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