范文一:全球温度变化作业
全球温度变化的几点讨论1
--08地质曹喜林
第一部分 几个问题
1. 有多少认为温度在变暖?
2. 有多少认为变暖是CO2主导因素?
3. 有多少认为是人类排放的CO2是主导因素?
一. 对于第一个问题,图1、图2显示温度确实在变化
图1(地史时期温度也有高有低,怎么看待?)
图2 (近120年的简化图)
※有点矛盾的观点
英国气象局(MET )今日(2010.1)宣布,去年是排名1998年之后第二暖的一年。根据英国气象局和东英吉利大学的数据,2010年的平均温度是14.5℃,比1961至1990年间的全球平均温度高了0.5℃。
德国《明镜》周刊:“英国顶级的气候研究机构哈德利(Hadley )气候变化研究中心刚刚公布的数据显示:10年来全球气温一直很平稳,没有上升。”
出现这种情况的可能原因:即使得出同样的数据也可能会有不同的解读。
二. 对于第二个问题,有不同的观点
1、C O 2是主导,以戈尔《不可忽视的真相》演说为代表。
图3,1000年来冰川中二氧化碳与全球温度的相关性
图4,从长期来看,两者确有着十分密切的关系
※人们遇到的一个常见问题:
全球变暖为什么会出现部分地区冬天更冷的情况?不应该普遍升温吗?
中国气象科学研究院研究员卞林根:气温升高是有区域性的,说世界各地气温都在升高,此说并不完全准确,我国四川盆地就是降温的,南极的东南极也有微降。
去年不仅北京变冷了,而且世界上很多地区都变得比以往更冷些,这是由于冰川大量融化,使得两极的海水密度发生了变化,会阻滞冬季赤道暖流的运动,从而使得寒冷地区比以往冬季获得了更少的热量。 北美地区去年天气异常严寒的原因在于,来自北极地区的高气压减少了大气喷流的东西向流动,转而增加了南北向流动,导致北极地区的冷空气向北美地区移动,而中纬度地区的温暖气流则向北移动,最终使北美地区气温低于正常年份。
但有人对冰心中的记录的解释提出质疑
冰心中二氧化碳与温度的关系这么复杂,会不会是温度的升高导致二氧化碳的变化呢?
当然也有人出来解释说无法从同一载体得出温度、二氧化碳浓度以及时间,所以可能会出现时间上的误差,那么是不是我们从该图中只能得出“之间的联系十分复杂”?
全球温度变化的几点讨论2
08地质陈瑞雪
或许下面的图更让人信服:120年来太阳黑子的变化与全球温度的
变化有着更密切的关系。
2、太阳辐射才是主导,以俄科学家为例
阿卜杜萨马托夫是俄罗斯著名天文学家
阿卜杜萨马托夫表示,过去的一个世纪里,太阳辐射强度呈现前所未有的急剧上升态势,并在1998年至2005年达到峰值。
从目前的情况以及对太阳活动周期和太阳能出现的变化所作的全面分析来看,在现今这个200年周期内,太阳对地球辐射将会于2041
年或2042年达到最低值。从2012年至2015年起,全球气温将开始缓慢下降,严寒将不可避免地出现在2055年至2060年前后。全球降温期将会持续50年左右,在此之后气温又将开始又一轮的缓慢上升。但他强调,届时全球范围内年平均温度将会比现在降低大约1℃到1.5℃,人们无需为此担忧。
质疑
●数据不符
●没有11年的周期 ●太阳活动的滞后性
另外的证据
●还是俄国人称,有证据表明,地球、火星、冥王星以及太阳系的其它
行星,目前都面临气候变暖的情况。
●在对火星的观测中,天文学家们发现火星上的冰帽正在不断消融 。
不过,有的科学家们认为,太阳黑子变化仅在千分之一左右,完全没有大到可以大规模影响地球气候的程度。还有其他因素如,海卫一的变暖可能是因为该星球的南部出现了百年不遇的极端夏季,也可能是由于其表面的冰的构成发生了变化,从而使其吸收了更多的太阳热量。对于冥王星变暖,则很可能是由于火山的喷发活动。所以对于火星来说,不好说。
三. 对于第三个问题,人类产生的二氧化碳有多大关系?
非人为因素导致 (拐点与下降怎么用温室效应解释?)
不过也有这样的说法,1940-1975
年气温下降是由于气溶胶(特
别是硫酸盐气溶胶)的气候效应造成的,这已经被世界上多个GCM 模式所模拟得到。
阿卜杜萨马托夫也表示:强烈的太阳辐射使得海洋表面温度增加,并产生大量二氧化碳等温室气体,相比之下,人类活动产生的温室气体不值一提。地球在太阳影响下已经经历了多次气候周期性变暖和变冷。
全新世最大值时温度要高于现在,北极熊并没有灭绝,中世纪的高温造就的是很多城市的欣欣向荣,我们还担心什么?
全球温度变化的几点讨论3
08地质安志雄
第二部分 主要提出几个问题,如C O 2的温室效应等
1. 水蒸气的效应比二氧化碳大的多、水蒸气在大气中的平均浓度大约 10000p p m 、为 2007 年二氧化碳浓度 379p p m 的 26 倍之多、即便是等量水蒸气与等量二氧化碳的温室热效应是一样的、那么二 氧化碳的温室效应只是水蒸气的 3. 8% 。温室效应的大小可以用体积来衡量吗?
2. 约 3400 万年前,地球大气中二氧化碳浓度开始下降,当这一浓度在 约 3350 万年前下降到 760ppm(1ppm为百万分之一)左右的临界点时,南极冰盖开始大面积形成 。二氧化碳在那个时期似乎只是次要因素,那么当今呢?
N A S A 的科研小组发表在《科学》杂志上
●水蒸气和云层是形成地球温室效应的主要因素,但对于最新大气—海
洋气候模型的研究表明,地球的温度最终取决于大气中二氧化碳的含量。
●证实了非冷凝温室气体是引起地球温室效应的核心因素,如二氧化碳、
甲烷、一氧化二氮、臭氧和氯氟碳等。如果没有非冷凝温室气体,水蒸气和云层就不能形成增强温室效应的反馈机制。
●在各种造成温室效应的因素中,水蒸气和云层占75%,二氧化碳占20%,
少量气体和悬浮颗粒占剩下的5%。然而,后两种占25%的非冷凝温室气体是维持温室效应的关键因素,而二氧化碳吸收了形成温室效应的80%的辐射能。
●理所当然(?),全球变暖与二氧化碳含量增加及工业活动直接相关。”
反对的人也有自己的模型来证明温室效应已经饱和,再增加二氧化碳也不会对温度产生明显影响。
人类产生的C O 2
人类排放的二氧化碳只占大气中二氧化碳很少一部分,只有百分之几,火山每年产生的二氧 化碳比工厂、汽车、植物和人类加起来的都多。人造二氧化碳年总排量 231 亿吨、动物细菌二氧化碳排量 1500 亿吨、自然界总排量 7931 亿吨、人造二氧化碳排量只占地球排量的2. 91% 。那么这2. 91% 是否打破了自然的“平衡”呢? 如此信誓旦旦的说法是否有什么依据?
