古气候学 第一部分 概论 吴乃琴 第二部分 古气候记录 吴乃琴 赵艳 第三部分 典型气候过程与圈层相互作用 刘晓东 第四部分 气候系统历史 熊尚发 吴乃琴 第五部分 气候变化机制 刘晓东 熊尚发 赵艳 第六部分 中国的新生代气候 郭正堂 第一部分 概论 吴乃琴 一 研究内容与研究简史一 研究内容与研究简史 一 古气候学定义与研究历史简介 1 地球气候系统 2 水的三相平衡点 3 地球温室效应 4 天气与气候 5 古气候学定义 6 古气候学分类 7 研究简史 二 古气候学与地球系统科学 1 全球变化 2 地球系统科学 3 相关研究计划 三 古气候学研究范畴 1 气候系统 2 不同时间尺度与幅度 3 驱动 响应 4 气候系统的能量平衡 5 古气候学在各圈层中的作用 6 古气候变化的特点 波动性 四 古气候学研究意义与社会需求 1 揭示了地球气候演化历史 规律 及机制 2 从理论层面上极大丰富了地球科学的基础理论 3 预测未来气候变化趋势 五 如何做古气候研究 古气候研究原理 第一步 选择一个问题 第二步 取得研究材料 第三步 对沉积物定年 从地质记录中利用代用指标提 取气候变化信息 第四步 建立气候变化时间序列 第五步 分析并描述气候变化历史 包括变化周期 periodicity 变化幅度 amplitude 变化速率 changing rates 变化趋势 tendency 特殊 事件 events 相位关系 phasing 区域与全球对比 correlation 等 第六步 在重建时间序列的基础上完成空间上变化特点 第七步 探讨气候变化原因与机制 包含动力因素 动力过程等 数值模拟常常是重 要手段 第八步 预测气候变化趋势 包含时间序列 空间格局 动 力机制 变化趋势 二 古气候研究中的科学方法二 古气候研究中的科学方法论论论论 1 波普尔的科学方法论简介 2 古气候学研究的基本原理 3 运用可证伪性原理分析古气候研究案例 第二部分 古气候记录 吴乃琴 赵艳 一 古气候记录的原理 吴乃琴 一 古气候记录的原理 吴乃琴 一 记录类型 二 从记录到指标 三 指标的原理 四 从指标到古气候重建 二 海洋记录 吴乃琴 二 海洋记录 吴乃琴 一 简介 1 深海钻探简介 2 海洋记录类型 沉积记录 生物记录 物理 化学记录 3 深海记录的时间标尺及其原理 地层学是地质学和古气候学的研究基础 二 海洋沉积记录 1 海洋沉积格局 2 海洋碳酸盐沉积模式 3 硅酸盐沉积模式 4 陆源碎屑沉积 大气粉尘 冰伐沉积 河流输入 三 海洋生物记录 1 有孔虫和海洋微体古生物 2 深海氧同位素 3 深海碳同位素 4 海洋生物标志物与古温度 盐度记录 5 珊瑚记录 6 海洋生产率记录 四 物理 化学记录 1 古 CO2 浓度记录 2 陆地风化剥蚀的海洋记录 3 近岸风场 风力和降水变化记录 4 古气候与海洋化学的长期演化 三 陆地记录 吴乃琴 三 陆地记录 吴乃琴 一 陆地记录简介 1 器测记录 2 历史资料 如考古发掘文物 历史文献等 3 自然气候记录 湖泊 包括玛珥湖 风尘 沉积 冰芯 石笋 树轮等 二 黄土记录与中国黄土时间标尺 黄土的分布 黄土的地貌 黄土的风成成因 黄土的化学成分 黄土的矿物成分 黄土的地层与时代 黄土的古气候指标 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 三 湖泊记录 高分辨率的湖泊记录 玛珥湖纹层记录 玛珥湖年代学 玛珥湖的古气候指标 生物 物理 化学指标 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 赵艳 四 冰芯记录 赵艳 一 全球冰芯记录概述 冰芯记录的特点 优点 时间序列长 迄今取得 80 万 年的序列 高分辨率 季节 年 高保真度 低温条 件 多指标 海 陆 生物 人类污染 外太空物质 沉积后变化小 