朱珍华:气候变化周期性质初探

选择字号:   本文共阅读 2832 次 更新时间:2007-11-13 09:42:40

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朱珍华  

  

  作者的话

  

  这是我于五十年前,在我国著名气候学家么枕生先生的指导下完成的毕业论文手稿。1957年我从南京大学气象系气候专业毕业后,因工作需要,没有再从事气候学方面的研究工作。但是,虽然经过多次工作调动,多次搬家,无数资料被处理,而这份手稿却仍完好地保存下来。因为我不仅为它付出了大量的劳动,而且它是我人生道路上的一个重要印记。

  本文的主题是我国的气候变化问题,问题的中心是要研究气候变化的周期性质,包括周期长度,振幅和相位。为了进行研究,从全国气象台站中选用了11个降水记录长度超过50年,个别达100年的资料。为消除短周期的振动,采用了气候研究中普遍应用的移动平均法。我们知道气象要素的年际变化很大,降水的年际变化更为突出。记录经过移动平均以后,虽然平滑掉一些极端值,但得到的决不是光滑的曲线,而是由多个周期重叠的谐波。在此基础上,结合微分法进行计算分析,然后得到降水长年变化的周期长度、振幅、相位。因为这是学生的毕业论文,因此所有的计算数据在离校前都已交给了导师,我手里只留了这份底稿。但从两个代表点的计算中可以得知我国降水变化的平均周期长度为36年,最短值是26年最长值是45年。这个结果,在当时就和国外的结果一致。近代,在亚洲、欧洲有多位气候学家根据气候资料、冰川的进退增消、海平面变化等也都发现气候存在平均约为35年的周期变化,最短为26年,最长可到52年。更有意思的事是,本文结果还和近年来在新疆新的发现一致。他们从树木年轮研究中发现出近320年来气候有8次变化,平均周期为40年。这说明我国西北地区的气候周期和本文研究的五十年前我国东半部地区的周期基本相同。虽然以上这些数据是在地球上不同的地点不同的时期用不同的气候指标计算和分析出的,但它们都证实了我50年前在本文中得到的结论。即:现代气候变化有三四十年的周期存在。根据计算结果本文还分析了几个台站的长年降水的周期变化的振幅和相位,指出南北的相位有显著的差别,南方的相位落后于北方。

  限于当时的条件,本文未能对温度的变化进行研究。但是所得结果至今仍然具有现实意义。首先由于它是纯学术研究,不受任何外因干扰,对它的客观性和真实性就毋庸置疑。本文通过科学计算客观地反映出,我国气候变化存在的周期性质,并且能够和国内外的结果相互印证。这种变化是自然规律,不以人的意志为转移。人的活动可以对它产生影响,但不能改造它。本文开头还列举了气候变化原因的不同学说,说明气候变化的复杂性和不确定性。关键是什么是主要原因,文中提到:“气候变化的原因是错综复杂的,它只有在水分和热量平衡变化时发生,而水分、热量平衡变化的根本原因是在于地球从太阳得到辐射量的变化,所以归根到底气候变化与太阳辐射有关”。文中提到地球大气成分的变化也是气候变化的一个因素,但显然相对于太阳辐射,大气成分变化对气候的影响是微不足道的。而且,因多种原因大气成分变化不定,存在日变化,年变化、还有年际变化,如二氧化碳存在明显的日变化。上世纪70年代,我在中国科学院安徽光机所从事二氧化碳观测研究。曾从文献中查到,有人在玉米地里观测到清晨大气中二氧化碳的含量达到最大,因为夜里植物的呼吸作用,要放出二氧化碳。白天则相反,由于植物的光合作用要吸收二氧化碳而使含量下降。全世界的气象台站历来都没有像对温度、气压等气象要素那样进行大气成分的观测,所以人类并不拥有大气成分包括二氧化碳长期、系统观测记录。本文使用了全国11个台站的降水资料,都在50年以上,有的台站达100年,尚且感到资料的不足。可见在严重缺乏资料的情况下,要说清楚大气成分包括二氧化碳对气候变化的影响并非易事。回顾往事,五十多年前当我学气候学时它还是个冷门,现在它却已发展成为当前全球政界和媒体以及有关各界关注的一个热点;尽管如此,重温我五十年前写的这篇讨论气候变化的论文,我却仍然感到现时那种强调人类活动造成的二氧化碳含量增加对气候变暖的影响,把它说成是变暖的主要原因,是根据不足的。更进一步,预言这类影响会使全球气候升温几百年,则更是和本文发现的气候变化存在三四十年周期的事实相矛盾。本文的这个发现业已为国内外研究所证实。根据这个近现代气候变化的自然规律,可以预期现时全球气候升温很可能是气候自然变化一个新周期的开始,这个周期长度不可能超过一百年,至多三四十年后,气温就会降下来,甚至会变得更冷,最后再恢复常态。这就是在当前气候变暖被国际上某些政界人士某些媒体炒作得沸沸扬扬,大有世界末日即将来临之际,重温我五十年前的这篇毕业论文所得到的感悟,我感到这个感悟要比那些炒作更为合理。

