气候学与古气候学基础

1、第二章气候学与古气候学基础气候是决定地面表生地质作用和生物繁衍的基本条件，一切表生地质过程分析都不能忽 视气侯因素，对于聚煤作用尤其如此。尽管作为聚煤古气候研究基础的古气候学仍是一个比 较薄弱的领域，但古气候研究历来都是煤田地质学家十分关注的问题。鉴于过去的煤田地质学中提供的古气候概念较为笼统，地质工作者对气候学和古气候学常较 生疏，故在探讨聚煤古气候之前，本章有必要对气候学的有关蕃基本概念和古气候学的一些 基本问题作出扼要地阐述。地球的气候特征是大气圈与水圈综合运动的结果，驱动它们的能源主要来自太阳，太阳 辐射（特别是热辐射）是影响气候的笫一位因素。但地球作为一个被动的接受体，其表面可 因海

2、陆分布和地面起伏而对接受太阳辐射产生差异，从而形成备种复杂的气候环境。对由于 地表条件变化而影响气候的因素可称为地球因素。此外，气候还受地球运行轨道及其它天体 变化的影响，这些来自地球以外的影响因素统称为地外因素或宇宙因素。地球的气候就是在 这两方面因素的共同作用下形成和发展的。宇宙因素的发展周期较长，对气候的影响也非常缓慢，不如因地球自身变化所造成 响那样明显，故从地质学角度：研究古气候，自然就把着眼点主要放在地球本身各种条件的 改变上，即构造作用控制方面。如果把研究古气候的时间尺度限定在一定范围内，即假定太阳对地球所提供的总能量不作大 的改变（事实上仍存在小的波动），那么，现代的气候即与古

3、气候之间有着一定的可比性。 因此，掌握现代气候学知识对研究古气候是十分必需的。第一节气候学基本概念气候学是研究一年以上时间尺度内的大气状态及其运动过程的学科，它是在气象学基础 上发展起来的。一、形成气候的基本因素气候是一个动态概念，决定其形成和变化的原闲主要与太阳辐射、下垫层性质、大气环 流、洋流等方面有关。太阳辐射地面上发生的一切自然变化过程，其动力来源绝大部分都来自太阳。据估计，一年内地 球可由太阳辐射获得约5.44X10J热量。其中，约有22%为大气圈所吸收，约33%被大气 圈和地球又反且才到宇宙空间散失，只有45%左右在地面为水体、岩土和植被所吸收或再反馈 给大气，用来加温近地而的大气

4、层，从而形成保温层并免使地球体失热。地球的热状况可用热通量来表示，热迎量也是个动态概念。由于地球和外部宇宙空间以及地 面各处都时时存在着热交换，若输入地球上的热通量大于输出的热通量，则地面上增温反 之，则降温，用于局部地区也是如此。地面上造成各地区热通量差异的最大原因是地理纬度，显然，任何时候赤道地带的热通 量总要大于两极地区。地理纬度是决定区域气候特征的总背景，因为它取决于所接受的太阳 辐射量的差异。由于地球自转轴对地球公转的轨道面是倾斜的，故在它绕日运行中，对一个地区便造成 了接受太阳辐射量随时间的变化，从而出现一年四季的变化。显然，夏季接受的太阳辐射量 要远远大于冬季。下垫层性质下垫层是

5、指位于大气圈下与其直接接触的物质层，通常即指地球的外表面（包括地面水层在内）。地球的外表面结构很不均-,约有70.9%的面积为海水所覆，陆他面枳只占29.1%。 陆地上有河、湖、冰、雪等各种形态的水体，岩石、土壤、植被等裸露情况也不一样。由于 水、陆的物质组成存在差异，很多物理性质表现不同（如水体与陆地的比热不同，透射太阳 辐射的性能不间、导热方式和导热性能也不相同等，影响对太阳辐射的吸收和反射，故水 域与陆地之间存在着热力差，从而造成水、陆之间的各种气象现象。因此，下垫层因素对气 候的影响是十分显著的。大气环流大气环流是指大股流动的气体循一定路线作有规律地运动现象，它也是形成气候的重要 因素

