古气候呕血终极整理版（只供参考）部分概论(一)

古气候呕血终极整理版（只供参考）

第一部分概论

一、研究内容与研究简史

1、地球气候系统：大气、海洋、冰、陆地、生物圈

2、水的三相平衡点（温标的固定点）：一个大气压下，水在气态处于饱和态，纯水的三态共存，所处在的温度，即为热力学温标的标准点。

3、地球温室效应

4、天气与气候。天气：是指某一地区在某一瞬间或某一短时间内大气状态（如气温、湿度、压强等）和大气现象（如风、云、雾、降水）等的综合。天气过程是大气中的短暂过程。气候：指的是太阳辐射、大气环流、下垫面性质和人类活动在长时间相互作用下，在某一时段内大量天气过程的综合，不仅包括该地多年来经常发生的天气状况，而且包括某些年份偶尔出现的极端天气状况。

5、古气候学定义：主要研究“器测时期”之前的气候变化历史、过程及原因的学科，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。

6、古气候学分类

记述古气候学（普通古气候学）：研究古气候的各种生物、沉积标志，如化石或岩石代表在什么气候条件下生长或形成的，根据这些记录恢复区域一定时期内的气候状况。

成因古气候学：在恢复和记述古气候的基础上，进一步探讨古气候的成因及过程。

应用古气候学：在恢复某一时期一个地区古气候的基础上，推侧在该种气候条件下可能形成的矿产。

历史古气候学：论述各地质时代古气候及其演化的学科。

地球系统：指由大气圈、水圈、岩石圈、地幔、地核和生物圈（包括人类）组成的有机整体。地球系统科学：研究地球系统各圈层（大气圈、水圈、岩石圈、地幔、地核和生物圈）之间相互联系、相互作用机制、变化规律和变化机理，为全球环境变化预测建立科学基础，并为地球系统的科学管理提供依据。

气候系统：由大气圈、水圈、生物圈、岩石圈（陆地表面）、冰冻圈共同组成的，能够决定气候形成、气候分布和气候变化的统一的物理系统。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。

末次盛冰期时期的特点：（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

驱动‐响应：快速响应与慢速响应

第二部分古气候记录

一、古气候记录的原理

古气候记录的原理：根据不同沉积物的物质组成（生物的、物理的、化学的）和沉积特征，

利用不同的研究方法和理论推测地质时期的气候。

（一）古气候记录类型

1. 器测记录。

2. 历史资料，如考古发掘文物、历史文献等。

3. 各种自然气候记录，包括沉积物（海洋、湖泊、风尘沉积）、冰、珊瑚、树轮等，以及各种自然地理因子变迁的遗迹等。

做高分辨率古气候研究的材料：

1、树轮

2、珊瑚

3、Maar 湖

4、石笋

5、冰芯

6、历史记录

较低分辨率的主要材料：深海沉积、黄土沉积、湖泊沉积

（二）从记录到指标

（三）指标的原理

（四）从指标到古气候重建

1. 物理类指标

2. 化学类指标

3. 生物类指标

4. 沉积类指标

以中国黄土为例：黄土记录的古气候指标

物理指标：磁化率、颜色

化学指标：元素比值、同位素比值

生物指标：孢粉、植硅体、蜗牛等

沉积指标：粒度参数、土壤形态

例1 物理指标

磁化率-夏季风指标。古土壤的磁化率是黄土层的2－4倍，而磁化率与成土强度有密切联系，从而可以指示夏季风。

例2 化学指标

元素比值指标：指示黄土风化程度。化学元素比值往往同风化强度有关，故多被用来指示夏季风强度变化。

同位素比值指标：植物通过光合作用合成碳，分两种过程：C3过程和C4过程。故有C3植被和C4植被之分。黄土沉积中，冰期C3植被多，间冰期C4植被多。

例3 生物指标

孢粉、植硅体、蜗牛等可以建立转换函数。

例4 沉积指标

粒度-冬季风指标。同风力强度、沙漠进退有关。

二、海洋记录

（一）、简介

DSDP/ODP科学成就

1． 验证了板块构造理论，创立了古海洋学，导致地球科学一场真正的革命。

2． 揭示了洋壳结构和海底高原的形成，证实了气候演变的轨道周期和地球环境的突变事件；分析了汇聚大陆边缘深部流体的作用，发现了海底深部生物圈和天然气水合物3． 三十五年的DSDP/ODP，把地质学从陆地扩展到全球，导致地球科学一次又一次重大突破。

