气候变化的若干术语

1、1 第八章 气候变化 【1】教学要点 介绍气候变化的概念、 气候变化的历史、 引起气候变化的自然因素以及对未 来气候的预测； 讨论人类活动影响气候变化的途径， 重点揭示城市化过程对局地 气候的影响。 【2】教学时数 10 学时（不含自学） 【3】考核要求 了解地质时期、历史时期和近代气候变化的主要特征，能正确解释气候变化 的原因以及人类活动的气候效应， 初步掌握气候变化的研究方法， 认识气候预测 的不确定性。 气候变化问题历来是人们非常关心的一个科学问题，也是当今自然科学领域 中争论比较激烈的问题之一。气候变化问题涉及地质学、地理学、气象学、生物 学、考古学、历史学等各种学科领域，地球气候变化

2、史反映了地球发展史、生物 演变史、 人类进化史各时期及以前的大气环境演变过程， 与地球科学的许多方面 都有密切联系。 因此，气候变化问题的研究需要借助其它有关学科的发展加以推 动。 第一节 气候变化的概念 长期以来，各门学科在研究过程中使用了各种有关气候变化概念和时间尺度 的学术名称。例如，表示气候变化概念的术语就有气候变化、气候变迁、气候振 动、气候波动和气候趋势等等。为此， 1966 年世界气象组织（ WMO ）对涉及气 候变化概念和气候变化时间尺度的学术名称作了统一的规定， 试图作为气象学领 域中讨论气候变化问题的标准。 气候变化 （climatic chang9 指所有时间尺度气 候

3、变 化的 综合 名称 。诸 如 气候 趋势 ( climatic trend )、气 候振 动( climatic fluctuation )、气候波动(climatic vacillation )、气候周期、气候不连续/突变等。关 于时间尺度，百年以上的气候变化均有专门名词，千年尺度称为冷期或暖期， 万 年尺度称为副冰期或副间冰期， 十万年尺2 度称为亚冰期或亚间冰期， 百万年尺度 称为大冰期或大间冰期等。 此外，在气候变化研究中还要经常计算各种气候要素 的多年平均值以作地区之间或今昔对比。但是， 由于气候是在不断的变化， 采用 不同年数或不同时段气象资料所计算的平均值是不同的。 世界气象组

4、织对此也作 了规定。例如 20 世纪 80 年代应该采用 19511980 年的 30 年平均值，90 年代 应该采用 19611990 年间 30 年的平均值。 一、 气候变迁( climatic variation ) 指气候的长期演变，往往指时间以万年为单位的地质时期的气候变化。在地 球 46 亿年的生命史上，人们现在已经知道至少发生过三次大的冰期，即距今约 6 亿年前的震旦纪冰期，距今约 23 亿年前的石炭 -二叠纪冰期，及 200 万年以 来的第四纪冰期。冰期(glacial epoch)之间为间冰期(in terglacial epoch),冰期 与间冰期气候相差悬殊，平均温度可差

5、 10C以上。在冰期，全球陆地可以有 20% 30%被冰覆盖，而在间冰期则可能极地也没有永久冰盖。每个冰期内有若干个亚 冰期及亚间冰期，其时间尺度为几十万年。 前两次冰期均延续了几千万年， 但第 四纪冰期距今仅 200 万年，所以一般认为目前仍处于第四纪冰期之中。 但最后一 次亚冰期， 即武木亚冰期中的最后一次副冰期大约 1 万年前结束， 所以不少人认 为现在处于副间冰期之中。在冰期，全球陆地约有 20%30%被冰雪覆盖，而现 代仅约 11%补冰雪覆盖，但也不是极区无冰，所以肯定目前不处于间冰期。 二、 气候突变( climatic abrupt change) 它是指两种具显著不同统计性质的

