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（climaticchange）指所有时间尺度气候变化的综合名称诸如气候趋势(climatictrend)、气候振动(climaticfluctuation)、气候波动(climaticvacillation)、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(climaticvariation)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(glacialepoch)之间为间冰期(interglacialepoch)，冰期与间冰期气候相差悬殊，平均温度可差10C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(climaticabruptchange)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。
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（wavelettransform）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（climaticvariability）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的发生频数与平均气温分别有明显的负相关和正相关；20〜40年代高温期气温和降水的异常出现的频率很小等等，都似乎和这种假设吻合但也有证据不支持这种论点，如中纬度、北美的温度和降水的变率变化，全球平均温度与温度变率间并无明显的对应关系。
但无论如何，气候变率的研究也将是气候学研究的一个热点问题，有理由相信，气候变率（包括“高阶矩”变率）在许多时间尺度上并不会表现为无明显因果关系的“噪声过程”表不同时间尺度的气候变化气候变化类型时间尺度（a）变化幅度可能的原因T(C)R(mm)1、地质时期大冰期107〜10810〜15600大陆漂移，造山运动等冰期-间冰期104〜10510600地球轨道要素2、冰后期-历史时期102〜1033〜51〜2250250太阳辐射、火山3、现代气候变化101〜1020.5100人类活动、太阳辐射、火山4、气候振动100〜1011〜2系统内产相互作用5、气候异常10-1〜1003〜5环流异常年变化0.510〜15日变化10四、气候异常（climaticanomalies）指某种或多种气候要素偏离长期平均状态的现象，主要指日、季尺度气候要素值对气候平均值的巨大偏差（一般指大于两倍方差的距平）若原序列不呈正态分布，则对原序列开立方再求方差即可例如干旱地区的降水量，就可以先开立方，然后求方差当序列接近正态分布时，一般气候要素值有距平大于2个方差的频率约为5%左右气候总是在变化，严格地讲，也许没有哪一年或哪一个月称得上正常。
但是如果说异常总要有一个标准世界气象组织(WMO)对气候异常提出了两种判别标准：一是出现的机率至少为25年一遇；二是气候要素与多年平均值之差超过标准差的两倍干旱、久雨、夏季低温、冬季严寒都是气候异常但是在一般气候诊断研究中还没有普遍使用这个定义，而是把比较大的距平笼统地称为异常例如，日本气象厅把距平达到方差两倍的情况称为异常，这大约相当于2.3%的概率所以在实际工作中他们把大约40年一遇的现象称为异常气候异常往往有一定持续性，常可维持数日之久但随着季节的转变，气候异常往往也发生变化因为气候异常的直接原因，大多是是大气环流的异常所以当大气环流随季节而发生激烈变化时，气候异常就不再持续了如海温的偏高、偏低而这些异常的持续性显然比大气环流的持续性大，所以有时一个地区的气候异常也可能持续一年或数年之久从世界范围看，若按5°x5经纬网格内出现一次异常气候作“一网格次”计，在1973〜1979年期间，北半球共出现异常少雨达1006网格次，异常多雨达980网格次，其中1973〜1977年间异常多雨约为130网格次/年，而1978〜1979年骤增至180网格次/年就纬度分布而言，异常少雨多在35°N附近，异常多雨在35〜55°N纬带内。
由此可见，气候异常现象有全球性递增趋势；异常气候多分布在世界人口稠密区域70年代以来，世界各国越来越重视和加强对异常气候的监测与研究，特别是对全球性和区域性的以及月、季时间尺度的大气环流异常的分析研究，而诊断分析则是研究大气环流异常较常用的基本方法五、气候周期性(climaticperiodicity)指气候变化中其相邻的极大值与极小值之间时间隔保持不变或基本不变的一种现象这种现象在气候系统的时空演变中是普遍存在的目前，气候周期的取得多依赖于功率分析、最大熵谱分析等统计学方法，因此有人将这种周期称之为准周期对于气候周期性的成因现已有许多的认识，其中人们普遍认为天体活动的影响是十分重要的原因之一通过探讨气候周期与天体活动各种周期之间的对应关系可以了解各种时间尺度气候变化主导因素间的相互影响，有助于揭示气候变化与环境演变的内在规律当我们面前有一个其数值随时间变化的时间序列时，人们的直接反应就是线性外推，紧接着的一个反应就是按设想的变化型寻找周期来改进这种外推迄今为止，学者们发现的“周期”从2〜3年到11年、35年、80年、700年、1800年等等，不下50个（表10.1）如果把地质时代再延长，估计还会有更多的“周期”被。