第二章-气候变化的研究方法4.9

第二章气候变化的研究方法2.1历史文献气候记载的研究方法2.2物候学和生物学方法2.3自然地理法2.4数值模拟方法第二章气候变化的研究方法学习目标：了解常用的几种研究气候变化的方法，掌握使用代用资料进行气候变化的研究的必要性，难点学习重点：掌握树木年轮与石笋方法的优缺点一、历史文献气候记载的研究方法欧洲有历史文献气候记载的年代在公元前500年前后；地中海东部、埃及等地区有历史文献气候记载的年代在公元前1580年；中国有历史文献气候记载的年代大约始于周朝初期，公元前1100年左右。历史文献的气候记载：官方组织观测：天气日记、晴雨录和雨雪分寸；其他资料：历代史书、私人日志、游记、方志等。一、历史文献气候记载的研究方法研究方法：收集气候资料分析资料的可靠性消除不可靠因素利用适当的统计方法得到气候要素序列一、历史文献气候记载的研究方法解决资料可靠性问题的原则“去粗取精、去伪存真”。具体方法：资料来源的总体分析：官方组织的记载、私人的记载及地方官吏委托文人编撰的。合理性分析对比分析均一化和参数化处理一、历史文献气候记载的研究方法旱涝等级法:分区：根据资料的详细程度，将一大区域依气候特点、水系和历史沿革等原因分成若干小区分级：将每个小区中的史料根据有关旱涝的记载依不同程度给以一定的等级，使其数字化，比如，将旱涝记载分为五级，分别是涝、偏涝、正常、偏旱和旱。参数化：冷暖年数统计法和冬温指数法(张德二，1980）一、历史文献气候记载的研究方法二、物候学和生物学方法1、物候学物候现象包括植物物候现象、动物物候现象、生活物候现象和气象条件本身的季节现象。物候学方法是以物候现象出现日期为指标研究历史时期气候变化的一种方法。物候现象的统计特征：物候现象的顺序性及物候倒置物候倒置：物候的顺序性遭到破坏的现象。物候现象的同步性物候现象位移定律（生物气候定律）定义：物候期与纬度、经度、海拔高度存在一定的关系。二、物候学和生物学方法《大林寺桃花》白居易人间四月芳菲尽，山寺桃花始盛开，长恨春归无觅处，不知转入此中来。公元817年4月28日2、生物学生物学方法：生物能够生存的地区都可能遗留下过去不同气候时期的生物遗体。根据生物体为外界环境统一体的原理可以推测过去的气候。选区生物气候指标的标准：适应性能非常狭小的品种---“生态条件最好的指示者”；选择不良季节（冬季和旱季）和不良地区进行对比二、物候学和生物学方法生物学研究中可遵循的规律：生物分布界限规律生物数量消长的规律综合对照比较法二、物候学和生物学方法I.树木年轮方法:树木年轮学是一门快速发展的学科IPCC2001：850篇参考文献中226篇关于古气候学145篇来源于树轮学二、物候学和生物学方法环境因子对树木生长的影响气候因子：光、温度、水分、空气等。土壤因子：土壤有机物和无机物的物理、化学性质，以及土壤微生物等。立地因子：坡向、坡度、海拔高度等。生物因子。二、物候学和生物学方法气候是影响地球表面植被分布的重要条件，特别是热量和水分以及二者的配合状况，气候随温度、经度和海拔高度三方面的变化而变化，植被的分布也因此而改变。植被的垂直带与水平带相关性I.树木年轮方法优点：①易获得②年轮序列连续，易定年缺点：①只适用于干旱和半干旱地区、高纬度或高山附近寒冷地区；②只能推测几年或几十年的气候变化，不能准确推测逐年或世纪尺度的气候变化二、物候学和生物学方法什么是年轮早材晚材年轮髓心低温供水不足晚生长光照少营养缺乏有害气体导管形成少导管细小细胞分裂较慢细胞扩展较慢生长停止早形成窄轮I.树木年轮方法：基本原理：①均一性原理②限制因子定律③生态环境选择的原理④敏感度原理⑤交叉定年原理⑥复木原理⑦树木生长原理⑧统计分析与序列延伸二、物候学和生物学方法西藏八宿县树轮宽度与邻近气象台站观测的年平均气温的关系我国季风边缘地区(半干旱带)树轮反映的百年尺度降水变化序列与趋势（刘禹等，2004）II.