气候突变：史实与意义

郑景云，葛全胜，张丕远

摘　要：利用国际上有关气候突变研究的最新结果，综述了冰期与间冰期气候突变的史实，重点探讨了近2 000年以来的气候突变问题。结果表明：无论是冷期或是暖期，气候均存在突变。特别是发生于Eemian期间和近2 000年以来的气候突变，为暖期气候也存在突变提供了非常重要的证据。同时还发现：发生于1230AD年的气候突变，虽然其幅度较冰期与间冰期气候突变要小得多，但同样具有全球性。这些结果动摇了过去认为“气候只在冷期发生突变及全新世以来气候基本稳定”的结论，也预示着下一世纪气候不稳定的可能性将可能会增加，对全球气候和气候预测研究具有非常重要的意义。
关键词：气候突变；全球气候变化；气候预测
中图分类号：P467/P532　文献标识码：A　文章编号：1001-8166(1999)02-0177-06

ABRUPT CLIMATIC CHANGE： EVIDENCE AND IMPLICATION

ZHENG Jingyun，GE Quansheng，ZNAHG Piyuan

(Institute of Geography,Chinese Academy of Sciences,Beijing　100101，China)

Abstract: The abrupt change of climate discovered within recent years mainly occurred within glacial period or transition period from cold to warm,which were assumed caused by the melting and freezing process of the huge ice sheet,these processes drove the vertical oceanic circulation and resulted the abrupt climate change.However,it has been found that the abrupt events also characterized in Eemain and Holocene more recently,particularly at low to mid-latitudes,which was supposed as a climatic stable episode.The evidences from Greenland and France show there were some abrupt events embedded in Eemain: And the evidences from Chinese Historical writings show there was an abrupt event around 1230 AD,which was also identified by the other proxy data from China,including the lake sediment from Lake Kunming in Beijing,ice core from Guliya in Tibet Plateau and salt lake sediment from Lake Hetong-chahan and Lake Hammer in Inner Mongolia.Moreover,the abrupt event around 1230 AD was identified by evidences from North America and Europe. These evidences suggest that the abrupt climatic event around 1230 AD occurred not only in China but also in Europe and America.The implication for the mentioned results suggests that the climate in Holocene is also unstable and that the instability of the climate for coming century may increase.
Key words:Abrupt climatic change; Global climate change; Climate predication.

　　地球系统的历史信息是评估全球变化的一项重要因素。地球系统中许多物理、化学和生物的相互作用导致了局部乃至全球范围内不同时间尺度的气候和环境变化。它们影响着大气、海洋、冰川和陆地表面。令人欣慰的是，这些变化往往被各种档案(包括自然的和历史的)记录下来，在各种古气候和古环境代用资料中，都有可追踪的痕迹。
　　国际地圈生物圈计划(IGBP)的核心计划“过去的全球变化”(PAGES)强调要通过各类代用资料重建全球过去的环境和生态变化的重要事件，并努力弄清它们的起因。这是因为目前的仪器和卫星观测记录不但太短，而且在空间的分布也极不均匀，仅靠这些记录既难以全面揭示季节至10 a时间尺度的气候变化全貌，也不能有效地研究气候系统对气候的驱动力(climate forcing)变化响应；而且还因为这些记录大多开始于人类社会大规模工业化时期，因而包含了人类的强迫因素(anthropogenic forcing)。相反地，从各种代用资料中提取的古气候信息不仅弥补了观测记录的不足，且在气候驱动力研究、人类与气候变化的关系研究方面更加有效。因此，自1991年IGBP/PAGES形成以来，国际学术界就一直以恢复与重建古气候情景作为研究重点，并重点关注两个时间段的研究，即过去2 000年和第四纪冰期与间冰期巡回。与此同时，全球气候研究计划(WCRP)的核心计划“气候变率及可预报性”(CLIVAR)，也提出了与PAGES工作相类似的研究重点。为此，PAGES与CLIVAR于1994年11月在意大利联合召开了工作会议，形成了PAGES/CLIVAR交叉计划，要求在全球范围内全面起动古气候与古环境重建工作^〔1〕。
　　在PAGES/CLIVAR交叉计划的一系列科学问题中，气候突变问题倍受关注。因为从古气候学的角度看，现代仪器观测仅仅是记录了地球环境变化中的一个小小片断，它所描绘的只是气候系统行为的一个短暂的阶段。许多很有意义的突变现象在现代仪器观测中几乎是不能被发现的，而且原因也难以辨识。为此，PAGES/CLIVAR交叉计划要求古气候研究要描绘出过去气候突变事件发生前后的一系列气候空间分布类型，并寻找它们的原因，以此提高现代气候的可预报性。因为即使全新世中与突变相伴出现的空间类型不一定在未来出现，但对此进行研究无疑会有助于认识气候系统是如何适应这种突然变化的。今后在温室气候增加导致的全球性增暖过程中，如果气候出现突变的话，它们应该类似于以前所出现的突变。为此，PAGES/CLIVAR交叉计划要求对过去气候突变进行重要研究，并集中发展和评估能够模拟突变的预报模式^〔1〕。
　　在PAGES和CLIVAR的联合倡导下，国际学术界近年来在10 ka BP以来气候变化情景的恢复、冰期—间冰期循环机制等方面做了大量的努力和尝试，取得了许多成果。特别是最近的一些研究结果表明：“气候可能在几十年中出现几个摄氏度的变化(即突变)，且这种变化在最近的一次冰融期和冰期以及上一次间冰期中都曾出现过^〔2,3〕。下面，我们将先就这一问题作一综述，然后再利用高分辨率的历史气候序列对过去近2 000年来的中国气候突变进行讨论。