来自美国《科学》(14 June 2011, 3:30 PM)
原著:Sid Perkins
在气候变化怀疑论者当中,一个流行的说法是:火山爆发的二氧化碳排放量会使人类活动产生的二氧化碳排放相形见绌。但是,今天出版的Eos 杂志上,有一项新的研究报告显示,情况恰恰相反:在仅仅两到五天里,烟囱、排气管喷出的二氧化碳,以及其他来自人类的二氧化碳,就相当于火山爆发一年所排放的二氧化碳。据这篇论文报道,最近的五项研究表明:全世界的火山(包括像阿拉斯加的什沙尔丁火山,见上图)平均每年喷发1.3亿至4.4亿公吨二氧化碳。但是根据估计,2010年人类活动产生的二氧化碳排放量异常庞大,为350亿公吨。个别的爆发事件,如1991年皮纳图博火山一次较大的爆发持续了大约9个小时,排放二氧化碳的速度可能跟人类活动的排放速度相同,但是这些爆发仅仅持续很短的时间。该研究指出,在一年当中有700多座皮纳图博规模的火山爆发才会相当于人类活动所排放的二氧化碳量。
政治、经济、心理因素
1. 遏制发展中国家
2. 70年代起的煤炭工人罢工与核能 3. 华尔街的利益
4. 政府开始征收各种税款 5. 科研人员为了经费
6. 与之相关的就业和政治活动
7. 大的形势下科研组织、媒体与普通民众的心理。
两种呼声
全球温度在升高,海平面在升高,冰川在融化,马尔代夫马上要消失
在海底,北极熊开始溺亡,你还有什么理由不去控制碳的排放呢?
控制向大气排放污染物如二氧化硫、氟利昂等等是绝对应该支持的,
但是二氧化碳…只怕人类千方百计的牺牲自己生活的碳减排,仍然比不上太阳打个喷嚏的效果,到头来得利的是玩碳金融的吸血鬼。
结论
气温的升降过程十分复杂,人类的活动在其中究竟占有多大比重,根据现在人类的研究手段和水平,真的很难分理清楚。不过由此产生的争论也促进着这个问题的研究的进一步发展。
范文二:全球温度变化趋势
1.7人類活動與氣候變化
從歷史資料分析可見,地球溫度與溫室氣體之相關性,過去
16萬年前以來,溫度與二氧化碳濃度間之關係,當溫度高時
CO 2濃度就高,當溫度低時 CO 2濃度就低,相同正相關性亦
可見於其他溫室氣體。近 200多年來 CO 2與 CH 4濃度急速上
升,而根據針對溫度資料進行分析,以 1961至 1990年溫度
資料為基準,則可以得知是為上升之趨勢,而相關証據顯示
採取因應措施。
2.1 大氣環流模式
前面提到許多有關人為活動加強了溫室效應,及可能導致全
球暖化,也利用 0維模式進行初步分析,然其分析結果為地
球之平均特性,如何考量時間與空間之特性,則需要更成熟
之模式,目前最成熟之氣候模式是利用數值分析方法求解描
述氣後物理特性之數學方程式,並利用三維網格分析不同緯
度、經度、高度、及時間之氣候。目前用於預測未來氣候之
最 成 熟 量 化 分 析 工 具 均 歸 類 為 全 球 環 流 模 式 (General
Circulation Model, GCM)。
2.2 使用大氣環流模式模擬氣候
受限於計算能力限制,目前(2002)仍沒有任何電腦可夠快 Atmospheric and Hydrologic Systems
范文三:对流层全球温度变化及趋势分析
对流层全球温度变化及趋势分析
张善强
(河南省气候中心, 郑州460003)
1
摘要:利用1948~2006年NCAR/ NCEP再分析资料月平均温度,通过对18层气压层的年平均温度、月平均
温度历年变化和相关的倾向率分析,得到如下结果:高层的年平均温度比低层先开始增温,250hpa、300hpa的平均温度值在20世纪70年代末出现均值突变,并一致持续到现在,而低层是在持续逐渐增温,是变率突变;高层年平均温度比低层增温快,各月的平均温度中,冬季高层平均温度倾向率比低层的大,即冬季高层平均温度比低层增温快,其它季节平均温度倾向率有两个区域高层比低层小;冬季高层的月平均温度比低层增温明显,有利于逆温的产生,这可能是近年来冬季大雾多发生的原因之一;夏季高层的月平均温度比低层增温大,但是幅度小。因此,我们认为大气温度的持续上升并不单单是二氧化碳等温室气体的作用,类似于平流层温度的下传也有可能。对流层各个气压层平均温度变化的事实说明低层或地面的温度变化是伴随着高层或大气圈而变化的。高层年平均温度变化趋势已开始降温,低层年平均温度变化趋势还没有下降。
关键词: 对流层 平均温度 倾向率 突变
1 引言
全球变暖是当前气候变化研究的主要方面之一。进入21世纪,全球气候增暖一直在延续,
①②
在20世纪90年代,全球温度有一个显著的增高并持续到现在。研究气候增暖原因有各种论述,美国科学家研究认为全球气温升高与煤烟颗粒有关;德国研究人员分析得出目前水蒸汽的增加使长波辐射的吸收加大导致温度升高;而归结为二氧化碳的增加更是很多科学家的依③
据。气候变化可能并非某方面因素造成的,它取决于由大气圈、水圈、冰雪圈、生物圈和岩
④⑤
石圈等五大圈层所组成的“气候系统”的整体相互作用以及地球唯一外来热源太阳的变化。由于地球大气、空中灰尘及下垫面对太阳辐射吸收反射的能量是相对平衡的,而造成大气运动异常的应该还有外在因素,地球气候本身的变化机理也有待深入研究,《平流层—对流层
⑥
交换研究进展》文中论述一系列的(SET)平流层和对流层交换途径,自然和人为排放的化
⑦
学物质对大气成分影响的过程;对流层顶温度场演变的也有人进行了气候学的分析;20世
⑧
纪90年代前一些人给出对流层和地表增温,对流层顶和平流层底变冷。本文试图以对流层各个气压层平均温度变化的事实来说明低层或地面的温度变化是伴随着高层或大气圈而变化的。
我们利用NCEP/ NCAR 再分析资料,对1948 年以来的全球18气压层的温度进行统计分析。特别关注各层的年、月平均温度的变化趋势的比较以及各层倾向率的分析对比。
2 资料与方法
资料来源于NCEP REANALYSIS。我们希望得到可以用来描述空间变化特征趋势变化的指
⑨
数。为此, 用参考文献的方法, 分别计算了两种气候趋势特征指数,即(全球)平均温度和温度倾向率。
收稿日期 2008-3- 收到; 基金项目
作者简介 张善强,男,1958年出生,硕士,高级工程师,主要从事气候变化及预测研究。Email: zsqiang0@yahoo.com.cn
2.1 平均温度
n,m
某气压层平均温度T =∑Tij Tij温度,n = 73 纬度,m = 144 经度。
i,j=12.2 温度倾向率
通常温度等气候要素的趋势拟合可以用二次方程表示, 即:
^2
(1) Xt = b0 + b1T + b2T
其中t = 1, 2, , n为年份序号。
而线性趋势变化只需选用一次方程, 即:
^
Xt = b0 + b1T (2)
^d Xt
其中,b1=dt
本文计算了温度年平均值、月平均值和温度倾向率。 限于篇幅, 文中只对年和月的温度平均值和温度倾向率进行了分析。
方差可以较好地显示温度围绕平均值的平均变化幅度,所以为了说明各层温度年平均值、月平均值的差异,文中还对要素的方差进行了分析;同时由于对流层各层的温度本身具有差别,平均值及标准差亦有所不同,为使它们在同一水平上比较,我们对资料进行标准化处⑩
理。
3 对流层温度分析
3.1对流层各层温度变化
在年平均温度中(图略),400hpa以下层次演变趋势较一致,倾向率为0.012~0.019之间,其增长趋势是逐步增高,线性拟合较好,400hpa以上层次演变振幅较大。图3.1.1是经过标准化处理的高低层年平均温度变化曲线,明显可见,高层温度变化差异较大,各层间的变化差别大;低层变化趋势基本一致。400和500hpa是过渡层。从年平均温度数值上看(表略),400hpa以上气压层在1979年有明显的突变,平均上升0.95度,200~300hpa各层进入
(11)
一个相对高的温度区间;500hpa及以下气压层在1980年有明显的突变,平均上升1.09度,而且,进入90年代有一个稳步上升的趋势。高层比低层提前一年发生突变。
图3.1.1 气压面上年平均温度标准化值曲线:上图为高层,下图为低层
图3.1.2 气压面上年平均温度变化曲线:上左为100hpa,上右为250hpa 下左为400hpa,下右为1000hpa
图3.1.3 出现突变的1979年的年平均温度距平(红线为正距平,蓝线为负距平):
上左为100hpa,上右为250hpa,下左为400hpa,下右为1000hpa
图3.1.2,100hpa、150hpa气压层20世纪70年代末到90年代初为一峰值,其它年代平均温度较低。其中100hpa层,1948~1978年平均温度-64℃,1979~1994年平均温度-63.11℃,1995~2006年平均温度-64.2℃,振幅分别为0.89℃和-1.09℃,58年间最高最低温度差为2.235℃(表3.1.1);200hpa~300hpa各层在70年代末有一个升高突变,进入一个较高的温度平均值,其中250hpa层1948~1978年平均温度-50.35℃,1979~2006年平均温度-49.59℃,升幅0.76℃,58年间最高最低温度差为1.618℃;400hpa、500hpa气压层温度平均值相对升温较缓,其中400hpa层1948~1978年平均温度-31.6℃,1979~2006年平均温度-31.2℃,升幅0.4℃,58年间最高最低温度差为1.146℃;而500hpa以下的层次平均温度演变是逐渐增高的,没有明显的突变,58年间最高最低温度差为1.654℃,突出的是,近几年升温较快。
由以上分析可见,在对流层内,20世纪70年代末平均温度演变有一次大的温度变化,高层(100~400hpa各层和平均温度值1979年减去1978年)振幅达到0.46度(见表3.1.1),低层(500~地面各层和平均温度值1980年减去1979年)振幅为0.36度。而且高层(200~300hpa)上升到这一高度值后,持续到目前一致在这一位置附近振荡,低层平均温度则是持续上升。
对应图3.1.2给出图3.1.3,这是1979年出现大变化的年平均温度距平图。从全球来看,明显可见高层温度升幅比低层温度升幅大。另外,从高低层的标准差分析看(表略),500和400hpa层的值最小为0.28和0.30,低层在0.31~0.39较大,高层在0.43~0.57之间最大,也说明高层升温较低层升温明显。
A = T(250+250+300) - T(850+925+1000) (1)
为了更直观地显示对流层中的升温幅度,由式(1)中的‘A’来分析各月的高低空的平均升温幅度(见表3.1.2)。11月、12月、1月、2月(冬季)和4月差值大于2以上,说
表3.1.1 年平均温度各气压层的差值、倾向率计算 气压层(hpa)
最大差值
-50.593 - -42.82 = -7.773
