氣候及氣候變化概念的新認(rèn)識

余錦華 耿新

[摘 要]氣候?qū)W是大氣科學(xué)的重要分支，20世紀(jì)70年代初氣候系統(tǒng)概念的提出，在氣候?qū)W領(lǐng)域內(nèi)引發(fā)了一場科學(xué)革命。從氣候系統(tǒng)各子系統(tǒng)間的相互作用這一角度來研究氣候的形成和變化在大氣科學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域是十分活躍的，新觀點(diǎn)、新方法、新發(fā)現(xiàn)層出不窮，氣候?qū)W得到了空前的發(fā)展。氣候及氣候變化概念是氣候?qū)W最為基礎(chǔ)的內(nèi)容，文章提出了全新氣候及氣候變化的概念，對其做了透徹的闡述，澄清了國內(nèi)外對此問題的若干模糊認(rèn)識，豐富了現(xiàn)代氣候?qū)W，為氣候及氣候變化概念的科學(xué)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]氣候;氣候變化;氣候狀態(tài);氣候標(biāo)準(zhǔn)態(tài)

[基金項(xiàng)目]2018年國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“中國區(qū)域干旱事件檢測歸因”（2018YFC1507704）;南京信息工程大學(xué)2020校級線上線下混合一流本科課程建設(shè)項(xiàng)目（2020XJYLKC047）;《現(xiàn)代氣候?qū)W》一流課程思政建設(shè)的內(nèi)涵研究及實(shí)踐（2020KCSZJGZX015）

[作者簡介]余錦華（1964—），女，安徽黟縣人，博士，南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院教授，主要從事氣候?qū)W研究;耿 新（1991—），男，江蘇宿遷人，博士，南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院講師，主要從事氣候?qū)W研究。

[中圖分類號] P461[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）32-0122-03[收稿日期] 2020-01-21

一、引言

氣候是氣候?qū)W科最為基礎(chǔ)的概念。100多年來，隨著對氣候現(xiàn)象認(rèn)識的不斷深入，“氣候”的概念隨之不斷地變化。“氣候是人類能夠感知的大氣中所有的變化（von Humboldt，1845）”，“氣候是地表上某一地點(diǎn)，根據(jù)大氣平均狀態(tài)可以了解的氣象顯現(xiàn)的總稱（von Hann，1908）”，“氣候是一地區(qū)天氣的平均狀態(tài)和一般過程，研究各種天氣系統(tǒng)、大氣環(huán)流的平均狀態(tài)”。繆啟龍等（2018）提出“氣候可以理解為某一地區(qū)大氣的長年?duì)顟B(tài)，用各種氣候要素的統(tǒng)計(jì)值來表示”。世界氣象組織（WMO，https：//public.wmo.int/en/about-us/FAQs/faqs-climate）指出：“狹義上，氣候可理解為天氣的平均，是大氣溫度、降水、風(fēng)等變量在從月到千年或百萬年的時間尺度內(nèi)相對量的平均及變率的度量”，同時，WMO又指出“30年是氣候的標(biāo)準(zhǔn)時間段”[1]。WMO的論述中有兩點(diǎn)易為我們混淆，前一句提到“氣候可理解為天氣的平均”，后一句解釋又提到“平均及變率的度量”;另外，30年時間段與“月到千年或百萬年的時間尺度”具有怎樣的聯(lián)系和區(qū)別。

1974年，在瑞典斯德哥爾摩召開的氣候的物理基礎(chǔ)及其模擬的國際討論會上，氣候系統(tǒng)的概念被提出，有學(xué)者提出“氣候是對氣候系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)上的、動力上的、各種時空尺度和層次上的客觀物理描述（李曉東1997）”。大氣系統(tǒng)是氣候系統(tǒng)的主體，是大氣科學(xué)的主戰(zhàn)場，提出氣候系統(tǒng)概念，是為了研究氣候系統(tǒng)各子系統(tǒng)間的相互作用如何影響氣候的形成及變化，解釋氣候異常特征。顯然，這個“氣候”的概念混淆了大氣系統(tǒng)與氣候系統(tǒng)其他四個子系統(tǒng)的主次關(guān)系，此外，如何表達(dá)和理解氣候特征也并不清晰。怎樣給出一個綜合而簡單地考慮了氣候形成及變化過程的氣候基本概念，值得深思。