6、。由于空气具有明显的热胀冷缩特点，在受热不均的情况下自然要产生密度差，从而造 成压力差。大气压力差是促使大气流动的基本动力，空气总是山高压区向低压区流动（17）。 但是流动过程中，出于受地转偏向力（科里奥利力）的影响，常常使其改变前进的方向。因 地转偏向力是由地球自转造成的一种力学效应，具有全球性规律，故改变大气流动方向使其 循一定路续作有规律地运行，便造成了固定的大气环流模式。同时，还由于大气环流过程中 进行冷、暧气团交换，故对局部气候环境有重要的影响。大气环流受许多因素影响，最主要的有以下三方面：1）地理纬度地理纬度是产生大气环流的基本背景。设想地球处于止状态，且下垫层性 质均习。赤道地带

7、由于气温高而气压低，两极地区因气温低而气压高，于是两极的冷空气便 沿较低层次和赤道的热空气沿较高层次发生循环对流，这就造成了大气坏流的理想图式（图 2-1）。图2-左地球木白转肘的大气环流（据黄润本等，1獭）2）地球自转偏向力地面上 运动的物体都受地转偏向力的 影响，对于运动的气体这种影响 更特别突山。正是由于地转偏向 力的存在，使图图2-左地球木白转肘的大气环流（据黄润本等，1獭）在赤道地区因地面与地球 自转轴平行，两极的极点因地面 与地球自转轴垂直，这些地区都 不受地转偏向力的影响。除此而 外,地面运动的物体都受地转偏 向力影响，并随纬度的增高而加 大，有时甚至可便沿经向行驶的 气团完全改

8、变方向而沿纬向行 驶。地转漏向力在北半球使运动 的物体（不管是南向运动还是北 向运动）一律向右侧偏斜，在南 半球一律向左侧偏斜。在上述大气环流的总图式中，赤道地区因空气受热构成低压带（称赤道低压带）。来 赤道沿经向运行的暧空气，受地转偏向力影响而发生偏斜，至纬度2030。左右即几 乎循纬向运行，便大部分气闭不能继续向两极运动，于是在这一带便发生了聚集，使空气密 度加大，从而在南、北纬各出现一个高压区（副热带高压带）。由这个高压区向南北两侧扩 散的空气，向赤道的一股便补充了由赤道流来的空气位置，从而出现赤道两侧的第一对环流 圈；另一股向高纬地区流散，约于纬度5060。处与山极地来的冷空气遇，从而

9、形成 极锋带。由于南北冷暖气团的密度不同、故由冷暖气团形成的交界面（锋面或锋带多向赤 道倾斜，锋带的前缘也是多雨地带。极锋带因有暧空气混入，故这里也是一个低压带（副 极地低压带。两极地区因气温低，都是高压区（极地高压带），它与别极地低压带进行冷暖 气团交换，于是便在商北半球各又构成了第二对环流圈。极地上空的平流层底面低于副热带 压区，故两极与来自赤道的冷暖气团可直接在高空中进行交换，于是便构成了第三对大环流 圈。这样，在地球大气圈中便出现了三对对环流圈和七个气压变化带，它们控制着大气环流 的路线，组成了各个盛行风系（图2-2）。图2”图2”天气环流的总图式（据黄润本等，1睇。）/ /东北信风磐

10、/“无风带不同风系带内的气候特征有明显差别，如：赤道无风带（南北纬1015。以内、因 以上升气流为土，地面蒸发量也大，水以垂直循环为主，故少风多雨，形成热湿气候；副热 带无风带（纬度约1525之间因位于副热带高压带内，从赤道流来的热空气以下沉为主， 故无雨少风，空气燥热，呈热十气候。信风带内（纬度约2030。之间）因风向固定（北 半球为东北信风，南半球为东南信风，故对大陆东侧增加潮湿气候，对大陆西侧增加干燥 气候。西风带度约3050）也因风向固定，对大陆西岸增加潮湿，对大陆东岸增加干 燥。极锋带内（纬度5060。因冷暖气团相遇，造成多雨和多产生气旋，出现冷湿气候。 极地东风带（纬度60以上）因