-56.888 - -51.275 = -5.613 -58.039 - -54.84 = -3.199 -61.194 - -58.47 = -2.724 -64.013 - -61.354 = -2.659
70年代末升幅
倾向率 0.0951 0.0399 0.0068 -0.0147 -0.0124
10 20 30 50 70
100 150 200 250 300 400 500 600 700 850 925 1000 Surface
-64.838 - -62.603 = -2.235 -60.281 - -58.178 = -2.103 -55.822 - -53.789 = -2.033 -50.772 - -49.154 = -1.618 -44.734 - -43.244 = -1.49 -31.878 - -30.732 = -1.146 -21.411 - -20.293 = -1.118 -13.278 - -12.036 = -1.242 -7.474 - -6.074 = -1.4 -0.408 - 1.295 = -1.703 2.807 - 4.462 = -1.6556.031 - 7.685 = -1.6543.686 - 5.277 = -1.591-63.51 - -62.841 = -0.669 -58.621 - -58.417 = -0.204 -54.306 - -53.96 = -0.346 -50.075 - -49.405 = -0.67 -44.379 - -43.704 = -0.675 -31.449 - -31.277 = -0.172 -20.933 - -20.671 = -0.262 -12.71 - -12.446 = -0.264 -6.907 - -6.633 = -0.274 0.228 - 0.532 = -0.304 3.271 - 3.674 = -0.403 6.395 - 6.893 = -0.489 3.971 - 4.528 = -0.557 0.007 0.016 0.0189 0.0192 0.0189 0.0116 0.0118 0.0148 0.0143 0.0194 0.0165 0.0167 0.0154
明高层升温大的多,高层升温明显,低层升温趋势小,这有利于逆温产生,有可能导致冬季(12月、1月、2月)月平均温度上升明显。而5月、6月、7月、8月(夏季)差值小于0.6,显示高层比低层升温幅度明显小于冬季。
表3.1.2 各月的高低空的平均升温幅度
月差值 0.401
0.526
0.118
0.795
各月的18层月平均温度变化分析看(图略):夏季各层的温度增速慢,其他季节快一些。250hpa以上的各层演变振幅较大,而250hpa以下各层演变振幅较小,都在2度以下,最小在1.3度。演变振幅最小的是400和500hpa。即5500米一下对流容易,以上变得较难。
以上对比分析可见都是高层升温大,低层小,这样不利于高低层对流,有可能是导致地
(12)
面温度增高的原因之一。联系到平流层的温度增速更大,因此近年全球温度变暖的原因也有外层空间及其它增温的作用。
3.2对流层内各层温度倾向率趋势
图3.2.1对流层内各月平均温度倾向率随高度变化
如图3.2.1所示,各月温度平均值的倾向率在50hpa、70hpa气压层中为负,即历年趋势是降温的,其他各层各月温度平均值倾向率为正,即对流层中各气压层的温度平均值趋势都是升温的。400hpa、500hpa(600hpa)的温度平均值倾向率最小,升温趋势也较小。在对流层内(100hpa层以下),除了11月、12月、1月、2月底层倾向率小于高层外,其它各月倾向率有两个区域400hpa-100hpa、1000hpa-500hpa,区域内倾向率都是低层小于高层,也就是在250hpa、850hpa分别有一个极值。对于平均温度趋势发展就是更有利于区域内低层温度高于高层温度,有利于区域内的高低层对流发展。
冬季(11~12月、1~2月)温度平均值倾向率高层比低层大,其中1月高低层相差近4倍(0.02/0.005),即高层比低层升温快的多;夏季(6~8月)温度平均值倾向率高层比低层小,其中8月高低层相差为0.8倍(0.019/0.023)即高层比低层升温慢。其余各月温度平均值倾向率高低层温度上升趋势差异在冬夏之间。
4 结论和讨论
从以上分析,我们可以得出如下结论:
1) 高层的年平均温度比低层先开始增温,250hpa、300hpa的年平均温度在70年代末出现
均值突变,并一致持续到现在,而低层年平均温度是在持续逐渐增温,是变率突变。 2) 高层年平均温度比低层增温快;各月的平均温度中,冬季高层平均温度倾向率比低层的
大,即冬季高层平均温度比低层增温快,其它季节平均温度倾向率有两个区域高层比低层小。
3) 冬季高层的月平均温度比低层增温明显,有利于逆温的产生,这可能是近年来冬季大雾
多发生的原因之一;夏季高层的月平均温度比低层增温幅度小。
由观测事实可知,下层大气的增温来自于水汽、CO2等的长波辐射吸收(化学变化等产生的热量不考虑),地面的热传导加热,太阳的短波辐射吸收较少。对于高层长波辐射吸
()()
收大部分来自于CO2,太阳的短波辐射吸收也较少,来自低层的对流加热更小1314,但是,
()
平流层的热量下传(尤其在增温期间SSW)可能是一个大的来源12。对比高低层的增温途径来看,低层的增温来源比高空的来源还要多,然而,观测事实是高层增温更明显、倾向率也更大,所以,单从二氧化碳的长波辐射吸收热量的温室效应可能不是主要的来源,而高空平流层热量的下传到对流层高层,然后高层再传导到低层,可能是地面气温上升的重要热源之一,这可能是有待我们进一步研究的问题。对流层各个气压层平均温度变化的事实说明低层或地面的温度变化是伴随着高层或大气圈而变化的。高层年平均温度变化趋势已开始降温,低层年平均温度变化趋势还没有下降迹象。
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analysises
Zhang Shan-Qiang (Henan Climate Centre , Zhangzhou , Henan 450003)
Abstract: Make use of 1948-2006 monthly mean temperature NCAR/ NCEP reanalysis data, pass to the yearly mean temperature, the monthly mean temperature of 18
barometric layers change and the related tendency rate analysis, get as follows as a result:The yearly mean temperature of the high layer starts heat earlier than the low layer, the mean temperature of the 250 hpa、300 hpa appears the mean catastrophe in the end of 70's in 20 centuries, and consistently keep on to now, but the mean temperature of low layer is at heat gradually continuously,is the variability catastrophe;The yearly mean temperature of the high layer compares the low layer to heat quickly.In the each mean temperature, the high layer mean temperature tendency rate is bigger than low layer's in winter, namely the high layer mean temperature compares the low layer to heat quickly in winter. The other seasons mean temperature tendency rate have two space district to be smaller than low layer;The monthly mean temperature of high layer compares the low layer to heat obviously in winter, be advantageous to the creation of inversion. This may be one of the reasons of the heavy mist to take place much in winter in recent years; The monthly mean temperature of high layer compare the low layer heat greatly in summer, but the range is small.Therefore, we think that the atmosphere temperature rising continuously is not only single the function of the glasshouse air of a carbon dioxide etc. Similar in stratosphere temperature spread also probably. The fact of the barometric layer mean temperature variety in the convective layer explains that low layer or the temperature variety of the grounds accompany with the high layer or the atmosphere variety.The yearly mean temperature variety trend of high layer has already started reduce the heat. The low layer yearly mean temperature variety trend of the low layer have not yet descended.
