与新近纪相比，第四纪气候不仅有明显的降温，而且干、湿或冷、暖频繁地交替变化，并具有一定的变化周期(在第十一章论述)。这种周期变化的重要表现就是冰期(glacial period)与间冰期(interglacial period)，雨期(pluvial period)与间雨期(interpluvial period)交替出现。一次冰期与一次间冰期组成一个气候旋回，在第四纪至少存在着几十个这样的气候旋回(图 2-4)。
1. 冰期与间冰期
(1)冰期
冰期是第四纪期间一次气候寒冷的时期，全球性降温，冰川扩大。冰期的主要特征表现在以下几个方面。
冰川扩展 在冰期时，高纬度的冰川向低纬度推进，高山的冰川向低海拔扩展，陆地上的冰量可比温暖时期大几倍，如现代地球冰川覆盖面积为 14. 79 × 106km2，占陆地面积的 10% ，而在第四纪冰川全盛时期的总面积为 47. 14 × 106km2，占陆地面积的 30% 左右，是间冰期的 3倍。在冰期，欧洲、北美、西伯利亚都有冰盖覆盖，在中纬度的山岳上也有冰川发育，但现今很多地区的冰川都已消失。在中国，冰期时的东部山地可能发育有冰川，而目前的冰川只分布在西部的高山上。冰川的发育提高了地面的反照率，使冰川区气温进一步降低，气候变得干冷。在一次冰期中，冰川不断向前推进，其前缘达到最远或海拔最低并逐渐停止下来，这时称冰期的盛冰期(glacial maximum)。
图 2-5 欧洲中部在冰期的降温曲线(据西戈塔，1966)
生物迁移 由于冰川推进和气候变冷，生物发生大规模的迁移。生物从高纬度向低纬度地区迁移，从高海拔向低海拔地区迁移; 生物的迁移既可以是动物的迁移，也可以是植物的移动。如在冰期的时候，在北极苔原地区生长的仙女木(Dryas)可迁移到中欧地区。在我国，华北地区的哺乳动物可迁移到云南地区，生活在东北地区的披毛犀-猛犸象动物群(Coelodon-ta antiquitatis-Mammuthus primongenius fauna )中成员可迁移到现在的亚热带地区，一些生长在华北高山上的云杉和冷杉可移至北京平原区。在中纬度地区，冰期时草原植被扩展，而森林植被萎缩; 在间冰期，植被的发育情况正好相反。
全球降温 冰川发育的一个首要条件就是气候变冷。在冰期，全球的年均气温比现今低 5 ～7℃ ，以中纬度地区降温最显著，如在北半球的中纬度地区最大下降量可达 8～13℃，中欧地区年均气温下降 10℃(图 2-5)，北京地区下降可达 8～12℃。越往低纬度地区，降温幅度越小，在热带雨林地区降温仅有 2℃。在末次盛冰期，北大西洋表层水温约下降了 12 ～18℃，西太平洋下降了 10℃，赤道水温降低约 2℃，尤其以南、北纬 60°降温幅度最大。
图 2-6 末次冰期与现代气候带图(据 Holmes，1965; 转引自曹伯勋等，1995)
降雨的变化 在中、高纬度地区降雨减少，降雨量比现今减少 14%，蒸发量也少 15%。我国的黄土高原，降雨量比现今减少约 50%。但在西风带，降雨量是增加的，如美国的西南部，冰期时的降雨量高于间冰期。
气候带的移动 由于全球的降温，引起气 候 带 在 纬 度 和 高 度 上 的 迁 移(图2-6)。在末 次 冰 期，欧 洲 冰盖 的 南 界 从北纬 N77°南移到 N55°，北美的冰盖也推进到 N38°，从而 使 苔 原带由 N69° 移 至N45°。我国 沙 漠-黄 土带 的 南 界 可 达 杭州-南昌-长沙一线，现今大部分亚热带地区被北温带所占据。雪线也大幅度下移，在末次冰期，青藏高原的雪线下降值为900 ～1500m。
海平面下降 第四纪的冰期，可引起海平面下降，但每次下降的值都不相同。在最后的两次冰期(里斯冰期和末次冰期)，海平面的下降值最大，最低可达现今海平面以下130 ～150m。
冰阶与间冰阶的旋回 在冰期中还存在次一级的冷暖波动，称为冰阶和间冰阶。冰阶(stadial)是冰期阶段中冰川发育、气候更为寒冷的阶段; 间冰阶(interstadial)是冰期中相对温暖冰川退缩的阶段。冰阶和间冰阶持续的时间不长，约在万年的尺度上。
(2)间冰期
间冰期是第四纪气候相对温暖湿润的时期，夹在两个冰期之间。间冰期持续的时间比冰期长，第四纪的大部分时间为间冰期，而少部分时间为冰期。间冰期的表现与冰期正好相反，如冰川退缩或消融，生物向北迁移，全球升温，降雨量增加，气候带北移，海平面回升等(表2-1)。
表 2-1 间冰期时地球表层系统的响应
冰期与间冰期主要依据冰川的活动进行划分，比较适合中、高纬度地区。而对于在低纬度地区和大洋中，没有冰川活动就不适宜用冰期和间冰期的名称了，但在气候上还是有冷暖波动的响应，像这些地区就常用冷期(cold period)和暖期(warm period)代之。
2. 干旱期与湿润期
干旱期(dry period)是指在冰期，冰川扩展，极地冷高压反气旋向中、低纬度移动，降雨带南移，冬季风加强，使中、低纬度地区气候变得干冷，降雨减少的时期。在这一地区将发生一系列的生态环境响应，如湖泊萎缩或咸化、盐类和碳酸盐类沉积增加、水位下降、沙漠扩展、森林减少、草原扩大等。
湿润期(humid period)是指两个干旱期之间降雨相对增多、气候湿润的时期。当高纬度处在间冰期，冰川退缩，冷高压反气旋往极地移动，夏季风加强，降雨带北移，在中、低纬度地区降雨增多，气候变湿变暖。在此时，湖泊扩张、水位升高、水体淡化、沙漠萎缩、黄土堆积速率降低或停止而发育古土壤、森林扩大等。
3. 雨期与间雨期
雨期 是指在 N15°～N30°的地区，当高纬度地区处在冰期时，冷高压反气旋南移迫使N30°以北的湿润西风气旋南移，造成该区降雨增多的时期。因此，该区在这个时期湖面上升，水体淡化，沙漠收缩。这种现象主要见于北非和美国西南部。
间雨期 是指同处在西风带地区，位于两个雨期之间的降雨减少的时期。当高纬度地区处于间冰期时，冷高压反气旋北移，而湿润的西风气旋北撤，上述地区又被副热带高压控制，降雨减少，气候干旱，出现湖面下降，沙漠扩展。
冰期与间冰期、干旱期与湿润期、雨期与间雨期是气候变迁中不同地区的响应，它们之间的相互关系见表 2-2。
表 2-2 冰期与间冰期、干旱期与湿润期和雨期与间雨期的对比