丁仲礼-古气候学1

120 (A)
S2
L2 (~0.2 Ma)
200
30 40 50 60
L7
S3 S4 S5
400
S5
600
S6 S6' S7 L8 S8 L9 S9 S10 S11
L7 (~0.72 Ma) B M
S6 S7 S8 S9 S10 S12 S13
70 80 90 100 110 120
800
1000
J
130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240
1400 L14 (~1.2 Ma)
S20
S23 S24
1600
1800
S26
2000
S27
O
S29
2200
S27 S28 S29 S30 S31 S32
L32 S32 L33
2400
250 260 270 280
第四步
建立气候变化时间序列
Jingbian SUS (10-8m3.kg-1)
0 0 10 20
L3 L2 S1
Jingbian Md (m)
120 80 40 (B)
Jingbian >63 m (%)
0 80 60 40 20 (C)
Jingbian >125 m (%)
0 40 30 20 10 0 25 (D)
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
1、天气与气候 2、器测时期 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、global change, global warming 9、气候变化预测
Lingtai Md (m)
20 15 10 (E)
S1 S2 S3 S4
Lingtai >63 m (%)
5 12 8 4 0
Deep Sea 18O (per mil)
5 (F) 4 3 (G) 0
40
80
120 (A)
S2
L2 (~0.2 Ma)
200
30 40 50 60
L7
S3 S4 S5
L33 Red Clay
M G
L33 ~2.6 Ma)
Red Clay
2600
2800
3000
Age (ka)
（第六步）
空间上变化特点
（在重建时间序列的基础上完成）
70
80
90
100
110
120
130
古沙漠变幅有多大？
末次盛冰期
40
末次盛冰期沙漠扩张到125OE， 全新世退缩到105OE 空间变幅 > 1500 km
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LS9602 TIMS-U-Th 定年及年层确定
63 ±25年 51-64层 294 ±37年 300-310层
775 ±46年 795-813层
1006 ±52年 990-999层
年层厚 度（微米）
130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240
1400 L14 (~1.2 Ma)
S20
S23 S24
1600
1800
S26
2000
S27
O
S29
2200
S27 S28 S29 S30 S31 S32
L32 S32 L33
2400
250 260 270 280
L33 Red Clay
M G
L33 ~2.6 Ma)
Red Clay
2600
2800
3000
Age (ka)
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
• 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
1、天气与气候 2、器测时期 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、global change, global warming 9、气候变化预测
400
S5
600
S6 S6' S7 L8 S8 L9 S9 S10 S11
L7 (~0.72 Ma) B M
S6 S7 S8 S9 S10 S12 S13
70 80 90 100 110 120
800
1000
J
L15 S16
1200
Depth (m)
S12 L13 S13 L14 S14 S15 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 S25 S26 L15 S16
• 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1 km，温度降至 50℃以下。 • 生物只能在局部海底 热泉处存活。
几点解释
1、天气与气候 2、器测时期 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、global change, global warming 9、气候变化预测
•snowball Earth （雪球）
2cm
0.5mm
LS9602 996
2400 2000 1600
Stalagmite and High-resolution Climate record
80 60 40 20 0
2800
Calendar age ( year before 1996 )
1496
1000 600 1200 800 800
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（Hudson Bay, Canadian Rockies) 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
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
1、亚轨道尺度（sub-orbital time scales, 101－103年)－太阳活动(solar activity)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
• 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10 Ma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。
Jingbian >125 m (%)
0 40 30 20 10 0 25 (D)
Lingtai Md (m)
20 15 10 (E)
S1 S2 S3 S4
Lingtai >63 m (%)
5 12 8 4 0
Deep Sea 18O (per mil)
5 (F) 4 3 (G) 0
40
80
400 400 200
1996
0
日历年代（公元年）
湖泊钻探 Drilling in a lake in the Inner Mongolia
湖泊钻孔取芯
Holocene sector in the cores
湖泊岩心图
Warves in maar lakes
第三步
对沉积物定年
从地质记录中提取气候变化信息 （代用指标）
1、海平面下降约120m 2、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
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。
Jingbian SUS (10-8m3.kg-1)
0 0 10 20
L3 L2 S1
Jingbian Md (m)
120 80 40 (B)
Jingbian >63 m (%)
0 80 60 40 20 (C)
Jingbian >125 m (%)
0 40 30 20 10 0 25 (D)
Lingtai Md (m)
20 15 10 (E)
S1 S2 S3 S4
Lingtai >63 m (%)
5 12 8 4 0
Deep Sea 18O (per mil)
5 (F) 4 3 (G) 0
40
80
120 (A)
S2
L2 (~0.2 Ma)
200
30 40 50 60
L7
S3 S4 S5
S20
S23 S24
1600
1800
S26
2000
S27
O
S29
2200
S27 S28 S29 S30 S31 S32
L32 S32 L33
2400
250 260 270 280
L33 Red Clay
M G
L33 ~2.6 Ma)
Red Clay
2600
2800
3000
Age (ka)
气候变化幅度可以末次 盛冰期（21000年）为 例说明
30
戈壁 沙漠 山脉 固定沙丘剖面
全新世 适宜期
40
110
30
现 今
40
30
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。
400
S5
600
S6 S6' S7 L8 S8 L9 S9 S10 S11
L7 (~0.72 Ma) B M
S6 S7 S8 S9 S10 S12 S13
70 80 90 100 110 120
800
1000
J
L15 S16
1200
Depth (m)
S12 L13 S13 L14 S14 S15 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 S25 S26 L15 S16
几点解释
1、天气与气候 2、器测时期 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、global change, global warming 9、气候变化预测
第四纪的相对长度
几点解释
1、天气与气候 2、器测时期 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、global change, global warming 9、气候变化预测
L15 S16
1200
Depth (m)
S12 L13 S13 L14 S14 S15 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 S25 S26 L15 S16
130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240
1400 L14 (~1.2 Ma)
前二者表现为波动性，后者表现为不 可逆性
不同时间尺度的气候变化记录
蓝田黄土－红粘土序列
Jingbian SUS (10-8m3.kg-1)
0 0 10 20
L3 L2 S1
Jingbian Md (m)
120 80 40 (B)
Jingbian >63 m (%)
0 80 60 40 20 (C)