丁仲礼-古气候学5

1、第五讲第五讲古气候变化原因（二）古气候变化原因（二）一、岩石圈变动与气候变迁一、岩石圈变动与气候变迁二、亚轨道尺度气候变化机制二、亚轨道尺度气候变化机制三、人类活动与气候变化三、人类活动与气候变化古气候变化三个时间尺度古气候变化三个时间尺度1、亚轨道尺度（、亚轨道尺度（sub-orbital time scales, 101103年年)太阳活动太阳活动(solar activity) 驱动驱动2、轨道尺度、轨道尺度(orbital-scale)日照日照(insolation) 季节、纬度配置变化驱动季节、纬度配置变化驱动3、构造尺度、构造尺度(tectonical-scale)岩石圈构造岩石圈

2、构造 变化驱动变化驱动前二者表现为波动性，后者表现为不前二者表现为波动性，后者表现为不可逆性可逆性1、地球各圈层相互作用、地球各圈层相互作用2、岩石圈变动控制气候的基本过程、岩石圈变动控制气候的基本过程3、新生代、新生代(65Ma)以来一些全球性事件以来一些全球性事件一、岩石圈变动与气候变迁一、岩石圈变动与气候变迁地球的圈层分布地球的圈层分布1、地球各圈层相互作用、地球各圈层相互作用2、岩石圈变动控制气候的基本过程、岩石圈变动控制气候的基本过程3、新生代、新生代(65Ma)以来一些全球性事件以来一些全球性事件一、岩石圈变动与气候变迁一、岩石圈变动与气候变迁古生代晚期泛大陆复原图地史时期板块地史

3、时期板块的裂解、漂移的裂解、漂移、会聚、拼合、会聚、拼合、碰撞及造山、碰撞及造山、成盆等过程、成盆等过程不可逆地控制不可逆地控制了全球气候的了全球气候的演变演变地壳运动地壳运动(水平运动、垂直运动）水平运动、垂直运动）地形、海陆配置地形、海陆配置大气、大洋环流大气、大洋环流生物地球化学过程、生物地球化学过程、大气圈温室气体浓度大气圈温室气体浓度气候变化气候变化 新生代构造尺度气候事件新生代构造尺度气候事件发生的发生的“开关开关”(valve)在海洋在海洋3.6 Ma巴拿马地峡关闭3230Ma德雷克海峡和澳大利亚-东南极海道开通8Ma印尼海道关闭78Ma白令海峡开通17-14Ma格陵兰-苏格兰海

4、岭下沉晚新生代青藏高原隆升新生代全球主要构造事件现代全球表层洋流系统印尼海道在34Ma前后关闭太平洋暖水流人印度洋降低印度洋SST下降东非大陆变干原始人类演化澳大利亚板块向北漂移高原抬升除从动力、热力两高原抬升除从动力、热力两方面作用于区域大气环流外方面作用于区域大气环流外，其全球性影响通过降低大，其全球性影响通过降低大气二氧化碳浓度完成气二氧化碳浓度完成垂直运动垂直运动青藏高原抬升的气候环境效应：青藏高原抬升的气候环境效应：季风形成与加强；季风形成与加强；西风带分叉；西风带分叉；亚洲内陆干旱化；亚洲内陆干旱化；高原、山脉抬升高原、山脉抬升新鲜岩石暴露新鲜岩石暴露硅酸盐化学风化硅酸盐化学风化钙

5、离子释放钙离子释放碳酸钙沉积碳酸钙沉积大气大气CO2降低降低气温降低气温降低生物圈、水圈变化生物圈、水圈变化板块运动板块运动地幔对流地幔对流核核-幔边界热事件幔边界热事件青藏高原隆升与行星波弯曲1、地球各圈层相互作用、地球各圈层相互作用2、岩石圈变动控制气候的基本过程、岩石圈变动控制气候的基本过程3、新生代、新生代(65Ma)以来一些全球性事件以来一些全球性事件一、岩石圈变动与气候变迁一、岩石圈变动与气候变迁新生代古地理演化与轨道参数变化新生代古地理演化与轨道参数变化新生代海洋氧同位素记录与重大气候事件和构造事件对比新生代气候变化记录No Ice-sheetAntarctic Ice-shee

