氣候與氣候變化的研究方法

第六章氣候與氣候變化的研究方法§6.1地質(zhì)時期古氣候變遷的研究方法主要方法總述：地質(zhì)時期的氣候體現(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，這個時期氣候變化的研究方法主要有生物學、地質(zhì)學、地球化學、古地理等研究方法。生物學方法這是地質(zhì)時期和歷史時期氣候變遷研究中應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物）的生存范圍、分布區(qū)域以及隨時間的變化，都可以為古氣候研究提供極好的證據(jù)。比如應用極廣的微體古生物（包括植物孢粉、微體動物象介子生物的化石等）。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。地質(zhì)學方法包括通過研究不同地點和不同時期地層沉積相的變化，恢復沉積環(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。如黃土是一種風積物，從粉塵物質(zhì)的產(chǎn)生、搬運、沉降到發(fā)育微黃土的全過程中，一直暴露于地表空間，受到當時大氣圈及區(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，來確定當時的風速大小、氣候干燥度等。通過分析孢粉等含量可以知道當時古生物的生長情況，從而知道氣溫、降水等的變化。冰川學方法氣溫序列的建立：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1oC，δ18O（氧同位素的變化值）約降低0.7‰。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（時間比較早的冰層），由于冰蓋的分層越來越薄，則就需要借助儀器分析，比較可靠的是利用δ18O，因為δ18O有明顯的季節(jié)變化。有時候也可根據(jù)其它指標來定年，如甘肅敦煌冰蓋是參照微粒量來定年的?；蛴脭?shù)學統(tǒng)計的方法來估算。礦物分析法即通過對巖石、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的方法推測過去的氣候。比如如果某地層中含有煤層，則可推斷當時氣候濕潤；如果有珊瑚，則當時為熱帶海洋氣候；若有石膏和巖鹽則為干燥氣候；有冰跡物則為寒冷氣候等。§6.2歷史時期氣候變遷的研究方法一、總述歷史時期氣候變遷的研究方法有四種：歷史文獻、樹木年輪、考古發(fā)現(xiàn)和自然地理跡象。其中最主要的是歷史文獻和樹木年輪的方法，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，因此主要用于對前兩種方法建立的序列零星檢驗，或只能給某一段時間的氣候變化提供證據(jù)，因此，這里不作祥熙介紹。歷史文獻研究方法1、我國歷史文獻氣候記載的特點（1）數(shù)量大、種類多①主要有12種史料來源：地方志、二十四史、詩文集、筆記、游記、地理書集、晴雨錄、雨雪分寸、大氣日記、歷史、古農(nóng)書、醫(yī)書等。②另外有三種類書（相當于百科全書）：太平御覽、永樂大典、圖書集成。（2）系統(tǒng)觀測資料所占比重不大。系統(tǒng)觀測資料主要指晴雨錄、雨雪分寸和大氣日記。這三種資料都是清朝的。歷史時間不長。如晴雨錄最長的有北京（1724－1903）、杭州（1723－1773）、蘇州（1725－1782）以及江寧（今南京）（1722－1785）四個地區(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，清朝時長江下游各省較多，主要是大清國的賦稅和糧食的重要來源地）時間上不平衡，以方志為例，一般明、清、民國期間較多，早期較少。2、用歷史文獻作古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。要對歷史氣候記載進行有效的“開采”，應遵循十六字方針：“由近及元”、“由點及面”、“由粗及細”、“由富及貧”。樹木年輪的方法限制因子定律限制因子定律：任何一種生物學過程，它進行的速度都不可能超過主要限制因子所允許的程度。如果某個因子發(fā)生變化，不再起限制作用，則某一生物學過程的速度就會加快，直到它受到另一個或幾個因子的限制時為止。比如樹木徑向生長即年輪的形成就是一種生物學過程，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速度不會超過它的限制因子所允許的速度。當某個因子，如氣溫變化（氣溫由冬到春到夏升高），氣溫對樹木生長不再限制時，樹木生長速度就加快。樹木年輪分析：是通過對樹干橫斷面上逐年的徑向生長量的測定，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、濕潤的氣候條件下，樹木生長就快；在寒冷、干旱的氣候條件下樹木生長就緩慢。因此，逐年的樹木年輪寬度概括地記錄下了當年的氣候狀況。選擇樹木生長位置的原理要選擇生長在最受某個氣候因子（溫度或降水）限制的地點上的樹木。不能只取一棵樹，要從一片樹林中取幾棵或幾十棵。因為在氣候因子不起特殊限制作用的地點，氣候因子影響較小。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，因為這里的溫度條件已超過其它的生長控制因子。