1　冰期与间冰期的气候突变及其意义
1.1　最近冰融期的气候突变
　　Lorius等^〔3〕综合各种研究后给出了15 000～8 000 a BP间北大西洋地区的古环境变化记录。结果显示大约从13 000 a BP开始，气候迅速向一温暖期过渡，这一温暖期大约持续到11 000 a BP，其最温暖时候大约出现在12 000 a BP。随后气温下降4～5℃，进入Younger　Dryas冷期，这一时期大约持续了800 a。紧接着又是一个气候的迅速转暖，进入全新世，一直持续至今。在上述气候迅速转变过程中，每个转变过程不过几十年或更短的时间。这说明在最近的一次冰融期，气候确实存在着突变，也再一次说明，气候由冰期向间冰期的过渡是以突变形式来完成的。
1.2　冰期的气候突变
　　格陵兰GRIP冰芯250 ka BP来δ¹⁸O的结果显示^〔4～6〕，在上一次冰期里，气候存在着快速的转换，这些转换(即冰段与间冰段转换)过程所需时间不过数十年，振动幅度也较大，最大的温度振幅可达7℃，而且这些转换总是无规则地出现。这一结果还得到了南极冰芯的证实，Bender等^〔7〕比较了近100 ka BP来GISP 2冰芯的南极东方站冰芯中的δ¹⁸O_atm剖面，发现格陵兰冰芯所记录的冰段与间冰段也都被南极冰芯记录在案，不过振幅减弱了些。另外，从海洋记录中得到的证据也说明北大西洋的海面温度亦发生了极为相似的变化^〔8〕，这些从20 ka BP到80 ka BP期间的记录表明其温度变化和格陵兰冰芯的结果相匹配。
1.3　Eemian间冰期的气候突变
　　上述所揭示的结果并不难理解，因为通常认为在寒冷状况下，气候容易经历突变，这是由于冰盖的不稳定性造成的——冰盖的凝结与溶解很容易诱发海水的上浮及下沉和海洋环流。而在较暖的时期，如全新世，由于大陆冰盖较少，因此突变的出现也应少得多^〔3〕。但最近的一些研究却表明：气候在较暖的时候，同样存在着突变。因为已有许多证据表明在Eemian期间，气候同样存在着突变。
　　约125 ka BP以前的Eemian，全球气温比现在大约高2℃，海平面则约高5 m，常被称作为Eemian间冰期。最近重建的所有格陵兰冰芯^{〔5，7，9〕}序列均显示：在Eemian期间也有数个短暂的冷期存在，出现过数次气候的突然变化。同时在法国中部山地湖泊沉积的磁化率、孢粉和有机碳分析也指出Eemian间冰期曾出现两次气候突然转冷^〔10〕。特别是格陵兰冰芯提供的结果显示：在Eemian最盛期曾出现过持续70 a的恶劣气候，在Eemian开始也有过一系列的温度剧烈振动，低温期维持了750 a之久，只有在最后的也是最温暖的2 000 a BP以来的气候才如同大暖期一样稳定，其余部分皆被突然转冷所中断；而且序列的振幅大，振动频率相当高。这说明：Eemian气候仍然是以快速变化为特征的。其中Eemian开始时出现的长达750 a之久的低温期与Younger Dryas很相类似，甚至时间长度也具有可比性(后者约为1 000 a)。