6、tTwo Polar Ice-sheets古新世古新世a始新世始新世b渐新世渐新世东南季风东南季风c中新世中新世西南季风西南季风东南季风东南季风d晚中新世晚中新世早上新世早上新世西南季风西南季风东南季风东南季风冬季风冬季风e上新世上新世西南季风西南季风东南季风东南季风冬季风冬季风f干旱区界线干旱区界线冬季风冬季风夏季风夏季风青藏高原青藏高原古海岸线古海岸线6554Ma5438Ma3824Ma246.5Ma6.53.4Ma3.42.5Ma图1 a古新世我国环境的空间格局分布图 b始新世我国环境的空间格局分布图 c渐新世我国环境的空间格局分布图 d中新世我国环境的空间格局分布图 e中新世晚期上新世

7、早期我国环境的空间格局分布图 f上新世我国环境的空间格局分布图 印度季风阿拉伯海上升流增强的海洋证据全球大洋传送带示意图巴拿马地峡关闭、轨道驱动因素与北半球高纬冰盖形成过程对比巴拿马地峡关闭加勒比海流的形成和西大西洋边界流的加强赤道高盐高温海水向北输送并在挪威海一带下沉北大西洋深水流形成北半球冰盖形成和发展从三个层面开展研从三个层面开展研究究1、建立构造事件时间序列、建立构造事件时间序列2、建立气候环境演变时间序列，、建立气候环境演变时间序列， 确定典型事件的空间表现形色确定典型事件的空间表现形色3、数值模拟与动力机制解释、数值模拟与动力机制解释 (地质记录提供边界条件地质记录提供边界条件)

8、第五讲第五讲古气候变化原因（二）古气候变化原因（二）一、岩石圈变动与气候变迁一、岩石圈变动与气候变迁二、亚轨道尺度气候变化机制二、亚轨道尺度气候变化机制三、人类活动与气候变化三、人类活动与气候变化1、气候不稳定性、气候不稳定性（不同时间尺度）（不同时间尺度）全新世的气候波动与不稳定性全新世的气候波动与不稳定性亚大西洋期亚大西洋期(0-2500年年)亚北方期亚北方期(2500-5000年年)北方期北方期 (7500-9800年年)大西洋期大西洋期 (5000-7500年年)前北方期前北方期 (9800-10500年年)新仙女木期新仙女木期阿尔露德期阿尔露德期老仙女木期老仙女木期据徐国昌，1997

9、Distribution of tree rings and low-resolution records used here(9: Tan et al. GRL, 2003 and 10: Yang et al. GRL, 2002 from China )Comparison of the low-resolution proxy recordsData from ChinaSupplementary Figure 1Low-resolution seriesSupplementary Figure 2Tree ringHighly variable Northern Hemisphere

10、 temperatures reconstructed from low- and high-resolution proxy data (Anders Moberg et al., NATURE, 2005, 433, 613-617)2、研究全新世气候变化的主要材料、研究全新世气候变化的主要材料3、全新世气候变化的可能控制因素、全新世气候变化的可能控制因素（1）、地球轨道（总体趋势变化、千年级）、地球轨道（总体趋势变化、千年级）（2）、太阳活动（年代级、世纪级、千年级）、太阳活动（年代级、世纪级、千年级）（3）、火山喷发（年代级到年级）、火山喷发（年代级到年级）（4）、人类活动（主要在）、