11、寒冷，蒸发量少，呈寒干气候。3）海陆分布面积和相互配置关系，由于海陆的热力状况不同，严重干扰了上述按纬向 分带的大气环流模式，从而也改变了个地的气候状况。一般冬夏两季海陆上空的气压显著不 向，在北半球大陆上，夏季引增温剧烈，在对流层中部气压升高，驱动高空空气向海洋运 动，在海洋上空形成高气压团，再驱使海风沿低空向大陆吹送，冬季情况正相反。这种由季 节变换和海陆热力差直接引起的定向风称作季风，在赤道和两极地区.因海陆温差都减小， 极锋带又多气旋，这些地区都不易形成季风，季风最盛行于中、低纬度，我国大部分地区都 在东亚大陆与太平洋所形成的季风控制范围内。由于季风使海陆气团定向交换，它对改变局 部气

12、候环境起明显的作用。此外，如地势、地形、陆内水体等因素都干扰大气环流的总模式，它对局部气候环境的 形成则有更大的意义。洋流海水不仅有表层和深层之间的垂直对流.还因各地温差不同也呈现水平对流，总体的环 流模式是赤道的暧水流与极地的寒水流进行交 换。但洋流流向又受定向风的影晌，故其环流模 式也很复杂。简化的洋流模式如图2-3所示。由 图可见，由两半球的西风带开始，在副热带反气 旋的东缘，大陆西海岸附近.有方向与气流大致 相同的洋流驶向低纬地区，这种洋流为寒流。在 大陆东岸大部分洋流与反气旋的转向一致，助长 低纬暖流向高纬洋面移动，沿纬向行驶，于是在 中、低纬洋面上便构成了最大的洋流环流圈。其 余在

13、赤道和两极地区，还分别出现另外两对小环 流圈。由于寒流和暧流的水温差很大，因而对沿 岸大陆的气候和降水都有直接影响，对形成局部 气候环境起重要作用。二、气候类型和气候带气候分带是以气候分类为基础，同类气候 的地理分布便构成了气候带。划分气候带有助于 了解相同或不同气带内可能形气候主 要 气炎热多隔封气候主 要 气炎热多隔封r Aj热带雨林sA人热带蔬林草原气侯髡热干涌红伊奔草原气候 Bw沙漠/候,t C w备干眠暖气悚C由暖多雨气战芾夏干温暖气候t Cf常湿温暖气候寒冷多雨气嵌带（D、冬千寒冷气候Li常湿寒冷气候f Et苔源气候E冰近汽候带冰原气候注：此表据黄谴本等，1鸠卜站/修改1.气候类型

14、和气候带的划分气候类型的划分有各种方案，但应用最久的是A,Koppen的分类。他将全球从赤道 至两极共分为五个气候带，每带再分型，然后再分亚型（表2-1）。表中，A、B, C：又合称为林木气候带。只有在这三带中才可能生长林木。Koppen的分类只以规定的水湿度、热温度指标和植被发育情况为划分依据， 看来十分严格，但忽视了气候的形成过程和地理分布特点，故机械地套用这一标准常会把气 候带划得很宽，从而失去了划分气候带的真实意义。不过，这个分类对研究聚煤古气侯仍有 一定参考价值。另一种通用的分类是由E. n.Aj1COB于 50年代初提出的。他根据不同纬度盛行气团的季 节分布和形成的主要锋面位置，将

15、全球共分为四个基本气候带和三个过渡带。前者分别是赤 道带、热带、温带和极地，后者分别为副赤道带、副热带和副极地带。它们沿经向的 分布如阁2-4所示。基本气侯带全年都由一种气团控制.如图中的1、3、5、7。过渡带 的盛行气团则因季节而变化，故其边界便由和邻气侯带的盛行气团相遇所形成的锋而位置所决 定，如图中的2、4、 6。AJMCOB所划的全球气烷带如图2-5所示。从图上可见，气候带大致平行地理纬度。有些 地区气候带发生了间断或缺失，如南半球和北欧高纬度地区都缺少副极地带，它们都因受每 洋的影响，使极地气团与温带气团的交锋不明显所致。2.候带分布的纬向性地理纬度是决定气候分带的基础，因为不管其它