　　当然，关于Eemian期间的气候是否稳定，目前尚有许多争论，其原因有二：一是格陵兰的GISP 2冰芯的数据有可能受到干扰，因为冰芯的导电率和氧同位素数据有一些偏差^〔3〕，同时GRIP与GISP 2的对比显示，二者下部10%的部分δ¹⁸O记录相差悬殊，失去了可对比性，且从第22个间冰段起，对应冰层的厚度就显著不同了，从第23个间冰段起二者相关关系就不复存在了，失去了深度与年代之间的对应关系^〔11〕。另一是它们反映的可能只是格陵兰到挪威海的局地变化，而非全球变化，至少也没影响到北大西洋，因为北大西洋深海沉积的研究表明，Eemian期间气候相对稳定^〔12〕。如果以上两个问题能得以进一步的排除，那么这一结果对未来气候的预测将具有很重要的意义。同时我们也将面对一个更为严峻的挑战，那就是暖期的气候稳定性问题。也就是讲，如果在间冰期也可能出现气候突变的话，我们在预测将来时，就必需观察气候系统演变的全过程，而不能只考虑冷期或由冷变暖时期的气候突变现象。
1.4　近2 000年中的气候突变——来自北美和欧洲的证据
　　全新世一直被认为是一个气候比较稳定的时期，但越来越多的证据证明全新世以来的全球气候同样存在着突变。特别是最近的许多研究都表明：在近2 000年中，全球气候同样存在着突变，这次突变大约出现在1200 AD。下面我们介绍一下来自北美和欧洲的证据，然后再对我国近2 000年的气候演化作一分析。
　　Larid等^〔13〕利用美国北大平原(North　Great　Plain)月亮湖(Moon Lake，46°51′27″N，98°09′30″W)硅藻类的盐分记录，重建了2 300 a BP以来的干旱强度与干旱频率序列。结果显示：在1200 AD之前，美国北大平原的重大干旱的频率较1200 AD以后为高。尤其是200～370 AD、700～850 AD和1000～1200 AD为重大干旱频发期。Laird等认为其原因是：导致美国北大平原发生重大干旱的异常环流型在1200 AD以前频繁，而且更巨持续性，而这可能与大尺度的大气环流背景异常有关。
　　Bryson等^〔14〕在《饥馑的气候——人类与变动的全球气候》一书中提出一系列证据，这些证据均显示大约在1150 AD以后的50 a间，欧洲和北美的气候发生了一次较大的转变，据估计冰岛的温度大约降低了1.5 ℃，而在西欧和北美大陆，冬季气候则明显转暖。

