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西周至汉气温逐渐升高，汉代达到高潮，中国和外族势力的此消彼长在气温上也是有反映的，气温升高，则汉族远征夷狄，气温降低，外族便入寇中华。汉代后气温逐年降低，这股降温流一直伴随着中原的大动乱——五胡乱华，南北朝时气温回升缓慢。直至隋唐，气温大幅度回升，正统王朝迅速统一全国，封建社会进入又一个黄金时代。但这一阶段，正是北极全加拿大地区冰层快速融化的时期——欧洲学者称为小冰河时期。几百年中气温迅速回落，全球粮食大幅减产，此时中国正处于备受欺凌的宋朝。南宋时气温达到最低点，中国第一次亡国。明清两代气温稳中有升，直至今日仍在不断升高，这也预示着一些历史的重演。
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第一节 气候变化的史实
地球形成为行星的时间尺度约为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万万年。
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（表8·1）。在漫长的古气候变迁过程中，反复经历过几次大冰期气候。在表8·1中列出三次大冰期，即震旦纪大冰期、石炭—二迭纪大冰期和第四纪大冰期（图8·1）。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。①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约3—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—二迭纪大冰期
石炭—二迭纪大冰期发生在距今2—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。
4.三迭纪—第三纪大间冰期气候
三迭纪—第三纪大间冰期发生在距今约2亿到200万年前，包括整个中生代的三迭纪、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。在我国三迭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①。在中国也发现不少第四纪冰川遗迹，定出4次亚冰期（表8·2）。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的特点。
二、历史时期的气候变化
自第四纪更新世晚期，约距今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8·2）。从图上看来近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5 000年到公元前1500年的最适气候期，当时气温比现在高 3°—4℃（雪线升高表示温度上升①）；一次是15世纪以来的寒冷气候（雪线降低表示温度下降），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（虚线）大体上与近5000年来挪威雪线的变化相似，图8·2中两条曲线变化趋势大体一致。
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，如表8·3所示。
综上所述可见在近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在17世纪（如公元1670年）长江也出现封冻现象。
气候波动是全球性的，虽然世界各地最冷年份和最暖年份发生的年代不尽相同，但气候的冷暖起伏是先后呼应的，图8·3给出近600年来不同地区气温序列图，这些气温序列是由不同作者应用不同的方法建立的①，反映的地区也不相同，但却有相当大的一致性。图8·3中的b、d、e表明确实从公元1550年前后气温出现明显的负距平，开始进入寒冷时期，图a也有这样的趋势（可惜资料年数稍短），图c与图f则推迟到公元160O年才进入寒冷期，所以17世纪比较冷是一致的。18世纪相对较暖，只有图8·3中f仍维持较冷，但至少在18世纪前半期冷的程度也有所减弱，19世纪又出现一个寒冷期，只有在图e相对冷的程度弱一些，大约在公元1800—1850年之间气温达到最低，因此在历史时期将公元1550—1850年定为小冰期是有依据的。在小冰期中气温负距平约为-0.5℃。
历史时期的气候，在干湿上也有变化，不过气候干湿变化的空间尺度和时间尺度都比较小。中国科学院地理所曾根据历史资料，推算出我国东南地区自公元元年至公元1900年的干湿变化如表 8· 4所示。其湿润指数I的计算方法为：I=2F/（F＋D），式中F为历史上有记载的雨涝频数，D是同期内所记载的干旱频数，I值变化于0—2之间，I=1表示干旱与雨涝频数相等，小于1表示干旱占优势。对中国东南地区而言，求得全区湿润指数平均为1.24，将指数大于1.24定义为温期，小于1.24定为旱期，在这段历史时期中共分出10个旱期和10个湿期。从表8·4中可以看出各干湿期的长度不等，最长的湿期出现在唐代中期（公元811—1050年），持续240年，接着是最长的旱期，出现在宋代，持续220年（公元1051—1270年）。
表8·4中国东南地区旱湿期
三、近代气候变化特征
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，那就是从19世纪末到本世纪40年代，世界气温曾出现明显的波动上升现象。这种增暖在北极最突出，1919—1928年间的巴伦支海水面温度比1912—1918年时高出8℃。巴伦支海在30年代出现过许多以前根本没有来过的喜热性鱼类，1938年有一艘破冰船深入新西伯利亚岛海域，直到83°05'N，创造世界上船舶自由航行的最北纪录。这种增暖现象到40年代达到顶点，此后，世界气候有变冷现象。以北极为中心的60°N以北，气温愈来愈冷，进入60年代以后高纬地区气候变冷的趋势更加显著。例如1968年冬，原来隔着大洋的冰岛和格陵兰，竟被冰块连接起来，发生了北极熊从格陵兰踏冰走到冰岛的罕见现象。进入70年代以后，世界气候又趋变暖，到1980年以后，世界气温增暖的形势更为突出。