  为使这篇学术论文改成一篇科普论文,使它能够为更广大的读者所接受,我们现在对原文的文字作了一些处理。首先把原文所有的数学公式都略去,这些数学公式主要出现在原文的“研究方法”一节中。对于非本专业的读者而言,知道这些公式的细节并非必要。对于对研究方法的细节也感兴趣的读者,他们可以来信向我索取。此外,我们还略去了原文文后的参考文献,同样对此有兴趣的读者,我也会向他们提供。第三,为使本文的现实意义更加突出,我们把本文原来的题目《我国气候变化问题的研究》作适当的改变,使它成为现在这样更有针对性的《气候变化周期性质初探》。最后,本文在1957年完成后五十年的今天,我的老伴温景嵩阅读了论文的原稿并写了一篇读后感,现在也把它附在文后供大家参考。

  (2007年6月5日初稿写成于南开园,9月22日修改稿仍旧写于南开园)

  

  气候变化周期性质初探

  (本文原名《我国气候变化问题的研究》)

  

  朱珍华

  (1957年夏在南京大学气象系气候专业完成的毕业论文)

  

  一.序

  

  气候变化和变动问题是近代气候学中心问题之一。关于这方面的学说有:

  (1)太阳辐射变动;

  (2)地球轨道要素变动;

  (3)大陆漂移;

  (4)地球大气成分的变动;

  (5)太阳外形的改变等。

  但是,所有这些都还未得到充分的证实。气候变化问题的研究方法也很多,各国气候学家曾做过不少工作[1----6]。著名的苏联气候学家A.I.沃耶依科夫曾做出了一些贡献。其他像美国的Dongbass教授创立了“日斑和年轮学说”论证了气候变化。奥国的 Brükher研究里海水面变动发现气候周期。我国谢义炳教授根据Schusear周期法研究清代(1644---1911)的水旱灾周期变化[7]。张汉松用统计工筑法(周期图表分析法)分析过明代(1310---1642)水旱灾的周期[8]。

  本文仅讨论了我国雨量的长年变化,这当然不足以全面地说明我国气候变迁,为达此目的,最好能再研究温度的变化和大气环流的情况,但目前无此条件。为了说明雨量的长年变化,必须计算其周期长度,振幅和相位。能使用的记录越长,则可应用的方法越多,计算之结果也越可靠。但国内的记录一般都不超过一百年,而且中断很多。故只能选择若干台站作计算,其中有:

  (1)华南地区:香港(1853---1948),厦门(1892---1953);

  (2)长江中下游:上海(1873---1953),南京(1905---1950),武汉(1882---1953),重庆(1892---1953);

  (3)华北和东北:北京(1841---1954),天津(1905---1953),青岛(1899---1952),沈阳(1906---1952),哈尔滨(1909---1954);

  (4)西南与西北地区:由于记录太短,不能做计算,是本文不足之处。

  对于记录较长且完整的台站,如上海,香港,我们除应用移动平均法以外,还进一步用微分法作了周期计算,其他台站只用了移动平均法。北京纪录年代很长,但中断太多,也只计算了移动平均值。对于振幅和相位的计算也曾做过试验,但由于误差的积累,计算结果准确性差,所以只能用粗略估计的办法。

  另外,本文还将计算结果联系大气环流进行讨论,但没有专门做大气环流情况的统计计算,仅根据国内外学者研究结论做一些推论,不能讲不是一个缺陷。最后,本文还将我国气候情况和欧洲的做初步比较。