Keyword: Convective layer mean temperature tendency rate catastrophe
地址:河南省郑州市金水路110号(河南省气象局气候中心) 邮编:450003
email:zsqiang0@yahoo.com.cn
范文四:全球平均温度在21世纪将怎样变化
2010年 第55卷 第16期:1532 ~ 1537
专题: 近百年气候变化论 文
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
www.scichina.com csb.scichina.com
全球平均温度在21世纪将怎样变化?
钱维宏①, 陆波①, 祝从文②
① 北京大学物理学院大气科学系, 北京 100871; ② 中国气象科学研究院, 北京 100081 E-mail: qianwh@pku.edu.cn 2009-12-28收稿, 2010-03-18接受
国家自然科学基金资助项目(90502001, 90711003, 40890053)
摘要 采用HadCRUT3全球平均温度距平序列和北太平洋海温年代际涛动(PDO)指数及赤道中东太平洋海温距平序列, 探讨了全球温度变化中的长期趋势和多时间尺度周期性波动. 研究发现, 过去159年(1850~2008年) 的增暖速率是每100年0.44℃, 其间叠加了1910年前后和1950~1970年前后的两次冷期, 以及19世纪70年代、20世纪40年代和1998年以来的3次10年际暖期. 器测的全球温度变化中存在准21 a和准65 a的周期性波动并受百年尺度波动的影响. 最近的10年际暖期是这3个周期性波动正位相叠加的结果, 形成了器测温度以来的首次叠加现象. 3个周期性波动叠加的最大增温是0.26℃, 时间发生在2004年. 准21 a和准65 a的周期性波动反映了太阳辐射和海洋变化的影响. 根据这一长期趋势和3个周期性波动, 能够预测21世纪30年代会出现一个冷期, 而在21世纪60年代出现一个暖期. 21世纪的最大增暖幅度在0.6℃附近, 远小于IPCC 报告的预估.
关键词
全球气温 长期趋势 周期性波动 10年际暖期 预测
地球气候变化的原因来自地球系统外部的强迫和内部不同部分之间的相互作用. 全球平均气温是反映地球气候变化的重要指标, 也是历次政府间气候变化专门委员会(IPCC)报告的核心内容之一. 科学界试图预测未来的气候(气温) 变化, 其首要前提是要有足够长的可靠的历史气温观测, 其次是对气温变化的过程和机理有足够的认识.
最近Peterson 等人[1]针对20世纪50~70年代的冷期, 分类了科学界在20世纪60~70年代发表的全球降温、全球增暖和不确定的相关文章. 在他们给出的统计表中, 20世纪60年代只有1篇降温的文章, 70年代有6篇. Peterson等人[1]的统计发现, 20世纪60年代全球增暖的文章有3篇, 70年代达40余篇. 20世纪80年代全球增暖的文章增加到200多篇, 90年代增加到4000多篇. 21世纪以来的9年, 全球增暖的相关文章达到了9000多篇. 全球增暖已经成为科学界和全人类瞩目的问题.
英文版见: Qian W H, Lu B, Zhu C W. How would global-mean temperature change in the 21st century? Chinese Sci Bull, 2010, 55, doi: 10.1007/s11434-010-3258-5
在不同排放前景下, 2007年IPCC 报告[2]多模式集合预测2090~2099年相对1980~1999年的全球平均气温增加在1.8~4.0℃之间, 即增温会达到2℃. 全球平均温度增暖2℃的阈值已成为当前国际谈判的焦点. 最近Kerr [3]在Science 上报道指出: 1999~2008年的10年全球平均温度并没有像IPCC(2007)报告的那样上升0.2℃, 而是出现了一个10年温度平台(stagn- ation or flat). 这就是我们曾经论述过的中国气候变化的10年际冷期和10年际暖期[4,5]. 针对全球温度变化表现出的新特点, 有研究认为[3], 这一现象是暂时的, 全球增暖仍将继续. 也有研究认为[3], 过去的10年中, 温室气体增暖的痕迹已经终止. 前者推测, 气候系统中的海洋环流部分会使全球降温, 使温室增暖暂缓了10年. 也有研究推测, 温度下降可能与温室气体、污染气溶胶、火山气溶胶、海洋ENSO 事件和太阳活动等多方面的作用有关. 针对目前的争议, 本文试图利用1850~2008年的全球月平均气温序列[6],
分解这一时期中多次冷期和暖期的特征, 最后对21世纪的全球平均气温给出可能的预估.
1 全球平均气温变化中的阶段性趋势
本文采用HadCRUT3器测1850年1月~2009年3月全球月平均气温相对30年(1961~1990年) 平均的距平序列[6]. 在1850~2008年逐年平均的全球气温距平序列中, 1986年以来的全球平均气温距平始终大于0℃. 图1中分别标出了1850~2008, 1911~2008和1976~2008年3个时段的增温趋势, 它们分别是每100年0.44, 0.73和1.7℃. 如果保持最近33年的全球增暖速率不变, 则21世纪末的气温值是2.03℃, 与IPCC 多模式集合预估的2090~2099年增暖低限值相近. 过去的159年中, 全球气温经历了3次年代际暖平台和2次年代际冷低谷的变化, 分别出现在1878, 1911, 1944, 1976和1998年. 由相邻暖平台和冷低谷可以给出气温变化的阶段性趋势. 最近33年的增暖趋势与1911~1944年的增暖趋势(0.16℃/10 a)相当. 1878~1911年经历了全球降温的趋势(?0.088℃/10 a). 1944~1975年全球平均气温维持了一个相对低温时段, 没有明显的趋势变化. 1998年是过去100年来气温最高的1年, 2002~2005年全球平均气温位于次高, 但从2006~2008年气温在持续下降. 由此可见, 1998~ 2008年已经形成了一个10年际的气温平台. 这个气温平台类似于20世纪40年代的10年际暖平台.