2　过去2 000年中国气候阶段性转变
2.1　资料
2.1.1　原始资料来源
　　本研究的原始资料主要来源于我国的各种历史文献和档案记载。在时间上，分为三个时段：第一个时段为汉代至明前期(137 BC～1470 AD)，主要史料来源为中国古代文献，共计查阅书籍1 531种，32 551卷，记录内容主要为历史气候、气候变化及其影响记载，土地开发利用状况记载，其中有关气候和气候变化的记录约30 000条；第二个时段为明中期以后(1470 AD～1950 AD)，主要史料来源为地方志、史书、相关档案及其他有关史料等，记录内容主要为各种气候现象记载，水、旱、霜、雪、严寒、雹、蝗等各种自然灾害记载，灾害对农业的影响记载和因灾害所造成的饥荒、蠲免、赈济等社会现象记载等，近20万条。第三个阶段为清代乾隆朝以后至民国时期(1736 AD～1949 AD)。这一时段的资料除上述的有关史料外，还包括了清代及民国时期的档案记载和民国时期的有关报纸记载。清代档案记录主要包括雨雪分寸、农业收成及粮价、屯垦耕作和边疆移民等，被查阅的有关奏折21万多件，其中被选摘的奏折约10万件。民国档案和报纸的内容除各种气候现象记载，水、旱、霜、雪、严寒、雹、煌等各种自然灾害记载，灾害对农业的影响记载和田灾害所造成的饥荒、蠲免、赈济等社会现象记载等记录外，还包括了农业生产、收成和粮价等，计1万余条^〔15〕。
2.1.2　原始记录的摘录及数值化处理
　　原始记录的摘录由以下三个步骤组成：①查阅所有相关的原始文献记载，确定选摘内容；②根据史料记载特点，确定记录摘录格式，将有关内容摘录为卡片；③按各种记录的记载内容和性质，对卡片进行分类整理。每条记录至少包括时间、地点、具体内容和资料来源等四个方面的基本内容。对有些时间、地点等记载不明确的记录，先按原文摘录，再查找相关记载进行考证和补充，然后决定其取舍。
　　原始记录的数值化是恢复与重建历史时期气候及环境演变序列的最关键环节。从历史文献和各类档案中所获得的记录，大多是零散的、断续的和非定量化的，且掺杂了躁声，因此必须对各种原始记录进行数值化处理，以期获得在时空上可以比较的、较为完整的序列。为确保所恢复和重建的序列趋于客观、准确，首先必须分析各种原始资料的特点，并对各种原始资料进行可靠性总体评价。然后根据各种原始资料的特点、记录条数的多寡和记录可靠性确定序列重建的时空分辨率和数值化方法。在总体分析我国各种文献可靠性和资料特点的基础上^〔16〕，对不同时段旱涝资料的数值化，我们分别采取了不同的数值化方法，并利用有关统计方法对不同时段的序列进行衔接与校准。在1470 AD以前，由于其资料大多来源于中国古代文献的文字描述，记录条数也相对较少，因此采用对文字描述进行定级的方法，即根据各条记录对旱涝程度的描述确定旱涝等级，序列所代表的空间范围亦比较大。在1470 AD以后至民国时期，则采用统计每个区域的旱、涝县次，然后利用旱涝县次距平百分率的大小确定旱涝指数的方法。对清代1736～1911 AD的档案记录，由于其记载比较详细、丰富，则采用定量定性对照、详略记录参照、考察时段过程、综合判断定级的数值化方法，先定出逐季旱涝指数，然后再综合成逐年的旱涝指数。最后利用统计方法对不同时段的序列进行衔接与校准，使其形成了一套完整的、统一的序列^〔15〕。
　　这套序列在空间上基本覆盖了我国东部及南部的所有地区，共计45个站点，构成了我国旱涝气候变化的序列场。以下的突变分析是基于对全区45个站点的总体分析而得出的，因此它的结果代表了我国近2 000年气候演变的总体态势。
2.2　过去2 000年中国的气候突变
2.2.1　旱涝气候变化
　　一般认为，旱涝气候变化是气候系统演变在旱涝要素子空间上的投影，即旱涝气候的变化决定于整个气候系统演化的总规律。也就是讲，当气候系统的演化处于不同阶段时，旱涝的发生概率也将发生明显的变化，而这些概率分布发生明显变化的时段，就可能是气候系统发生突变的时段。利用最大概率变点方法对上述旱涝序列场的检验结果表明：近2 000年来我国旱涝发生的概率分布在280、480和1230 AD附近发生了明显的变化。以20 a的间隔每隔5 a求序列场的Lyaponov指数，结果为：137 BC～272 AD，负值：272～1248 AD，时正时负，其中272～882 AD以正值为主，882～932 AD为负值，932 AD以后又以正值为主直至1248 AD；1248 AD以后，负值。考虑到计算的时间间隔因素，可以说明：在280 AD以前和1230 AD以后，气候系统的演变处于正常吸引子轨道上，而280～1230 AD为气候混沌时期，其中880 AD以后，气候系统开始逐渐脱离混沌时期，向较为稳定的时期过渡。通过观察旱涝发生概率在频率相空间中的投影点的运行轨迹，也可发现：在1230 AD前后，旱涝气候的运行轨迹发生了明显的变化，1230 AD将近2 000年分为两个气候特点明显不同的阶段。为说明旱涝气候演变的阶段性特点，我们利用模糊动态中心平均聚类方法(FCM)，对近2 000年来的气候阶段进行了划分，结果显示于图1。

