2011年气候突变，恶略天气的实例

进入2011年，世界各地的恶劣天气不少，气候突变却谈不上。

进入2011年以来，洪水肆虐澳大利。北起亚昆士兰州南到塔斯马尼亚，暴雨侵袭了澳大利亚东部全境。

在南美的巴西里约热内卢，暴雨引发的洪水和泥石流1月11日晚开始不期而至。截至12日，洪水已造成至少264人死亡。大雨使里约州的三个城市进入公共灾难状态，水、电、交通和通信全部中断。

与巴西相邻的阿根廷则是另一番景象。极度干旱和酷热的天气，近期持续影响圣达菲等粮食生产大省，威胁到当地大豆和玉米等关键作物的播种和收成。

我国河南、山东、苏北、皖北和晋冀南部的干旱持续至今。

澳大利亚、巴西和我国华北的气象灾害虽然严重，与当地气候的季风性特征是相符的，阿根廷的大陆性气候同样具有很大的天气变数。因此，最好不要把“气候范畴的天气变数”与“气候突变”混为一谈。

海陆比例互转意味着陆地面积将增大为71%，而海洋的面积则缩小为29%。首先，我们知道，海洋温度方面具有重要作用，天热时，海洋区域温度往往较低，因其具有降温功效；天冷时，因水的比热容较高，具有一定储温功效，相比于陆地，海洋的温度往往较高。

如果将大面积海洋换成陆地，毋庸置疑，夏天，大面积陆地将变得炽热无比，而由于海洋面积缩小，液态水资源急剧减少，大面积陆地都会逐渐演变为沙漠。同时，地球上冰盖的面积也会急速缩小，由此或会导致冰盖附近区域出现洪水暴涨淹没陆地的情况，陷地球生态处于一片混沌之中。

其次，海洋具有吸收二氧化碳的功效，若海洋比例缩小为29%，那么便意味着大量二氧化碳气体无法被海洋锁固。大量二氧化碳散布在空气中，会造成更加严重的温室效应，导致全球气温普遍升高，让陆地变得更加干燥，极易引起火灾。

此外，由于海洋具有蒸发水汽以及水汽冷凝循环的功能，海洋的存在有利于实现海陆热量再分配。若大面积海洋转换为陆地，海陆间水循环便会受到影响，陆地的降水量会变得十分不稳定。而区域降水量又与区域的气温和气候有关，由此便会造成，只有靠近海洋的部分陆地才是宜居区域，那些远离海洋的区域，将变成持续干热、少雨的荒漠化地带。

在此种情况下，大量生物包括人类都会涌向近海区域，给近海区域带来严重负担，或会导致资源抢夺、土地霸占甚至是更加严重的社会问题。

最后，海陆比例互换，亦会对地球生物生存带来巨大影响。生物研究调查显示，空气内约60%的氧气是由水生植物提供，海洋区域减少，定会给水生植物生存造成巨大影响。水生植物死亡直接导致地球内氧气含量减少，而在氧气含量减少的同时，二氧化碳浓度又在不断增加，这对于地球上的生命来说是极其不利的。

正如硬币有两面，凡事也有好也有坏，海陆比例互换也不例外。海洋面积变小，那么有部分可以适应陆地环境的生命便会进入陆地。由于陆地水资源有限，植物数量会不断减少，动物的体型也会逐渐向高瘦型转变。若人类也能在新的环境中生存下来，人类或将演变出全新的体态，或会拥有更强健的骨骼，又或能学会更多的运动技能，这似乎也不是一件太坏的事情。

在理论地理学的研究中，王铮除提出理论地理学的一般原理外，主要致力于理论地貌学和理论经济地理学研究。早年，发展了一系列地貌演变的解析模型，如一维理想河流演变模型（1989）、沉积层层厚分布的模型（1991）、沿岸流作用下海岸线轮廓演化模型（1994）、泥沙悬浮的熵模式（1995）。2000年后重点开展理论经济地理学研究，包括从统计力学角度推导出空间相互作用模型（1986,1989,2002）证明了A E Wilson模型的合理性并且证明在开发系统下该模型仍然成立，求出空间相互作用城市的数学形式,发展增长极的空间动力学模型（1988，1995），知识产业的区位模型（1999，2005）、旅游业区位模型（2000，2002）、知识溢出空间过程模型（2003,2004）、产业集群模型（2008）、发展了一种高技术产业空间格局演变理论（2004~2010）和一种旅游规划学说（2000~2008）。王铮在理论地理学方面的研究工作，集中表现在他的理论地理学专著《地理科学导论》、《理论地理学概论》和《普通地理学》内，在这些专著中，王铮（与丁金宏合作）提出了地理事物具有环境-区域二象性，地理景观界线信息测不准、地理学五条公设，区域进化观点以及区域枢纽-网络结构学说等。特别是提出了“一个独特的理论地理学体系”（胡焕庸评价），“明确地提出了宏观经济地理学和微观经济地理学的分类体系，有重要意义。”（吴传均评价）