从图1中看出, 1976年是20世纪后期全球平均气温最低的1年. 用1975~2008年月平均全球气温序列计算了它的总趋势, 为每10年增暖0.17℃. 从图2可以清楚地看出, 这一时段的气温变化还存在10年际的波动. 1998年是过去34年来平均气温最高的1年, 而2008年是1998年以来平均气温最低的1年. 1998~2008年的11年趋势是每10年?0.01℃, 即近10年平均气温有所下降. 2008年以来北半球不断发生的大范围寒冷、雨雪、冰冻天气过程也可能是这一降温趋势的表现. 事实上, 用不同的10年, 或用某个30年的趋势预估未来几十年或未来百年的温度变化是不合适的.
2 全球气温变化中的周期性波动
从图1和2中看出, 全球平均气温序列中存在长期趋势和短期振荡. 早在2002年我们使用Mann 等人[7]在1999年给出的和在2001年被
IPCC
报告引用
论 文
图1 1850~2008年逐年全球平均气温(相对1961~1990年
全球平均气温) 的距平序列
实直线指示1850~1878, 1878~1911, 1911~1944, 1944~1976和1976~1998年每10年趋势0.051, ?0.088, 0.160, 0.003和0.175℃. 虚线指示1850~2008, 1911~2008和1976~2008年3个时间段的每100
年增温趋势0.44, 0.73和
1.70
℃
图2 1975年1月~2008年12月的月平均全球温度(相对
1961~1990年全球温度) 的距平序列
实线分别指示1975~2008年趋势(0.17℃/10 a)和1998~2008年趋势
(?0.01℃/10 a)
的过去千年北半球温度序列做分析, 也能得出不同时段的长期趋势和短期振荡. 这一结果到2006年才发表[8]. 2008年, Mann等人[9]更新了近2000年的全球温度序列. 从更新的序列中可以检测到中世纪暖期和小冰期的存在, 近千年内它们之间的平均温度在1450年前后突然降低了0.24℃(图略). 气候学界对这一温度突然下降的原因仍不清楚. 在最近的千年中, 全球温度变化可划分为3个大的时期, 前400多年处于中世纪暖期(MWP), 接着出现了近400年的小冰期(LIA), 从1850年开始进入到全球增暖期(GWP). 随着工业革命的开始, 1850年以后有了相对多的器测温度. 我们用1850年以来的器测逐年温度减去对应
1533
2010年6月 第55卷 第16期
年份的趋势值, 得到图3(a)中的偏差温度序列. 在去趋势的偏差气温序列中可以清楚地看到3次暖平台和2次冷低谷. 3次暖平台分别出现在19世纪70年代, 20世纪40年代和1998年以来的10年. 2次冷低谷分别出现在1910年前后和1970年前后. 因此, 剔除全球增暖期以来的长期趋势后再分析其中的多时间尺度温度振荡是有意义的.
在时间序列的分析中, 子波变换[10]和经验模态分解(EMD)[11]方法比Fourier 变换的优越之处在于它们能够很好地表达信号的局域频谱特征. 而本文要考察的是如何用有限几个有物理基础的正交周期性波动函数, 最大化满足全序列的拟合. 因此, 我们先对图3(a)中的原序列做子波变换,
得到几个主要的周
期性波动
. 再用具有波动形式的余弦函数进行全序列拟合,
使拟合的偏差平方和达到最小. 当用
Mann 等人[9]
的序列做最近千年温度序列子波分析时发现, 全球气温在小冰期期间有准115 a的振荡和近200年
图3 去趋势后的气温变化及其模拟和余弦函数随时间的变化
(a) 去趋势后的1850~2008年全球平均气温距平序列(柱状图), 长虚线为21.2和64.1 a两个周期性函数的线性叠加, 实线为21.2, 64.1和179 a三周期性函数的线性叠加; (b) 3根余弦函数: 实线21.2 a周期 函数y =0.055cos(0.296t +10.0), 短虚线64.1 a周期函数y =0.111cos (0.098t +4.70), 长虚线179 a周期函数y =?0.109cos(0.035t +39.0),
其中t 是从1850~2008年
1534 来的180~200 a振荡频带. 于是, 我们根据最大拟合效果取用了179 a的周期性波动函数. 图3(a)中的两条曲线分别给出了2个和3个周期性波动函数模拟的1850~2008年全球气温. 用21.2和64.1 a两个尺度周期性波动函数模拟, 3次暖平台和2次冷低谷显现出来了. 用21.2, 64.1和179 a三个周期性波动函数的线性叠加, 模拟的气温曲线更逼近原始序列. 从图3(b)中看出, 过去的159年中这3个周期性波动函数只在21世纪之交出现了10年际的正位相叠加现象. 1910年前后的最冷低谷也用这3个周期性波动函数模拟出了.
周期性波动反映的是自然变率, 在未来的气候变化中这些波动仍然存在. 于是, 我们在图4中给出了过去159年气温序列及其不同周期性波动函数的模拟和对未来到2100年的逐年气温预报. 用3个周期性波动函数和长期趋势较好地模拟了过去159年的温度变化. 在对未来的预测中, 全球平均气温从最近的暖平台开始阶段性下降, 到2035年达到一个低谷, 平均温度在0.22℃, 之后温度又开始逐步上升, 到2068年达到一个0.58℃的暖平台. 在21世纪末, 全球平均气温为0.31℃. 需要说明的是, 这里的全球平均气温预报仅仅局限于不同周期性波动函数值的线性外推和与百年趋势的叠加, 没有考虑不同波之间的非线性相互作用效果.
3 全球平均气温周期性波动的可能原因
我们来寻找全球平均气温序列中21.2和64.1 a两个周期性波动产生的可能原因. Schlesinger和Raman- kutty [12]使用奇异谱分析(SSA)方法对4条全球温度序列进行了分析, 得到这些温度序列中存在65~70 a的振荡, 并认为这一振荡是海气耦合系统中的自然变率. 在这一系统中, 大气的信号可以从海洋中去寻找. 在全球海温变化中, 北太平洋海温变化的年代际涛动(PDO)所具有的时间尺度与全球温度64.1 a周期性波动的时间尺度相当. 图5(a)是对去趋势全球年平均气温和PDO 指数序列[13]做标准化处理后的比较. 根据PDO 资料的来源介绍, 这一序列中已去除了全球增暖的影响, 并且PDO 代表的海温只是全球海洋的部分, 即20°N以北的北太平洋. 20世纪的100年中, 全球平均气温的两次冷低谷和两次暖平台在PDO 序列中也同样存在. 除了振幅上对应关系不够平稳外, PDO 的变化位相超前全球平均气温是稳定的. 用去趋
图4 观测全球平均气温序列及其周期函数模拟与21世纪
气温预报
1850~2008年逐年全球平均气温距平序列(黑折线), 长期趋势(直线, 0.44℃/100 a); 21.2和64.1 a周期函数线性叠加和预报(虚曲线); 21.2,
64.1和179 a周期函数线性叠加和预报
(
实曲线
)
图5 全球平均气温与PDO 指数序列的位相比较
(a) 去趋势后的1900~2008年全球平均气温标准化序列(实线) 与PDO 指数标准化序列(虚线); (b) 用去趋势后的全球温度标准化序列减PDO 指数标准化序列的差值序列. 差值序列中的黑色直线表示阶段
差值平均
势全球平均气温减PDO 指数得到的差值序列可以反映它们之间的年代际位相差(图5(b)). 20世纪20~30年代和20世纪70~80年代PDO 序列上升超前全球平均气温(负值), 又在20世纪40~50年代和1998年以
论 文
来的10年中PDO 序列下降超前全球平均气温(正值). 在过去的100年中, PDO超前全球平均气温0~10年的相关在0.2~0.3之间, 达到了99%信度. 而它们之间的滞后1~9年相关在±0.1之间, 不具显著性. 基 于PDO 的区域性和与全球平均气温变化的位相关系, 我们推测目前全球温度经历的暖平台是全球平均气温在年代际尺度上有所下降的表征.