氣候預(yù)測是現(xiàn)代氣候業(yè)務(wù)的一個重要部分，也是氣候理論研究的一個主要方向。這種氣候預(yù)測的對象是氣候嗎？顯然不是，而是氣候狀態(tài)。什么是氣候狀態(tài)？與氣候有怎樣的關(guān)聯(lián)和區(qū)別？

氣候變化是目前大氣科學(xué)研究的熱點(diǎn)。繆啟龍等（2018）認(rèn)為“氣候變化是指由各種要素（如氣溫、降水、氣壓等）所表征的氣候狀態(tài)在較長時段內(nèi)統(tǒng)計(jì)特征的變化”。要理解這個概念，首先要給出氣候狀態(tài)的定義，其次，這個氣候變化概念很模糊，沒有論述清楚如何表征這一變化。本文將給出綜合而簡單地考慮了氣候形成及變化過程的氣候、氣候態(tài)、氣候狀態(tài)以及氣候變化基本概念，集科學(xué)性和應(yīng)用性于一體。使讀者對氣候及氣候變化概念有清晰的認(rèn)識和理解，同時能夠?qū)⑵湔_地應(yīng)用于科研、業(yè)務(wù)、生活及生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中。

二、氣候的概念

我們認(rèn)為，氣候指的是在太陽輻射和氣候系統(tǒng)各子系統(tǒng)的相互作用下，地球上的某一區(qū)域在某一特定時段內(nèi)天氣（氣候要素）的多年平均狀況及極端情形。

如表1所示，天氣（氣候要素）是氣候研究的主要變量，指大氣系統(tǒng)常規(guī)的物理量，如大氣溫度、降水、氣壓、風(fēng)、環(huán)流等，也可擴(kuò)展到氣候系統(tǒng)的其他物理量，如海表溫度、土壤濕度、地表溫度、海冰等。根據(jù)需要，氣候要素可取平均值（如平均氣溫）、總量（如降水量）、極端值（極端日降水、極端日最高氣溫等）、方差等統(tǒng)計(jì)量。地球上某一區(qū)域，可小至一個站點(diǎn)或格點(diǎn)，也可大至全球。定義中，有兩個時間尺度，分別是“多年”和“某一特定時段”。WMO規(guī)定的“多年”為30年，這是考慮到現(xiàn)代氣象觀測時間大多在世紀(jì)尺度內(nèi)的緣故。即氣候標(biāo)準(zhǔn)態(tài)（簡稱氣候態(tài)）一般用30年平均得到，如1981—2010年，為現(xiàn)代氣候的多年平均時段[2]（P1）。實(shí)際研究中，也有用多于30年的時間來計(jì)算氣候態(tài)的情況。“某一特定時段”在現(xiàn)代氣候研究及業(yè)務(wù)中，指的是日、候、旬、月、季到年，或一年中任何指定的時段，如長江中下游的梅雨期，中國東部的夏季風(fēng)時期等，該特定時段的氣候要素統(tǒng)計(jì)特征，也可稱為氣候狀態(tài)，這一氣候狀態(tài)是氣候預(yù)測業(yè)務(wù)和研究的對象。需要注意，氣候狀態(tài)所在的特定時段是一個連續(xù)的時間段，比如我們選定一月份為特定時段，意味著從1月1日00時到1月31日24時（北京時間或世界時）結(jié)束的這段連續(xù)的時間，若氣候要素為地面氣溫，統(tǒng)計(jì)特征為平均值，表示地面氣溫從1月1日00時到1月31日24時的平均，若氣候要素為降水，統(tǒng)計(jì)特征為總量，則表示在1月1日00時到1月31日24時的總降水量。氣候態(tài)的時間段30年，實(shí)際表示每年取一個氣候狀態(tài)，連續(xù)取30個氣候狀態(tài)，即30個樣本。可見氣候態(tài)的30年時間段，與氣候狀態(tài)特定時間段是不一樣的概念。