（二）海洋沉积记录

（三）海洋生物记录

（四）物理-化学记录

三、陆地记录

（一）陆地记录简介

（二）黄土记录与中国黄土时间标尺

1．黄土的分布

由风力搬运和堆积的大气粉尘物质

特点：成分的相对均一性；颗粒的分异性--极细沙以下颗粒；沉积的松散性。

黄土的分布：沙漠外围、冰积物外围、海岸附近。

2．黄土的地貌

黄土高原沟谷纵横，地貌多样，主要地貌类型有塬、梁、茆。

3．黄土的风成成因

证据：分布在沙漠外围；沉积无层理；成分具均一性；粒度的空间分异性；地层的空间可对比性

4．黄土的化学成分

5．黄土的矿物成分

6．黄土的地层与时代

7．黄土的古气候指标

（三）湖泊记录

（四）岩溶洞穴沉积记录

（五）树木年轮记录

（六）河流沉积、冰川沉积

（七）历史气候记录

（八）陆相生物化石记录

四、冰芯记录

（一）全球冰芯记录概述

（二）冰芯记录的时间标尺

1、绝对年龄控制

AMS14C（5730年半衰期）-5万年以内

210Pb(22.3年半衰期)-150年

火山灰、原子弹爆炸、10Be峰值

2、年纹层计数

直观法

测量法

δ18O、大气微粒、化学成分、电导率

3、冰流模式时间标尺

4、各类轨道调谐时间标尺及原理

5、冰层年龄与气体年龄

6、冰芯时间标尺评价：交叉使用多种方法定年

（三）冰芯中的稳定同位素记录

（四）冰芯温室气体记录

（五）冰芯粉尘和火山灰记录

（六）冰芯和古气候对比

五、古气候参数的定量化重建

（一）基本原理和常用方法概述

（二）基于统计模型的定量化重建

（三）基于植被模型模拟的定量化重建

（四）气候模式与定量估算

（五）不同方法的优势和局限性

第三部分典型气候过程与圈层相互作用

1. 基本大气过程

1.1 气候系统与地球圈层相互作用

气候系统的基本属性：

静力属性：大气和海水的密度和压强、大气的组成成分、大洋盐度、几何边界等。

热力属性：包括空气、水、冰和陆地的温度

动力属性：风、洋流、垂直运动、冰体移动

水分属性：空气湿度、云量及云水含量、降水量、土壤湿度、河湖水位、冰雪等。

1.2 大气的能量与温度

1.3 大气的湿度与降水

1.4 大气环流与气候分类

1.5 亚洲季风和全球季风

季风是由于海陆热力差异或行星风带随季节移动而引起的大范围地区的盛行风随季节而改变的现象。随着盛行风向变换，在降水量上表现出明显的干季与湿季的交替。

1.6 大气涛动与大气环流遥相关

1.7 温室气体、温室效应与当代全球气候变暖

1.8 地质时期的温室气体含量与气候变化

2. 典型海洋过程与大洋环流

2.1海洋的能量与温度

2.2大洋环流与气候

2.3构造变动与大洋环流及其气候效应

2.4 海洋碳库与碳循环

3. 典型陆地过程

3.1 陆地分布与陆面过程简介

3.2 地貌演化与气候变迁

3.3 大陆冰盖演化过程与气候

3.4 陆地生态系统与气候演化

3.5 干旱区沙尘气溶胶循环过程及其气候环境效应

3.6 陆地过程与全球碳循环和环境变化

第四部分气候系统历史

一～五节（熊尚发）主要参考思考题

六、第四纪的重要气候事件

（一）第四纪气候的阶段性特点

（二）中更新世转型和中布容事件

●中更新世转型：大约900ka左右，全球气候主导周期从更新世早期的的41ka转变为此

后的100ka周期，持续数十万年的过渡期。

中更新世气候转型的最重要特征：

1．全球气候主导周期从更新世早期的的41ka转变为此后的100ka周期；

2．主导周期从41ka的对称性周期转变为100ka的不对称；

3．气候波动从高频低幅转变为低频高幅；

4．MPT后伴随着全球冰量大幅度增加(约增加15％)的全球性气候变冷；

5．全球性生态、环境格局重大的转变, 如大型动物群的绝灭、直立人的出现、东亚季风加强等。

机制成因假说：高纬度因素、低纬度因素、高原隆起、天文因素、温室气体、大洋碳库和环流变化

存在的问题：

1．时间，由41ka到100ka周期的变化是发生在1200ka到600ka之间的什么时间？

2．过程，是快速的革命性变化，还是持续了几十万年的过渡过程？

3．机制, 这一转型是由于北极冰盖增大超过一定的临界值, 引起冰盖动力学上变化所致；还是高原隆升、全球碳循环的反映，导致大气CO2含量变化的结果？或者是气候系统对地球轨道的非线性响应？

