中国气候变化研究中不同时间尺度资料的应用与研究

研 究 短 论
第 ３ 卷 第 ６ 期 ２ ０ ０ ７ 年 １１ 月
气候变化研究进展
ADVANCES IN CLIMATE CHANGE RESEARCH
文章编号：1673-1719 (2007) 06-0334-06

Vo l. 3, No .6 November, 2 0 0 7
引 言
IPCC 第三次评估报告［1］中一个引人注目的气 候变化问题就是Mann et al［. 2］建立的过去千年北半 球温度序列。这一序列引起争议的原因来自两个方 面，一方面该序列削弱了以往很多研究者揭示的过 去千年中存在中世纪暖期（MWP）和小冰期（LIA）， 以及近百年全球增暖（GW）的变化过程；另一方面， 该序列在20世纪前长期缓慢下降和20世纪以来急剧 上升，导致了 21世纪人类活动必然会使温度继续直 线上升的结论。从 IPCC 第四次评估报告［3］可以看 出，对温度代用序列的使用要更加谨慎，其核心还 是如何获取合适的资料和准确分析气候变率的问题。 利用更准确、时间更长、覆盖面更广的温度和 降水资料来揭示全球范围内的气候变化是科学界的
愿望和目标。但是，客观条件的限制使得我们目前 尚无法完全实现这一目标。基于这样的思考，本文 从我国现有的条件出发，探讨目前气候变化研究中 不同时间尺度资料的应用与研究问题。现有的不同 时段多时空分辨率的资料可以用来分析不同的气候 变化特征。20 世纪中叶以来的高时空分辨率资料可 以用来研究气候变化的快过程，而已有的历史时期 的低时空分辨率资料可以用来分析气候变化的慢过 程。可以预期，利用这些资料深入研究我国气候变 化的特征，将有助于推动全球气候变化研究的进程。
３ 千年资料与气候变化
我国的很多研究者还建立了千年温度和干湿序 列，以千年温度代用序列较多［19－24］。西部的千年干 湿序列以冰芯［25］ 和树木年轮［26－27］ 反演的序列为 主，东部以文献记载反演的为主［28－29］。最近，王绍 武等［21］ 集成多个代用序列建立了我国千年的温度 序列。我们也用北京石笋纹层序列［30］ 分析了华北 地区的千年温度和干湿的关系［18］，认为过去千年中 存在 MWP 和 LIA 及现代增暖。将 Wang［28］给出的
中国气候变化研究中不同时间尺度资料的应用与研究
钱维宏，丁 婷，符娇兰，林 祥，朱亚芬
（北京大学 物理学院， 北京 １００８７１）
摘 要：温度和降水是反映气候变化的两个主要变量。因此，针对这两个变量序列的时空分辨率和已揭示的气候变率，以 及需要进一步研究的方向作了初步的归纳与讨论。用近一个世纪的温度、降水资料揭示，中国东部地区存在着准20 a和 准 70 a的振荡以及中国降水气候型的漂移；用近五百年和近千年的代用序列并结合器测资料，揭示了我国东部地区存 在着 70～80 a 的振荡。文章最后指出，我国气候变化研究在资料开发、规律与机理研究、预测与服务等方面有待进一 步提高。 关键词：中国；气候变化；资料；变率 中图分类号：P467 文献标识码：A
４．１ 资料开发 研究气候变化的首要问题是资料。气候变化包 括平均气候态的变化和极端气候事件的变化两个部 分。目前国外的很多极端气候事件研究工作用的是 近百年的逐日资料。我国研究人员掌握了近半个世 纪覆盖全国的 700 多个站的逐日观测气象资料，对 极端气候事件也有了一些研究，但资料的时空分辨 率还不够。我国西部很多地区资料比较稀缺，有些 资料的时间长度只有 30 a，东部的资料站点分布也 不均匀。我国东部，还有西部敦煌、张掖、榆林等 地都有 70～80 a 逐日气象记录，这些资料的开发将 会在全球气候变化研究中发挥积极的作用。近半个 世纪的资料也存在集成的问题，如全国水文资料与 气象观测资料的整合会对我国的生态环境变化研究 做出积极的贡献。 近半个世纪的资料主要是观测数据，而近百年 资料由观测和代用资料共同组成。我们希望百年资 料仍然要以观测资料为主，代用资料力求在全国范 围内均匀分布。 在我国，由于代用资料分布的局限，没有一种 代用数据的分布可以覆盖全国。很多气候变化分析 工作只能局限于某一区域。为了弥补这一不足，气
４．２ 规律和机理研究 只有在获取了时间较长，空间分辨率较高的资 料后才可能对气候变化中的规律和机理进行分析和 探讨。气候变化研究中的变率包括某一区域的温度、 干湿和环境指标通过检验的突变点、变化的规律（趋 势和准周期性振荡）、相邻区域间气候变化的位相关 系（气候转型和漂移）等。即使像Mann et al［. 2］给出 的北半球千年温度变化序列中仍然可分离出准 70 a 的振荡［35］。这个振荡不但存在于 20 世纪前的900 a 中，也同样存在于近百年的温度变化中。可以预期， 准 70 a 的振荡还会继续出现在未来的气候变率中。 过去千年温度变化无论是“曲棍球杆”，还是“湿面 条”走势，对 20世纪的增暖都是没有异议的。20世 纪以前的温度，两种走势都反映出温度由高向低的 过渡。在Mann et al［. 2］的曲线中还可以分辨出15世 纪温度的突然下降。所以，由于资料分辨率的不同 而导致变化趋势有差异，甚至完全相反的例子也很 多。消除这些差异的途径除了获取准确的资料和采 用适当的方法外，物理机制的研究亦非常必要。为 此，我们收集了 18 条从几百年到千年不等的大气环 流和海洋热力因子序列，包括北极涛动（AO），北 大西洋涛动（NAO），大西洋多年代涛动（AMO），