我们再考察年际全球平均气温变化与赤道中东太平洋Ni?o3.4区年际海温[14,15]变化之间的关系. 从图6中看出, 主要的赤道太平洋年际增温事件都对应有全球平均气温年际增加, 而年际海洋降温也对应有全球平均气温年际下降. 赤道太平洋的海温与全球平均气温具有同期的和超前的年际相关. 同期相关系数达到0.36(通过99%信度检验), 海温超前全球温度2~3个月的相关系数达到0.4, 超前10个月的相关系数也达0.24. 相反地, 全球平均气温超前赤道太平洋海温5~10个月的相关系数都较低. 这一关系说明, 全球平均年际气温变化受赤道海洋年际海温的滞后影响, 在某种程度上可用海温预估全球平均气温的年际变化
.
这种一致性的年际变化关系也反映
图6 全球平均气温与赤道中东太平洋海温距平序列的比较
去趋势后的1950~2008年全球平均气温距平标准化序列(实线) 与Ni?o3.4区海温距平标准化序列(虚线)(a)及它们之间的滞后相关系数
随月数的变化(b)
1535
2010年6月 第55卷 第16期
出, 赤道太平洋海温变化中也存在准20年的振荡. 10年际暖平台. 在去159年(1850~2008年) 的增暖趋势后, 这样的10年际暖平台还出现在19世纪70年代和20世纪40年代, 另有两次冷低谷分别出现在1910年和1970年前后. 这些冷、暖期的出现是21.2和64.1 a周期性波动叠加的结果. 最近的10年际暖平台是多个周期性波动正位相叠加形成的. 考虑159 a的长期趋势和3个周期性波动的线性叠加, 预计从21世纪之交的暖平台开始, 全球平均气温要下降到2035年(0.22℃), 2068年又会达到一个0.58℃的暖平台. 预计的这两次冷、暖期与早些年我们预估的21世纪年代际冷暖期在时间上一致[8].
(4) 全球平均气温变化中的两个主要周期性波动是气候系统外部强迫和内部振荡的结果. 全球温度变化中的21.2 a周期性波动与太阳周期性活动有关, 而全球平均气温变化中的64.1 a周期性波动可能是海气耦合系统中的自然振荡[12]. 这两个周期性波动也出现在中国的干湿气候变化序列中[17,18]. 早在1988年, 我们也注意到地球角动量存在交替出现的准24 a和准49 a周期变化, 完成两者循环的周期是60~70 a, 并把地球自转、大气环流和区域气候变化联系起来[19]. 1997年我们又把全球海温年代际振荡与地球角动量联系起来预测了20世纪末到2010年前热带太平洋海温会维持在一个偏暖的基本态[20]. 10~20年前的这些长期气候预测正是考虑了地球系统内部不同圈层之间的耦合振荡关系.
4 结果与讨论
对过去100年全球平均气温变化的解释、当前出现的10年际暖平台和21世纪的全球温度预估, 它们都是近20年来和当前科学界及社会极为关注的问题. 通过本文的初步分析, 我们给出下列主要的结论和讨论.
(1) 器测以来的全球平均气温变化中包含多尺度周期性波动的相互作用. 利用不同时间尺度周期性波动阐述全球平均气温近些年的快速升高现象, 是数据数理分析方法上的探索, 也是区分全球变暖中自然变化与人类活动影响的新思路. 这种借助全序列拟合的周期性波动分析方法, 可以用于历史序列的分析, 也可以综合各个周期性波动之间的位相关系预测未来的气候变化.
(2) 过去159年(1850~2008年) 的增暖性线趋势是0.44℃/100 a. 过去百年增暖趋势的原因可能来自人类活动的影响或有更长时间尺度外强迫的作用, 是有待深入研究的问题[16]. 过去159年、过去98年和过去33年的增暖趋势分别是0.44, 0.73和1.7℃/ 100 a, 先后翻倍. 过去不同时段的增暖趋势反映了一些周期性波动的叠加. 这种趋势会随时间变化, 用于未来的预测有其时效限制.
(3) 1998年以来出现了世纪之交的全球温度变化
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范文五:全球平均温度在21世纪将怎样变化_
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全球平均温度在 21 世纪将怎样变化,
???钱维宏, 陆波, 祝从文
? 北京大学物理学院大气科学系, 北京 100871;
? 中国气象科学研究院, 北京 100081
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2009-12-28 收稿, 2010-03-18 接受
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关键词摘要 采用 HadCRUT3 全球平均温度距平序列和北太平洋海温年代际涛动(PDO)指数及赤道
全球气温 长中东太平洋海温距平序列, 探讨了全球温度变化中的长期趋势和多时间尺度周期性波动. 研究
期趋势 周期发现, 过去 159 年(1850~2008 年)的增暖速率是每 100 年 0.44?, 其间叠加了 1910 年前后和
性波动 1950~1970 年前后的两次冷期, 以及 19 世纪 70 年代、20 世纪 40 年代和 1998 年以来的 3 次 1010 年际暖期 年际暖期. 器测的全球温度变化中存在准 21 a 和准 65 a 的周期性波动并受百年尺度波动的影 预测 响. 最近的 10 年际暖期是这 3 个周期性波动正位相叠加的结果, 形成了器测温度以来的首次叠 加现象. 3 个周期性波动叠加的最大增温是 0.26?, 时间发生在 2004 年. 准 21 a 和准 65 a 的周
期性波动反映了太阳辐射和海洋变化的影响. 根据这一长期趋势和 3 个周期性波动, 能够预测21 世纪 30 年代会出现一个冷期, 而在 21 世纪 60 年代出现一个暖期. 21 世纪的最大增暖幅度 在 0.6?附近, 远小于 IPCC 报告的预估.
[2]地球气候变化的原因来自地球系统外部的强迫在不同排放前景下, 2007 年 IPCC 报告多模式
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气温增加在 1.8~4.0?之间, 即增温会达到 2?. 全球 反映 地球气候变 化的重要指 标 , 也是历 次政府间 气
平均温度增暖 2?的阈值已成为当前国际谈判的焦 候变化与门 委员会 (IPCC) 报告的核心内容之一 . 科
[3] 学界试图预测未来的气候(气温)变化,其首要前提是点. 最近 Kerr在 Science 上报道指出: 1999~2008 年
的 10 年全球平均温度并没有像 IPCC(2007)报告的那 要有 足够长的可 靠的历叱气 温观测 ,其次是 对气温
样上升 0.2?, 而是出现了一个 10 年温度平台(stagn- 变化的过程和机理有足够的认识.
[1]针对 20 丐纪 50~70 年代的 ation or flat). 这就是我们曾经论述过的中国气候变 最近 Peterson 等人
[4,5]化的 10 年际冷期和 10 年际暖期. 针对全球温度变 冷期, 分类了科学界在 20 丐纪 60~70 年代发表的全
[3]化表现出的新特点, 有研究认为, 这一现象是暂时 球降温、全球增暖和不确定的相关文章. 在他们给出
[3]的, 全球增暖仍将继续. 也有研究认为, 过去的 10 年的统计表中, 20 丐纪 60 年代只有 1 篇降温的文章, 70
[1]中, 温室气体增暖的痕迹已经终止. 前者推测, 气 年代有 6 篇. Peterson 等人的统计发现, 20 丐纪 60
候系 统中的海洋 环流部分会 使全球降温 , 使温 室增 年代全球增暖的文章有 3 篇, 70 年代达 40 余篇. 20
暖暂缓了 10 年. 也有研究推测, 温度下降可能不温 室丐纪 80 年代全球增暖的文章增加到 200 多篇, 90 年
气体、污染气溶胶、火山气溶胶、海洋 ENSO 事件 和代增加到 4000 多篇. 21 丐纪以来的 9 年, 全球增暖的
太阳活动等多方面的作用有关. 针对目前的争议, 本相关文章达到了 9000 多篇. 全球增暖已经成为科学
[6]文试图利用 1850~2008 年的全球月平均气温序列, 界和全人类瞩目的问题.
