古气候学复习
一、概论
1．水的三相平衡点：水有固气液三相，在三种共存的情况下是最稳定且唯一的；一个大气压下，水在气态处于饱和状态下时的温度为热力学温标的标准点。
2.气候学：研究气候的特征、形成和演变，及其与人类活动的相互关系的一门学科。气候与天气的区别：天气是指在某一瞬间或一个较短时间内大气的状态（温度，湿度，压强等）和大气现象（风，云，雾，降水）等的综合，天气是短暂的过程，天气变化快，变化周期短。气候是指太阳辐射、大气环流、下垫面性质和人类活动在长期相互作用下，在某一段时间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。
3.古气候学：主要研究器测时期之前的气候变化历史、过程及原因的学科，其目的是为预测今后气候变化及解决有关资源、环境问题服务。
4.地球系统：指由大气圈、水圈、岩石圈、地幔、地核和生物圈组成的有机整体；地球系统科学指的是研究地球各个圈层之间相互作用、相互联系、变化机制和变化机理，为全球环境变化预测提供科学依据。
5.盖亚假说：地球是一个有机的生命体，岩石、海洋和所有的生命构成一个不可分离的系统。地球的各种生物有效的调节着大气的温度和化学成分；地球生物影响环境，环境反过来影响生物的进化；各种生物界之间主要由负反馈连接，保持生态的稳定性；大气能保持稳定不仅是取决于生物圈某种程度上也是为了生物圈；各种生物调节其物质环境，以便创造各类生物最优化的生存条件。
6.气候系统：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。气候系统的最终能量来自太阳。
7.古气候变化的三个尺度：
构造尺度—岩石圈构造变化驱动，不可逆；
轨道尺度—日照季节、轨道配置变化驱动；
亚轨道尺度—101-103太阳活动等驱动
长尺度是短尺度的背景，短尺度是长尺度变化上叠加的扰动
8. 末次盛冰期(LGM)21000年最大的变化是冰盖扩张。现代陆地冰雪覆盖的面积为1500万平方公里，LGM时期为4000万平方公里。LGM冰盖的增长主要在北半球，冰盖厚度达到2-3公里。海平面下降120m，全球温度下降5-10°（赤道2-5°，极地15°以上）；全球总体降水量减少10%到30%；SST（海水表面温度）下降；沙漠扩大；气候带南移；动植物南迁。
9.反馈：正反馈是循环促进非平衡系统，负反馈是循环制约制约平衡系统。水汽反馈，云辐射反馈，冰雪圈反馈，海洋反馈.
10气候的驱动因素：
外部因素：达到地球的辐射能量—太阳辐射强度和轨道要素
地球行星反射率—云量，大气气溶胶，冰雪覆盖面积，陆地植被，地貌形态，海路分布格局
进入地球系统中的太阳能在地球系统中滞留的时间—温室气体，水汽，CO2，甲烷（吸收长波辐射，反复加热地球）
内部因素：火山活动，构造运动，人类活动
11.地球轨道三要素：
偏心率、斜率、岁差
偏心率是地球椭圆轨道的离心率；
斜率（轨道倾斜度）：黄道与赤道的夹角，现在为23.5°。
岁差：地轴晃动的结果。冬至在黄道面上岁岁有差。岁差的变幅受偏心率的影响。
12.从古气候角度看大气圈的主要作用是大气环流模式，温室气体浓度。水圈的主要作用是1）大尺度水循环；2）地表风化-CO2；3）水汽为重要温室气体。大洋垂直环流分为表层环流，次表层环流，中层流，深层流，底层流。冰冻圈的主要作用是1）水循环2）冰雪反馈作用。生物圈的主要作用：1）反馈作用2）大气温室气体浓度。岩石圈的主要作用：1）控制大气、大洋环流模式2）控制大气温室气体浓度
13.古气候的研究过程：1）选择一个问题2）取得研究材料3）对沉积物定年4）建立气候变化时间序列5）分析气候变化历史（周期，幅度，速度，趋势，特殊事件，相位关系，区域与全球对比）6）空间上变化特点7）探讨气候变化原因与机制（动力因素，动力过程，数值模拟常常是重要手段）8）预测气候变化
二、古气候记录
14.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。
15.古气候记录类型：器测记录；历史资料；各种自然记录（沉积物：海洋，湖泊，风尘沉积；冰；珊瑚；树轮自然地理变迁的遗迹）