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，因為這里的水分條件已成為主要的生長控制因子。敏感度定義：樹木生長受氣候因子影響程度的大小稱為敏感度。不敏感樹木：在一個樹木圓盤上，年輪寬度的變化只表現(xiàn)出一種與數(shù)目年齡有關(guān)的生長趨勢的變化，逐年的樹木年輪寬度變化很小，生長極為均勻；這種情況說明所取的樹木是生長在溫度、水分條件都能滿足要求，氣候條件不起限制作用的特點，它對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。年開始。我國建立了自己的北半球500hpa高度場序列，從1951年開始。赤道平流層的觀測也是一個重要的觀測項目，目的是監(jiān)測平流層風的準兩年振蕩（QBO）（2）海洋及其它系統(tǒng)成員的常規(guī)觀測海洋觀測：氣候系統(tǒng)有五個子系統(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子系統(tǒng)。對海洋的觀測是全球氣候系統(tǒng)的一個主要的組成部分。目前觀測最豐富的還是海面溫度（SST）海洋觀測除SST外，還有鹽度、洋流及深層海溫等。但大部分沒有系統(tǒng)的觀測資料。冰雪圈觀測：雪蓋和海冰面積觀測是冰雪圈觀測的主要內(nèi)容，其觀測主要依靠衛(wèi)星觀測。在有衛(wèi)星觀測以前，除個別站有局地的雪蓋觀測之外，只有蘇聯(lián)有目測的海冰序列。陸地觀測：路面至今尚缺少系統(tǒng)的觀測，特別是土壤溫度和濕度的大范圍觀測資料很少?，F(xiàn)在有了OLR（OutsideLongwaveRadiation，射出長波輻射）的觀測，這對氣候監(jiān)測是一個重大進展，對推算降水和垂直運動有重要的價值。（3）非常規(guī)觀測系統(tǒng)除上述提到的常規(guī)觀測外，目前還有許多特殊的觀測，對監(jiān)測氣候系統(tǒng)的變化有重要意義。①太陽常數(shù)的觀測從20世紀80年代初才開始有了足夠的精確度，時間序列較短，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)。②微量氣體的觀測主要是溫室氣體，其中CO2的觀測時間最長，二其它CH4、CFCs等大多數(shù)是根據(jù)有限的觀測估算的。氣候診斷定義：氣候監(jiān)測是通過各種觀測手段，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。氣候診斷內(nèi)容氣候診斷的內(nèi)容非常廣泛，是氣候研究的一個重要方面，這里只簡單介紹幾種主要的診斷內(nèi)容。（1）氣候異常的診斷氣候異常的定義：氣候總是變化的，因此嚴格來說，沒有哪一年或哪個月可以說是正常的。因此討論氣候異常就需要有個標準。一般人們都以某要素的方差值來作為衡量異常的標準。WMO（世界氣象組織）曾經(jīng)以超過平均值2個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。平均值（氣候平均態(tài)）氣候平均值最早的時候統(tǒng)一取1901－1930年平均為標準差，但現(xiàn)在WMO建議用1961－1990年，這30年的平均值作為氣候平均值。30年平均是一個長短適中的時段，一般討論較短時期的氣候變化，卻用30年平均作為平均氣候態(tài)。但在研究較長時期氣候變化時，則需要更長時期的平均。（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，就可以進行氣候異常診斷。比如98年長江大水的異常診斷，可以首先求出長江流域1961－1990年7月份降水量的平均值和方差，再用1998年7月份的降水減平均值，如果，則表示1998年7月份降水異常。一般用t——檢驗來診斷氣候是否發(fā)生變化，通常t——檢驗至少要通過95％（最好是99％）的信度，才認為氣候發(fā)生了顯著變化。如全球平均氣溫在1860－1889年與1960－1989年兩個30年間上升了0.40℃，t——檢驗達到99.9％的信度，因此認為氣候確實變暖。如果氣候變化發(fā)生在兩個相當?shù)臅r段或發(fā)生氣候變化的時間很短，則可稱為氣候突變。氣候突變的診斷也可用t——檢驗的方法；另外也可用M——K的方法。（3）氣候異常事件的診斷氣候異常事件也需要有一個嚴格的定義：比如診斷厄爾尼諾事件，首先要規(guī)定用哪個海域的海溫為代表序列，同時要規(guī)定海溫正距平達到多大時，才能認為時厄爾尼諾事件。如我國一般用0－10°S，180°－90°W范圍內(nèi)的海溫為代表序列。當這個地區(qū)的海溫序列的月平均距平連續(xù)3個月在0.5℃以上，或季平均達到0.5℃時就認為發(fā)生了厄爾尼諾事件。另外，又是在診斷厄爾尼諾時還要同時注意南方濤動指數(shù)，太平洋海平面高度、赤道太平洋斜溫層深度、以及OLR、澳大利亞干旱等等。（4）氣候變化原因的監(jiān)測氣候變化原因的監(jiān)測主要是對溫室效應而言的。在分析氣候變暖中溫室效應的作用時，本質(zhì)上包含兩個方面的內(nèi)容：一是分析氣候是否變暖，二是氣候變暖在多大程度上是由溫室效應引起的。這一問題的研究有兩種方法：一