　　　　图1　用FCM方法划分的近2 000年中国旱涝气候阶段，纵轴为旱涝气候型
　　　　　　A型：涝灾多发；B型：涝灾次多发；C型：旱涝发生持平；
　　　　　　D型：旱灾次多发；E型：旱灾多发
　　　Fig.1　The drought/flood pattern derived from Chinese historical proxy 　　　climatic data by FCM,the patterns which named from A to E are marked in ordinate.
Pattern A：higher frequency for flood occurrence;B：high frequency for flood occurrence.C：the same frequency for drought occurrence and flood occurrence;D：high frequency for drought occurrence;E：higher frequency for drought occurrence.

　　从图1可以看出：①在1230 AD以前，各气候阶段的特点是任何一种气候状态持续时间都较短，且转变较快，因而气候时段分段较多，气候系统处于较为不稳定的状态，气候系统演化的准周期短；而在1230 AD以后，单个气候阶段的持续时间长，且转变较慢，因而划分的气候时段较少，气候系统较为稳定，演化的准周期较长。②在1230 AD以前，气候以A、E型为主，D型在前期(主要在280 AD以前)也出现较多。具体地讲是：在280 AD以前，气候以D型为主；280～880 AD，基本上是以A型与E型交替出现为主，类型转换快，持续短，但偶尔出现的D型打破了A与E交替出现的稳定性；880～1230 AD间，D型重新出现，且呈现出连续变化的特点，显示出这一时期的气候具有过渡的特点；而在1230 AD以后，气候以E、B型为主，反应出这一时期的气候具有长期持续发生干旱和较多发生雨涝灾害的特点，这与我国现代的旱涝特点相一致，也反应了自1230 AD以后，中国一直处于较为干旱的阶段。
2.2.2　冷暖变化
　　发生于280 AD和1230 AD左右的气候系统突变在温度要素上的反应也非常明显。多项研究表明^〔17〕，在全新世高温期结束以后(一般认为结束于3 000 a BP左右)，我国的气候历经几个短暂的冷暖波动，于西汉中叶再次回暖。因为那时在立春以后，西安一带的土壤就开始解冻，其它各种物候现象也表明当时西安一带的物候比现代早5天左右，至东汉，气候虽略转冷，但大体上与现代的情况相差不大。竺可桢认为，约在公元243年，中国气候结束了前期温暖期，因为那时的淮河出现结冰为前所未见。但后据谭其骧考证，该次淮河结冰事件实际发生于淮河的北部支流，不足以证明当时气候已经转冷。据满志敏等^〔18〕后来的研究证实，寒冷事件的频繁出现是从280 AD开始的，大约在280 AD以后的20 a中，正史记载的寒冷事件频数大大增加，表明当时的气候急速转冷。而在310 AD以后又略回暖，340～480 A寒冷记载极少，至490 AD后，气候再次变冷直至6世纪前期。
　　自6世纪中叶始，中国气候又再次转暖，进入隋—盛唐温暖期，这一温暖期一直延至中世纪适宜期(温暖期)结束。但在其间的790～820 AD和880～910 AD，分别出现了短暂的突然变冷。满志敏等认为790～820 AD间，寒冷证据较多，但估计880 AD以前的气温不会比现代低，因当时福州一带的荔枝尚能存活。880 AD以后，寒冷事件记载迅速增加，882 AD关中8月“雨雪交加，冻死军队”，903 AD苏北“江海冻冰”，904 AD太湖地区“10月17日寒如仲冬，降雪”，这些证据都表明在880～910 AD出现过剧烈的气候转折^〔18〕。