在区域管理学的研究中，王铮（与吴必虎等合作）提出了PRED协调概念和地理工程学说（1987，1989,1991，1995），定义了区域管理的概念和范畴（2000），提出了凯恩斯经济政策与供应学派经济政策的适用范畴，提出了区域知识管理学说（2006，2007）、区域溢出模式（2010）和区域发展的“三次本性”学说（2010,2012）等。后者被评价为发展了克鲁格曼的新经济地理学理论和陆大道的区域增长存在新因素观点,被用于模拟经济地理结构的进化

在计算地理学方面，王铮发展了遥感图像识别的统计学基础认识（1987）、沉积盆地恢复的最优化算法（1990）、地理过程突变辨别方法（1990,1995,1996）、地理-经济系统复杂性分析的多重ABS模型（2007，2008,2010）、气候保护模拟分析的多国模型（2005~2010），发展了若干空间运筹算法（2006~2010），提出了计算机实验人文地理学的方法论。这些工作，集中反映在王铮的专著《计算地理学》中。

近年,结合地理学和管理学研究，王铮的主要研究工作集中在气候变化的人地关系模型研究和国家与区域的宏观政策模拟方面,同时致力于发展理论经济地理学。

在气候变化科学内：1991年提出中国历史时期降水曲线变化（王铮，张丕远，郑景云），发现2000年来中国的降水持续下降，但是1230年到1900年间降水已经平稳。1993年提出中国近2000年气候变化的阶段性，发现280’s，880’s和1230~1260’s存在气候突变，而且1230与1260突变是中国历史时期最大的突变（与张丕远、刘啸雷合作），后来进一步确定这个突变发生在1245年前后（与吴静合作）。1995年提出1830’s，1910’s存在气候突变并且刻画了现代气候自然趋势（与周清波，刘啸雷合作）。1996年王铮、张丕远提出中国近万年气温变化曲线，并被收入国家历史地图集。1996年，王铮等（与张丕远，刘啸雷，刘燕华合作）发表文章论证气候变化对中国人口分布的影响，发现了胡焕庸线在气候变化下的波动，强调气候温暖期，中国北方垂直胡焕庸线的地带性分异不明显而是突出经度地带性。这就影响了中国的历史发展和朝代更替。2008年通过基于自主体的模拟进一步论证胡焕庸人口分布线的形成不晚于1250年。1994，1998，2005年王铮通过计算模拟得到历史气候变化对中国农业生产潜力的影响。在气候保护的经济学方面，王铮发展了多国气候保护政策影响经济动力学模型、经济平稳增长约束条件下碳排放高峰估计的动力学模型，提出了带GDP溢出的多区域气候变化经济学评估系统(MRICES),并完成若干政策模拟成果。

在经济计算和政策模拟科学方面，王铮1997年模拟分析得出“人民币没有贬值必要而且贬值会带来经济体系混乱”的结论，1998年模拟分析中国合意城市化率为63%，城市化是新的经济转折点；1999年模拟得到粮食价格变动对中国粮食生产总产量影响不大，进而推断粮食顺价销售不会给产量带来明显影响，并发表文章用数据说明教育产业化危害。2000年模拟发现，调整产业结构，中国不存在布朗预言的水资源危机。2000年后，王铮主持了完全自主知识产权的中国CGE、中国多区域CGE、多国经济相互作用ABS、全国气候保护政策模拟系统和SARS减灾政策等政策模拟系统的研究，就气候变化的农业影响、气候保护经济策略、气候保护的宏观经济政策、人民币汇率政策、国际地缘经济政策、能源政策、水资源政策和汇率政策等开展了研究。

在理论经济地理学领域,王铮的工作可以归纳为三点:

1)解决空间相互作的“封闭系统困境”，发展了经济地理学第一定律;2)发展区域溢出学说，构建新产业区位理论;3 提出新经济地理的三个本性学说，构建新学科体系

在地理学领域和政策科学领域推进计算技术的实际应用是王铮的主要兴趣点:王铮开展的计算地理学和计算经济学模拟的成果与国家重大经济发展问题关系的有：模拟评价了东海西湖凹陷（含春晓油田等）的成油条件，证实油田的成油条件，排除了对某油气田成矿条件的怀疑（1990），模拟评价了亚洲金融危机中人民币贬值的风险，否定人民币贬值意见（1998），模拟评价了中国各气候-地貌区的SARS流行条件，提出分区分期减灾对策（2003），模拟评价了中国各市县的艰苦边远性，提出公务员与教师津贴等级政策（2006）,模拟提出2009年中国应对经济危机的投资重点应该放在中部(2009)。

2000年王铮及其课题组开始的模拟研究集中在全球气候变化的人地关系领域，2012年发布的MRICES-2012是具有完全自主知识产权获软件著作权，它开拓了具人地关系协调功能的IAM计算传统，模型包含GDP溢出，R&D溢出、内生技术进步、融资和地理工程调整等多种非线性动力学机制模块，能对各种减排方案实时评价，可模拟各种应对对策。被聘请为IPCC第五次报告评审人员

来自美国哈佛大学等大学的研究人员测算出了过去50多年每年春季到来的日期。他们把测算结果与英国东英吉利大学提供的从1850年到1950年的全球气候记录相比较后发现，春季到来的时间提前了两天左右。研究人员表示，造成这种情况的原因尚不清楚，但怀疑与人类活动造成的气候变暖有关。

研究发现，不仅是春季的到来时间，另外３个季节的开始时间和每年气温最高时期也有所提前。

参与研究的美国加利福尼亚大学伯克利分校研究生亚历山大·斯泰恩说，以北半球为例，1850年至1950年的四季开始时间变化不大，每年最炎热的日期在7月21日前后。而与之相比，1954年至2007年温度最高日期平均提早了17天。

“100年间(1850～1950年），季节更替比较自然，之后，随着全球平均温度升高，季节更替的时间发生了很大变化。”斯泰恩说。

除季节更替时间提早外，研究人员还发现，近50年来，冬季和夏季的温差正在缩小，冬季温度升高速度要快于夏季。

研究结果显示，在非赤道地区，过去50年里，冬季陆地温度平均上升了18℃，夏季温度上升了1℃。海洋的温度变化程度要小于陆地。

“所有季节的开始时间都提前了，温度也有所提高。”斯泰恩说。

一些生物学家还发现，过去50年中，一些表明春季已经到来的自然现象也提早发生，例如花朵开放、鸟类迁徙、积雪和海冰融化等。

科学家认为，这些现象的提早出现表明地球气候在不断变暖，从而导致每月的气温升高。

除了季节提前外，一些地方还会出现完全不符合当地气候特征的天气状况。2008年9月3日，肯尼亚首都内罗毕西北200多千米外的一个乡村下了一场罕见的雪，居民早上起床时，发现草地一夜间铺上了一层冰雪，很多村民一生都未见过下雪，有人拾起冰块消暑，亦有人乘机打雪仗。

经历这场雪的地方，位处东非裂谷地区，过往曾落冰雹，但从来都没有下过雪。有专家指出，当地20年前是一片森林，估计气候突变与过度砍伐树木有关。

受全球变暖影响，一些地方还会出现降水量减少等情况。2007年3月，美国国家气象局就宣布，洛杉矶受到全球变暖影响，城市气候发生反常，降雨量大大减少。美国国家气象局在一份声明中说，自2006年7月1日起至发表声明时止，洛杉矶市区降雨量只有6147毫米，与正常年份的同期降雨量相比减少了22095毫米，是1877年有记录以来最少降雨量。

除了降雨量减少，洛杉矶在2006年夏天还遭遇了罕见的高温袭击，造成100多人死亡。同一年的冬天，寒流席卷了一向温暖如春的洛杉矶，给农作物造成巨大破坏。

美国气候学家威廉·帕策特指出，这种奇热、奇冷、奇干的反常气候都与全球气候变暖有密切关系。他说，往年太平洋受厄尔尼诺现象的影响，海水比较暖和，这就缓和了来自北部的冷气流。但2006年冬天，厄尔尼诺现象没有对洛杉矶地区造成太大影响，于是一股来自极地的冷气流左右了该地区的气候。