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中国东部千年降水型序列转换成华北、长江和华南 的干湿指数序列，从而可以用数学方法分析这 3 个 区域干湿变化的关系和规律［8］。从多要素和多时间 尺度的资料分析得出，我国东部黄河、长江和华南3 个区域的干湿变化存在 20～30 a 的短期振荡和 70 a 左右的长期振荡，并且区域之间存在位相差，北方 的变化早于南方。
பைடு நூலகம்
２ 近五百年的资料与气候变化
东亚地区年代最长的器测降水资料来自汉城， 比较完整的序列从 1777 年开始，这样的逐日和逐月 的降水资料仅仅只有 200 多年。20 世纪前汉城降水 观测用铜制雨量筒，以一日 12 个时辰为计时单位， 以寸、尺为计量单位。我国清朝也有晴雨记录，但 没有雨量记载。利用中国华北和华东 200 多年的晴 雨记录和汉城的降水资料分析得到了60～70 a的干 湿振荡。汉城的干湿长期振荡与长江下游（华东）同 步，而与华北反位相［8］。在 60～70 a 的振荡上，我 国东部副热带季风区南北降水型的最近一次转变发 生在 1977 — 1979 年。 我国过去500 a比较完整的气候资料是大家公认 的我国东部地区百站 1470 年以来的旱涝指数序列， 国内外基于这套资料的研究工作有很多［13－14］。我们 利用现代观测降水资料，把这套旱涝指数序列延长 到了 1999 年。从公元1500 年开始分 5个世纪，对这 5个世纪空间典型模态的时间序列进行分析，发现华 北、长江下游和华南是我国降水3 个变率中心，最大 的世纪尺度变率中心会在这 3 个地方转移［15］。 Zhu et al［. 16－17］利用 500 a 旱涝资料揭示出我国 东部不同区域的 80 a 振荡。很多振荡谱比较宽，并 且随时间变化。对500 a旱涝序列做旋转经验正交函 数展开，用子波变换方法分析模态位于长江中下游 的时间系数序列，发现前200 a 降水以90 a振荡信号 为主，而近200多年以70 a 振荡为主［１8］。从整个500 多年的平均状况看，其振荡周期为 80 a。
１ 近一个世纪的资料与气候变化
气候变化研究的首要问题是要有较长时间观测 的或代用的温度和降水序列。近年来研究人员可以
收稿日期： 2007－03－08； 修订日期：2007－03－30 基金项目：国家自然科学基金项目（90502001，90711003）资助 作者简介：钱维宏（1957－ ），男，教授，主要从事季风和海气相互作用方面的研究． E-mail: qianwh@
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钱维宏等：中国气候变化研究中不同时间尺度资料的应用与研究
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从国际网站上下载不同种类的、覆盖中国区域的温 度、降水和干湿资料。此外，王绍武等［4－6］的工作 也给出了中国范围内近百年多达几十个站点的温度 和降水季节序列。由于温度的区域代表性较好，王 绍武等主要建立了四季的中国10个区近百年温度序 列，而降水的四季近百年序列从 35个站发展到了 71 个站。这些资料有很多是观测结果，特别是中国东 部地区有百年以上的观测资料。百年的温度和降水 资料可以用于分析年代际的振荡过程。虽然资料长 度的不足限制了对长期振荡的分析，但可以分析不 同地区气候型的转变。利用近120 a中国东部温度和 降水资料，已经得到下列认识： (1)气候变化存在长期趋势和短期振荡。与北半 球和全球近百年的温度变化相似，中国温度变化也 存在上升的趋势，降水变化存在长期振荡和准 20 a 的振荡［7］。利用 200 多年的汉城观测降水资料和北 京、华东的历史文献记录，可以确认我国东部地区 气候变化中存在准 70 a 的振荡［8］。大致在 70 a 的振 荡过程中，长江流域与华北地区的干湿变化位相是 近似相反的。进一步用中国东部的120 a 温度、降水 和长江、黄河流域的径流序列做分析，对中国气候 变化过程中的异常气候有了新的认识［9］。20 a 的短 期振荡中包含着 10 a 暖位相和 10 a 冷位相。当 10 a 暖位相与 70 a 振荡中的35 a 暖位相重叠时会出现暖 位相的叠加，即暖异常。20 世纪 90 年代就是两个暖 位相的叠加。1920 年代的河套地区（季风边缘活动 带上）不但出现了两个暖位相的叠加，还同时出现了 两个振荡中干位相的叠加。于是，20世纪 20年代我 国西北地区出现了历史上严重的年代际异常干旱［9］。 (2)中国的降水气候型存在位置漂移。利用王绍 武等提供的 35 个站和71个站四季降水资料，我们用 不同的分析方法揭示了中国降水异常信号会首先出 现在西北地区［10－11］。这种多年平均或多年季节平均 的降水异常信号会缓慢地向东、向南漂移到长江流 域和江南地区。用近 40 多年的中国近 500个站降水 资料对年降水和夏季降水做客观定量分区可以得到， 区域夏季降水序列中，显著的时间转折点 1983 年、 1987 年、1979年和 1991年分别对应东北、新疆、长 江下游和华南降水的显著增多［12］。