气候与气候变化的研究方法

第六章气候与气候变化的研究方法§6.1地质时期古气候变迁的研究方法主要方法总述：地质时期的气候体现了大气圈、岩石圈、冰冻圈、水圈和生物圈组成的气候系统的综合变化。因此，这个时期气候变化的研究方法主要有生物学、地质学、地球化学、古地理等研究方法。生物学方法这是地质时期和历史时期气候变迁研究中应用最广泛的一种方法。各种古生物（包括喜冷、喜暖、喜干和喜湿的古植物和古动物）的生存范围、分布区域以及随时间的变化，都可以为古气候研究提供极好的证据。比如应用极广的微体古生物（包括植物孢粉、微体动物象介子生物的化石等）。我们可以通过分析这些微体古生物的数量、分布范围等，来研究气候变迁。地质学方法包括通过研究不同地点和不同时期地层沉积相的变化，恢复沉积环境，并与现代的气候条件比较（将今论古），以确定古气候状况。这里沉积作用指的是固体物质从空气或水体的悬浮或融解状态中沉积下来的过程。如黄土是一种风积物，从粉尘物质的产生、搬运、沉降到发育微黄土的全过程中，一直暴露于地表空间，受到当时大气圈及区域生物气候条件的直接影响。这样可以通过分析黄土——古土壤层中粉尘颗粒的大小，来确定当时的风速大小、气候干燥度等。通过分析孢粉等含量可以知道当时古生物的生长情况，从而知道气温、降水等的变化。冰川学方法气温序列的建立：冰盖是降水积压形成的，其本质上是水构成的。水分子中的氧同位素含量与降雪的温度有关，因此可以根据氧同位素来推算古代温度。一般在中高纬度地区温度下降1ºC，δ18O（氧同位素的变化值）约降低0.7‰。定年：利用冰盖中氧同位素的含量，可以确定气温序列，但这一序列是什么年代的，则需要定年。积雪的物理状况有明显的季节变化，因此使冰盖在垂直方向上形成明显的层状结构，每年一层，就如同树木年轮一样，这样，在冰盖表层就可以用肉眼直接分辨年层。但在冰盖深层（时间比较早的冰层），由于冰盖的分层越来越薄，则就需要借助仪器分析，比较可靠的是利用δ18O，因为δ18O有明显的季节变化。有时候也可根据其它指标来定年，如甘肃敦煌冰盖是参照微粒量来定年的。或用数学统计的方法来估算。矿物分析法即通过对岩石、矿物的分析研究获取古气候变迁的历史。另外也可以通过地球化学的方法推测过去的气候。比如如果某地层中含有煤层，则可推断当时气候湿润；如果有珊瑚，则当时为热带海洋气候；若有石膏和岩盐则为干燥气候；有冰迹物则为寒冷气候等。§6.2历史时期气候变迁的研究方法一、总述历史时期气候变迁的研究方法有四种：历史文献、树木年轮、考古发现和自然地理迹象。其中最主要的是历史文献和树木年轮的方法，而后两种方法由于经常是一些间断的证据，难以利用它们建立连续的序列，因此主要用于对前两种方法建立的序列零星检验，或只能给某一段时间的气候变化提供证据，因此，这里不作祥熙介绍。历史文献研究方法1、我国历史文献气候记载的特点（1）数量大、种类多①主要有12种史料来源：地方志、二十四史、诗文集、笔记、游记、地理书集、晴雨录、雨雪分寸、大气日记、历史、古农书、医书等。②另外有三种类书（相当于百科全书）：太平御览、永乐大典、图书集成。（2）系统观测资料所占比重不大。系统观测资料主要指晴雨录、雨雪分寸和大气日记。这三种资料都是清朝的。历史时间不长。如晴雨录最长的有北京（1724－1903）、杭州（1723－1773）、苏州（1725－1782）以及江宁（今南京）（1722－1785）四个地区。（3）地区分布不平衡（一般建都之省较多，其它地区较少，清朝时长江下游各省较多，主要是大清国的赋税和粮食的重要来源地）时间上不平衡，以方志为例，一般明、清、民国期间较多，早期较少。2、用历史文献作古气候研究的方法由前面介绍可以看出，要在浩如烟海的历史文献中提炼出有用的气候变迁信息，是一件非常庞大的研究工作。要对历史气候记载进行有效的“开采”，应遵循十六字方针：“由近及元”、“由点及面”、“由粗及细”、“由富及贫”。树木年轮的方法限制因子定律限制因子定律：任何一种生物学过程，它进行的速度都不可能超过主要限制因子所允许的程度。如果某个因子发生变化，不再起限制作用，则某一生物学过程的速度就会加快，直到它受到另一个或几个因子的限制时为止。比如树木径向生长即年轮的形成就是一种生物学过程，它受到外部气候条件、土壤条件、树木年龄等的影响。因此年轮形成的限制因子定律就是年轮的增长速度不会超过它的限制因子所允许的速度。当某个因子，如气温变化（气温由冬到春到夏升高），气温对树木生长不再限制时，树木生长速度就加快。树木年轮分析：是通过对树干横断面上逐年的径向生长量的测定，来了解过去树木周围环境的变化，特别是气候的变化。在温暖、湿润的气候条件下，树木生长就快；在寒冷、干旱的气候条件下树木生长就缓慢。因此，逐年的树木年轮宽度概括地记录下了当年的气候状况。选择树木生长位置的原理要选择生长在最受某个气候因子（温度或降水）限制的地点上的树木。