6、气候状态在相对较短时期内发生的转变。 其中，“显著不同统计性质”是由专门的统计检验方法来判断的。这里强调气候 突变是发生于“相对较短的时期”的。这是把突变期其前(或其后)所维持的那 个气候状态的延续时间相比较而言的。 这样，该定义可适用于任何时间尺度上发 生的跃变现象。用于讨论冰期 -间冰期之间的跃变的序列中根本不包含年变化； 而在考察季节性跃变时也只能考虑跃变前后几十天的情况。 因此，气候突变的时 间尺度是指：在定义该次突变时用到的突变点前 (或后) 那个气候状态所维持的3 时间尺度 以前的大多数关于气候突变的研究总是把某个时段里的气候以某个点（或某 些点）为界截然分开。但气候理论告诉我们，

7、不同的气候状态之间的过渡存在着 一个过程。人们可以直觉地认为两种不同的气候状态之间的过渡期的时间尺度至 少比这两种气候状态本身持续的时间尺度小一个量级以上， 但决不会发生从一个 气候状态到另一个气候状态的“离散跳跃”。举一个例子，如果说 1920 年左右是 近百年气候变化中的一个突变点， 也可能这次突变过程从 1918 得（更早或更晚） 开始，到 1922 年才结束。这样，有可能把局部的区域的和全球的气候突变时期 统一起来，更便于解释由不同区域或不同范围统计得出的气候突变之间的联系。 根据气候突变的情况，我们可以把气候突变归并为 3 种类型（图-），即均值 突变、变率突变和趋势突变。 1、均值

8、突变。从一个气候基本状态（以某一平均值表示）向另一个气候基 本状态的急剧变化，就是均值突变。这类突变相对较多，影响也较大。 2、 变率突变。两个气候状态（阶段）的平均值并无明显差异但其变率有极 明显的不同，这样两类气候状态间的急剧变化， 称为变率突变。变率突变包括两 种情况，其一是振幅有明显差异的突变；其二是频率有明显差异的突变。 3、 趋势突变。两个气候阶段有完全相反的变化趋势，例如某个气候阶段温 度一致持续下降，其后一个气候阶段的温度一致保持上升， 这样两个气候阶段的 急剧转变，称为趋势突变。 图-三类气候突变示意图。（a）均值突变；（b）变率突变；（c）趋势突变 4 气候变化是极其复杂的

9、，气候突变也一样，上面归纳出的三种类型只是其最 基本的特征。对实际资料的分析表明， 气候变化往往会出现这三类突变现象， 尤 其是均值突变；但是， 有时也可以看到几类突变同时综合发生的情况。 上述突变 类型的定义仅是从时间演变角度考虑某一气候变量的特性， 需要指出的是气候要 素场空间结构的变化，同样存在着突变现象。 例如旱涝分布的类型， 温度距平场 的特征向量等， 常常表现出在某一时段内某一类型占优势， 而到另一时段则另一 类型占优势， 这种相互间的转变却以突变的形式完成， 即类型的转变在很短的时 期内完成。例如王绍武等 （1987）分析的我国公元 950 年以来的南涝北旱型突然 变成为南旱北涝

10、型；再如 19 世纪 60 年代末到 70 年代中从长江流域涝，其南北 为旱型突然变成长江流域旱， 其南北为涝型， 持续四年后又突然变回到长江流域 涝，其南北为旱型。 因此， 气候变化研究应该抓奇异点 （突变点） 分析谱采用非线性多尺度的子 波变换 （wavelet transform）的办法。惟其如此，才能了解控制气候突变的一些 具体物理机理。 三、气候变率（ climatic variability） 在世界气象组织规定的表现气候状态的基本时段（ 30 年）内的气候振动，称 为气候变率。 而各个基本时段之间大气平均值等统计量的差异则称为现代气候变 化。由于近百年来人们越来越重视气候异常对人