16、因素如何变化，赤道带所接受的太阳辐 射量总比两极地区要多，这个基本事实任何时候都是存在的。因此，受地理纬度控制的气候 带分布，应当是造成局部气候环境的基本背景。但由于其它因素的干扰，气候带分布的纬向性经常受到破坏。徘除宇宙因素而外，对其 影响最大的是海陆分布及其相互配置关系。如相同纬度带内，若陆地所占面积比别大于海洋 面积，则以陆地气候特征为主；中、低纬度的大陆东岸和中、高纬度的大陆西岸，都因面海 迎风而表现潮湿：与其同纬度的大陆另一岸，则因面海背风而表现干燥，澳州东部温热潮湿 而西部却燥热干早（可出现荒漠）。因此，在这些地区，沿纬向延伸的潮湿带成干燥带的范 围都会有很大变化。此外，还有地势高

17、度、山脉走向等地貌条件，也严重干扰大气环流，洋 流流向也影响沿岸气候，这些部便气候带分布的纬向性复杂化。图2-S Ajlmcob的世界气候分布图1 一赤道犒2 赤道季风带；3-热的4一副热制S-温带，8蠢携极册丫一北（南）极带 （据一凋本等，1&86）气候带的范围可随季节的变换而沿南、北回归线有所推移。地史期内，受各种地质、地 理因素的影响，气候带的范围也是变化的，有时甚至可以完全缺失某些气候带或出现分带不 显的过渡状态（如全球性的增温或降温）。但即使是最后一种情况，赤道带和两极地区的气 候总有一定差别；尽管局部气候环境是纬向地带性与非纬向地带性的结合，但对全球气候带 的分布来说，纬向性仍然是

18、最基本的属性。第二节古气候学的基本问题古气候学主要涉及人类文化历史以前的地球气候状况和气候变化，主要依据保留在地 层。岩石中的气候标志（特别是地球化学标志、沉积标志及古生物标志等）进行推断和恢复。 这种研究方法木身就遇到了一些重大理论问题，从而使古气候研究在某种程变上不得不建立 在一些假定的前提条忭下。这是因为影响古气候的因素很多，构成气候组分的大气和水的动 态特性又很强，古气候遗迹也难以保存等，这些都为恢复古气候造成了很大的困难。由此判 断所的的结论，其多解性和粗略性也是很自然的，古气候研究的难点也正在于此。一、现实主义原理自19世纪初，C.Leyll根据均一性原理建立起将今证古的基本原则之

19、后，它便成 为地质学研究的方法学基咄。但是，随着科学的进展和认们认识的深化，发现地质演变的总 迸程是不可逆的，地质事件并没有简单地机械重复，因而对现实主义原理是否还可以应用？ 如何改进地史研究的方法学基础？便引起了很大的争仪。地质学家们一直在探索这一重大理 论问题，它也是古气候研究首先面临的问题。一些人认为，虽然历史发展的总进程是不可逆的，但仍有其发展阶段上的相似性。对过 去地质条件的认识，仍然需要比照现今的模式进行恢服。苏联Hl M CmpaxoB在研究古地理时 就始终坚持这样的观点*，即；现在能够对之研究的地质体应是恢复固地理的实际基础;对 过去沉积作用总过程的认识是对现代沉积过裎认识的扩

20、大和深化；应当通过改进比较方法？ 来使古地理研究史趋完善。澳大利亚学，L.A.Frakes应用均变论研究古气候所遇道的困难， 如太阳辐射并不严格恒定，动、植物化石的分布有的超出了它们生态容许的范围等，这些都 为古今对比造成了困难，同时他又指出，之所以提出那些否定均变说的例证，倒不如说表明 我们对观代过程某些阶段的充知或对结论依据的可能误解，从而强调必须先熟悉一各过程的 各种可能性，包括现今气候条件下可能不起作用的过程的可能性。但也有另外一些人指出应用现实上义原理的局限性和由此导致观念错误的危险性，特别 是近30年来，它遭到了越来越多的批评，。如入兄HU和HBB（P3MHMH等人都曾指出：彳艮

21、多过区的地质过程在现在是不重现的；以现在的自然过裎作为正常模式去对比过去必然会 把过去的许多事件都看作是特殊的，甚至会歪曲历史的真实。因此.当代古地理学家都特 别强调模式对比的作用，即用经过成熟研究的古代典型进,类比较，亦即以古比古的 类比法。显然，这个研究途径是合理的,但也有更大的难度。虽然现实主义原理在应用上存在很多局限性，但针对古气候研究的特点，在目前条件下， 仍然需要比照现代气候模式进行古气候研究，它仍是一条基本可循的途径。二、古气候研究的时间尺度对一个自地球大气圈形成以后就有气候动态表征的发展过程来说，选取什么样的时间尺 度进行研究是至关重耍的。例如，以几小时、几天或几个月为尺度的天