不能只取一棵树，要从一片树林中取几棵或几十棵。因为在气候因子不起特殊限制作用的地点，气候因子影响较小。要了解气候冷暖的变化，最好选择高纬度或高寒山区接近森林上界处的树木，因为这里的温度条件已超过其它的生长控制因子。要了解气候干湿的变化，最好选择干旱地区、沙漠和草原边缘，高寒山区下界附近的树木，因为这里的水分条件已成为主要的生长控制因子。敏感度定义：树木生长受气候因子影响程度的大小称为敏感度。不敏感树木：在一个树木圆盘上，年轮宽度的变化只表现出一种与数目年龄有关的生长趋势的变化，逐年的树木年轮宽度变化很小，生长极为均匀；这种情况说明所取的树木是生长在温度、水分条件都能满足要求，气候条件不起限制作用的特点，它对气候的逐年变化表现非常迟钝，称为不敏感的或“满足的”树木。年开始。我国建立了自己的北半球500hpa高度场序列，从1951年开始。赤道平流层的观测也是一个重要的观测项目，目的是监测平流层风的准两年振荡（QBO）（2）海洋及其它系统成员的常规观测海洋观测：气候系统有五个子系统构成，其中海洋自然变化的频率是仅次于大气的第二个子系统。对海洋的观测是全球气候系统的一个主要的组成部分。目前观测最丰富的还是海面温度（SST）海洋观测除SST外，还有盐度、洋流及深层海温等。但大部分没有系统的观测资料。冰雪圈观测：雪盖和海冰面积观测是冰雪圈观测的主要内容，其观测主要依靠卫星观测。在有卫星观测以前，除个别站有局地的雪盖观测之外，只有苏联有目测的海冰序列。陆地观测：路面至今尚缺少系统的观测，特别是土壤温度和湿度的大范围观测资料很少。现在有了OLR（OutsideLongwaveRadiation，射出长波辐射）的观测，这对气候监测是一个重大进展，对推算降水和垂直运动有重要的价值。（3）非常规观测系统除上述提到的常规观测外，目前还有许多特殊的观测，对监测气候系统的变化有重要意义。①太阳常数的观测从20世纪80年代初才开始有了足够的精确度，时间序列较短，但已经表明太阳常数的变化。而且现有的资料也表明太阳常数与太阳黑子数有较密切的正相关。②微量气体的观测主要是温室气体，其中CO2的观测时间最长，二其它CH4、CFCs等大多数是根据有限的观测估算的。气候诊断定义：气候监测是通过各种观测手段，取得有关气候系统的物理量序列。然后通过各种分析手段来判断气候变化和气候异常，这就是气候诊断。气候诊断内容气候诊断的内容非常广泛，是气候研究的一个重要方面，这里只简单介绍几种主要的诊断内容。（1）气候异常的诊断气候异常的定义：气候总是变化的，因此严格来说，没有哪一年或哪个月可以说是正常的。因此讨论气候异常就需要有个标准。一般人们都以某要素的方差值来作为衡量异常的标准。WMO（世界气象组织）曾经以超过平均值2个方差的情况定义为气候异常。但后来又改为约超过平均值1.3方差为气候异常。平均值（气候平均态）气候平均值最早的时候统一取1901－1930年平均为标准差，但现在WMO建议用1961－1990年，这30年的平均值作为气候平均值。30年平均是一个长短适中的时段，一般讨论较短时期的气候变化，却用30年平均作为平均气候态。但在研究较长时期气候变化时，则需要更长时期的平均。（2）气候变化的诊断有了气候异常的定义和气候平均态的定义，就可以进行气候异常诊断。比如98年长江大水的异常诊断，可以首先求出长江流域1961－1990年7月份降水量的平均值和方差，再用1998年7月份的降水减平均值，如果，则表示1998年7月份降水异常。一般用t——检验来诊断气候是否发生变化，通常t——检验至少要通过95％（最好是99％）的信度，才认为气候发生了显著变化。如全球平均气温在1860－1889年与1960－1989年两个30年间上升了0.40℃，t——检验达到99.9％的信度，因此认为气候确实变暖。如果气候变化发生在两个相当的时段或发生气候变化的时间很短，则可称为气候突变。气候突变的诊断也可用t——检验的方法；另外也可用M——K的方法。（3）气候异常事件的诊断气候异常事件也需要有一个严格的定义：比如诊断厄尔尼诺事件，首先要规定用哪个海域的海温为代表序列，同时要规定海温正距平达到多大时，才能认为时厄尔尼诺事件。如我国一般用0－10°S，180°－90°W范围内的海温为代表序列。当这个地区的海温序列的月平均距平连续3个月在0.5℃以上，或季平均达到0.5℃时就认为发生了厄尔尼诺事件。另外，又是在诊断厄尔尼诺时还要同时注意南方涛动指数，太平洋海平面高度、赤道太平洋斜温层深度、以及OLR、澳大利亚干旱等等。（4）气候变化原因的监测气候变化原因的监测主要是对温室效应而言的。在分析气候变暖中温室效应的作用时，本质上包含两个方面的内容：一是分析气候是否变暖，二是气候变暖在多大程度上是由温室效应引起的。这一问题的研究有两种方法：一