11、类社会和经济发展的影响， 所以 近百年气候变率的研究也日益受到重视。与气候变率有关的两个基本问题是： （1） 气候变率是否有系统性的明显变化？如近几十年来气候变率是否在增 大？ （2） 气候变率与平均气候状态之间有无明显关系？ 关于第一个问题， 已有的少数研究认为近百年来全球温度变率的变化无明显 的增加或减少的长期趋势变化，约在 20 世纪初和 8090 年代气温变率较大，而 在 20 世纪 20年代中期到 50 年代中期约 30 年里变率较小；这段时期全球降水的 变率也较小。 但也有人怀疑这些结论， 至少一些区域性的变率研究得出和全球变 率研究不一致的结论。 关于第二个问题曾有人提出一种设想

12、：气候变冷时南北向温度梯度加大，大 气斜压性加强使大气和海洋的扰动持续更长的时间， 造成温度和降水的异常，气 候变率增大。的确，对 1020a 尺度的全球平均变化而言，异常高温和异常低温 的发生频数与平均气温分别有明显的负相关和正相关； 2040 年代高温期气温 和降水的异常出现的频率很小等等，都似乎和这种假设吻合。但也有证据不支持 这种论点，如中纬度、北美的温度和降水的变率变化，全球平均温度与温度变率 间并无明显的对应关系。但无论如何，气候变率的研究也将是气候学研究的一个 热点问题，有理由相信，气候变率（包括“高阶矩”变率）在许多时间尺度上并 不会表现为无明显因果关系的“噪声过程”。 5 表

13、 不同时间尺度的气候变化 气候变化类型 时间尺度（a） 变化幅度 可能的原因 T (C) R (mm) 1、地质时期 大冰期 107 108 10 15 600 大陆漂移，造山 运动等 冰期-间冰期 104 105 10 600 地球轨道要素 2、冰后期-历史 时期 102 103 35 12 250 250 太阳辐射、火山 3、现代气候变化 101 102 0.5 100 人类活动、太阳 辐射、火山 4、气候振动 10 101 12 系统内产相互作 用 5、气候异常 10-1 100 35 环流异常 年变化 0.5 10 15 日变化 10 四、气候异常(climatic anomalies

14、 ) 指某种或多种气候要素偏离长期平均状态的现象，主要指日、季尺度气候 要素值对气候平均值的巨大偏差（一般指大于两倍方差的距平） 。若原序列不呈 正态分布，则对原序列开立方再求方差即可。 例如干旱地区的降水量，就可以先 开立方，然后求方差。当序列接近正态分布时，一般气候要素值有距平大于 2 个 方差的频率约为 5 流右。 气候总是在变化，严格地讲，也许没有哪一年或哪一个月称得上正常。但是 如果说异常总要有一个标准。世界气象组织( WM)对气候异常提出了两种判别 标准：一是出现的机率至少为 25 年一遇；二是气候要素与多年平均值之差超过 标准差的两倍。干旱、久雨、夏季低温、冬季严寒都是气候异常。

15、但是在一般气 候诊断研究中还没有普遍使用这个定义，而是把比较大的距平笼统地称为异常。 例如，日本气象厅把距平达到方差两倍的情况称为异常，这大约相当于 2.3%的 概率。所以在实际工作中他们把大约 40 年一遇的现象称为异常。 气候异常往往有一定持续性，常可维持数日之久。但随着季节的转变，气候 异常往往也发生变化。因为气候异常的直接原因，大多是是大气环流的异常。 所 以当大气环流随季节而发6 生激烈变化时， 气候异常就不再持续了。 如海温的偏高、 偏低。而这些异常的持续性显然比大气环流的持续性大， 所以有时一个地区的气 候异常也可能持续一年或数年之久。 从世界范围看，若按 5 X 5经纬网格内出

16、现一次异常气候作“一网格次” 计，在 19731979 年期间，北半球共出现异常少雨达 1006 网格次，异常多雨达 980 网格次，其中 19731977 年间异常多雨约为 130 网格次/年，而 19781979 年骤增至 180 网格次/年。就纬度分布而言，异常少雨多在 35 N 附近，异常多 雨在 3555 N 纬带内。由此可见，气候异常现象有全球性递增趋势；异常气候 多分布在世界人口稠密区域。 70 年代以来，世界各国越来越重视和加强对异常 气候的监测与研究， 特别是对全球性和区域性的以及月、 季时间尺度的大气环流 异常的分析研究，而诊断分析则是研究大气环流异常较常用的基本方法。 五

