气候变化的研究方法和依据

气候变化的研究方法和依据

物理学院李佳明

摘要：地球的气候不断地在变化着，气候在一段时间内的波动变化即为气候变化。一段时间可能是指几十年或几百万年。地质年代的气候变化总体上在时间上是缓慢的，而现代气候变化是快速的。对于气候变化的科学共识是国家和国际制定气候政策的支撑和依据，因此对于气候变化的科学研究具有很深刻很现实的意义。本文旨在讨论目前研究气候变化的主要依据和一些方法。

一、地质时期古气候的主要研究方法

1、生物学方法。这是地质时期和历史时期气候变迁研究中应用最广泛的一种方法。各种古生物（包括喜冷、喜暖、喜干和喜湿的古植物和古动物）的生存范围、分布区域以及随时间的变化，都可以为古气候研究提供极好的证据。比如应用极广的微体古生物（包括植物孢粉、微体动物象介子生物的化石等）。我们可以通过分析这些微体古生物的数量、分布范围等，来研究气候变迁。

2、地质学方法。包括通过研究不同地点和不同时期地层沉积相的变化，恢复沉积环境，并与现代的气候条件比较（将今论古），以确定古气候状况。

这里沉积作用指的是固体物质从空气或水体的悬浮或融解状态中沉积下来的过程。如黄土是一种风积物，从粉尘物质的产生、搬运、沉降到发育微黄土的全过程中，一直暴露于地表空间，受到当时大气圈及区域生物气候条件的直接影响。这样可以通过分析黄土——古土壤层中粉尘颗粒的大小，来确定当时的风速大小、气候干燥度等。通过分析孢粉等含量可以知道当时古生物的生长情况，从而知道气温、降水等的变化。

3、冰川学方法。主要步骤为以下两步：

（1）同位素含量与降雪的温度有关，因此可以根据氧同位素来推算古代温度。一般在中高纬度地区温度下降1ºC，δ18O（氧同位素的变化值）约降低0.7‰。

（2）定年：利用冰盖中氧同位素的含量，可以确定气温序列，但这一序列是什么年代的，则需要定年。积雪的物理状况有明显的季节变化，因此使冰盖在垂直方向上形成明显的层状结构，每年一层，就如同树木年轮一样，这样，在冰盖表层就可以用肉眼直接分辨年层。但在冰盖深层（时间比较早的冰层），由于冰盖的分层越来越薄，则就需要借助仪器分析，比较可靠的是利用δ18O，因为δ18O有明显的季节变化。有时候也可根据其它指标来定年，如甘肃敦煌冰盖是参照微粒量来定年的。或用数学统计的方法来估算。

4、矿物分析法。即通过对岩石、矿物的分析研究获取古气候变迁的历史。另外也可以通过地球化学的方法推测过去的气候。比如如果某地层中含有煤层，则可推断当时气候湿润；如果有珊瑚，则当时为热带海洋气候；若有石膏和岩盐则为干燥气候；有冰迹物则为寒冷气候等。

5、考古学方法。从古代人类分布，农业生产的方式，考古的发现，口头传说和历史文献中，可以发现历史上气候变迁的情况，气候变迁曾经造成多个文明的毁灭。

二、现当代气候变化的主要研究方法

1、气候监测。气候监测是20世纪70年代提出的一个名词，其意义是对整个气候系统进行全面的观测，以便及时发现气候系统状况的任何只得注意的变化。气候监测是气候系统

研究的基础，主要包括大气常规观测、海洋及其它系统成员的常规观测以及一些非常规观测系统。

对于大气常规观测，20世纪30年代以前，世界范围内的气候观测仅限于地面气温、降水量及气压的地面观测。20世纪30年代以后，才逐渐有了高空观测。另外，赤道平流层的观测也是一个重要的观测项目，目的是监测平流层风的准两年振荡。

海洋及其他系统成员的常规观测则包括：①海洋观测：气候系统有五个子系统构成，其中海洋自然变化的频率是仅次于大气的第二个子系统。对海洋的观测是全球气候系统的一个主要的组成部分。目前观测最丰富的还是海面温度（SST）洋观测除SST外，还有盐度、洋流及深层海温等。但大部分没有系统的观测资料。②冰雪圈观测：雪盖和海冰面积观测是冰雪圈观测的主要内容，其观测主要依靠卫星观测。在有卫星观测以前，除个别站有局地的雪盖观测之外，只有苏联有目测的海冰序列。③陆地观测：路面至今尚缺少系统的观测，特别是土壤温度和湿度的大范围观测资料很少。现在有了OLR（Outside Longwave Radiation，射出长波辐射）的观测，这对气候监测是一个重大进展，对推算降水和垂直运动有重要的价值。

目前还有许多特殊的观测，对监测气候系统的变化有重要意义，如：①太阳常数的观测。从20世纪80年代初才开始有了足够的精确度，时间序列较短，但已经表明太阳常数的变化。而且现有的资料也表明太阳常数与太阳黑子数有较密切的正相关。②微量气体的观测。主要是温室气体，其中CO2的观测时间最长，二其它CH4、CFCs等大多数是根据有限的观测估算的。

2、气候诊断。气候监测是通过各种观测手段，取得有关气候系统的物理量序列。然后通过各种分析手段来判断气候变化和气候异常，这就是气候诊断。

气候诊断的内容非常广泛，主要包括气候异常的诊断、气候变化的诊断、气候异常事件的诊断和气候变化原因的监测等。

3、气候数值模拟。由物理、化学定律得出控制大气运动的动力学方程、静力方程、连续方程、热力学方程、状态方程、水汽方程等。由这些方程合在一起就是一组控制气候及其变化的偏微分方程组。原则上，当给定了太阳辐射和其它特定的边界条件以及初始条件，就可以通过计算数学的方法来求解这个偏微分方程组，这就是气候数值模拟。

气候数值模拟的雏型是20世纪50年代开始应用的。从60年代以后，各种形式的数值模式纷纷出现，如直接积分流体力学和热力学方程组的大气环境模式，根据能量平衡原理模拟大气热状况的能量平衡模式，还有把大气运动当作随机过程处理的随机模式和随机、动力相结合的模式等。模式由简单到复杂，由模拟气候的平衡态发展到对气候演变过程的模拟。从70年代以来，气候数值模拟的研究取得了初步的试验结果。例如由模式计算出的大气和海洋主要气候要素的分布及其季节变化，与实况相比，在许多方面是一致的。在人类活动对气候的影响的估计和极冰的反馈作用等方面，也得出了有意义的结果。此外，还发展了气候对各类模式和各种物理因子变化的敏感性试验和次网格物理过程的参数化研究。

通过建立起气候数值模式，并将其对照当前和过去的气候进行验证，它就可以被用于预测未来气候，特别是用于预测由于温室气体浓度增加所造成的气候变化。近10年来气候数值模拟的结果才发展得较为全面和可信；只在最近5年，计算机才强大到足以使海气耦合模式能被用于气候预测。更合理、更客观的气候数值模式，可用于研究各种因子在不同时间尺度气候变化中所起的作用，预测人类活动对气候的可能影响，为大范围气候改造和控制提供依据；也可研究在一定条件下气候变化的可能趋势，为气候预报提供依据。

气候变化必然会对地球上的各种生命以及各生命生存强烈依赖的环境造成深刻的影响。如果我们能够了解气候变化的原因并能够预测未来的气候变化趋势，则对人类未来的生存和