威尔森（H.Wilson）和汉森（J.Hansen）等应用全球大量气象站观测资料，将1880年到1993年逐年气温对1951年至1980年这30年的平均气温求出距平值（图8·4）。计算结果为全球年平均气温从1880到1940年这60年中增加0.5℃，1940—1965年降低了0.2℃，然后从 1965—1993年又增暖了0.5℃。北半球的气温变化与全球形势大致相似，升降幅度略有不同。从1880年到1940年年平均气温增暖0.7℃，此后30年降温0.2℃，从1970年至1993年又增暖0.6℃。南半球年平均气温变化呈波动较小的增长趋势，从1880年到1993年增暖0.5℃，显示出自1980年以来全球年平均气温增暖的速度特别快。1990年为近百余年来年温最高值年（正距平为0.47℃），其余7个特暖年（正距平在0.25℃—0.41℃）均出现在1980—1993年中。
琼斯（P.D.Jones）等对近140年（1854—1993年）世界气温变化作了大量研究工作。他们亦指出从19世纪末至1940年世界气温有明显的增暖，从40年代至70年代气温呈相对稳定状态，在80年代和90年代早期气温增加非常迅速。自19世纪中期至今，全球年平均气温增暖0.5℃。
南半球各季皆有增暖现象，北半球的增暖仅出现在冬、春和秋三季，夏季气温并不比1860—1870年代暖。Briffa和Jones（1993）曾指出全球各地近百余年来增暖的范围和尺度并不相同，有少数地区自19世纪以来一直仍在变冷。但就全球平均而言，20世纪的增暖是明显的。他们列出南、北半球和全球各两组的气温变化序列，一组是经过ENSO影响订正后的数值，一组是实测数值（图略），其气温变化曲线起伏与威尔森等所绘制的近百余年的气温距平图大同小异①。
我国学者①根据我国从1910—1984年137个站的气温资料，将每个站逐月的平均气温划分为五个等级，即1级暖，2级偏暖，3级正常，4级偏冷，5级冷，并绘制了全国1910年以来逐月的气温等级分布图。根据图中冷暖区的面积计算出各月气温等级值，把每5年的平均气温等级值与北半球每5年的平均温度变化进行比较（图8·5）。可见本世纪以来我国气温的变化与北半球气温变化趋势基本上亦是大同小异的，即前期增暖，40年代中期以后变冷，70年代中期以来又见回升，所不同的只是在增暖过程中，30年代初曾有短期降温，但很快又继续增温，至40年代初达到峰点。另外，40年代中期以后的降温则比北半球激烈，至50年代后期达到低点，60年代初曾有短暂回升，但很快又再次下降，而且夏季比冬季明显，70年代中期后又开始回升，但80年代的增暖远不如北半球强烈，在80年代南、北半球和全球都是本世纪年平均气温最高的10年，而我国1980—1984年的平均气温尚低于60年代的水平。从上世纪末到本世纪40年代，我国年平均气温约升高0.5—1.0℃，40年代以后由增暖到变冷，全国平均降温幅度在0.4—0.8℃之间，70年代中期以后逐渐转为增暖趋势。
因此从上世纪末以来，我国气温总的变化趋势是上升的，这在冰川进退、雪线升降中也有所反映。如1910—1960年50年间天山雪线上升了40—50m，天山西部的冰舌末端后退了500－1000m，天山东部的冰舌后退了200—400m，喜马拉雅山脉在我国境内的冰川，近年来也处于退缩阶段。
20世纪我国降水的总趋势大致是从18、19世纪的较为湿润时期转向较为干燥的过渡时期。
由于降水的区域性很强，各地降水周期的位相很不一致，表8·5列出北京、上海、广州三站每10年年平均降水量R（mm）及其距平百分率△R％②。由此表可见，在本世纪30年代是少雨时期，50年代是多雨时期，60年代和70年代降水量又明显偏少，结合20世纪气温资料分析，我国东部北纬40°以南的气候状况可归纳为表8·6的配置。
表8·5 北京、上海、广州三站每10年平均降水量R（mm）及距平百分率△R（%）
表8·620世纪以来每10年我国气候特征
综上所述，全球地质时期气候变化的时间尺度在22亿年到1万年以上，以冰期和间冰期的出现为特征，气温变化幅度在10℃以上。冰期来临时，不仅整个气候系统发生变化，甚至导致地理环境的改变。历史时期的气候变化是近1万年来，主要是近5000年来的气候变化，变化的幅度最大不超过2—3℃，大都是在地理环境不变的情况发生。近代的气候变化主要是指近百年或20世纪以来的气候变化，气温振幅在0.5—1.0℃之间。
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① 傅抱璞，山地气候，北京：科学出版社，1982：120。
① 有人认为震旦纪以前大冰期出现时代不太明确（见潘守文等。近代气候学原理。北京：气象出版社，1994：724）有人认为仅近10亿年就出现过6次大冰期，出现在9.7亿、7.6亿、6.7亿、4.3亿、2.7亿和180万年前（见王绍武。气候系统引论。北京：气象出版社，1994：39）。
① 关于欧洲阿尔卑斯山岳冰川的研究尚有不同的意见，这里仅论述其中最常被气候学者广为采用的一种说法。
① 雪线升降还与降水量的多少及季节分布等因素有关，但它能表示气温的变化。
① 详见王绍武。气候系统引论。北京：气象出版社。1994；52—53。
① 他们以1959—1979年30年平均值为基础，然后将1854到1993年气温资料逐年对此平均值求距平值。见Trends'93，Published by CDIAC。
② 见中国科学技术蓝皮书第5号，气候，北京：科学技术文献出版社，1990：141—146。
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