講稿- 氣候與氣候變化研究方法

1、第六章第六章 氣候與氣候變化的研氣候與氣候變化的研究方法究方法（研究生為主）6.1 地質(zhì)時(shí)期古氣候變遷的研究地質(zhì)時(shí)期古氣候變遷的研究方法方法一、主要方法 1、總述：地質(zhì)時(shí)期的氣候體現(xiàn)了大氣圈、巖石圈、冰凍圈、水圈和生物圈組成的氣候系統(tǒng)的綜合變化。因此，這個(gè)時(shí)期氣候變化的研究方法主要有生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、古地理等研究方法。 一、主要方法 2、 生物學(xué)方法 這是地質(zhì)時(shí)期和歷史時(shí)期氣候變遷研究中應(yīng)用最廣泛的一種方法。各種古生物（包括喜冷、喜暖、喜干和喜濕的古植物和古動(dòng)物）的生存范圍、分布區(qū)域以及隨時(shí)間的變化，都可以為古氣候研究提供極好的證據(jù)。比如應(yīng)用極廣的微體古生物（包括植物孢粉、微體動(dòng)物象介

2、子生物的化石等）。我們可以通過分析這些微體古生物的數(shù)量、分布范圍等，來研究氣候變遷。 一、主要方法 3、 地質(zhì)學(xué)方法 包括通過研究不同地點(diǎn)和不同時(shí)期地層沉積相的變化，恢復(fù)沉積環(huán)境，并與現(xiàn)代的氣候條件比較（將今論古），以確定古氣候狀況。 這里沉積作用指的是固體物質(zhì)從空氣或水體的懸浮或融解狀態(tài)中沉積下來的過程。如黃土是一種風(fēng)積物，從粉塵物質(zhì)的產(chǎn)生、搬運(yùn)、沉降到發(fā)育微黃土的全過程中，一直暴露于地表空間，受到當(dāng)時(shí)大氣圈及區(qū)域生物氣候條件的直接影響。這樣可以通過分析黃土古土壤層中粉塵顆粒的大小，來確定當(dāng)時(shí)的風(fēng)速大小、氣候干燥度等。通過分析孢粉等含量可以知道當(dāng)時(shí)古生物的生長(zhǎng)情況，從而知道氣溫、降水等的變化

3、。 黃土黃土黃土黃土黃土黃土黃土黃土黃土一、主要方法 4、 冰川學(xué)方法 （1）氣溫序列的建立：冰蓋是降水積壓形成的，其本質(zhì)上是水構(gòu)成的。水分子中的氧同位素含量與降雪的溫度有關(guān)，因此可以根據(jù)氧同位素來推算古代溫度。一般在中高緯度地區(qū)溫度下降1C，18O（氧同位素的變化值）約降低0.7。 一、主要方法 （2）定年：利用冰蓋中氧同位素的含量，可以確定氣溫序列，但這一序列是什么年代的，則需要定年。積雪的物理狀況有明顯的季節(jié)變化，因此使冰蓋在垂直方向上形成明顯的層狀結(jié)構(gòu)，每年一層，就如同樹木年輪一樣，這樣，在冰蓋表層就可以用肉眼直接分辨年層。但在冰蓋深層（時(shí)間比較早的冰層），由于冰蓋的分層越來越薄，則就

4、需要借助儀器分析，比較可靠的是利用18O，因?yàn)?8O有明顯的季節(jié)變化。有時(shí)候也可根據(jù)其它指標(biāo)來定年，如甘肅敦煌冰蓋是參照微粒量來定年的?；蛴脭?shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法來估算。 4、 冰川學(xué)方法4、 冰川學(xué)方法4、 冰川學(xué)方法4、 冰川學(xué)方法4、 冰川學(xué)方法4、 冰川學(xué)方法4、 冰川學(xué)方法4、 冰川學(xué)方法4、 冰川學(xué)方法一、主要方法 5、 礦物分析法 即通過對(duì)巖石、礦物的分析研究獲取古氣候變遷的歷史。另外也可以通過地球化學(xué)的方法推測(cè)過去的氣候。比如如果某地層中含有煤層，則可推斷當(dāng)時(shí)氣候濕潤(rùn)；如果有珊瑚，則當(dāng)時(shí)為熱帶海洋氣候；若有石膏和巖鹽則為干燥氣候；有冰跡物則為寒冷氣候等。 第六章第六章 氣候與氣候變化的

