气候变化的史实

地球形成为行星的时间尺度为50±5亿年。据地质沉积层的推断，约在20亿年前地球上就有大气圈和水圈。地球气候史的上限，可追溯到20±2亿年。据地质考古资料、历史文献记载和气候观测记录分析，世界上的气候都经历着长度为几十年到几亿年为周期的气候变化。现在为科学界所公认的有：

大冰期与大间冰期气候：时间尺度约为几百万年到几亿年。

亚冰期气候与亚间冰期气候：时间尺度约为几十万年。

副冰期与副间冰期气候：时间尺度约为几万年。

寒冷期（或小冰期）与温暖期（或小间冰期）气候：时间尺度约为几百年到几千年。

世纪及世纪内的气候变动：时间尺度为几年到几十年。

从时间尺度和研究方法来看，地球气候变化史可分为三个阶段：地质时期的气候变化、历史时期的气候变化和近代气候变化。地质时期气候变化时间跨度最大，从距今22亿～1万年，其最大特点是冰期与间冰期交替出现。历史时期气候一般指1万年左右以来的气候。近代气候是指最近一、二百年有气象观测记录时期的气候。

一、地质时期的气候变化

地球古气候史的时间划分，采用地质年代表示。在漫长的古气候变迁过程中，反复经历过几次大冰期气候。下面我们将比较详细描述，其中震旦纪大冰期、石炭-二叠纪大冰期和第四纪大冰期这三个大冰期都具有全球性的意义，发生的时间也比较确定。震旦纪以前，还有过大冰期的反复出现，其出现时间目前尚有不同意见。在大冰期之间是比较温暖的大间冰期。

1.震旦纪大冰期气候

震旦纪大冰期发生在距今约6亿年前。根据古地质研究，在亚、欧、非、北美和澳大利亚的大部分地区中，都发现了冰碛层，说明这些地方曾经发生过具有世界规模的大冰川气候。在我国长江中下游广大地区都有震旦纪冰碛层，表示这里曾经历过寒冷的大冰期气候。而在目前黄河以北地区震旦纪地层中分布有石膏层和龟裂纹现象，说明那里当时曾是温暖而干燥的气候。

2.寒武纪—石炭纪大间冰期气候

寒武纪—石炭纪大间冰期发生在距今3亿～6亿年前。这里包括寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪和石炭纪五个地质时期，共经历3.3亿年，都属于大间冰期气候。当时整个世界气候都比较温暖，特别是石炭纪是古气候中典型的温和湿润气候。当时森林面积极广，最后形成大规模的煤层，树木缺少年轮，说明当时树木终年都能均匀生长，具有海洋性气候特征，没有明显季节区别。在我国石炭纪时期，全国都处于热带气候条件下，到了石炭纪后期出现三个气候带，自北而南分布着湿润气候带、干燥带和热带。

3.石炭-二叠纪大冰期

石炭-二叠纪大冰期发生在距今2亿～3亿年。从所发现的冰川迹象表明，受到这次冰期气候影响的主要是南半球。在北半球除印度外，目前还未找到可靠的冰川遗迹。这时我国仍具有温暖湿润气候带、干燥带和炎热潮湿气候带。

4.三叠纪-第三纪大间冰期气候

三叠纪-第三纪大间冰期发生在距今约2亿～200万年前，包括整个中生代的三叠纪、侏罗纪、白垩纪，都是温暖的气候。到新生代的第三纪时，世界气候更趋暖化，共计约为2.2亿年。在我国三叠纪的气候特征是西部和西北部普遍为干燥气候。到侏罗纪，我国地层普遍分布着煤、粘土和耐火粘土等，由此可以认为我国当时普遍在湿热气候控制下。侏罗纪后期到白垩纪是干燥气候发展的时期，当时我国曾出现一条明显的干燥气候带。西起新疆经天山、甘肃，向南伸至大渡河下游到江西南部都有干燥气候下的石膏层发育。到了新生代的早第三纪，世界气候更普遍变暖，格陵兰具有温带树种，我国当时的沉积物大多带有红色，说明我国当时的气候比较炎热。晚第三纪时，东亚大陆东部气候趋于湿润。晚第三纪末期世界气温普遍下降，喜热植物逐渐南退。

