综述：中生代-新生代期间全球古柯本气候带的时空分布

《Earth-Science Reviews》：The spatiotemporal distributions of global paleo-K?ppen climate zones during the Mesozoic-Cenozoic

　　陈敏宇|丹尼尔·J·伦特|张莱明|胡林书|王成山
中国地质大学地球科学与资源学院，地球微生物与环境变化国家重点实验室，深时数字地球前沿科学中心，北京100083

**摘要**
重建自中生代以来全球气候带的演变对于理解长期气候变化至关重要。在这里，我们将古柯本分类法应用于选定的HadCM3古气候模拟系列，生成了从2.52亿年前至今每隔五百万年的全球气候带地图。这些重建结果捕捉了气候带在面积、纬度分布和海拔范围上的时空变化。通过使用标准化的气候带空间指标，我们进行了聚类分析，并识别出三种气候状态：冰室气候、湿润温室气候和干燥温室气候。与仅基于全球平均表面温度的框架相比，这种基于气候带的分类方法能够捕捉到更多的水文气候变异性，并为全球气候状态提供了补充视角。相关性分析进一步表明，总辐射强迫主要与纬向温度梯度的变化有关，而冰冻圈和地形效应则更紧密地与高纬度和/或高海拔地区的寒冷气候范围相关。相比之下，古地理配置和太阳辐射强迫与干旱和湿润气候带的分布关系更为密切。最后，在这一气候带框架内，不同沉积类型的的气候意义得到了定量和定性的重新解释，为它们作为古气候指标的使用提供了额外支持。

**引言**
重建地质历史中的地球气候系统——特别是自中生代以来——对于理解长期气候变化趋势和机制至关重要（Zachos等人，2008；Kidder和Worsley，2010；Tierney等人，2020；Judd等人，2024）。以往关于中生代-新生代气候动态的研究涵盖了气候系统的多个方面，包括对单个变量的分析（如干旱地区范围（Li等人，2025）、气候敏感性（Farnsworth等人，2019a）以及草原-沙漠生物群的演变（Barbolini等人，2020）；针对特定区域的研究（如亚洲季风在变化中的古地理和地形下的演变（Farnsworth等人，2019b；Sarr等人，2022；Tardif等人，2023）；以及对过程的研究（如赤道超旋转（Lan等人，2023）、全球季风变率（Hu等人，2023）和降雨变化（Han等人，2023；Bao和Hu，2024））。尽管这些研究提高了我们对地质时间尺度上特定气候过程的理解，但由于时间覆盖范围有限、关注单一变量或空间分辨率不足（Tierney等人，2022），对全球气候模式的全面描述仍然有限。气候带分类提供了一个稳健的框架来填补这一空白。通过将多样的局部气候归纳为基于关键气候变量的有限一组连贯的类别（Oliver，2008），这种方法使得在空间和时间尺度上进行一致比较成为可能（Zhang等人，2016；Yu等人，2023）。尽管有这些优势，古气候带的定量重建仍然较为稀少。例如，Boucot等人（2013）使用对气候敏感的沉积物定性绘制了从寒武纪到中新世的全球气候带地图，但注意到气候梯度不规则且缺乏明显的周期性。Pohl等人（2022）利用气候模型输出生成了28个显生宙时间片段的柯本-盖格分类；然而，2000万年的时间间隔限制了长期转变的分辨率。最近，Burgener等人（2023）利用多种代用指标定量重建了白垩纪的古柯本气候带，但他们专注于单一的温室状态，从而限制了对更广泛气候演变的洞察。

在这项研究中，我们为中生代-新生代重建了一个高分辨率、时间连续的全球气候带框架。这一重建使我们能够从气候带的视角探索气候的时空演变，以解决三个相关研究问题。首先，我们探讨气候带是否提供了与仅基于全球平均表面温度的框架相比的另一种有信息量的全球气候状态表示方法。其次，我们研究气候带的长期变化是否系统地与地球系统的关键强迫因素（包括古地理、温室气体浓度和轨道强迫）相关。第三，我们重新评估了在这一框架内应如何解释气候敏感沉积物，并评估它们的定性和半定量气候意义。

**部分摘录**
**古柯本气候分类**
柯本气候分类根据多个温度和降水变量来划分气候带（Kottek等人，2006；Peel等人，2007）。然而，在深时这些气候参数大多未知（Zhang等人，2016）。修订后的古柯本分类方案通过依赖四个可以从古气候代用指标中定量估计的气候变量来克服这一限制：年平均温度（MAT）、年平均降水量（PAN）。

**气候带的时空分布**
中生代-新生代气候演变沿着三个主要维度进行考察：（i）纬度温度结构，通过热带（A）、温带（C）、寒冷（D）和极地（E）气候的分布来反映；（ii）大陆干旱程度，通过干旱（B）和热带雨林（Af/Am）气候的范围和纬度分布来量化；以及（iii）地形影响，通过各个气候子带的海拔分布来评估（图1）。

**气候状态分类的比较**
中生代-新生代气候带的演变涉及纬度温度梯度、大陆干旱程度和地形的显著变化。这些变化不仅反映了全球平均温度的变化，还反映了湿润和干旱地区分布的变化以及气候带的垂直重新分布。以往的研究通常仅通过全球平均表面温度（GMST）来定义气候状态（Scotese，2016；Judd等人，2024），这无法完全捕捉到这些变化。

**与气候带变化相关的强迫因素**
为了探索可能与气候带分布相关的强迫因素，我们研究了气候带空间指标与边界条件（包括大气CO2、太阳常数和古地理）之间的相关性（Lunt等人，2010；Valdes等人，2021；Judd等人，2024）。我们采用了Judd等人（2024）提出的总辐射强迫（ΔFall，W m?2，相对于工业化前）的分解方法，其中包括大气CO2（ΔFCO2）和太阳辐射（ΔFsolar）的贡献。

**重新评估气候沉积指标**
Boucot等人（2013）汇编了显生宙期间十三种气候敏感沉积物的全球分布，并根据其气候意义划分了气候带。不同的气候类型通过特征性的沉积组合来区分：湿润温暖的热带条件由煤、铝土矿和红土的存在所限制；北热带气候与北半球铝土矿富集相关，反映了季节性变化。

**模型局限性**
这些模拟再现了许多中生代-新生代气候带演变的宏观特征。然而，在使用和解释模拟结果时仍需考虑几个局限性。首先，可以通过在当前条件下测试模型的性能来探讨这些局限性。对于当前的模拟温度梯度，模型表现良好，高纬度气候带的纬度分布与现代情况大体一致。

**结论**
在这项研究中，我们使用应用于与代用指标重建的全球平均表面温度密切匹配的古气候模拟的数据，为中生代-新生代重建了一个时间连续的全球气候带框架，生成了从2.52亿年前至今的52张全球地图。这些地图捕捉了气候带在面积范围、纬度位置和海拔分布上的系统变化，并使我们能够解决上述三个研究问题。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**
LZ感谢中国国家重点研发计划（项目编号2023YFF0803303）、国家自然科学基金（项目编号42422204）和中央高校基本科研业务费（项目编号2652023001）的支持。D JL感谢NERC的资助（项目编号NE/X000222/1，PaleoGradPhan：显生宙的古气候纬度和地带梯度）。作者感谢浙江大学的吴晓雷博士在数据分析方面提供的帮助。