5、研究氣候與氣候變化的研究方法方法（研究生為主）6.2 歷史時(shí)期氣候變遷的研究方歷史時(shí)期氣候變遷的研究方法法 一、總述 歷史時(shí)期氣候變遷的研究方法有四種：歷史文獻(xiàn)、樹木年輪、考古發(fā)現(xiàn)和自然歷史文獻(xiàn)、樹木年輪、考古發(fā)現(xiàn)和自然地理跡象地理跡象。其中最主要的是歷史文獻(xiàn)和樹木年輪的方法，而后兩種方法由于經(jīng)常是一些間斷的證據(jù)，難以利用它們建立連續(xù)的序列，因此主要用于對(duì)前兩種方法建立的序列零星檢驗(yàn)，或只能給某一段時(shí)間的氣候變化提供證據(jù)，因此，這里不作祥熙介紹。 二、歷史文獻(xiàn)研究方法 1、我國(guó)歷史文獻(xiàn)氣候記載的特點(diǎn) （1）數(shù)量大、種類多 主要有12種史料來源：地方志、二十四史、詩(shī)文集、筆記、游記、地理書集、晴

6、雨錄、雨雪分寸、大氣日記、歷史、古農(nóng)書、醫(yī)書等。 另外有三種類書（相當(dāng)于百科全書）：太平御覽、永樂大典、圖書集成。 二、歷史文獻(xiàn)研究方法 （2）系統(tǒng)觀測(cè)資料所占比重不大。系統(tǒng)觀測(cè)資料主要指晴雨錄、雨雪分寸和大氣日記。這三種資料都是清朝的。歷史時(shí)間不長(zhǎng)。如晴雨錄最長(zhǎng)的有北京（17241903）、杭州（17231773）、蘇州（17251782）以及江寧（今南京）（17221785）四個(gè)地區(qū)。 （3）地區(qū)分布不平衡（一般建都之省較多，其它地區(qū)較少，清朝時(shí)長(zhǎng)江下游各省較多，主要是大清國(guó)的賦稅和糧食的重要來源地） （4）時(shí)間上不平衡，以方志為例，一般明、清、民國(guó)期間較多，早期較少。 2、用歷史文獻(xiàn)作古

7、氣候研究的方法 由前面介紹可以看出，要在浩如煙海的歷史文獻(xiàn)中提煉出有用的氣候變遷信息，是一件非常龐大的研究工作。要對(duì)歷史氣候記載進(jìn)行有效的“開采”，應(yīng)遵循十六字方針：“由近及元”、“由點(diǎn)及面”、“由粗及細(xì)”、“由富及貧”。 三、樹木年輪的方法 1、 限制因子定律 （1）限制因子定律：任何一種生物學(xué)過程，它進(jìn)行的速度都不可能超過主要限制因子所允許的程度。如果某個(gè)因子發(fā)生變化，不再起限制作用，則某一生物學(xué)過程的速度就會(huì)加快，直到它受到另一個(gè)或幾個(gè)因子的限制時(shí)為止。比如樹木徑向生長(zhǎng)即年輪的形成就是一種生物學(xué)過程，它受到外部氣候條件、土壤條件、樹木年齡等的影響。因此年輪形成的限制因子定律就是年輪的增長(zhǎng)

