气候与气候变化的研究方法.doc

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一、 主要方法1、 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。2、 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。3、 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。4、 冰川学方法（1） 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1C，18O（氧同位素的变化值）约降低0.7。（2） 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18O，因为18O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。5、 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。二、 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。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（17241903）、杭州（17231773）、苏州（17251782）以及江宁（今南京）（17221785）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）（4） 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”。三、 树木年轮的方法1、 限制因子定律（1） 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。（2） 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。2、 选择树木生长位置的原理（1） 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。（2） 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。（3） 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。3、 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。 敏感树木：在另一个圆盘上树木在逐年间的年轮宽度差异很大，疏密相间极不规则。这种情况说明所取的树木是生长在温度或水分条件有一项是不能经常得到满足的地点。这一种称为“敏感的”树木。 敏感度计算：平均敏感度因为平均敏感度所量度的是相邻年轮之间宽度的变化，所以它在很大程度上取决于气候的短期波动。4、 交叉定年的原理（1） 定义：就是把来自一棵或几棵树上的年轮序列加以对比，以确定每个年轮的正确的生成年份。（2） 原因：由于某种原因树木可能存在着假年轮或缺年轮，所以单纯按年轮的排列并不能完全确定哪个年轮是哪年生成的。而必须把几组年轮序列加以对比，以一些特宽或特窄的年轮作为特征点或控制点，来检查几组序列的同步性，删除可能存在的假年轮或补进可能存在的缺年轮，然后得到一支经过交叉定年的、每个年轮的生产那份都是确定的年轮序列。5、 复本原则（1） 定义：在利用树木年轮编制气候序列时，必须在同一个地点选取许多个重复的样本，称为复本原则。（2） 目前，树木气候学的含义已经不再限于通过年轮宽度序列来推测过去的气候。如用X射线测定木材密度、微量化学分析、氧同位素测定等技术的发展，都给树木气候学带来新的研究内容。四、 历史时期气候序列的建立1、方法前面我们简单介绍了历史时期气候变化研究的两种方法（历史文献法和树木年轮法）。通过这两种方法，我们就可以建立历史时期的气候序列。根据资料的来源，我国的历史时期气候序列大体上有两种：（1） 根据历史文献的记载建立的序列，这种序列根据其建立方法又可分为四类： 今昔对比法建立的序列， 绝对值法建立的序列， 相对值法建立的序列， 旱涝等级法建立的序列（2） 根据树木年轮建立的树木年轮序列2、今昔对比法建立的序列今昔对比法是把古籍中的物候记载、自然地理迹象和考古发现与现在的情况加以对比，从而说明（推知）古代某一时间段气候的冷暖、干湿状况。如竺可桢研究中发现在西安半坡村的考古发掘中有？和？的骨骼，这两种动物属于亚热带动物，因此可以推知当时西安一带的气候比现在温暖湿润。再比如唐朝诗人张籍的“成都曲”，诗中云：“新雨山头荔枝熟”，说明唐朝时成都有荔枝，而现在没有了，这说明唐代时成都地区的气候比现在暖。再比如：竺可桢曾于1958年9月14日和16日两次途径天山赛里木湖时，他看到都没有积雪。赛里木湖海拔2073m，绕湖山峰大约又高出1500m。竺可桢记得在“长春真人西游记”中有记载，1221年10月8日，丘处机应成吉思汗之请（为成吉思汗讲长生之道，他却主要讲修身养性，休战养民，不得成吉思汗的喜欢）路过这里，在一首诗里道：大池方圆二百里，雪峰环环，倒影池中，名之曰天池”。因此竺可桢推断十二、十三世纪天山地区气候比现在偏冷。3、绝对值方法建立的序列气候史料中各类气候事件，诸如水、旱、冷、暖等，在某一个时段内出现的年数、县数和记载条数等都可以被直接用来作为某一时段气候状况的量度，这样就建立起以绝对值和时间为坐标的气候序列。这样建立起来的序列就称为绝对值方法建立的序列。比如竺可桢曾用这种方法建立了8世纪15世纪共800年的长期气候冷暖序列，他是以每世纪的大寒年数为序列的4、相对值方法建立的序列又称比值法，一般用来处理象水、旱这样一对矛盾的气候事件。通过计算历史上不同时段二者的出现年数或记载条数的比值来表示气候的干湿变化。比如竺可桢曾用“旱灾/雨灾”来分析南宋时各省雨量的多少。5、旱涝等级法建立的序列根据史料的水旱记载中对雨情的直接阐述和不同雨情对自然界的影响，并适当考虑其造成的社会、政治、经济影响程度，制定等级标准，划分等级、建立等级序列的方法称为旱涝等级方法。比如蒋德隆曾利用这一方法建立了长江下游地区夏季旱涝序列，他将旱涝分为5个等级，即大旱、旱、正常、涝、大涝。分别利用-2，-1，0，1，2表示。这一方法最有代表性的工作是“中国近五百年旱涝分布图集”。6、年轮方法如中科院兰州冰川所和兰州大学在祁连山南缘采集了一批树木标本，其中有三棵圆柏，树龄最短的718年，最长的935年。这三棵树的敏感度都比较高，介于0.2890.299之间。可以很好反映冷暖的变化。经过反复测量计算于1984年发表了三棵圆柏的平均年轮指数的年表，即“祁连山圆柏的最终年表”。最近有报导寒旱所已经建立了12000年的年轮序列。6.3 近代气候学研究方法近代气候学研究是指有气象记录以来的气候研究，因此这里首先涉及的是气象资料的观测一、 气候监测1、 定义：气候监测是20世纪70年代提出的一个名词，其意义是对整个气候系统进行全面的观测，以便及时发现气候系统状况的任何只得注意的变化。气候监测是气候系统研究的基础。2、 气候监测的内容(1) 大气常规观测 地面观测：20世纪30年代以前，世界范围内的气候观测仅限于地面气温、降水量及气压a、 美国最早绘制了20世纪以来的北半球月平均海平面气压图b、 不少国家绘制了北半球或全球的月平均气温距平图c、 但全球月降水的格点序列直到20世纪80年代末90年代初才建立起来。这三个要素是反映气候状况的基本量，目前观测时间最长的要素序列，至今仍是气候监测的最主要内容。 高空观测：20世纪30年代以后，逐渐有了高空观测a、 苏联最早绘制了30年代500hpa高度场周期平均图，但其所有资料大多是从地面观测外推得到的，因此精度较差。b、 美国从40年代开始作5天及30天700hpa的高度平均图，但仅限于西半球北美及临近海域。c、 日本绘制了世界上最早的北半球500hpa高度月平均图，序列从1946年开始。d、 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。a、 目前观测最丰富的还是海面温度（SST）b、 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（Outside Longwave Radiation，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。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。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。二、 气候诊断1、 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。2、 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19011930年平均为标准差，但现在WMO建议用19611990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19611990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18601889年与19601989年两