[科普中国]-气候突变

定义

气候突变是普遍存在于气候系统中的一个重要现象，但一直缺乏一个严格的定义。John Imbrie1987年根据气候的成因及时间尺度，把气候突变归成两类，第一类是简单状态的突变，即在气候系统结构没有发生根本突变的情况下，或不考虑系统外边界条件任何长期变化的前提下，可观测到的迅速且显著的气候变化，如以年为周期的初霜冻、季风爆发等；第二类则反映系统便捷长期变化中的突变，这些时间不是有规律的发生，如缓慢的大地构造引起的地理变化，必须有新的大气和海洋环流与之适应。再者正如Flohn1987年指出的，几千年尺度上发现过冰期的突然结束以及大约12000年前和5500年前发现过洪积期的突然到来。Ghazi1982年就提出了气候突变是冰期和间冰期某一个50-200年时间尺度内的温度差异达到整个冰期同间冰期之间温度差异的一半。更多的学者通过考察气候状态统计特征值的变化来定义气候突变。1

常见的气候突变是被定义为气候从一个平均值到另一个平均值的急剧变化，它表现为气候变化的不连续性，这个定义能够较好的反映一个气候某基本状况（特征平均值）的变化，称为均值突变，不过均值只是反映气候状态的一个基本特征量。另一个描述气候状态的特征量是它的变率，这类气候突变定义为气候从一个方差状态到另一个方差状态的急剧变化，其平均值却无明显变化，称此为变率突变。Saltzman等1987年给出的过去150万年同位素氧18的记录就呈现出这种突变方式。第三类突变为翘翘板突变，，1986年符综斌等用复EOF分析海温场所得到的位向的时间变化。第四位突变为转折突变，即在某一时段持续减少（增加），然后突然在某点开始持续增加（减少），Goossens等给出的高纬度地区气温历史记录就这种形式。1

上述四种突变的定义仅是从时间演变角度考虑某一气候变量的特征，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。总结上述几类突变给出气候突变的普适定义：气候从一种稳定态（或稳定持续的变化趋势）跳跃式地转变到另一种稳定态（或稳定持续的变化趋势）的现象，它表现为气候在时空上从一个统计特性到另一个统计性的急剧变化。1

现在气候突变通常使用的定义是指气候从一种稳定状态跳跃式的转变到另一种稳定状态的现象，用以描述气候状态的变量有平均值、方差、频率分布、变化倾向等。已经揭示的大量观察事实表明，气候突变是一种多时间尺度的现象。气候状态的跳跃可以发生在从季节、年际、十年或百年、甚至更长的指导地质的时间尺度宽广的时域内，是存在于各种时间尺度气候变化中的普遍现象。2

产生原因1 气候系统之外的参数或强迫力的突然变化

如由于某一冰川湖淡水突然涌入海洋，就可能改变北大西洋的表面环流，从而改变其临近区域的气候；火山喷发或大规模核战争也属于这一类。3

2 外力的缓慢变化使气候系统越过突变的界限

如由于地球轨道周期性变化所引起的冰川及温暖条件的振荡范围较大，影响季节性太阳辐射分布，使厄尔尼诺、季风及全球大气环流突然改变。目前结果已经很明显，譬如菲律宾遭受的风暴。

3 气候系统本身内部混沌过程产生的突然变化

如热带海洋大气动力改变所造成的区域性或全球性后果。 总的说来，气候突变带有非线性和多重均势的特点。问题是现在的温室气体排放是否会引发气候突变？IPCC的模式也显示由于温室气体增多，可能在21世纪内引起温盐环流的减慢，但是海洋环流不可能完全停止，因为它很大程度上由风力驱动，在任何气候情景中，风总是要吹动的，仍然会将亚热带的暖流带到北方。所以在现阶段只能说：全球变暖是事实，对社会有严重的威胁和可能的灾害性影响；古气候记录所显示的古代气候突变情况也是很严酷的，假如未来产生气候突变，也可能是很严重的。

检测方法在此介绍气候突变的检测方法，仅针对气候突变的几种检测方法，仅针对气候统计平均值突变情形。

1、低通滤波法

2、滑动的t检验法

3、Cramer法

4、Yamamot法

5、Mann-Kendall法

6、Spearman法1

特点10年尺度气候突变具有以下几个主要特点：2

1、气候突变与全球气温变化有着密切的关系

上世纪初，20年代和60年代这3次全球性的气候突变在全球温度场上有着十分清楚的反映，降雨场、气压场和其它气象要素场上的变化都与温度场上的突变相配合。

2、季风区在气候突变中的敏感性

各次气候突变在季风区，如亚洲季风区，非洲季风区，以及澳大利亚季风区，都有很好的反映。中国和印度的季风指数的长期变化中均表现出突变的性质。

3、突变的空间尺度

人们可以在一些区域或局地的气象要素时间序列变化中发现不连续，把它们看成气象突变。全球范围的大尺度的气候事件，具有行星尺度的空间结构，需要进一步研究，这种大尺度气候突变事件的动力学结构和它的维持机制。