17、、气候周期性( climatic periodicity) 指气候变化中其相邻的极大值与极小值之间时间隔保持不变或基本不变的 一种现象。这种现象在气候系统的时空演变中是普遍存在的。目前， 气候周期的 取得多依赖于功率分析、 最大熵谱分析等统计学方法， 因此有人将这种周期称之 为准周期。 对于气候周期性的成因现已有许多的认识， 其中人们普遍认为天体活 动的影响是十分重要的原因之一。 通过探讨气候周期与天体活动各种周期之间的 对应关系可以了解各种时间尺度气候变化主导因素间的相互影响， 有助于揭示气 候变化与环境演变的内在规律。 当我们面前有一个其数值随时间变化的时间序列时，人们的直接反应就是线 性

18、外推，紧接着的一个反应就是按设想的变化型寻找周期来改进这种外推。 迄今 为止，学者们发现的“周期”从 23 年到 11 年、35 年、80 年、700 年、1800 年等等，不下 50 个（表 10.1）。如果把地质时代再延长，估计还会有更多的“周 期”被发现。 目前，已被众多学者普遍承认的周期只有 4 种尺度。其中两种是短尺度或短 周期的；另两种则是长尺度或长周期的。在较小的尺度中，其一是以“ 1 天”为 周期的，其二则是以“ 1 年”以周期的。前者是由地球的自转运动所造成的，后 者则是由地球的公转运动所造成的。 显然，上述两种小尺度的气候变迁乃是由天 文因素或地球轨道要素所决定的，它根本上

19、是由于太阳辐射的周期性变化的结 果。下垫面的不同反照率，不同含热特性和湿度特性，影响着不同尺度的环流， 在地球自转和各种地形作用之下显现出复杂的气候日、 年变化现象， 它们是古典 气候学描述得最多的现象。在较大的尺度中，其一是以 23 亿年为尺度的，也 就是地质历史上非冰期和大冰期的反复交替出现的气候变迁。天文气候学家认 为，这是由地球的黄道倾斜的自然的大波动 （1023.5）所造成的（1981 年， williams 把这项气候变化与银河年相联系） 。其二则是以平均约 10 万年为尺度的， 即第四纪大冰期中冰期和间冰7 期反复交替出现的气候变迁。 天文气候学认为， 这 是由地球轨道 3 要素

20、的自然的小波动所造成的。 总之，已被公认的 4 种尺度气候 变化都是由天文因素或地球轨道的自然变化所决定的， 它是地球上气候变迁的最 主要的，但不是唯一的原因。 全新世气候变化具有一定的周期性。按皮斯亚斯等人（ pisias et.al.， 1973） 的意见，全新世气候变化周期有 380400 年、 1900 年和 2600 年等不同尺度； 布雷（ Bray ， 1970）根据冰川变化也得出 1900 年和 2500 年的周期性气候变化结 论。我国近年研究结果，全新世气候变化同样存在着 2500 年的周期性（据杨怀 仁， 1985， 1987）。 气候系统存在着各种时间尺度的振荡， 从形成原

21、因上可分为强迫振荡和自由 振荡。所谓自由振荡，是指气候内部各子系统之间在无外源或外源作用不变时， 各种反馈过程相干而成的准周期振荡现象。 其基本特征是：（ 1 ）振荡特性与外源 无关，（2）振荡周期是由各参数的组合所决定的，随参数的改变而改变，故周期 并不严格固定。 表 10-1 气候周期一览表8 周期（年） 发现人 资料年代 2.1亿 Forbes 大冰期 23亿年 3200 万 Fischer 禾口 Arthur 古生物 23亿年 10万 Mila nkovitch 深海岩芯氧冋位素记录 4.2万 Hays 深海岩芯氧冋位素记录 2.3万 Adhemar 深海岩芯氧冋位素记录 700 西冈