长时间尺度的气候研究中通常涉及到年际变化和年代际变化。文献中也经常出现所谓年代际突变这类的描述，这次便介绍两个用来检验年代际变化的方法， 其一是滑动t检验(sliding t-test)，另一个则是曼肯德尔检验(Man-Kendall test)。

滑动t检验是考察两组样本平均值的差异是否显著来检验突变。

滑动t检验的基本思想是：把一气候序列中两段子序列均值有无显著差异看为来自两个总体均值有无显著差异的问题来检验。如果两段子序列的均值差异超过了一定的显著性水平，可以认为均值发生了质变，有突变发生。

原文也提到了该方法的局限性，需要人为设置滑动步长，具有一定主观性，需反复设置不同步长最终确定合适的突变点。

自由度n1+n2-2，根据置信度检验表查找对应显著性阈值。

曼肯检验是一种非参检验方法，避免了滑动t检验的局限性，在年代际变化研究中受到广泛应用。

以下是计算步骤：

对于同一组数据：

分别使用两种方法进行检验，首先是滑动t检验：

存在多个突变点，这时便需要调整滑动补偿，选取合适的步长。

而利用MK检验：

对于该组数据，相比之下，MK检验的效果要优于滑动t检验。

两种检验的分析方法如下：

滑动t检验:

M-K检验：

你知道为什么在阴雨绵绵或狂风乱作的恶劣天气中，自己会不自然的就感到压抑、郁闷、烦躁，有时甚至连脾气也会变得很大，随带的人生观也会变得很消极；而一遇到风和日丽、天朗气清的天气时，自己的心境就会变得开阔、轻松。其实这主要是环境中的气象气候引起的心理波动。促使气象病发生的诱因

气象病，是指由气象变化而引发的疾病。天气突变会加重气候病的发作和病情。气候突变是指人体所处的环境中，气温，温度、气压、风力等气象要素发生剧烈的变化。我国是位于中纬度地带的国家，所处于这个纬度上的国家，天气的变化很容易受到“锋面”的影响。所谓的“锋面”就是指由冷暖空气的交汇，从而引起忽冷忽暖的天气气候变化现象，“锋面”主要出现在晚秋至冬季时节，因为这时北方强冷空气和寒潮不断南侵，和南方的湿暖空气相碰撞，从而引发剧烈的天气变化。气候发生激烈的“锋面”活动，会促使人和动物的神经系统功能发生紊乱现象，从而引起血管运动反应改变，增加毛细血管以及周围小动脉的阻力，还能促使肾上腺素分泌增多，血中蛋白增加，血液粘性增高，加重心肌负担，促使心血管疾病的发作，这也就是为什么每到一年中秋末冬初时，有很多的患有高血压、冠心病、克山病等心血管病的患者，病情突然加重的原因。

根据相关的医学报告显示，在每年冬季的十二月至元月这个时间段里，是发生动脉硬化性心脏病死亡率最高的时间段，特别是再出现“锋面”气候的前后几天，是患者的病症发生剧烈变化，加重病症的高峰期。这主要是因为“锋面”带来的强大的高气压气候和剧烈的寒潮波动，刺激人体血管急剧收缩，促使动脉血压升高，引起严重的心肌缺氧现象，增加了心血管疾病的发生率。此外，气象的变化还很容易导致关节炎、风湿痛、感冒、支气管炎等疾病的发生。

城市气候的出现会导致一系列城市天气的变化现象，如气温增高、湿度降低、风速减小、降水增多、能见度低等各种现象。

城市建筑中出现的下垫面如沥青、水泥和砖石等导热率和热容量都比较大，这些都会加大城市对太阳辐射能的吸收；由于城市的排水系统很好，所以使耗于蒸发的热量大为减少，而耗于湍流交换的热量增加；城市生产和生活活动释放热量；城市上空由于尘粒、水汽和二氧化碳气体等的被覆作用使夜间长波辐射减少，下垫面冷却速度减慢等，都导致城市的气温提高。这样使城市气温高于周围地区，形成城市热岛。位于中、高纬度地区的大城市在冬天的城市热岛现象比较严重。

城市的空气相对湿度比周围地区低，主要是由于城市的气温逐渐高，而的地面的蒸发量减少。而城市的建筑物密集，使市区的风速也小于郊区。但是，“狭管效应”造成的“弄堂风”比自然风速大。又由于市区气压比郊区低，所以在没有其他天气系统影响的情况下，会有一种从郊区向市区辐合的特殊风系，也就是所谓的热岛环流。随着市区大气中大量尘粒的增加，使城市的年平均太阳辐射量和日照数都比比郊区减少，同时又使大气中的凝结核浓度增大，雾日增多，能见度降低。