  本文所用的资料,来自“中国雨量”(竺可桢,涂长望,张宝堃),以及中国科学院地球物理研究所和中央气象科学研究所合编的单行本“中国气象资料”。

  

  二.研究方法

  

  本文所使用的研究方法有:

  1.移动平均法(细节从略)。

  2 微分法(细节从略)。

  具体工作步骤如下:

  1. 计算方法的鉴定:

  为了检验计算方法的准确程度,在正式计算之前,我们先做了这一步工作,结果证明方法基本可靠(具体检验的细节从略)。

  2. 计算:

  (1) 求11个台站降水量的十年移动平均值并作图,以比较各地降水的一般趋势和相位。

  (2) 对香港和上海两地,除做了十年移动平均以外,还连续用微分法计算了第一和第二周期的长度(具体计算法见表三和表四,此处从略)。

  3. 两种方法所存在的缺点:

  (1) 移动平均法:

  a. 平均时所取的时间间隔m是根据计算者的主观估计,无严格的客观标准。

  b. 此法计算结果,最近几年的情况不能表现出来,如我们计算的十年平均的最后一点是落在前九年的时间上。

  c. 移动平均后仍不能完全将短的复杂的波动去掉,时间间隔m取得太大时,振幅和曲线形状又改变太大。

  (2) 微分法:

  前已证明此法应用于超越函数的计算时较合理,但当曲线不平滑时误差较大,并且准确度也无法估计。因为:(原因有二,其细节的分析此处也从略)。

  (3) 相位和振幅未能用计算法。

  

  三.关于相位,周期长度和振幅计算结果的分析

  

  1.各地雨量变迁相位差别的分析:

  为了比较全国各地降水量变迁相位的差别,计算了11个台站降水量的十年移动平均值。由此得到的变化曲线很清楚的显示出各地的相位差别。为讨论方便起见,都以1909年作为起点,并根据地理位置将它分为三个区域来讨论(见图3):

  (1)我国南部沿海地区(香港,厦门)

   以香港为代表,其一般变化形势为:1909年是负值(-150.5mm,是去掉平均值以后的计算结果),其后是连续上升时期到1918年达到顶点,而后则连续下降到1929年达到最小。1929年以后到现在又是处于上升时期中。

  (2)长江中下游地区(重庆,武汉,南京,上海)

  以上海为代表,其一般变化形势是:1909年为正值(+90.1 mm),开始时比较平缓然后就显著下降,至1928年达到最小,而后又连续上升,现今是处于上升以后平缓变化阶段。

  (3)华北东北地区(青岛,天津,北京,哈尔滨,沈阳)

  以青岛为代表,其一般变化趋势是:1909年以后是处于迅速下降阶段。1913年达到最小(因记录有中断,故不十分准确),而后连续上升,1922年达到最大,而后又连续下降,现今从曲线上看大致又是处于连续上升阶段。(因记录中断,只是做约略估计)。

  以上的分析相当粗糙,,并且由于记录中断很多,所得的结果并不完善,但是仍可以清楚地看到各地的相位有显著的差别。长江流域的相位落后于华北东北地区,华南沿海地区的相位又落后于长江流域。将华北和东北地区和华南沿海地区相比较,则可见二者相差甚远,相位几乎是相反的。

  2.各地周期长度的分析:

   对于这个问题,我们应用微分法对上海和香港两地的记录作了精密的计算,在计算过程中发现:

  (1)降水量的常年变化周期并不像超越函数那样一成不变,故所得结果是整个记录的平均周期。

  (2)由于曲线不完全光滑,因此个别周期值显得特别小或特别大,所以我们除对所有周期值求平均外,还除去极端值求平均(范围由计算者根据经验主观决定)。另外,我们还应用21年的移动平均值曲线图作粗略的估计, 以做参考。所得结果,见下表:

  

  

  四.年降水量韵律变动的原因

  

  1. 关于周期的长度:

   近代气候学家通过气候观测资料的分析证明气候变化存在着周期性。勃吕格聂尔曾根据1700---1880年气象观测资料,并采用了该时期内关于山区冰川的进退,河流融解和冻结的日期等资料的研究得到结论:在气温,气压和降水上都出现平均长度为35年的周期。(点击此处阅读下一页)

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