分子迁移相对小 其他特点 耗资大 工作艰苦 二 冰芯记录的时间标尺 1 绝对年龄控制 u AMS 14C 5730 年半衰期 5 万年以内 u 210Pb 22 3 年半衰期 150 年 u 火山灰 原子弹爆炸 10Be 峰值 2 年纹层计数 u 直观法 u 测量法 18O 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 冰芯上部 物理层位 化学季节变化 冰芯中部 化学季节变化 标志层 冰芯底部 流动模型 放射性同位素 相似比较 三 冰芯中的稳定同位素记录 四 冰芯温室气体记录 温室气体变化基本特征 温室气体与温度变化基本同步 CO2 记录了 10 万年周期 甲烷记录了更强烈的两万年周期 存在千年级波动 五 冰芯粉尘和火山灰记录 六 冰芯与古气候对比 1 南北极冰芯记录对比 相位关系 定年的难点 南极冰芯 沉积慢 无明显年纹层 格陵兰冰芯 被大陆粉尘 CaCO3 污染 冰层年龄与气体年龄差异 约为 2000 年 但 随时间发生变化 两极对比要点 联系两极的相对年代序列 绝对定年 e g 年纹层 火山层 相对定年 e g CH4 同步性 冰芯同位素 地方 区域信号 痕量气体 全球信号 关键是建立可靠的共同时间标尺 南北两半球总体趋势的比较 用冰芯中的气泡氧同位素做共同时标 冰期 间冰期趋势一致 D O 在北半球更突出 南半球没有明显的 YD 北极温度变化滞后南极 2000 年 用冰芯中的气泡氧同位素做共同时标 末次冰消期时北极气温滞后南极约 3000 年 用 18Oatm 做共同时标 南极无明显 YD 南北极气候变化在 D O 旋回上的反向性 用格陵兰和南极的 CH4 记录做共同时间标尺 温度变化的跷跷板模式 七次转暖 都是南极比北极早 1500 年到 3000 年 新记录 NGRIP 更进一步证实 D O 的反相 南北半球冰芯气候记录对比 冰期 间冰期尺度上表现出一致性 进一步验证米兰科维奇理论 在末次冰期 南北半球千年尺度气候变化的跷 跷板模式 表明大洋传送带的重要作用 甲烷变化的一致性 中低纬湿地为主要源区 青藏高原冰芯记录与极地冰芯记录比较 与两极温室气 体比较 2 冰芯与海洋记录的对比 3 冰芯与石笋 黄土记录的对比 4 冰芯记录对古气候认识的重要贡献 对米兰科维奇理论的进一步验证 快速气候变化的揭示 温室气体的历史及与气候的关系 南北半球气候变化的不对称性 五 古气候参数的定量化重建五 古气候参数的定量化重建 赵艳 赵艳 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 古气候定量化重建的意义 没有办法直接去测量古气候变化 地层中保留的各种气候代用指标 有助于我们去探知过去的气候变化 定量化研究是理解气候变化机制 确定模型边界条件和评估古气候模拟的关键 一 一 基本原理和常用方法概述基本原理和常用方法概述 将今论古 现代过程的局限性 关系随时间发生改变 响应的滞后性 人类活动的干扰 常用指标根据代用指标的属性分为 p 生物指标 如 孢粉 有孔虫 硅藻 摇蚊 珊瑚礁 和树轮等 p 物理化学指标 如 氢氧同位素 生物标志物 惰性 气体 Mg Ca 比 Uk 37 TEX 86 磁化率等 p 历史文献记录 物候等 定量化方法 统计模型 植被模型模拟 气候模式 二 二 基于统计模型的定量化重建基于统计模型的定量化重建 常用生物代用指标 基本原理 现代植物 孢粉 气候数据库的建立 现代样点选择 统一沉积环境 覆盖足够大的环境梯度 平均分布 种类的一致性 数据筛选 去除 outlier 基于生物指标重建的方法基于生物指标重建的方法 指示种法指示种法 原理 基于现代植物种类与气候要素之间的对 应关系 定量估计古气候参数范围 衍生出共生气候范围法 概率密度函数法 指示种法的局限性 只考虑孢粉类群出现与否 而不考虑其相对丰度的 变化 