由于城市热岛效应使市区的上升气流加强，城市上空的凝结核多使城市的降雨量也有所增加。另一种观念认为，城市大气中凝结核过多，只会云多雾多，却并不利于降水。但是根据欧洲和北美资料，许多大城市市区年降水量都会比郊区增多，尤其是位于下风向的城市。

以史为鉴，可以知兴替。这个“史”不仅仅是人类文明演化 历史 ，更是漫长的地球自然变化史。

这项研究为理解更新世气候突变事件的触发机理提供了全新的动力模型。相关研究成果在线发表于《自然·地球科学》杂志。

能够直接触发大西洋经向翻转环流突变

约270万年前，随着北半球大陆冰盖的逐渐发育，气候系统开始经历万年尺度为周期的冷暖交替，即我们熟知的冰期-间冰期气候旋回。在冰期气候背景下，全球气候频繁出现千年尺度的气候突变事件。20世纪80年代，有学者指出，气候突变的主要原因与大西洋经向翻转环流的变化有关。

“这一观点在30多年的持续研究中得到普遍认可，但其触发机理存在多种推测：有学者提出，可能与海洋环流的内部变率有关，或是由冰盖或者海冰的消融所致；还有学者指出，大气二氧化碳浓度和南半球西风带也起到积极的作用，等等。但这些推测主要集中在地球系统的内部因素。”张旭介绍。

以往的大量研究已证明，地球轨道变化可通过气候内部因素的变化（例如冰量变化）调节控制气候突变事件的发生，即轨道对气候突变的间接调节控制。

那么，地球轨道变化是否可以直接触发千年气候突变事件呢？

为此，研究人员首先开展了过去4万年至32万年的气候瞬变模拟试验。在试验中，研究人员仅将地球轨道参数作为变化量，而其他所有的环境变量（比如冰量、温室气体等）均保持恒定，以此检验地球轨道变化是否可以直接触发大西洋经向翻转环流的突变。

试验结果显示，大西洋经向翻转环流出现了类似于气候记录中的千年尺度震荡，相应的温度和降水变化也与气候记录有较好的一致性。“中国黄土，石笋，湖泊清晰记录了千年尺度的突变事件。这些突变事件对我国自然环境产生了重大影响。我们在复杂气候模型中首次证实了地球轨道变化可直接驱动气候突变。”中科院院士、中科院青藏高原研究所所长陈发虎强调。

可以帮助人类建立对“后天”的科学认识

随后，研究人员又进行了轨道参数的单一强迫试验，即仅改变地轴倾角、离心率或岁差，进一步定性不同轨道参数变化对气候突变的影响。

研究发现，岁差的变化可通过影响北半球低纬地区的夏季太阳辐射，调节大气水汽从大西洋向太平洋的输送强度，进而调控北大西洋的海表盐度，引起大西洋经向翻转环流的突变。

同时，地轴倾角可通过影响北半球高纬地区的年平均太阳辐射的变化，调控北大西洋深层水生成区的海水温度以及海冰面积，进而影响表层海水垂直混合的强度，引起突变。“这组数值试验证实了单一轨道参数的变化也可直接触发北大西洋海洋环流的突变，即轨道变化对气候突变的直接调节控制。”张旭解释。

为了系统地厘清地球轨道变化调制千年气候事件的规律，研究人员又通过大量的数值试验，总结出了解释更新世不同时期千年气候事件的动力概念模型。“我们的模型被证实不仅适用于晚更新世，而且也适用于中早更新世。”张旭说。

陈发虎表示，通过这些研究，我们可以确定，更新世以来冰期中的千年尺度气候事件很可能一直受到极地冰盖变化和地球轨道参数变化的双重调节控制。但是，轨道尺度气候变化和千年尺度气候突变如何协同影响更新世以来的气候演变，还需通过含冰盖动力过程的地球系统模型做进一步研究。

“科学家们通过对古气候现象背后机理的研究，尝试揭示不同时空尺度气候过程的协同作用对气候变化的影响，努力掌握气候演变的规律，不仅对于人类预测和应对未来气候突变有巨大而深远的意义，也可以帮助人类建立起对于‘后天’更加科学和理性的认识。”陈发虎说道。

编辑/范辉

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