石笋方法：石笋的形成：溶洞都分布在石灰岩组成的山地中，石灰岩的主要成分是碳酸钙。当遇到溶有二氧化碳的水时，会反应生成溶解性较大的碳酸氢钙；溶有碳酸氢钙的水遇热或当压强突然变小时，溶解在水里的碳酸氢钙就会分解，重新生成碳酸钙沉积下来，同时放出二氧化碳。洞顶的水在慢慢向下渗漏时，水中的碳酸氢钙发生上述反应，有的沉积在洞顶，有的沉积在洞底，日久天长洞顶的形成钟乳石，洞底的形成石笋，当钟乳石与石笋相连时就形成了石柱。二、物候学和生物学方法II.石笋的形成：气候条件和土壤过程的年季旋回造成石笋碳酸盐沉积不连续界面(如有机质)或矿物(如文石与方解石)、结构(如舒松层和致密层)交替转换从而形成了石笋微生长层。二、物候学和生物学方法II.石笋方法：优点：可以获得独立精确的日历年时间序列，结合年纹层统计，可以获得年际甚至是季节性变化古气候记录。作为古气候代用指标，石笋氧同位素具有全球可对比性。缺点：精确定年，定量重建，不能使用交叉定年方法。二、物候学和生物学方法石灰岩(碳酸钙CaCO3)形成溶蚀作用长时期的雨淋，使石灰质硬岩溶解成流体物质的作用。发育条件气候湿热、地形起伏小、植被少、岩层致密等。主要景观地表上的石林，地表下的石笋、石柱、钟乳石，以及河流顺着裂隙向下渗漏，潜入地下形成地下河。分布地区云南、贵州、广西（桂林）地下溶洞A：B：C：钟乳石石柱石笋形成顺序：钟乳石石笋石柱“喀斯特”(Karst)原是南斯拉夫西北部伊斯特拉半岛上的石灰岩高原的地名，那里有发育典型的岩溶地貌。“喀斯特”一词即为岩溶地貌的代称。中国是世界上对喀斯特地貌现象记述和研究最早的国家，早在晋代即有记载，尤以明徐宏祖(1586～1641)所著的《徐霞客游记》记述最为详尽。▲石灰岩地形图峰林钟乳石再现的溪流悬崖石柱石笋地下河云中的神啊，雾中的仙，神姿仙态桂林的山。情一样深啊，梦一样美，如情似梦漓江的水！水几重啊，山几重？水绕山环桂林城……是山城啊，是水城，都在青山绿水中……贺敬之桂林山水歌节录我国石笋研究的主要成果▲▲石花洞万象洞石笋中所含的气候信息石笋年层厚度II.石笋方法：石笋与气候：石笋中的δ18O、δ13C、灰度及年层厚度是较好的气候代用指标。氧同位素（δ18O）指标：华南、西南地区石笋δ18O记录指示的降水量效应降水多，δ18O含量低。降水少，δ18O含量高。石笋年层厚度指标：长江中游石笋年层厚度与东亚夏季风强度的关系厚度厚，东亚夏季风弱厚度薄，东亚夏季风强二、物候学和生物学方法（TanM，2003）2650年夏季气温重建（MTan，2003）。绿实线是经过101年低通滤波的曲线，显示了百年尺度变率。和尚洞石笋年层厚度可作为东亚夏季风强度指标ZhangPZ，2008，Nature三、自然地理法I.根据海洋、江河、湖泊的水位变化推测气候变化海平面升降河流流量湖泊水位II.根据冰雪变化推测气候变化水面结冰变化：结冰日期、解冻日期、结冰持续日数及冰层厚度等。大陆冰雪变化：研究中最广泛采用的是冰舌的进退、雪线的升降和极地冰层厚度变化等参数。冰舌资料:WorldGlacierMonitoringService条冰川明显退缩1930年192019401960198020002020190051015年1970年2000年冰川面积（平方公里）乞里马扎罗山脉（坦桑尼亚）2001年（IPCC，2001）北极海冰面积明显减小。春季海冰厚度减少40%。南极海冰面积1970年代有显著减小,之后趋势不明显。（WMO,2003）欧亚地区3~4月平均积雪面积变化欧亚地区的积雪面积不断减少，尤其是20世纪70年代末以后出现明显的突变。（WMO，2003）III.冰芯：优点：时间序列长：迄今取得万年高分辨率的序列；季节，年高保真度；低温条件多指标：海、陆、生物、人类污染、外太空物质沉积后变化小：分子迁移相对小；缺点：耗资大工作相对艰苦。