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重建地质历史时期的自然环境对于解读物种起源、生物演化和气候变迁等科学问题至关重要。在有仪器记录气候之前,研究地球上地质历史时期的气候及其变化的科学被称为古气候学。通过重建具有时空序列的古气候来理解地球气候系统的变化至今仍然是地质学、古生物学和大气学等学科研究的热点,而古气候重建的重要性在如今全球气候变化背景下显得越加突出。 在过去的百年里,基于各种气候代理指标的古气候重建方法不断涌现。这些代用指标的数据信息包括了来自岩石学、沉积学、冰川学、树木年轮学和孢粉学等证据。古气候重建方法目前为止主要有三大类:一是涉及到生物气候区的指示种分析法,如:单指示种、多指示种分析法和共存分析法;二是涉及到现代类比技术和气候响应面的组合分析法,如:转换函数法;三是多变量矫正函数法,如:叶相分析法。但各种方法因其选用的气候还原指标,以及可应用的范围不同,造成重建方法本身均有各自的优势和不足。重建古气候的趋势也由过去的定性恢复发展到现在的定量重建,如今对重建古气候的精度和准确度有着更高的期待。 纵观重建方法的气候代用指标及其研究成果,目前古气候学家对依据气候代用单一指标来重建古气候的作法多持以谨慎态度,认为需要选用不同代用指标来重建古气候会得到较为客观的结果;将多气候指标融入到一种重建方法中的作法受到越来越多的重视,如用贝叶斯统计模型建立的多气候指标重建法。 本文对两种古气候重建方法,即共存分析方法和叶特征气候分析法分别进行了讨论和对比。这两种方法分别以植物的孢粉和叶作为气候代用指标。用采集于青藏高原的表土孢粉样品对共存分析法在该地区古气候重建中的应用进行了现实性评价。由于青藏高区地区植被和气候的特殊性,借用孢粉研究的手段恢复该地区的古植被和重建古气候一直是热点课题,因为这些研究对于揭开青藏高原隆升历史,解释高原隆升对于全球,尤其是对亚洲地区的植被和气候的影响具有深刻意义。本文以植物的叶特征作为气候代用指标建立叶气候模型的探讨,与之前的叶相分析法存在的主要区别有:一,无事先假定某个叶特征与气候有关联;二,因叶特征常常受多气候因子的控制,在建立叶特征与某种气候关系时可以兼顾另外气候因子的作用;三,在建立气候重建模型时可以鉴别冗余变量,将最重要的叶特征作为最后模型的因变量。本文的工作是叶特征分析方法论上的一种新的尝试。 共存分析方法在青藏高原地区的应用,结果表明:一,青藏高原地区受亚洲季风影响,表土孢粉组合的特征极易受到外来花粉,尤其是长距离传播的乔木花粉的污染;二,不同的气候数据集,会影响共存分析的结果,基于一个县的气候数据导出的无权重处理的孢粉类型气候耐受范围与权重处理后的气候耐受范围存在差别,后者重建结果略好于前者。三,排除乔木花粉污染的气候重建结果要比包含乔木花粉的重建结果更接近“真实值”。 用广义线性模型对叶特征分析结果表明,大多叶特征反映了气候控制因子的作用,因而借用叶特征可以用来作为气候代用指标,为用该指标建立气候重建模型奠定了基础。但在应用这些叶特征—气候关系来建立气候重建模型时,并不是所有叶特征的贡献相当,也即存在冗余特征。这些冗余特征在重建气候模型中的贡献甚微;新的叶特征气候模型建立表明,随机选用若干叶特征来建的模型中,叶特征并不是越多越好,在选用特征达到一定数量时,其精确度可能会更高,但气候重建结果可能会达到一定域值。 两种古气候重建方法的应用各有其适用范围,各有其优势和弊端。对于共存分析法,开发高质量,高精度的现代最近亲缘种的气候数据集是当前面临的首要任务;对于新的叶特征分析法,促进叶特征鉴定方法的发展,对于提高古气候模型的重建精度有相当意义。