8、速度不會(huì)超過它的限制因子所允許的速度。當(dāng)某個(gè)因子，如氣溫變化（氣溫由冬到春到夏升高），氣溫對(duì)樹木生長(zhǎng)不再限制時(shí)，樹木生長(zhǎng)速度就加快。 三、樹木年輪的方法 （2）樹木年輪分析：是通過對(duì)樹干橫斷面上逐年的徑向生長(zhǎng)量的測(cè)定，來了解過去樹木周圍環(huán)境的變化，特別是氣候的變化。在溫暖、濕潤(rùn)的氣候條件下，樹木生長(zhǎng)就快；在寒冷、干旱的氣候條件下樹木生長(zhǎng)就緩慢。因此，逐年的樹木年輪寬度概括地記錄下了當(dāng)年的氣候狀況。 三、樹木年輪的方法 2、 選擇樹木生長(zhǎng)位置的原理 （1） 要選擇生長(zhǎng)在最受某個(gè)氣候因子（溫度或降水）限制的地點(diǎn)上的樹木。 （2） 不能只取一棵樹，要從一片樹林中取幾棵或幾十棵。因?yàn)樵跉夂蛞蜃硬黄鹛厥?/p>

9、限制作用的地點(diǎn)，氣候因子影響較小。 （3） 要了解氣候冷暖的變化，最好選擇高緯度或高寒山區(qū)接近森林上界處的樹木，因?yàn)檫@里的溫度條件已超過其它的生長(zhǎng)控制因子。要了解氣候干濕的變化，最好選擇干旱地區(qū)、沙漠和草原邊緣，高寒山區(qū)下界附近的樹木，因?yàn)檫@里的水分條件已成為主要的生長(zhǎng)控制因子。 三、樹木年輪的方法 3、 敏感度 （1） 定義：樹木生長(zhǎng)受氣候因子影響程度的大小稱為敏感度。 （2）不敏感樹木：在一個(gè)樹木圓盤上，年輪寬度的變化只表現(xiàn)出一種與數(shù)目年齡有關(guān)的生長(zhǎng)趨勢(shì)的變化，逐年的樹木年輪寬度變化很小，生長(zhǎng)極為均勻；這種情況說明所取的樹木是生長(zhǎng)在溫度、水分條件都能滿足要求，氣候條件不起限制作用的特點(diǎn)，它

10、對(duì)氣候的逐年變化表現(xiàn)非常遲鈍，稱為不敏感的或“滿足的”樹木。 三、樹木年輪的方法 （3）敏感樹木：在另一個(gè)圓盤上樹木在逐年間的年輪寬度差異很大，疏密相間極不規(guī)則。這種情況說明所取的樹木是生長(zhǎng)在溫度或水分條件有一項(xiàng)是不能經(jīng)常得到滿足的地點(diǎn)。這一種稱為“敏感的”樹木。 三、樹木年輪的方法 （4）敏感度計(jì)算： 平均敏感度 因?yàn)槠骄舾卸人慷鹊氖窍噜從贻喼g寬度的變化，所以它在很大程度上取決于氣候的短期波動(dòng) 4、 交叉定年的原理 （1） 定義：就是把來自一棵或幾棵樹上的年輪序列加以對(duì)比，以確定每個(gè)年輪的正確的生成年份。 （2）原因：由于某種原因樹木可能存在著假年輪或缺年輪，所以單純按年輪的排列并不能

11、完全確定哪個(gè)年輪是哪年生成的。而必須把幾組年輪序列加以對(duì)比，以一些特寬或特窄的年輪作為特征點(diǎn)或控制點(diǎn)，來檢查幾組序列的同步性，刪除可能存在的假年輪或補(bǔ)進(jìn)可能存在的缺年輪，然后得到一支經(jīng)過交叉定年的、每個(gè)年輪的生產(chǎn)那份都是確定的年輪序列。 5、 復(fù)本原則 （1）定義：在利用樹木年輪編制氣候序列時(shí)，必須在同一個(gè)地點(diǎn)選取許多個(gè)重復(fù)的樣本，稱為復(fù)本原則。 （2）目前，樹木氣候?qū)W的含義已經(jīng)不再限于通過年輪寬度序列來推測(cè)過去的氣候。如用X射線測(cè)定木材密度、微量化學(xué)分析、氧同位素測(cè)定等技術(shù)的發(fā)展，都給樹木氣候?qū)W帶來新的研究?jī)?nèi)容。 三、樹木年輪的方法三、樹木年輪的方法四、歷史時(shí)期氣候序列的建立 1、方法 前面

