气候变化的若干术语

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 change）指所有时间尺度气候变化的综合名称。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。世界气象组织对此也作了规定。例如20世纪80年代应该采用1951～1980年的30年平均值，90年代应该采用1961～1990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2～3亿年前的石炭-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（interglacial epoch），冰期与间冰期气候相差悬殊，平均温度可差10℃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，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

气候变化是极其复杂的，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80～90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：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10～20a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；20～40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”。

表不同时间尺度的气候变化

四、气候异常（climatic anomalies）

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%左右。

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（WMO）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。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°×5°经纬网格内出现一次异常气候作“一网格次”计，在1973～1979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1973～1977年间异常多雨约为130网格次/年，而1978～1979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35～55°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、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2～3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2～3亿年为尺度的，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（10°～23.5°）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380～400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

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

划旱涝之分。而且在这个大尺度的新冷（或暖）吸引子中。还含有较小时间尺度上的相对冷和相对暖的吸引子。所以说，不谈时间尺度而仅讲“气候变暖或变冷”是不正确的。这里的“尺度”概念与非线性动力学中“层次”（Hieraarchy）观念相接近。

附注：

1、气候变化的空间尺度

在气候变化的研究中除了涉及气候变化的时间尺度外，还涉及气候变化的空间尺度问题。例如，一个地点的温度和雨量记录的长期变化大约代表着直径为10km范围的气候变化，大西洋或太平洋暖流的长期变化则属于102～103km的中尺度气候变化，而欧亚大陆环流指数或环流型的长期变化属于104 km大尺度范围，北半球至全球的气候变化则是105 km或更大尺度了。

一般来说，一个地区较长时间尺度的长期变化只反映较小范围的气候变化。但实际情况往往是很复杂的，因为不同时空尺度变化常常叠加在一起。同时不同气候要素的时空变化是不同的，一般来说，一个地方温度记录所代表的地区范围比降水大得多。例如，根

但是在分析各地逐年变化是不是全世界同时都比平均值高或低，而总是某个地方高，某个地方低，两者同时并存。而从十年平均值来看，每个地方温度值所代表的空间尺度也增大，即表现为较大范围的气温升值区和降值区。而且通常是高纬度地区振幅大，低纬度地区振幅小。另外，高低纬度偏差符号有相反的倾向。这是因为逐年的高温区和低温区主要是由于极地和低纬度的空气交换产生的。低纬度地区高温气团北上的地方为高温区，作为补偿，在高纬度地区低温气因南下地方必然成为低温区。与此相对应，如取几十年平均温度，随地区变化就小得多。虽然由于全年南北空气交换而产生高温区域和低温区域，但平均来说热量总是从低纬流向高纬度。因此，在交换强的地方高纬度变暖，在交换弱的地方则相反。并且通常在高低纬度之间出现相反的位相。至于降水量的分布比温度更为复杂。

2、、气候趋势(climatic trend)

气候要素序列中平滑而单调的上升或下降特点，一般只能在较短时间内观测到一定趋势，从更长时间来看则是振动性质。所以气候趋势往往是气候振动的一部分。在20世纪中叶，正当人们对前一时期不断增暖的倾向表示恐惧的时候，北半球的平均气温开始下降。这种担心不是基于任何物理模式，而是仅仅根据这种倾向的存在。