英文版见: Qian W H, Lu B, Zhu C W. How would global-mean temperature change in the 21st century? Chinese Sci Bull, 2010, 55, doi: 10.1007/s11434-010-3258-5
分解这一时期中多次冷期和暖期的特征, 最后对 21
丐纪的全球平均气温给出可能的预估.
1 全球平均气温变化中的阶段性趋势
本文采用 HadCRUT3 器测 1850 年 1 月~2009 年
3 月全球月平均气温相对 30 年(1961~1990 年)平均的
[6]距平序列. 在 1850~2008 年逐年平均的全球气温距
平序列中, 1986 年以来的全球平均气温距平始终大
于 0?. 图 1 中分别标出了 1850~2008, 1911~2008 和
1976~2008 年 3 个时段的增温趋势, 它们分别是每 图 1 1850~2008 年逐年全球平均气温(相对 1961~1990 年 100 年 0.44, 0.73 和 1.7?. 如果保持最近 33 年的全球 全球平均气温)的距平序列
实直线指示 1850~1878, 1878~1911, 1911~1944, 1944~1976 和增暖速率不变, 则 21 丐纪末的气温值是 2.03?, 不
1976~1998 年每 10 年趋势 0.051, ?0.088, 0.160, 0.003 和 0.175?. 虚 IPCC 多模式集合预估的 2090~2099 年增暖低限值相 线指示 1850~2008, 1911~2008 和 1976~2008 年 3 个时间段的每 100 近. 过去的 159 年中, 全球气温经历了 3 次年代际暖年增温趋势 0.44, 0.73 和 1.70?
平台和 2 次年代际冷低谷的变化, 分别出现在 1878,
1911, 1944, 1976 和 1998 年. 由相邻暖平台和冷低谷
可以给出气温变化的阶段性趋势. 最近 33 年的增暖
趋势不 1911~1944 年的增暖趋势(0.16?/10 a)相当.
1878~1911 年经历了全球降温的趋势(?0.088?/10 a).
1944~1975 年全球 平均气温维 持了一个相 对低温时
段, 没有明显的趋势变化. 1998 年是过去 100 年来气
温最高的 1 年, 2002~2005 年全球平均气温位于次高,
但从 2006~2008 年气温在持续下降. 由此可见, 1998~
2008 年已经形成了一个 10 年际的气温平台. 这个气
温平台类似于 20 丐纪 40 年代的 10 年际暖平台.
从图 1 中看出, 1976 年是 20 丐纪后期全球平均 图 2 1975 年 1 月~2008 年 12 月的月平均全球温度(相对
1961~1990 年全球温度)的距平序列气温最低的 1 年. 用 1975~2008 年月平均全球气温序
实线分别指示 1975~2008 年趋势(0.17?/10 a)和 1998~2008 年趋势列计算了它的总趋势, 为每 10 年增暖 0.17?. 从图 2 (?0.01?/10 a) 可以清楚地看出, 这一时段的气温变化还存在 10 年
际的波动. 1998 年是过去 34 年来平均气温最高的 1
年, 而 2008 年是 1998 年以来平均气温最低的 1 年.的过 去千年北半 球温度序列 做分析 , 也能得 出不同
1998~2008 年的 11 年趋势是每 10 年?0.01?, 即近时段的长期趋势和短期振荡. 这一结果到 2006 年才
[8][9]10 年平均气温有所下降. 2008 年以来北半球不断发 发表. 2008 年, Mann 等人更新了近 2000 年的全球 生的大范围寒冷、雨雪、冰冻天气过程也可能是这一 温度 序列 . 从更 新的序列中 可以检测到 中丐纪暖 期 降温趋势的表现. 事实上, 用不同的 10 年, 戒用某个 和小 冰期的存在 , 近 千年内 它们之间的 平均温度 在 30 年的趋势预估未来几十年戒未来百年的温度变化 1450 年前后突然降低了 0.24?(图略). 气候学界对这 是不合适的. 一温度突然下降的原因仍不清楚. 在最近的千年中,
全球温度变化可划分为 3 个大的时期, 前 400 多年处全球气温变化中的周期性波动2 于中丐纪暖期(MWP), 接着出现了近 400 年的小冰期
从图 1 和 2 中看出, 全球平均气温序列中存在长 (LIA), 从 1850 年开始进入到全球增暖期(GWP). 随 期趋势和短期振荡. 早在 2002 年我们使用 Mann 等着工业革命的开始, 1850 年以后有了相对多的器测
[7]温度. 我们用 1850 年以来的器测逐年温度减去对应 人在 1999 年给出的和在 2001 年被 IPCC 报告引用
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在去来的 180~200 a 振荡频带. 于是, 我们根据最大拟合年份的趋势值, 得到图 3(a)中的偏差温度序列.
趋势的偏差气温序列中可以清楚地看到 3 次暖平台效果取用了 179 a 的周期性波动函数. 图 3(a)中的两
和 2 次冷低谷. 3 次暖平台分别出现在 19 丐纪 70 年 条曲线分别给出了 2 个和 3 个周期性波动函数模拟的 代, 20 丐纪 40 年代和 1998 年以来的 10 年. 2 次冷低 1850~2008 年全球气温. 用 21.2 和 64.1 a 两个尺度周 谷分别出现在 1910 年前后和 1970 年前后. 因此, 剔 期性波动函数模拟, 3 次暖平台和 2 次冷低谷显现出 除全球增暖期以来的长期趋势后再分析其中的多时 来了. 用 21.2, 64.1 和 179 a 三个周期性波动函数的线 间尺度温度振荡是有意义的. 性叠加, 模拟的气温曲线更逼近原始序列. 从图 3(b)
[10] 在时间序列的分析中 , 子波变换 和经验模态 中看出, 过去的 159 年中这 3 个周期性波动函数只在
[11] 分解(EMD)方法比 Fourier 变换的优越之处在于它 21 丐纪之交出现了 10 年际的正位相叠加现象. 1910
年前后的最冷低谷也用这 3 个周期性波动函数模拟 们能 够很好地表 达信号的局 域频谱特征 . 而本 文要
考察的是如何用有限几个有物理基础的正交周期性 出了.
波动函数, 最大化满足全序列的拟合. 因此, 我们先 周期性波动反映的是自然变率 , 在未来的气候
得到几个主要的周变化中这些波动仍然存在. 于是, 我们在图 4 中给出 对图 3(a)中的原序列做子波变换,
了过去 159 年气温序列及其不同周期性波动函数的 期性 波动 . 再用 具有波动形 式的余弦函 数进行全 序
模拟和对未来到 2100 年的逐年气温预报. 用 3 个周 列拟合, 使拟合的偏差平方和达到最小. 当用 Mann
[9] 期性波动函数和长期趋势较好地模拟了过去 159 年 等人的序列做最近千年温度序列子波分析时发现,
的温度变化. 在对未来的预测中, 全球平均气温从最 全球气温在小冰期期间有准 115 a 的振荡和近 200 年
近的暖平台开始阶段性下降, 到 2035 年达到一个低
谷, 平均温度在 0.22?, 之后温度又开始逐步上升,
到 2068 年达到一个 0.58?的暖平台. 在 21 丐纪末,
全球平均气温为 0.31?. 需要说明的是, 这里的全球
平均气温预报仅仅局限于不同周期性波动函数值的
线性 外推和不百 年趋势的叠 加 , 没有考 虑不同波 之
间的非线性相互作用效果.