4．源区，变化的根源究竟是在高纬度区, 还是低纬度区？

●中布容事件：即MIS11事件，大约43万年前后发生的一次变暖事件。（全球范围内大洋

碳酸盐溶解加剧、全球海平面大幅度上升、大西洋深层水量增加、温室气体浓度增加、

北半球中高纬区为异常温暖的间冰期等一系列现象，但是中、低纬度区海洋和陆地却是降温的。）MIS12/11具有6Ma以来最大幅度的冰期-间冰期气候变化。MIS 11期是近百万年来最暖的间冰期，变化幅度为数百万年来最大，无法用当时微弱的轨道变化来解释！

小结：

1)具有6Ma以来最大幅度的氧同位素变化

2)全球海洋碳酸盐溶解加剧

3)出现大幅度海平面变化（7-12m）

4)南北半球气候出现不对称状况；高中纬区温暖，低纬区较冷

机制成因：地球轨道变化、全球碳酸盐溶解加剧、全球海洋环流重组、海洋碳库的重大重组、温室气体浓度、构造变动对冰盖动力学影响

（三）冰期-间冰期旋回中南北半球的耦合与非耦合

七、第四纪气候不稳定性

(一)气候不稳定性的记录

第四纪2.6Ma以来，有将近50次冰期‐间冰期旋回。在低分辨率记录中，第四纪气候变化主要表现为对地球轨道变化的响应。但高分辨率记录表明，末次冰期以来有大量更短尺度的气候事件，其中最显著者为H事件和D－O旋回。

(二)气候不稳定性事件与气候快速变化旋回

1.Yonger Dryas事件

指大约12.8ka-11.7kaB.P.冰消期气候转暖过程中的一次突然变冷事件。

方式：突然快速变化，几十年内温度变化达到冰期‐间冰期旋回幅度的三分之四。

影响：几乎全球性，南极弱

机制：冲淡水影响，大洋传送带停止

2.Heinrich事件

H事件：末次冰期中6次冷事件，北大西洋深海沉积物中发现的6个冰漂岩屑／浮游有孔虫比值异常高的沉积层。

发生时段：末次冰期～15～68ka；性质：冷事件；频率：5～15ka

Heinrich事件影响区域

北大西洋在40°～55°N形成一个IRD带, 格陵兰冰芯记录了H事件。

北半球：西欧土壤、植被、湖泊，地中海表层水温下降降5‐8℃；中国黄土颗粒增大，风速加大，干旱，孟加拉湾H事件时干旱；北美太平洋沿岸冰进与H事件出现时间一致，东岸孢粉显示5次H事件时为寒冷期盛行风控制下青海湖水动力，佛罗里达孢粉记录湿的环境，热带非洲H事件时期干旱，西北非沿海SST短时变冷与北大西洋H事件一致；阿拉伯海，北非湖泊。

南半球：H事件时智利与新西兰发生冰进。

尚未在南极找到H事件的反映。

Heinrich事件

1. 末次冰期北大西洋发生6次陆源冰漂碎屑层（H1‐H6)

2. 发生时间：15～16, 22, 28, 36～37, 46, 64kaBP

3. 周期性：5‐15ka

4. 机制：

太阳辐射量（岁差）的变化（Heinrich, 1988)

温盐环流改变(Alley et al., 1999)

北美劳伦泰(Laurentide) 冰盖消融，导致大规模的冰川融水进入北大西洋而引起(Bond etal.,1993)