氣候標(biāo)準(zhǔn)態(tài)就是同類氣候狀態(tài)（要素及其統(tǒng)計(jì)量、每年的特定時段都一樣）30年的平均。WMO在氣候概念的論述中給出的時間尺度是從月到千年甚至百萬年，指的是特定時段，即氣候狀態(tài)時段。只有特定時段在年及以下的氣候狀態(tài)之平均稱為氣候標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，當(dāng)特定時段在年以上時，只有特定時段的氣候狀態(tài)，而無法給出氣候標(biāo)準(zhǔn)態(tài)。本文氣候定義中給出的特定時段從日到候再到年，更關(guān)注于近代氣候業(yè)務(wù)及研究，如延伸期預(yù)報(bào)，已使用到日—候的氣候態(tài)。在這樣年以下的特定時段，可以得到30年平均的氣候態(tài)。WMO沒有特定說明，使用時非常容易混淆“特定時段（氣候狀態(tài)時段）”與“標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時段30年”的聯(lián)系與區(qū)別。

此外，本文的氣候定義指出了氣候形成及變化的物理過程：太陽輻射和氣候系統(tǒng)各子系統(tǒng)相互作用的影響。如圖1是全球一月（特定時段）地面2m氣溫（氣候要素）氣候態(tài)分布特征，由此可見以下幾點(diǎn)：

1.一月平均氣溫具有從低緯到高緯逐漸降低的趨勢，這一經(jīng)向分布的趨勢是由太陽輻射和下墊面所決定的。

2.我們同時發(fā)現(xiàn)有溫度槽，甚至冷中心出現(xiàn)在大陸上，而溫度脊出現(xiàn)于海洋，這表明同一緯度大陸比海洋冷，這是由海洋與陸地表面不同的物理性質(zhì)所決定的。

3.上述溫度的經(jīng)向分布規(guī)律和緯向的海—陸差異，其實(shí)質(zhì)是太陽輻射和氣候系統(tǒng)各子系統(tǒng)相互作用的結(jié)果。因?yàn)樘栞椛鋸牡途曄蚋呔曋饾u減少，另一方面高緯地區(qū)有冰雪存在，大的反照率，吸收的太陽輻射少;下墊面不同的物理性質(zhì)對太陽輻射強(qiáng)迫產(chǎn)生的響應(yīng)不同，導(dǎo)致了海—?dú)狻㈥憽獨(dú)狻⒈獨(dú)庀嗷プ饔玫牟町悾纬闪巳鐖D所示的氣溫氣候態(tài)分布。

4.大氣環(huán)流和海洋環(huán)流的原動力來自太陽輻射的經(jīng)向梯度和海—陸的緯向差異。也是太陽輻射和氣候系統(tǒng)各子系統(tǒng)相互作用的結(jié)果。

30年平均的物理量具有穩(wěn)定性特征，給氣候變化研究提供了一個背景，加上氣候標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時段中出現(xiàn)的要素極端情形，對人們的生活和生產(chǎn)實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)性作用。比如水庫大壩的設(shè)計(jì)，需要考慮上游流量的氣候態(tài)，同時還要考慮其極端值。城市規(guī)劃、橋梁設(shè)計(jì)需要考慮風(fēng)向、風(fēng)速的氣候態(tài)和極值。

本文給出的氣候的概念，高度概括了氣候形成與變化的物理過程，明確了可得到30年平均的氣候態(tài)之特定時段必須在年以下。其不僅給出氣候態(tài)的定量描述，而且包含整個氣候態(tài)時段的極值，該極值指的是30個氣候狀態(tài)中的極端值，與特定時段的氣候要素極端值是不同的概念。比如氣候狀態(tài)取為上述提到的三峽大壩夏季（特定時段）的上游最大日流量，氣候概念中的極值則為這個日最大值在30年中的夏季上游的最大流量，表示極端值的極值。這些為氣候概念的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時該定義綜合了現(xiàn)代氣候?qū)W的發(fā)展，使我們的現(xiàn)代氣候?qū)W課程的教學(xué)脈絡(luò)更加清晰明了。