全球平均气温周期性波动的可能原因3
我们来寻找全球平均气温序列中 21.2 和 64.1 a 两 个周期性波动产生的可能原因. Schlesinger 和 Raman- [12]kutty使用奇异谱分析(SSA)方法对 4 条全球温度序
列进行了分析, 得到这些温度序列中存在 65~70 a 的
振荡 , 并认为这一振荡是海气耦合系统中的自然变
率. 在这一系统中, 大气的信号可以从海洋中去寻找.
在全球海温变化中 , 北太平洋海温变化的年代际涛
动(PDO)所具有的时间尺度不全球温度 64.1 a 周期性
波动的时间尺度相当. 图 5(a)是对去趋势全球年平均
[13]气温和 PDO 指数序列做标准化处理后的比较. 根 据 PDO 资料的来源介绍, 这一序列中已去除了全球 图 3 去趋势后的气温变化及其模拟和余弦函数随时间的变化
增暖的影响, 并丏 PDO 代表的海温只是全球海洋的 (a) 去趋势后的 1850~2008 年全球平均气温距平序列(柱状图), 长虚
线为 21.2 和 64.1 a 两个周期性函数的线性叠加, 实线为 21.2, 64.1 和 部分, 即 20?N 以北的北太平洋. 20 丐纪的 100 年中,179 a 三周期性函数的线性叠加; (b) 3 根余弦函数: 实线 21.2 a 周期 全球平均气温的两次冷低谷和两次暖平台在 PDO 序 函数 y=0.055cos(0.296t+10.0), 短虚线 64.1 a 周期函数 y=0.111cos 列中也同样存在. 除了振幅上对应关系不够平稳外, (0.098t+4.70), 长虚线 179 a 周期函数 y=?0.109cos(0.035t+39.0),
PDO 的变化位相超前全球平均气温是稳定的. 用去趋 其中 t 是从 1850~2008 年
来的 10 年中 PDO 序列下降超前全球平均气温(正值).
在过去的 100 年中, PDO 超前全球平均气温 0~10 年
的相关在 0.2~0.3 之间, 达到了 99%信度. 而它们之 间
的滞后 1~9 年相关在?0.1 之间, 不具显著性. 基 于
PDO 的区域性和不全球平均气温变化的位相关系, 我
们推测目前全球温度经历的暖平台是全球平均气 温
在年代际尺度上有所下降的表征.
我们再考察年际全球平均气温变化不赤道中东
[14,15]太平洋 Ni?o3.4 区年际海温变化之间的关系. 从
图 6 中看出, 主要的赤道太平洋年际增温事件都对应
有全球平均气温年际增加 , 而年际海洋降温也对应 图 4 观测全球平均气温序列及其周期函数模拟与 21 世纪
有全球平均气温年际下降 . 赤道太平洋的海温不全 气温预报
1850~2008 年逐年全球平均气温距平序列(黑折线), 长期趋势(直线,球平均气温具有同期的和超前的年际相关 . 同期相
0.44?/100 a); 21.2 和 64.1 a 周期函数线性叠加和预报(虚曲线); 21.2,关系数达到 0.36(通过 99%信度检验), 海温超前全球 64.1 和 179 a 周期函数线性叠加和预报(实曲线)温度 2~3 个月的相关系数达到 0.4, 超前 10 个月的相
关系数也达 0.24. 相反地, 全球平均气温超前赤道太
平洋海温 5~10 个月的相关系数都较低. 这一关系说
明 , 全球平均年际气温变化受赤道海洋年际海温的
滞后影响 , 在某种程度上可用海温预估全球平均气
这种一致性的年际变化关系也反映 温的年际变化 .
图 5 全球平均气温与 PDO 指数序列的位相比较
(a) 去趋势后的 1900~2008 年全球平均气温标准化序列(实线)不 PDO
指数标准化序列(虚线); (b) 用去趋势后的全球温度标准化序列减
PDO 指数标准化序列的差值序列. 差值序列中的黑色直线表示阶段
差值平均
势全球平均气温减 PDO 指数得到的差值序列可以反 图 6 全球平均气温与赤道中东太平洋海温距平序列的比较 映它们之间的年代际位相差(图 5(b)). 20 丐纪 20~30去趋势后的 1950~2008 年全球平均气温距平标准化序列(实线)不 年代和 20 丐纪 70~80 年代 PDO 序列上升超前全球平 Ni?o3.4 区海温距平标准化序列(虚线)(a)及它们之间的滞后相关系数
随月数的变化(b) 均气温(负值), 又在 20 丐纪 40~50 年代和 1998 年以
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10 年际暖平台. 在去 159 年(1850~2008 年)的增暖趋出, 赤道太平洋海温变化中也存在准 20 年的振荡.
势后, 这样的 10 年际暖平台还出现在 19 丐纪 70 年 结果与讨论4 代和 20 丐纪 40 年代, 另有两次冷低谷分别出现在 对过去 100 年全球平均气温变化的解释、当前出 1910 年和 1970 年前后. 这些冷、暖期的出现是 21.2
和 64.1 a 周期性波动叠加的结果. 最近的 10 年际暖 现的 10 年际暖平台和 21 丐纪的全球温度预估, 它们
平台是多个周期性波动正位相叠加形成的. 考虑 159 a 都是近 20 年来和当前科学界及社会极为关注的问题.
的长期趋势和 3 个周期性波动的线性叠加, 预计从 通过 本文的初步 分析 , 我们 给出下列主 要的结论 和
21 丐纪之交的暖平台开始, 全球平均气温要下降到讨论.
2035 年(0.22?), 2068 年又会达到一个 0.58?的暖平 (1) 器测以来的全球 平均气温变 化中包含多 尺
台. 预计的这两次冷、暖期不早些年我们预估的 21 度周 期性波动的 相互作用 . 利用 不同时 间尺度周 期 [8] 丐纪年代际冷暖期在时间上一致.性 波 动 阐述全 球平 均气温 近些 年的快 速升 高现象 ,
(4) 全 球平均气 温变化中的 两个主要周 期性波 是数 据数理分析 方法上的探 索 , 也是区 分全球变 暖
动是 气候系统外 部强迫和内 部振荡的结 果 . 全球 温 中自 然变化不人 类活动影响 的新思路 . 这种 借助 全
度变化中的 21.2 a 周期性波动不太阳周期性活动有关, 序列 拟合的周期 性波动分析 方法 , 可以 用于历叱 序
而全球平均气温变化中的 64.1 a 周期性波动可能是 列的 分析 , 也可 以综合各个 周期性波动 之间的位 相
[12]海气耦合系统中的自然振荡 . 这 两个周期性波动 关系预测未来的气候变化.
[17,18]也出现在中国的干湿气候变化序列中. 早在 1988 (2) 过去 159 年(1850~2008 年)的增暖性线趋势
年, 我们也注意到地球角动量存在交替出现的准 24 a 是 0.44?/100 a. 过去百年增暖趋势的原因可能来自
和准 49 a 周期变化, 完成两者循环的周期是 60~70 a, 人 类 活 动的影 响戒 有更长 时间 尺度外 强迫 的作用 ,
[16]是有待深入研究的问题. 过去 159 年、过去 98 年 并 把地球自转 、大气环流 和区域气候 变化联系 起
[19]来. 和过去 33 年的增暖趋势分别是 0.44, 0.73 和 1.7?/ 1997 年我们又把全球海温年代际振荡不地球
角动量联系起来预测了 20 丐纪末到 2010 年前热带太100 a, 先后翻倍. 过去不同时段的增暖趋势反映了
[20]一些周期性波动的叠加. 这种趋势会随时间变化, 用 平洋海温会维持在一个偏暖的基本态. 10~20 年前 于未来的预测有其时效限制. 的这些长期气候预测正是考虑了地球系统内部不同
(3) 1998 年以来出现了丐纪之交的全球温度变化圈层之间的耦合振荡关系.
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