　　尽管中世纪温暖已被许多研究所证实，但在其间仍有许多寒冷事件发生。张丕远等^〔19〕给出了950～1230 AD奇寒暴暖连续相间发生的事实，说明在880～910 AD存在着频繁的气候波动。这种频繁的气候波动只能用气候系统处于“混沌”状态来解释，再次证明这一时期的气候具有过渡的特点。
　　1230 AD以后至19世纪末，中国气候进入寒冷阶段，尽管有证据显示，气候曾在15世纪初、16世纪末和18世纪中叶有过短暂暂回暖，但回暖幅度均较小，整个阶段的气候为近2 000年来所最冷，因而亦常被称为“小冰期”。
　　通过上述分析，我们有理由相信，近2 000年来，中国气候在280 AD和1230 AD左右发生了两次突变，280 AD和1230 AD这两个突变点将中国近2 000年来的气候演变划成3个主要时段：280 AD以前和1230 AD以后气候相对稳定；而280～1230 AD气候发生多次转折，尤以880～1230 AD间的气候波动最为强烈。
2.2.3　非文献证据证实的气候突变
　　(1) 内蒙古盐湖近2 000年来的气候变化证据：根据魏东岩^〔20〕对合同查汗盐湖HaO1和哈马尔盐湖HaO1孔的资料分析表明：近2 000年来内蒙古地区气候有过4次较大的变化，分别发生于1 700 a BP，1 500 a BP，1 100 a BP和800 a BP。
　　(2) 青藏高原古里雅冰芯证据：青藏高原古里雅冰芯的研究说明^〔21〕，1100 AD是中国气候的关键转折时期。在1100 AD以前，气候以寒冷和少雨为主要特征，在1100 AD以后，温度上升，降水增多。
　　(3) 北京颐和园昆明湖的孢粉证据：对颐和园昆明CK3号孔的研究表明，在深1 000～1 100 cm处的沉积物中，出现了孢粉含量急减，介形虫绝迹的现象，形成一个沉积间断。初步估算，这一层段沉积物形成于900 aBP前后，这一现象说明当时北京地区曾有一次较突然的气候变化^〔22〕。
　　(4) 北京地区的环境磁学证据：刘椿等^〔23〕的研究表明，北京地区近2 000年来的气候以12世纪为界，呈现由暖变冷的趋势。
　　联系上述的来自北美和欧洲的证据，我们认为发生在1230 AD的气候突变具有全球性，即全球气候系统确实在12世纪后期至13世纪前期进行过比较大的调整，全球气候系统的调整必然会造成大尺度环流(行星波)的改变，因而使得全球许多地区的气候都发生了较大的变化。然而有意思的是来自中国和冰岛的证据显示，伴随着这次气候突变，气候由暖转冷，而北美和西欧的证据却显示这些地区的气候却是由冷转暖，中国由湿润转向干旱，北美则由干旱转向湿润。

3　结语与讨论
　　上述分析给出了一个比较一致的结论，那就是：不稳定的气候不仅如以前所认为的那样在冷的时期存在，而且也存在于暖的时期。气候突变不仅可以在冷期或由冷转暖的时期发生，而且也可以在暖的时期(如Eemian和全新世)发生。冷期的气候不稳定一般认为是由于冰盖的不稳定造成的，因为冰盖的凝结与溶解很容易诱发海水的铅直运动，进而影响全球的大气环流。然而在暖期，由于大陆只有较少的冰盖，它是否能够影响全球尺度的大气环流产生突然变化呢?目前尚无确切的证据证明这一点。
　　由于暖的时期气候也同样不稳定，因而我们有理由认为：下一世纪气候不稳定的可能性将可能会增加。因为目前大多数模式的模拟结果都显示：当“温室气体”倍增时全球气温将升高1～3 ℃，而这个温度恰好与Eemian的温度相仿。

作者单位:中国科学院地理研究所，北京　100101