热带大气一海洋动力改变引起

3.D-O旋回

末次冰期存在24（25）个千年级D—O旋回

存在约1500年的准周期

具有全球性

除此之外，还有如下特点：

1、北极与南极反相位

2、北极气温变幅大于南极

3、南半球没有明显的YD

4、北大西洋淡水入海量变化与北极气温变化同步

原因分析：

冰盖不稳定性

温室气体浓度变化

温盐环流变化

其他自然气候系统相互作用（冰盖、深海、表层洋流）

4. Bond旋回

5. 快速气候变化的周期特征

（三）气候不稳定性的区域表现和南北半球联系

在末次冰期中的DO旋回过程中，存在温度变化的跷跷板模式，即南极增温时，北极降温，南极降温时，北极增温。

南北极气温变化跷跷板模式形成机制

1、冰盖不稳定导致淡水注入北大西洋

2、北大西洋深层流减弱

3、北大西洋表层水变冷

4、大西洋形成北到南的表层海流

5、南半球热量积累并增温

D/O事件的千年尺度气候波动不仅出现末次冰期旋回中，也出现在间冰期和冰消期。在更老时期也存在类似的千年尺度的气候波动。

八、全新世的主要气候事件

末次冰期（The Last Glaciation）：116-11.6 ka

末次冰盛期（LGM = Last Glacial Maximum）：21-19 ka

冰消期（Last deglaciation or Termination I)：~19-6.8 ka或11.6 ka

新仙女木期（YD = Younger Dryas：12.85-11.65 ka）

（一）末次冰消期

（二）全新世的总体特征

（三）全新世适宜期

（四）全新世气候变化的不稳定性

（五）中世纪异常期与小冰期

第五部分气候变化机制

四、轨道尺度气候变化机制

（一）第四纪冰期的发现

（二）米兰科维奇假说与验证

日照量配置特点：

1．年总量基本不变，但纬度配置与季节配置发生变化。

2．两半球岁差日照量同季反相位。

3．低纬岁差周期为主，高纬地轴倾角周期增强。

（三）米氏理论对气候记录的解释举例

轨道尺度的季风动力学

(1)轨道季风假说：夏季日照量控制季风的概念模型，低纬夏季日照量更强，夏季风更强。夏季日照量超过阈值，强季风响应，湖水位高，具有岁差周期。

季风快速响应低纬夏季日照量变化(强调感热的作用)

季风与日照量同相位

由于低纬日照量主要受岁差控制盛行风控制下青海湖水动力，季风以岁差的20 ky周期为主

南北两半球季风应反相位

(2) 高纬驱动说：冰盖对季风有显著影响。主要证据：季风具有清晰的100ky冰盖变化周期。

(3) 混合驱动说：受日照量、冰量、南大洋潜热影响。

低纬日照量触发季风(感热)

季风在岁差和斜率节拍上受冰量、南大洋潜热的巨大影响(季风包含清晰的40 ky周期) 使用的季风指标在20ky的岁差节拍上，滞后日照量8ky

(4) 2P概念模型

（四）冰期气候全球耦合机制

海平面变化？

大洋环流？

温室气体？

（五）米兰科维奇理论面临的挑战

热带驱动假说：太阳辐射变化>热带季风变化>地表风化强度变化>海洋硅通量变化>硅藻生产率变化>海洋有机碳沉积量变化>全球碳循环变化

五、亚轨道尺度气候变化机制

六、不同时间尺度气候变化的关联

七、人类活动的气候效应

重点：

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

前二者表现为波动性，后者表现为不可逆性

雪球地球假说：

1992 年, J.L.Kirschvink首次提出新元古代曾经出现几次“雪球地球”事件, 用此来解释推进到赤道附近海平面(即低纬度和低海拔)的全球性冰川作用。真正引起人们重视的还是1998 年P.F.Hoffman等重提“雪球地球”假说。

他们根据南部非洲纳米比亚以及世界其他地区直接覆盖在新元古代冰川沉积之上帽碳

酸盐岩的碳同位素研究指出, 各地一致的碳同位素负异常意味着地表海洋的生物产率曾中断数百万年。他们认为生物产率的中断能够用全球性冰川作用(即“雪球地球”)解释, 只有当海底火山的去气造成大气中CO2 高达现在的350 倍时, 地球上出现极端的温室环境, 冰川才快速结束。大气CO2 转移至海洋, 在温暖的地表海洋中生成碳酸钙沉淀, 形成全球都出现的帽碳酸盐岩。显然, 与显生宙的几次大冰期不同, 新元古代的冰川扩展到赤道附近。

Hoffman认为这与新元古代晚期聚集在赤道附近的Rodinia 超大陆的裂解有关:超大陆的裂解使大陆边缘海面积迅速增加, 大大增加了边缘海生物初级产率和有机碳埋藏量, 造成大气中的“温室”气体CO2 含量迅速减少, 进而驱动了失控的冰反射灾变, 形成了“雪球地球”。

Uplift-weathering hypothesis:

20世纪80年代末，Raymo 和Ruddiman 等人独立地提出了类似的理论假说即抬升风化模型。在经过近10年的野外实验研究后, 它又得到了进一步的完善和发展, 并已开始得到人们的普遍认同。

在20 世纪80 年代末90 年代初, Raymo 和Ruddiman 等学者在研究中将新生代全球构造抬升与地表化学风化、全球气候变化相联系, 认为新生代构造抬升对造山带地区地表化学风化和全球气候变化产生了直接而重要的影响, 并特别强调南亚喜马拉雅青藏高原和南美安底斯山脉和Altiplano高原在新生代的抬升所引起的化学风化速率提高对全球气候变化的影响。