12、我們簡(jiǎn)單介紹了歷史時(shí)期氣候變化研究的兩種方法（歷史文獻(xiàn)法和樹木年輪法）。通過這兩種方法，我們就可以建立歷史時(shí)期的氣候序列。根據(jù)資料的來源，我國(guó)的歷史時(shí)期氣候序列大體上有兩種： 1、方法 （1） 根據(jù)歷史文獻(xiàn)的記載建立的序列，這種序列根據(jù)其建立方法又可分為四類： 今昔對(duì)比法建立的序列， 絕對(duì)值法建立的序列， 相對(duì)值法建立的序列， 旱澇等級(jí)法建立的序列 （2）根據(jù)樹木年輪建立的樹木年輪序列 2、今昔對(duì)比法建立的序列 今昔對(duì)比法是把古籍中的物候記載、自然地理跡象和考古發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)在的情況加以對(duì)比，從而說明（推知）古代某一時(shí)間段氣候的冷暖、干濕狀況。如竺可楨研究中發(fā)現(xiàn)在西安半坡村的考古發(fā)掘中有？和？的骨骼

13、，這兩種動(dòng)物屬于亞熱帶動(dòng)物，因此可以推知當(dāng)時(shí)西安一帶的氣候比現(xiàn)在溫暖濕潤(rùn)。 2、今昔對(duì)比法建立的序列 再比如唐朝詩(shī)人張籍的“成都曲”，詩(shī)中云：“新雨山頭荔枝熟”，說明唐朝時(shí)成都有荔枝，而現(xiàn)在沒有了，這說明唐代時(shí)成都地區(qū)的氣候比現(xiàn)在暖。2、今昔對(duì)比法建立的序列 再比如：竺可楨曾于1958年9月14日和16日兩次途徑天山賽里木湖時(shí)，他看到都沒有積雪。賽里木湖海拔2073m，繞湖山峰大約又高出1500m。竺可楨記得在“長(zhǎng)春真人西游記”中有記載，1221年10月8日，丘處機(jī)應(yīng)成吉思汗之請(qǐng)（為成吉思汗講長(zhǎng)生之道，他卻主要講修身養(yǎng)性，休戰(zhàn)養(yǎng)民，不得成吉思汗的喜歡）路過這里，在一首詩(shī)里道：大池方圓二百里，雪

14、峰環(huán)環(huán)，倒影池中，名之曰天池”。因此竺可楨推斷十二、十三世紀(jì)天山地區(qū)氣候比現(xiàn)在偏冷。3、絕對(duì)值方法建立的序列 氣候史料中各類氣候事件，諸如水、旱、冷、暖等，在某一個(gè)時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)的年數(shù)、縣數(shù)和記載條數(shù)等都可以被直接用來作為某一時(shí)段氣候狀況的量度，這樣就建立起以絕對(duì)值和時(shí)間為坐標(biāo)的氣候序列。這樣建立起來的序列就稱為絕對(duì)值方法建立的序列。 比如竺可楨曾用這種方法建立了8世紀(jì)15世紀(jì)共800年的長(zhǎng)期氣候冷暖序列，他是以每世紀(jì)的大寒年數(shù)為序列的 4、相對(duì)值方法建立的序列 又稱比值法，一般用來處理象水、旱這樣一對(duì)矛盾的氣候事件。通過計(jì)算歷史上不同時(shí)段二者的出現(xiàn)年數(shù)或記載條數(shù)的比值來表示氣候的干濕變化。比如竺