5.第四纪大冰期气候

第四纪大冰期约从距今200万年前开始直到现在。当冰期最盛时在北半球有三个主要大陆冰川中心，即斯堪的那维亚冰川中心：冰川曾向低纬伸展到51°N左右；北美冰川中心：冰流曾向低纬伸展到38°N左右；西伯利亚冰川中心：冰层分布于北极圈附近60°～70°N之间，有时可能伸展到50°N的贝加尔湖附近。估计当时陆地有24%的面积为冰所覆盖，还有20%的面积为永冻土，这是冰川最盛时的情况。在这次大冰期中，气候变动很大，冰川有多次进退。根据对欧洲阿尔卑斯山区第四纪山岳冰川的研究，确定第四纪大冰期中有5个亚冰期。在中国也发现不少第四纪冰川遗迹，定出4次亚冰期。在亚冰期内，平均气温约比现代低8～12℃。在两个亚冰期之间的亚间冰期内，气温比现代高。北极约比现代高10℃以上，低纬地区约比现代高5.5℃左右。覆盖在中纬度的冰盖消失，甚至极地冰盖整个消失。在每个亚冰期之中，气候也有波动，例如在大理亚冰期中就至少有5次冷期（或称副冰期），而其间为相对温暖时期（或称副间冰期）。每个相对温暖时期一般维持1万年左右。目前正处于一个相对温暖的后期。

据研究，在距今1.8万年前为第四纪冰川最盛时期，一直到1.65万年前，冰川开始融化，大约在1万年前大理亚冰期（相当于欧洲武木亚冰期）消退，北半球各大陆的气候带分布和气候条件基本上形成为现代气候。

二、历史时期的气候变化

自第四纪更新世晚期，距今1万年左右的时期开始，全球进入冰后期。挪威的冰川学家曾作出冰后期的近1万年来挪威的雪线升降图（图4-1）。从图上来看，近1万年雪线升降幅度并不小，它表明这期间世界气候有两次大的波动：一次是公元前5000年到公元前1500年的最适气候期，当时气温比现在高3～4℃；一次是15世纪以来的寒冷气候，其中1550～1850年为冰后期以来最寒冷的阶段，称小冰河期，当时气温比现在低1～2℃。中国近5000年来的气温变化大体上与近5000年来挪威雪线的变化相似。

根据对历史文献记载和考古发掘等有关资料的分析，可以将5000年来我国的气候划分为4个温暖时期和4个寒冷时期（表4-1）。

图4-1　近1万年来挪威雪线高度（实线）和近5000年来中国气温（虚线）变迁图（竺可桢，1973）

表4-1　我国近5000年的寒暖变化：4个温暖时期和4个寒冷时期

综上所述，在近5000年的最初2000年中，大部分时间的年平均温度比现在高2℃左右，是最适气候期。从公元前1000年的周朝初期以后，气候有一系列的冷暖变动。其分期的特征是：温暖期愈来愈短，温暖的程度愈来愈低。从生物分布可以看出这一趋势。例如，在第一个温暖时期，我国黄河流域发现有象；在第二个温暖时期象群栖息北限就移到淮河流域及其以南，公元前659—627年淮河流域有象栖息；第三个温暖时期就只在长江以南，例如，信安（浙江衢县）和广东、云南才有象。而5000年中的四个寒冷时期相反，长度愈来愈大，程度愈来愈强。从江河封冻可以看出这一趋势。在第二个寒冷时期只有淮河封冻的例子（公元225年），第三个寒冷时期出现了太湖封冻的情况（公元1111年），而在第四个寒冷时期的17世纪（如公元1670年）长江也出现封冻现象。

三、近代气候变化

1.温度和降水

近百余年来由于有了大量的气温观测记录，区域的和全球的气温序列不必再用代用资料。由于各个学者所获得的观测资料和处理计算方法不尽相同，所得出的结论也不完全一致。但总的趋势是大同小异的。研究结果表明，自1861年至2000年，全球表面年平均温度上升了0.4～0.8℃，20世纪可能是近千年中地表增温速率最大的一个世纪，在北半球，20世纪90年代很可能是近百年中最暖的一个十年，1998年是最暖的一年。上述结果比IPCC第二次评估报告所公布的（19世纪末至1994年）高出了0.15℃，这主要是由于1995—2000年地表温度资料的加入以及统计方法的进一步改进的结果（图4-2）。