11、人类活动（主要在2000年以来）年以来）（5）、气候系统内部过程）、气候系统内部过程3、全新世气候变化的可能控制因素、全新世气候变化的可能控制因素（1）、地球轨道（总体趋势变化、千年级）、地球轨道（总体趋势变化、千年级）（2）、太阳活动（年代级、世纪级、千年级）、太阳活动（年代级、世纪级、千年级）（3）、火山喷发（年代级到年级）、火山喷发（年代级到年级）（4）、人类活动（主要在）、人类活动（主要在2000年以来）年以来）（5）、气候系统内部过程）、气候系统内部过程上：由太阳风变化上：由太阳风变化引起的地磁场变化引起的地磁场变化下：太阳黑子数变下：太阳黑子数变化（由碳化（由碳14记录计记录计算而

12、来）虚线为算而来）虚线为实际观察值实际观察值太阳活动增太阳风增反射宇宙射线增宇宙成因同位素减小冰期小冰期3、全新世气候变化的可能控制因素、全新世气候变化的可能控制因素（1）、地球轨道（总体趋势变化、千年级）、地球轨道（总体趋势变化、千年级）（2）、太阳活动（年代级、世纪级、千年级）、太阳活动（年代级、世纪级、千年级）（3）、火山喷发（年代级到年级）、火山喷发（年代级到年级）（4）、人类活动（主要在）、人类活动（主要在2000年以来）年以来）（5）、气候系统内部过程）、气候系统内部过程全球大洋传送带示意图第五讲第五讲古气候变化原因（二）古气候变化原因（二）一、岩石圈变动与气候变迁一、岩石圈变动与

13、气候变迁二、亚轨道尺度气候变化机制二、亚轨道尺度气候变化机制三、人类活动与气候变化三、人类活动与气候变化1、土地利用与土地覆盖、土地利用与土地覆盖2、大气温室气体排放、大气温室气体排放气候变化是影响人类文明的重要因素气候变化是影响人类文明的重要因素1、土地利用与土地覆盖、土地利用与土地覆盖2、大气温室气体排放、大气温室气体排放Changes of the Deserts in Northern China during the last Glacial Cycle: Implications for Causes of Recent Desert-Forming ProcessZ.L. Din

14、g, J.M. Sun, S.L. Yang and T.S. Liu(Institute of Geology and Geophysics, CAS, Beijing)Desrtified Land : 3436 km2/yearCausing tremendous environmentaland social problemsCauses for the desert-forming are not fully understood: Natural processes or human activities? Or both?What measures should be taken

15、 to stop the desert-forming process?If geological records can provide any implication for it?Western deserts: 150mmEastern deserts: 200-450mmHelan Mts.Annual precipitationTemporal and spatial changes of the deserts in the last glacial-interglacialperiod Paleo-records:Wind-blown loess deposits in the

16、 Loess PlateauLoess-sand deposits in the loess-deserts borderSand-soil deposits from within the desertsHolocene Soil(11ka)LGM Loess(21-11ka)Loess SectionRelationship between Loess grain-size and the distanceof the Loess Plateau to the desertsDesertexpansionDesertretreatCoarse loessgrain-sizeFine loe

17、ssgrain-sizeShorter distanceLonger distanceLoess grain-size links to monsoonNorthward move of monsoon rainfall beltNorthward retreat of desert marginIncrease in the distance of deserts to the LPFine-sized eolian loess deposited in the PlateauSampling sites in the Loess Plateau60 40 20HongdeMd(m)5040

18、3020100Depth(m)60 40 20HuanxianMd(m)40302010060 40 20MuboMd(m)40302010040 30 20 10QuziMd(m)3025201510504020QingyangMd(m)252015105040 30 20 10BaimapuMd(m)2520151050302010XifengMd(m)20151050302010NingxianMd(m)20151050302010BinxianbeiMd(m)2015105021147BinxianMd(m)2015105024 18 126YongshouMd(m)15105020