16.高分辨率的研究材料：树轮，玛珥湖，冰芯，珊瑚，石笋，历史记录
低分辨率材料：深海沉积物，黄土沉积，湖泊沉积
17.气候代用指标：利用沉积记录蕴含的一些物理、化学、生物和沉积特征，直接或者间接地指示过去气候环境变化的特征。
18.古气候指标：物理/化学/生物/沉积类指标
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
磁化率是夏季风指标（磁化率与降水量正相关），粒度是冬季风指标；
夏季风指标：化学风化指数；元素比值指标，指示黄土风化程度
19.海洋记录类型：沉积记录，生物记录，物理化学记录
海洋生物记录：有孔虫和海洋微体古生物；深海氧同位素；深海谈同位素；海洋生物指标与古温度、研盐度记录；珊瑚记录；海洋生产率记录
20.同位素气候地层学：由于第四纪期间太阳辐射量在地球不同地区分配的变化造成地球上冰盖大小的增减，进而决定着大洋水体中18O/16O组成的变化，不同海区生物成因的碳酸钙壳体中的18O呈现同步的变化历史，因此可以利用生物壳体（浮游有孔虫、钙质超微化石、硅藻等）的氧同位素变化标定地层年代。
21.轨道调谐法时间标尺建立的方法与步骤：
1.建立气候变化曲线；
2.选择靶函数（ETP），确定使用什么函数进行周期提取；
3.确定相位差；
4.确定独立的年龄控制点；
5．建立初始时间标尺；
6．数学处理
22.深海氧同位素
氧同位素的冰期效应：
冰期：大陆冰盖扩张，16O聚集，海洋18O增多，氧同位素偏正；植物萎缩，碳同位素偏负。
间冰期：冰盖减少，氧同位素偏负，碳同位素偏正。
23.氧同位素在古海洋学研究中的应用：查明地质历史上古海水温度的变化趋势；揭示全球气候变化周期变化规律；建立大洋水柱的垂向温度梯度变化。
24.影响海洋氧同位素分布的因素：海水温度对δ18O的影响；冰期效应与盐度效应；生命效应。
25.碳同位素的应用：指示水团的性质来源及年龄；指示大气成分、生物量及有机碳堆积量的变化；反映森林植被及冰期效应；在一定程度上反映温度，光强度
26.海洋生物标志物：U K’37，TEX86
27海洋生产率：生产率是指生物在能量循环过程中固定能量的速率，及单位时间单位面积内所产生的有机物的量，卡/平方厘米*年。海洋生产率指的是浮游生物的产率。
28.古CO2浓度记录：CO2是一种重要的温室气体，在全球碳循环过程中，CO2浓度受控于不同尺度的影响
构造尺度上：深部碳释放，有机碳的埋藏，表层硅酸盐的化学风化对CO2的消耗，碳酸盐岩的沉淀；
轨道尺度上：与生物圈碳循环更为密切；
千年以下的尺度上：生物圈和大气圈的交换进行。
CO2不光受上述因素影响，在过程中CO2本身就有一些反馈作用，有一定的自我调节能力，如光合作用。
29.温室CO2高，间冰期；冰室CO2低，冰期。直接测量法，测量冰芯气泡。
30.海洋物理化学记录：古CO2浓度记录；陆地风化剥蚀的海洋记录；近岸风场、风力和降水变化记录；古气候与海洋化学的长期演化。
31.黄土记录与中国黄土时间标尺：
1.黄土的分布
2.黄土的地貌：沟谷纵横，塬、梁、茆。
3.黄土的风成成因：
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
黄土是由风力搬运和堆积的大气粉尘物质
特点是1、成分的相对均一性；
2、颗粒的分异性--极细沙以下颗粒
3、沉积的松散性
中国黄土的风成证据：1）分布在沙漠外围；2）沉积物层理；3）成分具均一性；4）粒度的空间差异性；5）地层的空间可对比性。
成分与地壳化学元素克拉克值接近。矿物组合：石英，长石，云母，碳酸盐，粘土矿物（伊利石、蒙脱石）
黄土的基本地层单元：黄土层、古土壤层、弱发育土壤层
黄土层Li 古土壤层Si
午城黄土（2.6--1.3Ma）
L33－L15的沉积
离石黄土下部(1.3--0.5Ma)
L15--L5的沉积
离石黄土上部（0.5--0.07Ma)
L5--L1的沉积
马兰黄土(0.07--0.0Ma)
L1+S0
磁化率为物质在磁场作用下，可被磁化的能力，它同磁性矿物的种类、含量、大小有关。古土壤磁化率是黄土层的2-4倍。控制因素主要有：火山灰与地外物质；成土强度；粒度与生物种类。