图4-2　1861—2000年全球平均地表温度距平

不同时期、不同季节全球地表温度的增加速率存在明显差异。通过对不同时段增温趋势进行分析发现，1910—1945年和1976—2000年两个时期的增温速率相对较大，其中后一个时期的增温速率最大，特别是以北半球中高纬地区最为明显，个别地区的增温速率高达1℃／10年以上（图4-3）；而1946—1975年间，北半球大部分地区的年平均温度存在着下降的趋势。

在1976—2000年间，全球地表冬季平均温度升高最为显著，特别是以北半球中高纬地区更为明显，春季的增温幅度次之；而秋季的增温幅度最弱，某些地区还表现为降温趋势；夏季增温也比较弱（图4-4）。

总体上看，近百年来的地表年平均温度在全球绝大多数地区均表现为增高趋势。在海洋上的部分地区，特别是南半球海洋上的一些区域，温度呈现微弱下降趋势。全球地表温度变化还存在着明显的季节差异，20世纪70年代中期以来的增温以冬季和春季最为明显，秋季和夏季比较弱。

图4-3　1901—2000年不同时期增温速率（℃／10a）

图4-4　1976—2000年冬季与夏季增温速率（℃／10a）

但是，在全球增暖最明显的近20多年里，卫星微波探测技术获取的全球对流层中下层温度数据却给出了相互矛盾的结论。由于卫星资料的覆盖面非常广，除极地和高山（如喜马拉雅山）外，几乎覆盖了全球所有地区，包括沙漠、海洋、热带雨林等难以实施常规观测的地区。最近有研究者发现，从具有完整卫星观测数据的1978年底开始，卫星资料的分析表明，对流层中低层大气温度也在明显升高，Y.Konstantin等专家研究认为增暖速率达到0.22～0.26℃／10a，这和同期地球表层温度变化速率比较接近。J.Christy给出了中间估计值，认为在1978—2003年期间，对流层中低层大气平均温度上升了0.19℃，其中北半球平均上升了0.37℃，而南半球的升温还不到0.02℃；过去25年间全球对流层中下层平均增暖速率约为0.08℃／10a，仍明显弱于同期地球表层温度增暖速率。

准确估计全球平均降水量的变化趋势还很困难。有研究表明，20世纪全球陆地上的降水增加了2%左右，但显然各个地区实际的变化并不一致。北半球中高纬度大陆地区降水的增多更明显，北纬30°～85°陆地地区降水量平均增幅达7%～12%，且以秋冬季节最为显著。北美洲大部分地区20世纪降水增幅为5%～10%；欧洲北部地区在20世纪后半叶降水明显增多；1891年以来，苏联东经90°以西地区降水增加了5%左右。但是，在北半球的副热带陆地地区，年降水量却明显减少了，这在非洲北部表现得特别明显。20世纪南半球南纬0°～55°大陆区域的降水增加了2%左右。

海洋上的降水观测资料非常少，目前还无法估计全球海洋平均降水变化趋势，因而也难以估计过去100多年全球平均的降水量变化趋势。

2.极端天气、气候事件

从极端事件的变化研究来看，主要集中在利用近50年全世界比较丰富的逐日地面观测资料，P.Frich等对10个温度和降水有关的极端事件监测指标的变化进行了研究。结果指出，与温度有关的指标在近50年中都显示出了显著的变化，如夏季暖夜日数显著增加，霜冻日数显著减少（图4-5）；与降水有关的指标反映出显著的局地性，但连续5天最大降水量和大雨降水事件的频率显著增加了（图4-6）。需要指出的是，现有研究中许多地区如南美洲、非洲、西亚和东南亚地区资料仍然严重不足。

对于区域性研究，T.R.Karl的研究揭示了在美国和苏联极端最低温度在过去几十年有明显上升的趋势，而极端最高温度的变化则表现出较强的区域性，从大范围来看，无显著的变化趋势；N.Plummer对澳大利亚的研究表明，极端最低温度具有与平均温度类似的上升趋势，而极端最高温度的变化趋势则很弱；G.Gruza发现俄罗斯的极端高温日数在过去几十年里显著增加，R.Heino揭示了欧洲中部和北部霜冻日数逐步减少。其他一些研究也都进一步证实了在全球范围内热日增多而冷日减少的变化事实。