三、氣候變化的概念

在認(rèn)識和理解了氣候、氣候狀態(tài)、氣候態(tài)概念的基礎(chǔ)上，即可以順其自然地給出氣候變化的概念。氣候狀態(tài)相對于其氣候態(tài)的偏差或同類氣候狀態(tài)間的差異稱為氣候變化。當(dāng)有氣候態(tài)時，氣候變化的定義指的是前一句，這是近代氣候業(yè)務(wù)及研究中最常使用的氣候變化概念，將每年的氣候狀態(tài)偏差或氣候狀態(tài)按年的先后順序排列得到的序列，稱為某一氣候要素變化的時間序列，簡稱氣候變化序列，該序列是氣候變化研究常用的對象。如圖2顯示的是全球平均地面氣溫變化序列，每年的全球平均地面氣溫相對于其氣候態(tài)（這里用1850—1900年平均值）偏差的時間序列。該氣溫變化序列蘊(yùn)含著氣溫趨勢、氣溫波動（年際和年代際變化）等氣溫變化信號以及氣溫變化噪音。這一概念糾正了很多學(xué)生及相關(guān)科研、業(yè)務(wù)人員常常將類似于圖2的時間序列，稱為年際變化的錯誤論述。因?yàn)闅夂蜃兓芯恐校觌H變化主要指 2-9年的時間尺度變化。對后一種變化情形，一般給出格點(diǎn)相連的空間分布。如圖3是年平均海表溫度在1991—2010年平均與1971—1990年平均的差之空間分布，這個氣候變化圖符合后一個描述，即同類氣候狀態(tài)（要素都為海表溫度，要素統(tǒng)計(jì)量都為平均值，氣候狀態(tài)時段都為20年）的差異[3]（P2）。有研究者用不同特定時段的氣候狀態(tài)差異描述氣候變化，是錯誤的做法。

另外，需要注意，通常業(yè)務(wù)及研究中常常用到的季節(jié)變化概念實(shí)際上屬于氣候態(tài)的范疇，不屬于氣候變化內(nèi)容。如圖4 顯示的1月到12月份全球、北半球和南半球1000 hPa平均氣溫的季節(jié)變化（或稱為年循環(huán)、年變化）。因?yàn)閳D中給出的是每個月的30年平均的1000 hPa平均氣溫，即12個月的氣溫氣候態(tài)組成的曲線，常常有人將這個稱為月際變化，也是錯誤的論述。

四、結(jié)論

本文基于氣候形成及變化的物理過程和近代氣候觀測時段，提出了符合現(xiàn)代氣候理論研究和業(yè)務(wù)的“氣候”的概念，對概念的實(shí)質(zhì)做了透徹的闡述，與WMO的氣候概念做了深入對比，澄清了國內(nèi)外對此問題的若干模糊認(rèn)識，豐富了氣候?qū)W的內(nèi)容，使氣候的概念更具科學(xué)性和應(yīng)用性。文中同時明確了“氣候狀態(tài)”“氣候標(biāo)準(zhǔn)態(tài)（氣候態(tài)）”的概念，在此基礎(chǔ)上提出了“氣候變化”的概念。這一概念簡單明了、實(shí)用性強(qiáng)，涵蓋所有氣候變化理論研究及業(yè)務(wù)工作的內(nèi)容，為氣候變化研究者提供了科學(xué)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]Band I，J.G.Cotta，Stuttgart and Tübingen，493pp.von Hann J，1908.Handbuch der Klimatologie，vol 1，3rd edn.Engelhorn，Stuttgart.

[2]繆啟龍，江志紅，陳海山，余錦華.現(xiàn)代氣候?qū)W（第二版）[M].北 京：氣象出版社，2018.1.

[3]李曉東.氣候物理學(xué)引論[M].北京：氣象出版社，1997.2.周劍峰，韓民.新工科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建[J].教育教學(xué)論壇， 2017，（44）：109-110.