15、可楨曾用“旱災(zāi)/雨災(zāi)”來分析南宋時(shí)各省雨量的多少。 5、旱澇等級(jí)法建立的序列 根據(jù)史料的水旱記載中對(duì)雨情的直接闡述和不同雨情對(duì)自然界的影響，并適當(dāng)考慮其造成的社會(huì)、政治、經(jīng)濟(jì)影響程度，制定等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，劃分等級(jí)、建立等級(jí)序列的方法稱為旱澇等級(jí)方法。 比如蔣德隆曾利用這一方法建立了長(zhǎng)江下游地區(qū)夏季旱澇序列，他將旱澇分為5個(gè)等級(jí)，即大旱、旱、正常、澇、大澇。分別利用-2，-1，0，1，2表示。這一方法最有代表性的工作是“中國(guó)近五百年旱澇分布圖集”。 6、年輪方法 如中科院蘭州冰川所和蘭州大學(xué)在祁連山南緣采集了一批樹木標(biāo)本，其中有三棵圓柏，樹齡最短的718年，最長(zhǎng)的935年。這三棵樹的敏感度都比較高，介

16、于0.2890.299之間?？梢院芎梅从忱渑淖兓＝?jīng)過反復(fù)測(cè)量計(jì)算于1984年發(fā)表了三棵圓柏的平均年輪指數(shù)的年表，即“祁連山圓柏的最終年表”。 第六章第六章 氣候與氣候變化的研究氣候與氣候變化的研究方法方法（研究生為主）6.3 近代氣候?qū)W研究方法近代氣候?qū)W研究方法一、氣候監(jiān)測(cè) 近代氣候?qū)W研究是指有氣象記錄以來的氣候研究，因此這里首先涉及的是氣象資料的觀測(cè)： 1、定義：氣候監(jiān)測(cè)是20世紀(jì)70年代提出的一個(gè)名詞，其意義是對(duì)整個(gè)氣候系統(tǒng)進(jìn)行全面的觀測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)氣候系統(tǒng)狀況的任何只得注意的變化。氣候監(jiān)測(cè)是氣候系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)。 2、 氣候監(jiān)測(cè)的內(nèi)容 (1) 大氣常規(guī)觀測(cè) 地面觀測(cè)：20世紀(jì)30年代

17、以前，世界范圍內(nèi)的氣候觀測(cè)僅限于地面氣溫、降水量及氣壓 a、 美國(guó)最早繪制了20世紀(jì)以來的北半球月平均海平面氣壓圖 b、 不少國(guó)家繪制了北半球或全球的月平均氣溫距平圖 C、但全球月降水的格點(diǎn)序列直到20世紀(jì)80年代末90年代初才建立起來。這三個(gè)要素是反映氣候狀況的基本量，目前觀測(cè)時(shí)間最長(zhǎng)的要素序列，至今仍是氣候監(jiān)測(cè)的最主要內(nèi)容。 (1) 大氣常規(guī)觀測(cè) 高空觀測(cè)：20世紀(jì)30年代以后，逐漸有了高空觀測(cè) a、 蘇聯(lián)最早繪制了30年代500hpa高度場(chǎng)周期平均圖，但其所有資料大多是從地面觀測(cè)外推得到的，因此精度較差。 B、美國(guó)從40年代開始作5天及30天700hpa的高度平均圖，但僅限于西半球北美及

18、臨近海域。 (1) 大氣常規(guī)觀測(cè) c、 日本繪制了世界上最早的北半球500hpa高度月平均圖，序列從1946年開始。 d、 我國(guó)建立了自己的北半球500hpa高度場(chǎng)序列，從1951年開始。 E、赤道平流層的觀測(cè)也是一個(gè)重要的觀測(cè)項(xiàng)目，目的是監(jiān)測(cè)平流層風(fēng)的準(zhǔn)兩年振蕩（QBO） （2）海洋及其它系統(tǒng)成員的常規(guī)觀測(cè) 海洋觀測(cè)：氣候系統(tǒng)有五個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，其中海洋自然變化的頻率是僅次于大氣的第二個(gè)子系統(tǒng)。對(duì)海洋的觀測(cè)是全球氣候系統(tǒng)的一個(gè)主要的組成部分。 a、 目前觀測(cè)最豐富的還是海面溫度（SST） b、 海洋觀測(cè)除SST外，還有鹽度、洋流及深層海溫等。 但大部分沒有系統(tǒng)的觀測(cè)資料。 （2）海洋及其它系統(tǒng)