图4-5　近50年全球逐年霜冻日数的相对变化（标准值：1961—1990年）直线实线为线性趋势，线性趋势在95%的信度水平下显著

图4-6　近50年全球逐年大雨日数的相对变化（标准值：1961—1990年）直线实线为线性趋势，线性趋势在95%的信度水平下显著

在降水的研究方面，尽管在资料的完整性和研究工作上还很有限，但研究成果还是揭示了极端降水变化的一些基本特点。T.R.Karl研究揭示美国、苏联和中国在过去几十年里强降水占季节和年总降水量的比率有明显增加的趋势；Easterling研究显示在过去50年中，雨季的极端强降水和总降水变化的线性趋势在全球不同地区存在着明显的差异，但共同的特点是极端强降水的线性趋势比总降水在幅度上要大。这表明在对气候变化的响应上，极端强降水事件表现得更加明显。另外一些研究共同表明，在过去几十年中北半球中高纬度地区极端强降水事件的频率平均上升了2%～4%。

澳大利亚海域、东北太平洋、印度洋在过去几十年内，无论是热带气旋总频数，还是强热带气旋频数都没有明显的变化趋势；西北太平洋的热带气旋则表现出显著的年代际变化特征，1960—1980年期间表现为下降，而1981—1994年又明显上升；对北大西洋1899年以来的飓风资料分析表明，飓风频率除了表现出明显的年代际变化外，也不存在显著的长期变化趋势。

1900—1995年严重干旱／雨涝没有表现出明显的全球性长期变化趋势，但在最近的二三十年中撒哈拉沙漠、亚洲东部和南非等地区干旱更趋严重，而美国和欧洲等地雨涝增多。

对龙卷风、冰雹等小尺度极端天气现象的研究，目前还面临严重的资料困难。由于这些现象的尺度太小，加上局地性又太强，现有的观测资料很难全面反映出它们的真实情况。尽管如此，一些试探性研究表明，冰雹和闪电与平均最低温度和湿球温度之间存在显著的关系；自1920年以来美国的龙卷风在强度上表现出增强的趋势。

对温带气旋的研究目前仅有一些区域性的结果，多数研究结果表明，在20世纪的后半叶北半球温带气旋活动趋于增多，而南半球则趋于减少。

四、中国近百年平均气温、降水量变化

（一）温度变化

1.100年温度变化

采用最新的器测时期资料，对中国地区近100年的温度和降水变化规律进行再分析。资料来自国家气象信息中心资料室整理的1841—2001年的逐年、逐月温度和降水量数据集。由于历史的原因，观测台站及观测资料的情况非常复杂，变化也很大。首先是早期台站数量很少，以后随时间逐渐增加，其间在1950年以前的部分时段有较大波动，台站最多时达到687个。与台站数量少相对应，早期的资料覆盖面不完全，其主要特点是分布稀疏，位置偏东，西部无资料，这种情况随台站数量的增加而逐渐改善。考虑到1904年以前台站数量过少，因此以1905年作为起始年。

解放前中国温度资料的观测时制与时次不统一、日值统计方法不统一，这是影响温度序列均一性的一个非常重要的原因。为解决这个问题，新的研究采用求取最高、最低温度平均值表示平均温度的方法，这样做的好处是避免了观测时制、时次及日值统计方法不统一造成的不均一性，提高了解放前后温度资料的可比性。

图4-7是1905—2001年的全国平均温度变化情况。可以看到，中国年平均温度呈现明显的上升趋势，97年中上升了0.79℃，平均增温速率约为0.08℃／10a。这一变化略高于全球平均的增温幅度，也高于国内其他学者的估计值。在近百年中，20世纪40年代和80年代中期以后是两段温度明显偏高的时期，90年代和40年代分别比平均值偏高0.37℃和0.36℃，其他时期则以偏凉为主。两个明显的偏凉时期是20世纪10—20年代和50—60年代，早期的偏凉程度尤其突出。