22、气变化研究，除了考 虑年以上的气候变化外，更多地是注意短周期内小的气象波动。在研究一年以上的人类社会 历史期间的气候变化时，对于更大口寸间尺度的气候发展仅能作为背景考虑，而更多注意的是 中周期的气候变化。地质周期的口寸间漫长，可以看成是较大或大时间尺变，经常以百万年为 计时单位。与宇宙因素有关的变化应用的时间尺度更大，可称大成超大型时间尺度；因此， 选取不同的时间尺度进行研究，就等于给研究对象划出了一定的范围，增设了假定前提，对 研究工作是有利的。前已提及，影响气候变化的原因很多，有地外因素，也有地内因素。例如，由银河系运 动可能引起的太阳辐对振动，太阳自身的演变（发光度强或减弱）、地-日运行

23、中黄道面与赤 道面交角的变化、地极移动等，它们都涉及到太阳对地球辐照量的改变。可以设想，这 些因素对地球的气候状况会造成极大的影响。又如，地球的大气圈及水圈的数量和质量的变 化、岩石圈的构造变动和火山活动，以及海陆分布和水、陆热力系统的变化、大气环流和洋 流模式及人类活动等，都会对气侯产生相应的影响。上述这些变化都被H.HLamb （1975）根 据，W.L.Gates的图解改绘于图2-6中。由图2-6可见，受宇宙因素影响的变化周期的口寸间尺度都非常大。例如银河系运动引起 的太阳辐射振动和太阳系自身的演变，其时间尺度约为109108年。这样大的时间尺度， 对于研究68亿年以来的气候变化可以看成

24、是不起很大作用的（对8亿年以上的古气候状 况仍较*引自奚瑾秋编译的“国外古地理研究的一些问题”，载国外沉积相及固地理资料汇编（二）地质矿产部情报研究所，1982山岳MJII，海平面,湖平衡,均衡投正-府疗成分沉租作用-一一洋底那一洵舐海平面,湖平衡,均衡投正-府疗成分沉租作用-一一洋底那一人类的土地科一_-植戡-*- 污柴物质CO*1海气宰身的变化一火气本身的变化图卜8时全球气候演变打影响的各种不变化所怦有药峙I司尺.度示意图愆 H.H-Lamh,施了)模糊，恢复起来也更困难)，且它的小波动对气候的影响也应相对较小。对于真正具有聚煤 意义的时限范围只有不足4亿年。如按某一聚煤期考虑，时限范围则

25、更小，常仅数十百万年 到数百万年。有了这个前提之后，就可把那些大周期、长时限的宇宙发展因素都作为假定的恒定因素 而不予考虑，从而把研究目标集中到更小的范围一一地球。身的变化方面来。三、地理纬度变化地极移动可引起地理纬度变化，而地理纬度又是决定气候的基咄，从而将严重影响地球 的气候发展。在地质学中，很早就有关于地极移动的争论,，活动论的代表人物A.Wegener (1915)， 早在讨论大陆漂移的驱动力时，就把地极移动可能产生的地球体变形效应作为基本力源 之一。他的这一假定后来遭到许多人的反对。这是因为如果地极经常作大规模移动，那么随 之而来的气候变化将会是十分显著的，与气候环境密切相关的生物演

26、化以及其它地质过程都 将发生剧烈改观，这种不可想象的混乱局面与地史的有序发展事实并不相符。但地极确实并没有固守在一定的地点。地球在运行过程中，由于日、月和地球的相对位 置不断地变换，引力方向也就不断地发生变化，这就使的在地轴旋进的平而位置上附加了 个短周期的摆动，使地球自转轴在空间扫过的轨迹呈现为一个不太规则的圆锥面，这就是地 球的章动。据天文观测，章动的最大幅度仅为9 206,它只是地球旋进过程中的一种绕轴 摆动，并不是真正的地极移位)。地球的形状轴自转轴并不重合，形状轴与地面的交点才是真正的极点，故自转板绕真正 的地极点作有限范(0.10.2)的绕动。由于地轴对公转轨道而是倾斜的，地球的质

