中國(guó)歷史氣候情景的恢復(fù)與重建技術(shù)
歷史氣候變化一般指人類有文字記錄以來(lái)的變化，其上限大約同冰后期氣候最溫暖時(shí)期相接，其下限同氣象記錄開(kāi)始相接。今天（碳十四測(cè)年從1950年算起，下同），學(xué)術(shù)界已將上限上溯至全新世（冰后期）的開(kāi)始，其具體年代為11650年。[1]20世紀(jì)80年代，龔高法、張丕遠(yuǎn)等人將歷史時(shí)期氣候研究方法總結(jié)為七種：1.歷史文獻(xiàn)氣候記載的研究方法；2.樹(shù)木年輪方法；3.物候方法；4.生物學(xué)方法；5.自然地理因子的方法；6.同位素方法；7.歷史時(shí)期各種氣候證據(jù)的斷代方法。[2]90年代以來(lái)，隨著歷史氣候研究的深入，氣候史料的量化技術(shù)有了新的發(fā)展，各種氣候恢復(fù)和重建技術(shù)，如探索考察法、統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法和空間場(chǎng)分析技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，尤其是非線性動(dòng)力學(xué)理論和方法的引入為歷史時(shí)期氣候變化的研究開(kāi)辟了新的方向，其他研究方法也取得了新進(jìn)展。本文介紹利用現(xiàn)代分析技術(shù)恢復(fù)和重建歷史氣候情景的方法。
一 探索考察法
僅僅依靠歷史文獻(xiàn)方法建立的氣候序列，還不足以恢復(fù)和重建歷史氣候在時(shí)間和空間上的演變規(guī)律，要重建歷史氣候情景，還必須借助現(xiàn)代分析技術(shù)。現(xiàn)代分析技術(shù)包括探索考察法、統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法和空間場(chǎng)分析技術(shù)。
恢復(fù)和重建歷史氣候情景的最直接的方法就是應(yīng)用探索考察法。所謂探索考察法，就是盡量不用或少用復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)工具，而是直接分析數(shù)據(jù)本身的特點(diǎn)，以發(fā)現(xiàn)古氣候演化的規(guī)律。探索考察法中最主要的是頻率—眾數(shù)圖法和相投影圖法。
（一）頻率—眾數(shù)圖法
如在對(duì)2000年以來(lái)旱澇演變過(guò)程的分析中，研究者利用某一旱澇級(jí)別在一段時(shí)期內(nèi)發(fā)生的頻率，或一個(gè)階段內(nèi)所發(fā)生次數(shù)最多的那種級(jí)別反映氣候演變的階段性特征。研究者計(jì)算了公元前137—1470年眾數(shù)級(jí)別隨時(shí)間的變化后，發(fā)現(xiàn)1230年前后氣候發(fā)生了突變。
（二）相投影圖法
如果以旱、澇頻率作為橫軸與縱軸，將不同時(shí)期的旱澇概率在圖上的變化看成氣候系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡在相空間截面上的投影，可通過(guò)投影的特征反映氣候系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)軌道的特點(diǎn)。
二 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法
統(tǒng)計(jì)方法一直是恢復(fù)和重建古氣候情景的一種主要方法。包括最大概率變點(diǎn)檢驗(yàn)方法、模糊動(dòng)態(tài)聚類方法和時(shí)空?qǐng)龇治黾夹g(shù)等三種方法。
（一）最大概率變點(diǎn)檢驗(yàn)法
所謂最大概率變點(diǎn)檢驗(yàn)的方法，就是針對(duì)氣候等級(jí)序列數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，尋找這樣一種時(shí)間點(diǎn)，在該點(diǎn)前后，某一事件（如氣候事件）發(fā)生了明確的改變。在對(duì)2000年旱澇等級(jí)序列研究中，[3]研究者應(yīng)用概率變點(diǎn)檢驗(yàn)的方法分別對(duì)1級(jí)（大旱）和5級(jí)（大澇）發(fā)生概率進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)最大概率變點(diǎn)出現(xiàn)在1213—1263年。證明了1230年前后氣候突變的發(fā)生。他們對(duì)1、2級(jí)（大旱、旱）和4、5級(jí)（澇、大澇）發(fā)生概率進(jìn)行檢驗(yàn)，還識(shí)別出263—313年，863—913年兩次最大概率變點(diǎn)。另外，有充分的證據(jù)表明，在480年也存在一次氣候突變。