古土壤为红色，黄土层为黄色。
游离铁与全铁的比值作为夏季风强度变化的指标。
粒度变化的控制因素：同风力强度有关；同沙漠进退有关
32.中国黄土记录中有哪些指标能够指示东亚冬、夏季风的变化？
冬季风指标：粒度、风尘通量、碎屑石英粒度
夏季风指标：磁化率、有机质含量、稳定C同位素比值（13C含量指示C3、C4植物含量）、10Be含量、化学风化指数(CIA、CaO/Al
O3、Rb/Sr、Sr/Ba、Na2O/Al2O3、Fe2+/Fe3+、U/Th)、
2
古土壤碳酸盐含量
33.从黄土记录怎样认识东亚季风演变历史及动力机制？
i.建立指示东亚冬季风与夏季风的曲线；
ii.通过轨道调谐，把曲线调到同一坐标上；
iii.做频谱分析，得到东亚冬、夏季风的变化周期；
iv.发现黄土成绩记录了明显的地轴倾斜和岁差周期，与全球冰量模型有很好的对比关系；提出了“全球冰量驱动模式”来解释东亚季风的演化及动力特点。
34.湖泊年纹层定义：湖泊沉积物中因季节驱动力而形成的原生沉积层，层偶的物质组成具有可以识别的年季节旋回。
35.玛珥湖的古气候指标：生物、物理、化学指标。
36.冰芯记录的特点：
优点：时间序列长（80Ma）；高分辨率（季节，年）；高保真（低温）；多指标（海陆生物、人类污染、太空物质）；沉积后变化小
耗资巨大，工作条件艰苦
37冰芯记录的时间标尺:
1）绝对年龄控制：AMS14C,210Pb
2）年纹层记数：
3）冰流模式时间标尺
4）岁差、地轴倾角、地球偏心率轨道调谐的标尺
5）冰层年龄与气体年龄（雪，粒雪，冰）
6）冰芯时间标尺评价：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
38.
39.
40.大气粉尘冰期高，间冰期低。
41.冰芯与古气候对比：
42.古气候的定量化重建
定量化重建的意义：没有办法直接去测量古气候变化；地层中保留有各种气候的代用指标；定量化研究是理解古气候变化机制、确定模型边界条件和评估古气候模拟的关键。
现代过程的局限性：滞后性、可能随时改变、人类有影响。
基本原理：将今论古
定量化方法：统计模型（孢粉、生物指标）指示种法、集合体法、多元校正函数法
植被模型模拟：BIOME模型、全球动态植被模型、植被反演模型
气候模式
统计模型的局限性：指标与气候非直接关系；不能考虑CO2变化对植物生长的影响；不能考虑现代气候区间以外的气候变化。
植被模型模拟方法的局限性：1）同样以现代孢粉数据库为基础，因而有转换函数一样的问题，孢粉相对风度随气候变化是非线性的，不同区域的孢粉有差别，转换函数存在边际效应，需要建立各种气候和现代花粉的组合数据库。2）模式边界条件及本身的不完美。
气候模式的局限性：边界条件的不确定性；对气候机制认识的局限性；模式本身的不完善。43：天气和气候的区别：天气指的是某地区短时间内各种大气过程现象的综合，即短时间内风，云，降水，温压变化；而气候则是指某地区多年间常见的和特有的大气过程。
44.气候系统：包括大气圈、水圈、岩石圈（陆地表面）、冰雪圈和生物圈在内的，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。
45.气候系统的基本属性：静力属性，热力属性，动力属性，水分属性
气候系统具有：开放性能量交换
稳定性内部反馈
敏感性气候系统的相对稳定
46.湿度：
水汽压：大气中的水汽分压；
绝对湿度：单位体积空气中所含有水汽的质量；
饱和水汽压：一定体积空气在一定温度下所能容纳的最大水汽量的压力；
相对湿度：实际水汽压与饱和水汽压之比。
47.柯本气候分类：
48.季风：季风是由于海陆热力差异或者行星风系随着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。随着盛行风向的变换，在降水量上表现出明显的干季与湿季的交替。
49.古CO2重建使用冰芯、植物气孔、浮游植物、古土壤、同位素等。
50.SST：表层海水的温度，一般指海表到0.5m水深的平均温度