全球气候突变从冷到暖，再从暖到冷，地球气候的变化，真如我们一直以为的那样温吞吞、循序渐进地改变么？最新研究表明，过去的二十多万年中，老天爷也会经常“喜怒无常”，这种冷暖干湿的气候突变事件1000年左右就会发生一次。2月28日出版的《自然》（Nature）杂志刊登了南京师范大学地理科学学院汪永进教授率领的研究组的论文，他们对采集于湖北神农架洞穴内11支不同时期形成的石笋进行精确铀钍同位素测年。研究后发现，在过去的22.4万年中，东亚季风气候的干湿变化，以2.3万年为周期，随太阳辐射能量而同步变化。这个循环又被千年周期季风气候事件所打断，其频率与持续时间在冰期——间冰期旋回中极其相似，具可预测性。科学家发现，“日记”中记载季风降雨的长期变化与太阳辐射变化周期同步进行，这一成果对古气候学界长期持有的“滞后说”提出挑战。原来我们生存的地球对于太阳赐予的光和热，反应如此敏锐！每隔1000年左右，全球就会有一次气候突变，突然增温、降温，变得湿润，或是干旱。在高纬度地区，这种变化甚至可以在几十年中使一个地区的年平均气温起伏十几摄氏度。在我们生存的季风区域主要表现为显著的干湿变化。4000多年前的一次气候变干事件，使诸多古代文明消失或者迁徙。“但这个规律可能不适合推断18世纪以后的气候变化，”汪永进教授指出，“工业革命后，人类活动对气候的影响大大增强，现在很难把全球变暖都归结于人类的过失，不能排除气候本身变化的原因。”

气候突变与中华古文明进入全新世之后，人类文明有了突飞猛进的发展，世界各地先后进入新石器时代。其中8.0-4.0kaBP（距今4-8千年）是文明从酝酿到成熟的重要时期。这4千年中华大地，经过前仰韶文化（8-7kaBP）、仰韶文化（7-5kaBP）、龙山文化（5-4kaBP），到公元前2070年，即约4kaBP建立了夏朝，开始了古代史上艳称三代的夏、商、周三朝。这段时期的开始可能与8.2kaBP的冷事件有关，而结束则与4kaBP前后的气候突变有关。中华古明发展的第1个时间标志是8kaBP。中原地区裴李岗文化和黄河下游的后李文化开始于6100BC，甘青地区大地湾文化、北方的兴隆洼文化开始于6200BC，均发生在8kaBP前后。新石器时代的标志是使用磨制石器及陶器的制作。但是也有一种观点认为农业的发展有重要意义。农业的发展促进了定居，这是文明发展的基础。大量的证据表明：中华古文明就是在8.2kaBP冷事件之后的大暖期中发展起来的。根据施雅风的研究，中国的大暖期约在8.0-3.5kaBP。那时年平均气温可能比现今高2℃以上。个别地区可能高的还要更高一些，中华大地气候湿润，有利于人类生存。

中华古文明发展的第2个时间标志是6kaBP前后。这是仰韶文化早期与中、晚期的交界。黄河下游北辛文化与大汶口文化交替、北方小珠山文化与红山文化交替、长江下游河姆渡文化与马家浜文化交替均发生在这个时期。有许多古气候资料表明这时有一段几百年的干旱期。例如南海沉积的盐度，盐度低表明大陆河流的径流量大，这反映大陆降水少。又如黄土高原d13C及有机碳总量也可以反映降水量。气候湿润有机碳总量高，d13C为更大的负值说明植被中树木对草原的比率高，这意味着降水量多、湿度大。从中国东北南部向西、经高原东部折向东、到华南的一个月牙带，在6kaBP前后有很多干旱的证据。

下一个古文明变化的标志时间是4kaBP，这时中原龙山文化为二里头文化取代。山东龙山文化与岳石文化交替。甘青地区马家窑文化与齐家文化交替。北方富河文化与夏家店文化交替。长江中游石家河文化，长江下游良渚文化分别为盘龙城文化和马桥文化取代，但是大多数后继的文化质量不如早期，考古点范围、分度密度也有所下降。很可能一个主要原因就是持续性的干旱。

尧舜时期，处于考古学上的龙山时期，大体上在4.4-4.0kaBP。《史记·夏本纪》记载：“帝尧之时，洪水滔天”。4kaBP之前黄河有一次大的改道，由流经淮北苏北平原入黄海，改道纵贯河北平原入渤海。因此，很可能洪水滔天也同黄河的泛滥改道有关。历史学家徐旭生在《中国古代史的传说时代》一书中用了很大篇幅研究洪水。指出这个洪水期发生于公元前第三千纪的后期。正当尧舜时期。大禹治水之后二千年间洪水记载很少，甚至黄河也是一千多年后周定王（公元前7世纪）时期才再次改道。有人认为这是治水的功劳，但是也有人认为这与4.2-4.0kaBP的气候突变，即由洪水转为干旱有关。