（二）模糊動(dòng)態(tài)聚類方法
模糊動(dòng)態(tài)聚類（FCM）算法是尋找氣候吸引子和氣候突變的有效方法。這種方法根據(jù)量化成等級(jí)的歷史氣候資料，統(tǒng)計(jì)特定地區(qū)在一定時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)各旱澇等級(jí)發(fā)生的概率，然后根據(jù)所定義的時(shí)段指標(biāo)找到聚類中心，確定吸引子的特點(diǎn)，進(jìn)而劃分氣候演化時(shí)段。如在我國(guó)2000年以來(lái)旱澇時(shí)空演化規(guī)律研究中，利用模糊動(dòng)態(tài)聚類算法發(fā)現(xiàn)，2000年以來(lái)氣候系統(tǒng)主要的一次變化發(fā)生在1230年前后。1230年以前旱、澇多發(fā)，旱災(zāi)次多發(fā)，且氣候時(shí)段持續(xù)時(shí)間較短，轉(zhuǎn)換較快，因此氣候時(shí)段較多。1230年以后旱災(zāi)多發(fā)，澇災(zāi)次多發(fā)，單個(gè)氣候時(shí)段的持續(xù)時(shí)間加長(zhǎng)，氣候狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變次數(shù)較少，因而氣候時(shí)段也較少，標(biāo)志著氣候系統(tǒng)在一個(gè)長(zhǎng)得多的準(zhǔn)周期軌道上運(yùn)行。[4]
（三）時(shí)空?qǐng)龇治黾夹g(shù)
1.空間概率等值線。旱澇空間概率等值線圖主要應(yīng)用于2000年以來(lái)旱澇空間場(chǎng)的變化研究。其具體做法是以緯度為縱軸、經(jīng)度為橫軸，分時(shí)段將某一區(qū)域某一旱澇等級(jí)概率值投影在經(jīng)緯空間上，并把有相同概率的點(diǎn)連成線，這就是旱澇空間概率等值線圖。研究者將中國(guó)中、東部公元前137—200年、201—400年、401—600年、601—800年、801—1000年、1001—1200年、1201—1470年的小澇、大澇、小旱、大旱的概率值投影在經(jīng)緯空間上，通過(guò)分析等值線圖，揭示了2000年以來(lái)中國(guó)氣候空間演化情形。[5]
2.契比雪夫場(chǎng)分析。契比雪夫場(chǎng)分析技術(shù)在氣候情景分析方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。契比雪夫0級(jí)系數(shù)反映旱澇空間場(chǎng)平均狀況的變化，1級(jí)系數(shù)反映各個(gè)特征方向的旱澇空間趨勢(shì)的變化，這些系數(shù)隨時(shí)間的變化而變化，為分析旱澇時(shí)空演化規(guī)律提供了依據(jù)。在2000年來(lái)中國(guó)中部和東部旱澇空間場(chǎng)研究中，根據(jù)0級(jí)契比雪夫系數(shù)，將用FCM方法和最大概率變點(diǎn)檢驗(yàn)法劃分的8個(gè)澇災(zāi)多發(fā)時(shí)期和10個(gè)旱災(zāi)多發(fā)時(shí)期進(jìn)一步劃分為兩大類，即濕潤(rùn)時(shí)期和偏濕潤(rùn)時(shí)期，偏干旱時(shí)期和干旱時(shí)期；根據(jù)1級(jí)契比雪夫系數(shù)，揭示了不同氣候階段中國(guó)氣候空間演化的規(guī)律。[6]
[1] 吳文祥、葛全盛：《全新世氣候事件及其對(duì)古文化發(fā)展的影響》，《華夏考古》2005第3期。
[2] 龔高法、張丕遠(yuǎn)、吳祥定、張瑾瑢編著：《歷史時(shí)期氣候變化研究方法》，科學(xué)出版社1983年版，第16頁(yè)。
[3] 張丕遠(yuǎn)主編：《中國(guó)歷史氣候變化》，山東科學(xué)技術(shù)出版社1996年版，第313—315頁(yè)。
[4] 張丕遠(yuǎn)主編：《中國(guó)歷史氣候變化》，山東科學(xué)技術(shù)出版社1996年版，第309—311頁(yè)。
[5] 同上書(shū)，第365—380頁(yè)。
[6] 張丕遠(yuǎn)主編：《中國(guó)歷史氣候變化》，山東科學(xué)技術(shù)出版社1996年版，第316—322頁(yè)。