如果采用的现代生物气候适应数据不准确 将直接 导致古气候重建准确性降低 孢粉等鉴定只能达到科级和属级 重建的古气候参 数范围通常较宽泛 通常只能检测到剧烈的气候变 化 适用于 无相对丰度数据 如植物残体 无现代相似数据 老地层 集合体法集合体法 现代类比法 原理 以化石生物类群的相对丰度为基础 通过相异系数寻找相似的现代组合 进而定 量重建气候参数 响应面法 原理 气候响应曲面是把孢粉等相对丰度在 地理空间中的分布转换为气候空间的分布 用非线性回归的方法建立气候响应面 将化 石花粉组合的数据与各类花粉的气候响应面 对比 便可求得古气候参数 用平滑后的现代孢粉数据替代单个孢粉组合的现代类比 法 重建步骤 将响应曲面按气候梯度空间均匀分成若干网格 通过 叠加 多个孢粉类群的响应曲面 在 每个网格节点合成一个新的孢粉组合 用化石孢粉组合与这些新的孢粉组合对比 选取相似程度最接近的作为现代类比 人工神经网络法 原理 以化石生物类群的相对丰度为基 础 通过神经网络寻找相似的现代组合 进而定 量重建气候参数 集合体方法的局限性 常出现化石孢粉组合无现代类比 n analogue 和 有大量现代类比 mulanalogues 的情况 现代花粉组合数据库的质量 空间自相关 适用 定量数据 大数据量 优势 简单 不需建立模型 多元校正函数法多元校正函数法 转换函数法 原理 基于现代植被空间 分布与气候要素之间的对应关 系 建立转换函数 重建古气 候 基本原理 基本步骤 生物因子与环境因子关系模型 转换函数定量化重建的原理 方法及各种方法的优缺点比较转换函数定量化重建的原理 方法及各种方法的优缺点比较 原理原理 利用现代表层沉积物中生物组合资料与气候要素参数之间的对应回归关系 作为估 算化石组合所蕴含的古气候参数的转换函数 来较高精度地恢复古环境 重建古气候 方法方法 加权平均回归 Weighted averaging WA 加权平均偏最小二乘法 Weighted averaging partial least squares WAPLS 局部加权加权平均 Locally Weighted Weighted Averaging LWWA Bayesian Methods BM 条件概率密度函数 各种方法的优缺点比较各种方法的优缺点比较 WA 适用于种类丰富的数据 WAPLS 相比于 WA 优势是误差更小 因为其降低了边际效应 edge effect 考虑 更多影响种类分布的环境因子 residual 改善溢出值的匹配 fit of outliers 适用于结合 了次要环境要素梯度 噪音 的数据集 LWWA 适用于大型多相训练数据集的应用 BM 耗时超长 应用较少 误差分析方法误差分析方法 Bootstrap test 自引导检验 Leave one out cross validation 留一交叉验证 不同统计模型的误差 选择合适的模型 转换函数法存在的主要问题 孢粉相对丰度随气候变化通常是非线性的 不同区域的孢粉 气候转换函 数通常有差别 需要建立涵盖各种植被和气候类型的现代花粉组合数据库 现代和化石孢 粉组合应来源于同样的沉积环境 转换函数法在使用时常出现边际效应 edge effect 在估测古气候时产 生误差 优势 Unimodel 响应模型 外插值 避免空间自相关 重建检验 适用 定量数据 其它统计重建方法其它统计重建方法 氧同位素与温度间的关系 D 8 0 18O 10 生物标志物与气候关系 TEX86 与 SST 相关性 GDGTs 与温度重建 利用全球 90 个样点共 134 个土壤样品进行 GDGTs 分析 MAT MBT 0 122 0 187 CBT 0 02 全球湖泊沉积物中 GDGTs 与温度及 pH 关系 利用树轮宽度 密度重建气候 利用冰雪沉积量重建降水量 利用历史文献重建过去气候 中国东部过去 2000 年气温变化 利用植物物候期