三、自然地理法冰芯中的主要气候环境代用指标：温度指标值降水指标（积累率）指示古大气环流（风力）间接指标自然界事件（火山）人类活动指标（CO2、CH4等）宇宙成因物质微生物（Vostok湖，马兰冰芯）三、自然地理法冰芯揭示的青藏高原近千年来的增温工业化（1750年）以来，大气中温室气体明显增加。(据updatedfromEtheridgeetal.,1998,延伸到2003年)南极LawDome冰芯资料显示的近1000年大气CO2浓度（IPCC，2001）（IPCC，2001）目前的CO2浓度是42万年来的最大值。南极东方站（Vostok）测量的大气CO2浓度变化人类活动扰动急剧的气候变化03691215-55-50-45-40-35-30-25Year/kaBP(thousandyearsbeforepresent)TemperatureincentralGreenland/C（Alley，2000）8.2kaBPYoungerDrays，YD事件冰芯研究已经取得了丰硕成果：1．证实了Milankovich循环。目前,南极Vostok冰芯重建了4个完整的冰期间冰期气候循环，DomeC冰芯重建了6个完整的冰期间冰期气候循环，发现该地区冰期、间冰期的气温、温室气体(CH4、CO2)含量变化以及大气气溶胶含量变化等都存在地球轨道参数变化的周期，即具有明显的10万年、4万年和2.3～1.9万年的周期。2．揭示了快速气候变化事件。在短短的几十年内就可完成从冷到暖的转变，温度变幅达15℃。新仙女木事件是末次冰退期气候的快速转冷事件。格陵兰冰芯记录表明，这一时期的温度低于现今15℃左右，且其建立是极为迅速的,仅在5～20年的时间内就完成了。三、自然地理法冰芯研究已经取得了丰硕成果：3．恢复了古大气中温室气体含量变化。如南极Vostok冰芯记录恢复了过去42万年以来的大气中温室气体（CO2和CH4）含量的变化，发现在过去的42万年以来，大气中温室气体CO2的含量基本在180微克-280微克波动，CH4含量在350ppb-800ppb波动。而工业革命以来，大气中CO2和CH4含量迅速增加，目前分别达到近385微克和1800ppb，为83万年以来最大值。三、自然地理法IV.湖泊沉积：沉积物的成因类型岩生沉积物：指呈颗粒和集合体形式进入海洋，并沉降到海底的沉积物。水成沉积物：由溶液中淀析、经再沉积作用形成的物质。生成物因沉积物：成因上与有些有机物有关的物质。沉积物的描述，可根据沉积物颜色、结构、构造、粒度、有机质含量、藻类含量等多个特征进行。三、自然地理法玛珥湖玛珥（Maar）是居住在德国莱茵地区的人们对当地有水的湖泊、沼泽的称呼。19世纪早期，德国科学家Steininger最早从德国西部艾费尔高原(Eifel)第四纪火山区的小而圆形的火山口湖研究开始，初步把玛珥(Maar)定义为一种火山类型。近年来，Buchel对德国西部Eifel区的玛珥进行了综合研究，提出了玛珥即是由环形墙、火山口沉积物、火山筒和馈浆通道组成的系统，并概括了玛珥发生发展的不同演化阶段。玛珥湖区别于其它火山口湖的特点是平地爆发，蒸汽、泥石同时喷发后形成火山口。湛江湖光岩是中国研究玛珥湖的起点，自1996年以来，湖光岩已列入中国国家自然科学基金和国际“欧亚玛珥湖”研究计划等项目，并已取得重大的科研成果。湖光岩的玛珥湖是世界上发现的最大玛珥湖，且保存得非常自然，完整。德国玛珥湛江湖光岩YanchevaG，2007，NatureYanchevaG，2007，Nature四、数值模拟方法气候数值模拟：通过建立控制气候系统各种物理定律的数学表达式，用数值计算方法解出平衡态，模拟气候和气候变化，定量地了解气候系统中各种物理过程的特点和相对重要性，探讨气候形成和变化的物理机制。气候模式主要有三类：能量平衡模式、大气环流模式和随机-动力学模式。数值模式的不可替代性、不完整性和不确定性。参考文