条件，如太阳辐射、温室气体、海－陆构型、植被类型、冰盖分布等）（2）模拟某个时段的气候状况（如冰期、大暖期等）－用古气候数据作边界条件数值模拟与地质记录比较工作图取输出结果的稳定值地形的处理控制性实验气候模式气候系统模式地球系统模式近30年来气候系统模式的发展（参考IPCC报告绘制）大气大气大气大气大气大气陆面陆面陆面陆面陆面海洋和海冰硫酸盐气溶胶硫酸盐气溶胶硫酸盐气溶胶碳循环非硫酸盐气溶胶非硫酸盐气溶胶大气化学生态过程大气化学大气化学大气化学20世纪70年代中期80年代中期90年代早期90年代末期20世纪末期21世纪初碳循环海洋和海冰海洋和海冰海洋和海冰生态过程生态过程氮循环地球系统数值模拟与重大气候和环境异常行为预测