图4-7　中国近百年来年平均地表气温变化（1905—2001年）a.温度距平；b.台站数量

2.近50年温度变化

使用全国726个地面站的月平均观测记录，对中国近50年来的温度变化做了分析。图4-8是年平均气温时间序列。1951—2001年中国年平均气温整体的上升趋势非常明显，温度变化达0.22℃／10a；51年间平均气温上升了约1.1℃。增温主要从80年代开始，且有加快趋势。

图4-8　1951—2001年中国年平均气温变化

从偏暖年份看，80年代以前的30年中，只有1973年偏暖，而且仅比1971—2000年平均偏暖0.03℃；而以后的21年中，出现了13个偏暖年份，而且偏暖的幅度也越来越大，51年中最暖的1998年相对1971—2000年平均值高出1.13℃。如果把界限放到1987年来看，增暖的趋势就更加明显。1987年以前的36年里，中国只有2个偏暖年份（1973年、1982年），而在以后的15年里，却出现了12个偏暖年份。90年代是中国20世纪后半叶最暖的10年，1998年是最暖的1年。

（二）降水变化

图4-9是1905—2001年全国平均的年降水量标准化序列的变化曲线。近百年来，中国的年降水量呈现出明显的年际和年代振荡，但趋势变化不明显，仅有微弱的减少（97年减少了8.6mm）。从降水的年代变化看，20世纪10年代、30—40年代和80—90年代降水偏多，其他时段降水偏少。

从各季节的降水变化来看，秋季和春季变化较明显，分别减少27.3mm和增加20.6mm，而夏季和冬季的变化趋势则不甚明显。

图4-9　中国近百年降水量标准化值变化（1905—2001年）a.标准化值；b.台站数量

图4-10是1956—2002年期间全国平均的逐年降水标准化距平值序列。这项分析利用了更多的国家基准和基本站月降水资料。从全国平均来看，近47年来年降水量呈现小幅增加趋势。但是，降水量变化对计算所取的时间区段比较敏感，如果取1951—2000年，则全国平均的降水量几乎没有趋势性变化。在1956—2002年期间，降水最多的年份是1998年，最少的年份是1986年。1990年以来，大部分年份的降水量均高于常年，而60年代多数年份则低于常年值。

图4-10　1956—2002年期间全国平均的逐年降水标准化距平值

从空间分布上看，长江中下游和东南地区年降水量从1956年到2000年平均增加了60～130mm，西部大部分地区的年降水量从相对意义上看也有较明显的增加，东北北部和内蒙古大部分降水有一定程度增加；中国华北、西北东部、东北南部等地区降水量出现明显下降趋势，其中黄河、海河、辽河和淮河流域平均年降水量从1956年到2000年约减少了50～120mm。

（三）其他气象要素及极端气候事件的变化

最近50年，中国大部分地区的日照时间、水面（蒸发皿测量）蒸发量和平均风速都经历了显著的下降趋势。全国平均日照时间从1956年到2000年减少了5%（130小时）左右，同期的年水面蒸发量减少6%左右。这种下降主要发生在20世纪70年代中期以后。日照时间减少最明显的地区是中国东部，特别是华北和华东地区；水面蒸发量下降最明显的地区在华北、华东和西北地区，其中华北的海河和淮河流域年水面蒸发量从1956年到2000年约下降了220mm左右；风速减少最明显的地区出现在我国西北。全国的总云量有减少趋势，其中内蒙古中西部、东北东部、华北大部以及我国西部个别地点减少最为显著。此外，近50年来中国平均最大积雪深度呈一定程度增加趋势，这可能主要是西部地区冬季降雪量增加的结果。

自1950年以来，中国全国平均的炎热日数没有出现显著的趋势性变化，而霜冻日数减少了10天以上，这和日最低气温增加明显的事实是一致的。同期中国的寒潮事件频数显著下降；近50年来长江中下游流域夏季暴雨日数明显增多，而西北东部、华北和东北的主要农业区干旱面积也呈增加趋势，但全国从总体上看，近50年内强降水事件影响范围和干旱面积的变化趋势并不显著；近50年特别是20世纪90年代以来，登陆中国的台风数量呈现一定下降趋势，东南沿海地区由于台风造成的降雨量也有减少现象；我国北方地区包括沙尘暴在内的沙尘天气事件出现频率总体上呈下降趋势。因此，与北半球一些地区不同，近50年来中国主要类型的极端天气气候事件没有呈现显著的增加趋势。