19、15 105YanglingMd(m)151050Depth(m)S0S1S2-1L1-1L1-2L1-3L1-4L1-5L2-1L2-2L2-3L2-4L2-5S0S1S2-1L1-1L1-2L1-3L1-4L1-5L2-1L2-2L2-3L2-4L2-5S0S1S2-1L1-1L1-2L1-3L1-4L1-5L2-1L2-2L2-3L2-4L2-5S0S1L1-1L1-2L1-3L1-4L1-5S0S1S2-1L1-1L1-2L1-3L1-4L1-5L2-1L2-2L2-3L2-4L2-5S0S1S2-1L1-1L1-2L1-3L1-4L1-5L2-1L2-2L2-3L2-4L2-5S0S

20、1S2-1L1-1L1-2L1-3L1-4L1-5L2-1L2-2L2-3L2-4L2-5S0S1S2-1L1-1L1-2L1-3L1-4L1-5L2-1L2-2L2-3L2-4L2-5S0S1S2-1L1-1L1-2L1-3L1-4L1-5L2-1L2-2L2-3L2-4L2-5S0S1S2-1L1-1L1-2L1-3L1-4L1-5L2-1L2-2L2-3L2-4L2-5S0S1S2-1L1-1L1-2L1-3L1-4L1-5L2-1L2-2L2-3L2-4L2-5S0S1S2-1L1-1L1-2L1-3L1-4L1-5L2-1L2-2L2-3L2-4L2-5Map of the LP a

21、nd deserts in northern China1010 1 12727 2 24848 4 45555 4 4101101 1111130130 10108888 7 77575 9 9Age(ka)Eolian sandLoessSoilHolocene SoilLGM Eolian SandLoess HorizonLast Interglacial SoilLoess-Sand-Soil Section Along the Desert BorderDirect evidence for desert advance during the LGM(S0)(L1-1,)(L1-2

22、)(L1-3)(L1-4)(L-5)(S1)Eolian section within desertsLGM SandHolocene SoilRocky desert in the northern partDry grasslands in the northern partsand-dunes in the middle partLoess depositsin the southernpartRocky desertDry GrasslandSand dunesLoess depositsWind erosionareasSanddepositionLoessdepositionNor

23、thSouthSpatial differentiation of landscapes alonga north-south transect in the last glacial4030PresentPresentmountainsmountainsdesertdesertGobi desertGobi desertStudy sitesStudy sites9080701301001103040120LGM(20-10ka)LGM(20-10ka)1103040Holocene Optimum(8-4ka)Holocene Optimum(8-4ka)Sun, Ding, Liu (1

24、998)EpisodesHolocene SoilLGM Sand DepositsInfluence of climate deteriorationafter the Holocene Optimum onthe desert expansion? 温度/降水量/%时间/KaBPPrecipitation(%)TemperatureAge (ka)Holocene climate change estimated fromthe pollen record of Qinghai lake (Shi, 1992)A 14-ka pollen diagram at Daihai near de

25、sert9-3.5 ka, tree pollen over 20%, almost absent aftermathAncient lake level Holocene25 20 15 10LuochuanMd(m)210201510TongchuanMd(m)43210168YaoxianMd(m)3210128LantianMd(m)210302010LijiayuanMd(m)43210Depth(m)15105ShiziMd(m)2102520LingbaoMd(m)210L1-1S0L1-1S0L1-1S0S0L1-1S0L1-1S0L1-1S0L1-1LGM LoessCoar

26、se-grained upper Holocene loess 130120110401181194948WGHLD4443114116SGDLSYDesertLoess50Hunlun Buir DesertHunshandake Desert(m)00.51.01.52.0WG00.51.01.52.02.5HLHD0123SGDL0123SYAeolian sandPaleosol0.040.011.850.1813.40.51.560.142.480.2912.41.21.050.103.500.369.861.361.250.141.670.1811.11.3(m)(m)(m)(kyr)(kyr)(kyr)(kyr)OSL Dating ResultsWe do have geological evidence for lateHolocene drying up of the land, whichmay have important impacts on the recent desert-forming proces