27、量和 形状都不均匀，故在公转过程中可以引起自转极绕新的极点绕动，这种轨迹就构成天文学家 所称的极移，它实际上是一种自由章动，并不是真正的地极移位。在地史演化中，由于地球构造作用可使地球质量和外形发生变化，因而可能造成真正的 极移。但地质变化所造成的质量再分配与整个地球质量相比，地面起伏高差与地球半径相 比，都是很小的，其影响后果应是由限的，因此，在一定的时间尺度内，不应有大规模的地 极移动。地球仿似扁球体的外形是受运动学约束而出现的，地球内部的圈层结构和各层的物质组 成都是长期重力分异的结果。它们几乎在地球形成就已出现，或是在后期演化中逐步形成， 这个演化过程应是相当漫长的。因此，至少在一定时

28、间尺度内，可以把它们看成是基本稳定 的。据现在大多数学者的意见，都认为地极至少在10 8亿年以来，没有产生大幅度的移位。古地磁是恢复古纬度和确定大陆漂移的有效工具。但恢复古地磁场的基础是要首先确定 有一个与地球自转轴大一致而稳定的地心偶极磁场，亦即地磁极与地理极的位置基本上一 致，它的稳定性已由古地磁学家经过对较年轻沉积物的详细研究而予以证实。据现有的资料 表明，关于地心偶极磁场的说法至少对确定20Ma（兆年）以来的地磁极位是完全适用的。有了上述基本假定之后可以认为：按现在地理极位置所划的地理纬度，在一定的地质时 间范围内基本上是稳定的，现在气候带的纬向性在研究古气候时大体上可以参照；用古地磁

29、 学方法判定的大陆漂移和恢复的古纬度也基本上是可信的。此外，还有一些天体因素也可能促成地理纬度变化，如地轴倾斜度的变化、地球公转轨 道（椭圆形）偏心率的变化等，它们也会对气候产生巨大的影响。很多地质和古地理学家都 曾在这种假定的前提下提出过各种假说，如在上个世纪末Croll曾提出过地球公转轨道的变 化可显著影响季节变化，从而有可能形成冰期；南斯拉夫学者一Milankovitch（1920也曾 考虑到地球轨道偏心率、地轴倾斜角和岁差三个参数的变化，亦估算了地史时期的日照量变 化值，从而认为它们的变化是引气第四纪亚冰期和间冰期交替的主要原因。苏联地质学家 A.H.Eropob在分祈聚煤带迁移问题时

30、，待别强调了古气侯的作用.他认为引起气候变化 的原因是由于地轴倾斜角不断变化所致。上述这些因素的变化都有可能促成地理纬度改变， 从而影响气候。但是，所有这些假定都共同强凋了天体运动间的相互作用。各星体质晕、间距：运动方 式和运行轨道等要素，都是在漫长演化历史中受运动学约束而形成的固定规律。即使相互间 的关系发生明显改变，那么，所需耍的时间也应当是相当长的。例如，地球的绕日轨道主要 是由地球和太阳的力学状况所决定；月球因距池球较近，它的影响已经在地日运行中有所体 现，并已形成了固定的规模，其它星体对地日系统所造成的影响（称为摄动都很微弱，除 非它们各自的质量发生显著著突变，否则，已形成的固定运动

31、模式是难以在短期内打破的、 即使从突变的观点，并不排除宇宙偶然因素的加入，但这种机遇的规至少在目前还无法掌握。 至于作为宇宙天体一员的地球，它的演化和发展必然有其宇宙背景，不可能与宇宙因素无关。 很多学者已经注意到了宇宙事件在地球地质构造变化和沉积、气候特征方面的对应 性。徐道一等已将其系统整理为天文地质学概论。这是很值得重视的。但从缩小时间尺 度来看，宇宙因素的影响只能体现出它的小波动，故其影响规模也应当是较小的。在我们谨 慎处理有限时间范围内的古气候问题时，不妨有选择地分别考虑到它们所应具有的切实意 义。四、古气候带水、热指标是决定气象条件的基本要素。在作现代气候分带时：，虽然Koppen的分类并 不是完全成功的，但在恢复古气候时，温度和湿度仍是首要注重的目标。这是因为温度和水 是地面发生一切