22、秀雄 年轮（日本长野县桧柏、和 歌山县杉树） 10001948 700 山本武夫 年轮、干旱历史资料（日本） 7001947 700 志田顺 年轮（中国台湾省阿里山红 桧） 8601900 510 惠勒(Wheeler) 干旱、内乱 4001945 350 渊本金哉 年轮（日本鹿儿岛屋久杉） 265 莫勒（moller） 严冬（多瑙河上游地区） 260 特纳(Turner) 洪水（尼罗河） 640 1360 242 格拉斯曼（ Grassmann） 饥馑、干旱、传染病 171 基尔（Keele） 洪水（尼罗河） 17371909 171 基尔 降水量（英国） 17261890 170 惠勒 干

23、旱、内乱 4001945 130 柯本（Koppen） 冬季严寒） 4001880 120 龚高法、张丕远 冬小麦收成（北京） 17361978 119 柯本 冬季严寒 4001880 110 渊本金哉 年轮（日本鹿儿岛屋久杉） 10501930 108 陕西省气象局 年轮（秦岭落叶松） 16481975 108 布鲁克斯（Brooks） 湿润期（智利） 89 北京市气象台 旱涝（中国北京地区） 14701974 80 龚高法、张丕远 冬小麦收成（北京） 17361978 76 梅杰（Majo） 气温（意大利罗马） 68 贝弗里奇（Beveridge） 小麦价格（欧洲） 15421864 68

24、 杜威(Dewey) 棉花价格 66.5 莫勒 严冬（多瑙河上游地区） 55 基尔 洪水（尼罗河） 17371909 54 贝弗里奇 小麦价格（欧洲） 15451864 9 53 巴克森德尔（Baxemdell） 降水量（全欧洲） 17261926 53 莫勒 严冬（多瑙河不游地区） 7601916 41 长江流域规划办公室 6-9月平均流量（中国汉口） 18601974 36 鲍尔（Baur） 气温（德国十个站平均值） 18841919 36 荣格（Junger） 传染病 35 王绍武 7月份降水型（中国） 18361975 续表8-2 周期（年） 发现人 证据 资料年代 35 布鲁克纳（B

25、rockner） 湖泊水位、冰川进退、气温 （苏联） 10001885 35 里奇特（Richter） 冰川进退 15921875 33.8 亨丁顿(Huntingtori) 年轮 17301910 33 布鲁克纳 降水量（印度） 18131912 33 穆尔（Moore） 降水量（北美） 18391909 32.8 平野烈介 年轮（日本宫崎县杉树） 16531909 30 渊本金哉 年轮（日本鹿儿岛屋久杉） 10501930 30 布伦特（Brunt） 气温（法国巴西） 17571886 30 布伦特 降水量（意大利米兰） 17641900 23 布伦特 气温（英国伦敦） 17631881

26、22 郑斯中 水旱指数（上海周围地区） 16011972 21 亨丁顿 年轮 14001910 20 王绍武 1月份温度分布型（中国） 18361975 20 布伦特 降水量（意大利帕多瓦） 17251900 17 长江流域规划办公室 6-9月平均流量（长江中游汉 口站） 18361975 11 郑斯中 水旱指数（上海周围地区） 16011972 11 肖(Shaw) 小麦价收获量（英格兰） 18851906 11 贝弗里奇 小麦价格（欧洲） 15451864 10 中央气象局 旱涝型（中国华北、东北） 14701974 8.3 布伦特 降水量（意大利帕多瓦） 17641863 8 穆尔 降炎