19、成員的常規(guī)觀測(cè) 冰雪圈觀測(cè)：雪蓋和海冰面積觀測(cè)是冰雪圈觀測(cè)的主要內(nèi)容，其觀測(cè)主要依靠衛(wèi)星觀測(cè)。在有衛(wèi)星觀測(cè)以前，除個(gè)別站有局地的雪蓋觀測(cè)之外，只有蘇聯(lián)有目測(cè)的海冰序列。 （2）海洋及其它系統(tǒng)成員的常規(guī)觀測(cè) 陸地觀測(cè)：路面至今尚缺少系統(tǒng)的觀測(cè)，特別是土壤溫度和濕度的大范圍觀測(cè)資料很少。現(xiàn)在有了OLR（Outside Longwave Radiation，射出長(zhǎng)波輻射）的觀測(cè)，這對(duì)氣候監(jiān)測(cè)是一個(gè)重大進(jìn)展，對(duì)推算降水和垂直運(yùn)動(dòng)有重要的價(jià)值。 （3）非常規(guī)觀測(cè)系統(tǒng) 除上述提到的常規(guī)觀測(cè)外，目前還有許多特殊的觀測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)氣候系統(tǒng)的變化有重要意義。 太陽常數(shù)的觀測(cè)從20世紀(jì)80年代初才開始有了足夠的精確度

20、，時(shí)間序列較短，但已經(jīng)表明太陽常數(shù)的變化。而且現(xiàn)有的資料也表明太陽常數(shù)與太陽黑子數(shù)有較密切的正相關(guān)。 微量氣體的觀測(cè)主要是溫室氣體，其中CO2的觀測(cè)時(shí)間最長(zhǎng)，二其它CH4、CFCs等大多數(shù)是根據(jù)有限的觀測(cè)估算的。 （4）現(xiàn)代觀測(cè) 衛(wèi)星遙感觀測(cè)各子系統(tǒng)。 圖二、氣候診斷 1、 定義：氣候監(jiān)測(cè)是通過各種觀測(cè)手段，取得有關(guān)氣候系統(tǒng)的物理量序列。然后通過各種分析手段來判斷氣候變化和氣候異常，這就是氣候診斷。 2、 氣候診斷內(nèi)容 氣候診斷的內(nèi)容非常廣泛，是氣候研究的一個(gè)重要方面，這里只簡(jiǎn)單介紹幾種主要的診斷內(nèi)容。 2、 氣候診斷內(nèi)容 （1）氣候異常的診斷 氣候異常的定義：氣候總是變化的，因此嚴(yán)格來說，沒

21、有哪一年或哪個(gè)月可以說是正常的。因此討論氣候異常就需要有個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。一般人們都以某要素的方差值來作為衡量異常的標(biāo)準(zhǔn)。WMO（世界氣象組織）曾經(jīng)以超過平均值2個(gè)方差的情況定義為氣候異常。但后來又改為約超過平均值1.3方差為氣候異常。 （1）氣候異常的診斷 平均值（氣候平均態(tài)） 氣候平均值最早的時(shí)候統(tǒng)一取19011930年平均為標(biāo)準(zhǔn)差，但現(xiàn)在WMO建議用19611990年，這30年的平均值作為氣候平均值。30年平均是一個(gè)長(zhǎng)短適中的時(shí)段，一般討論較短時(shí)期的氣候變化，卻用30年平均作為平均氣候態(tài)。但在研究較長(zhǎng)時(shí)期氣候變化時(shí)，則需要更長(zhǎng)時(shí)期的平均。 2、 氣候診斷內(nèi)容 （2）氣候變化的診斷 有了氣候異常的定義和氣候平均態(tài)的定義，就可以進(jìn)行氣候異常診斷。比如98年長(zhǎng)江大水的異常診斷，可以首先求出長(zhǎng)江流域19611990年7月份降水量的平均值？和方差？，再用1998年7月份的降水減平均值，如果？，則表示1998年7月份降水異常。 （2）氣候變化的診斷 一般用t檢驗(yàn)來診斷氣候是否發(fā)生變化，通常t檢驗(yàn)至少要通過95（