51.THC：热盐环流，是由海洋表层热量通量、浅水通量以及温度和盐度在海洋内区的混合所共同驱动的海洋环流系统。热盐环流能够输送大量的热量、淡水河营养物质，因此会对全球气候起到非常关键的调节作用。
52.构造变动与大洋环流及其应气候效应：
大陆漂移理论：地球上所有大陆在中生代以前曾经是统一的巨大陆块（泛大陆），中生代开始，泛大陆发生分解并漂移，逐渐达到现在的位置
德雷克海道的关闭；巴拿马地峡关闭（北半球冰期）；印尼海道关闭（西太平洋暖池）
53.全球碳循环：碳循环是在大气、海洋及包括植物和土壤的陆地生态系统3个主要储存库之间的流动。包括生物圈碳循环、海洋碳循环、大气碳循环。
54．生物泵：浮游植物光合固碳速率减去浮游植物、浮游动物和细菌的呼吸作用速率，即通过生物的新陈代谢来实现碳的转移
碳酸盐泵：大气中二氧化碳被海洋吸收，以碳酸盐的存在形式
物理泵：海气交换界面从海洋表面向深层输送水同时带入带出二氧化碳。
55.陆面过程：是地表和大气行星边界层之间发生的气体，能量，热量和辐射的交换过程。陆面过程及其与大气的相互作用是影响大气环流和气候变化的基本物理、生化过程之一。
地表对大气的影响：热力作用、动力作用、水分循环、大气成分
地气相互作用：
56.第四纪气候的阶段性特点：
总趋势逐渐变冷：2.6Ma以来，全球冰量快速增加，进入两级有冰的时期
波动性、多旋回、周期性、阶段性
57.中更新世转型（MPT）
气候主导周期从4万年变为10万年；
时间：~90万年
方式：持续数十万年的过渡期
特点：早期对称性周期，高频低幅；
晚期不对称性周期，低频高幅
10万年难题无法用米兰科维奇理论解释
证据：二氧化碳发生明显的降低，深层水流MPT发生重大变化，全球碳库分配与碳循环发生异常；中国黄土古土壤序列记录中更新世转型，冬季风增强，夏季风也增强，出现极端气候期；
机制：高纬度因素、低纬度、高原隆起、天文因素、温室气体、大洋碳库和环流变化
58.中布容事件（MBE）~43万年前后（近百万年最暖时期，无法用小幅度轨道变化解释，MIS11难题）
MIS12/11具有6Ma以来最大幅度的冰期间冰期气候变化。
证据：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；
北半球中高纬度区为异常温暖的间冰期；
贝加尔湖硅藻勃发；
地中海腐泥层Sap11发育；
南半球高纬区为温暖间冰期（Domec记录的中布容事件）；
但是中低纬度区海洋和陆地却是降温的
机制：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、构造变动对冰盖的影响
59.冰期间冰期旋回中南北半球气候的耦合与非耦合：
轨道尺度上80万年来两半球气候具有大致耦合的特点，具有一系列非耦合特征，最突出的是MIS-13问题：
最重要的事实: 深海洋同位素记录显示M I S‐ 1 3是8 0 0ka 以来全球冰量最大的间冰期，但是冰量的分布极不对称。
MIS-13两半球非耦合的启示：1）耦合是相对的，两级冰盖具有一定的独立性；2）深海δ18O用来代表两级冰量或许存在问题，它是全球冰量的指标。
60.第四纪气候变化不稳定事件与气候快速变化旋回：
1）YD事件
北大西洋深层水停止产生的原因：北极冰盖不稳定性、低纬区的过程、南极及南大洋的变化。
2）H6-H1事件
3）D-O旋回
Bond等（1993）对比北大西洋沉积物与格陵兰冰芯记录，揭示二者有一致的变化，称之为D/O旋回。D-O旋回在末次冰期中24次波动，~1500年周期
证据：欧洲大陆沉积记录千年尺度变化，南海17940钻孔揭示末次冰期D-O旋回，南京葫芦洞石笋记录，中国黄土记录千年尺度气候波动。
4）Bond旋回
Gerard Bond首先发现北大西洋末次冰期沉积钻孔中冷水有孔虫比值与冰漂碎屑量（包括H事件）具有更长的“周期”(～10‐15ka)变化，此种“周期”被称之为Bond旋回。
61.气候不稳定性的区域性表现和南北半球联系
两极甲烷浓度一致，D-O旋回北极大于南极，南半球没有明显的YD
南北极温度变化的跷跷板模式：南极增温，北极降温；南极降温，北极增温。