27、量（美国农阿华州） 18391910 7.9 沃耶霍夫（Woeihof） 严冬（瑞典斯德哥尔摩） 18081863 6-7 藤原 平 诹访湖结冰期 14441912 10 5.6 赫尔曼（Hellman） 降水量（欧洲西北部） 18511905 5.6 布鲁克斯 降水量（欧洲） 5.6 斯图尔特（Stewart） 河流水位（英国太晤士河） 5.3 鲍尔 气温（德国） 18221921 3.8 藤原唉平 诹访湖结冰期 14441912 3.7 布鲁克斯 尼罗河洪水 2.2 阿克托斯基 世界（世界各地） 2.2 巴克森德尔 降水量（英国博尔顿） 18311921 2.2 巴克森德尔 气压（英国伦敦

28、） 17891920 2.2 沃伦（wallen） 气温（瑞典斯德哥尔摩） 17561912 2.2 活伦 气温（苏联莫斯科） 18601908 2.18 鲍尔 气温（德国） 18221921 11 至 12 年的 10 周，13 至 14 年的 3 周，15 至 17 年的 1 周。显然，若解不 开准周期后面隐藏的标准周期， 单纯用统计学求出的 11 年准周期往下套搞预报， 就会出现重大误差。我们认为，研究气候变化周期应有 4 个步骤；（1）从统计上 求准周期；（2）从动力学方面求标准周期及其变异周期；（3）解释周期构成的气 候物理意义；（4）完成未来周期预测。 有关气候现象循环的记录 现

29、象 周期/a 现 象 周期/a 欧洲南风 2.1 2.2 更新世冰纹层 10 12 热带对流风 2.2 波罗的海海冰，1900 1950 11 14 北半球上层西风的强度 2.2 加拿大平原干旱，1583 18.6 厄尔尼诺事件 2.2 美国大平原干旱，1805 18.6 北大西洋压力场，1871 1974 2.2 中国北部干旱，1582 18.6 欧洲温度，1760 2.2 巴塔哥尼亚安第斯山干旱， 1606 18.6 北美东部温度，1900 2.2 2.5 尼罗河河谷干旱，622 18.6 更新世冰纹层 2 3 副热带咼压的纬度范围 19 北美东部降水量 2 3 南非降水量 20 北半球阻

30、塞 2 3 太阳黑子（黑尔循环） 22 欧洲降水量，1800 2 2.5 中国干旱，1440 22 波罗的海海冰，19001950 3 印度洪水 22 11 北大西洋压力场， 1871 1974 3.4 厄尔尼诺件 22 北太平洋压力场， 1871 1974 5 波罗的海冰，19001950 21 24 英国降水量，1896 1975 5 英国季节压力差异 18 23 太阳黑子数量 5.5 北半球气压 18 24 厄尔尼诺事件 5.5 德聂波盆地干旱，1650B 20 25 波罗的海海冰，19001950 5 6 北半球陆地温度 40 50 英国降水量，1727 1927 9.5 格陵兰海冰

31、71 77 尼罗河洪水 9.5 尼罗河河谷干旱，622 77 副热带咼压的纬度范围 9.5 格陵兰冰堆积物的 s 78 大气层臭氧 9.6 西伯利亚咼压的纬度 80 85 北美风暴轨迹 9.6 太阳黑子（格莱斯堡循环） 80 90 巴黎大气压 9.7 北大西洋高压的纬度 85 110 加拿大哺乳动物丰度 9 -10 欧洲的寒冬，12151905 90 北美鸟类的丰度 9 -10 太阳黑子 178 南非降水量 10 格陵兰冰堆积物的 s 18O 181 北大西洋压力场， 1871 1974 11 英格兰降水量 170 200 全球暴雨 11 放射性碳 200 中国干旱，1440 11 英格兰西南风，13401965 200 新西兰地区的气压 11 中国的夜云，2300 BC 400 印度干旱 11 放射性碳 2300 戴维斯海峡浮冰群 11 热带和亚热带全新世干旱 2300 厄尔尼诺事件 11 格陵兰冰堆积物的 s 18O 2500 太阳黑子 11.2 冰期 约 19 000 丿 23 000 北极对流层臭氧 11.2 冰期 约 40 000 丿 41 000 北极对流层温度 11.12 冰期 约 96