研究歷史氣候變化的現(xiàn)代科學技術
除利用歷史文獻方法和現(xiàn)代分析技術研究歷史氣候外，樹木年輪法、自然地理因子方法、同位素法、蟲旱災異年頻數(shù)法等技術手段，也是研究歷史氣候的重要方法。
一 樹木年輪方法
用樹木年輪研究歷史氣候的方法始于20世紀初的美國。20世紀30年代以后，在我國曾斷斷續(xù)續(xù)地開展了這方面的工作。近年來，由于IGBP的推動，這一方法進展迅速。所謂樹木年輪方法，就是通過對樹木年輪的寬度、密度、灰度和同位素的研究重建古氣候的方法。
（一）利用年輪寬度重建歷史氣候的變化
自DougLass確立了樹木年代學的原理和方法以來，大部分研究都是利用年輪寬度來重建過去上百年甚至幾千年的降雨量和溫度變化，以彌補氣象資料的不足。[1]其具體步驟是：1.選擇未受人類活動影響、遠離水源且自然條件未曾發(fā)生過明顯變化、未受過火災或病蟲害的林緣木和孤立木，截取或用生長鉆鉆取標本，用讀數(shù)顯微鏡和數(shù)碼管讀取或記錄數(shù)值。2.通過生長量的訂正，消除因樹木年齡對年輪寬窄變化的影響。然后用比值法求得年輪寬度指數(shù)序列，或叫做標準化年輪寬度年表。3.通過統(tǒng)計分析與序列延伸，將年表校準成人們習慣上常用的由氣象儀器所觀測得到的氣候資料序列。
（二）利用年輪密度分析研究氣候變化
樹木年輪的密度分析，是自20世紀80年代以來樹木年輪氣候學研究中的一個更大突破。[2]由于細胞的直徑、細胞壁厚薄和分裂速度同時受外界環(huán)境因子的支配，而木材的密度變化正是與這些敏感的細胞特性緊緊聯(lián)系在一起，因此，年輪密度可以作為反映氣候變化的新資料。與年輪寬度資料相比，明顯地有兩個方面的優(yōu)越性：第一，在溫暖、水分條件適中的地區(qū)，樹木年輪寬度的逐年變化接近一致，無法用作氣候變化分析，但年輪內樹木密度變化狀況卻仍然有明顯差異，以此可與氣候要素建立相關函數(shù)，得到必要的逐年氣候變化信息。第二，年輪寬度表征的是整個一年或者是生長季加上前期氣候影響的總效果，而木材密度所反映的是生長季內或其中某個時段的氣候因子狀況。
（三）采用樹輪圖像分析方法研究氣候變化
圖像分析是繼年輪X射線密度分析之后技術上的又一大進步。它以樹木年輪對可見光的反射程度作為指標，研究指標變化與氣候變化之間的關系。其物質基礎是年輪細胞大小和細胞壁厚度受環(huán)境因子影響而顯示的差異。由于細胞大小和細胞壁厚度會直接影響年輪灰度，從而可以從年輪灰度中提取氣候變化信息。[3]
（四）利用樹木年輪同位素研究歷史氣候
樹木年輪穩(wěn)定同位素研究是20世紀70年代末在國際上興起的一個新領域。由于外界環(huán)境變化及植物生理過程對樹木的影響，在樹木與外界進行碳、氫、氧元素交換時，就會產(chǎn)生元素的同位素的分餾。研究表明穩(wěn)定同位素與環(huán)境氣象要素之間存在著密切的關系。[4]通過測定年輪中18O和16O以及13C的比值的變化，可以推測過去有確切年代的氣象要素的變化。目前研究較多的是穩(wěn)定13C同位素，但它與氣溫、降水的關系尚存在爭議。
目前樹木年輪學不僅用于氣候序列的重建，還可以與較大范圍地區(qū)多個氣候變量或環(huán)流型聯(lián)系起來，從而能夠更全面地了解歷史上氣候空間變化的基本類型。在美國，布萊辛和弗里茨等人已成功地利用樹木年輪資料年表制出1700—1899年北半球西北部的環(huán)流距平圖。紐約哥倫比亞大學拉蒙特—多爾蒂地球觀測所樹輪實驗室的科學家們關于亞洲氣候動力學樹輪重建5年計劃的重要目標，就是要確定過去500—1000年來那些值得注意的氣候變化對全球氣候變化的驅動或調節(jié)作用。計劃框架圍繞與季風變化有關的3個氣候變化特征即印度洋海水表面溫度（SST）、熱帶太平洋海水表面溫度（SST）以及青藏高原和歐亞北部大陸溫度進行分析。[5]
二 生物學方法
（一）物候學方法
所謂物候學方法，就是利用物候學原理和古代物候資料建立歷史時期物候序列，從而反映歷史時期氣候變化的方法。利用古代物候資料復原歷史氣候時必須注意以下問題：
第一，由于植物物候期的早晚主要受溫度、日照長度等氣候條件的影響，因此，歷史時期植物物候的變化可以作為反映歷史氣候變化的直接材料，至于影響動物物候期的因素要比植物復雜得多，因此，在歷史氣候變化研究中動物物候證據(jù)只能作為旁證材料。
第二，歷史氣候變化研究中必須非常重視以下物候現(xiàn)象的統(tǒng)計特征。首先是植物物候現(xiàn)象的順序性及物候倒置；其次是物候現(xiàn)象的同步性；第三是生物氣候定律。
第三，利用古代物候資料時必須對資料進行仔細審核，內容包括品種的鑒別、觀測標準的鑒定、地形條件的鑒定。
第四，在建立一個地方的單項物候序列時，可以用以下方法對失載或缺載現(xiàn)象進行插補，即利用一個地方已知的物候期求另一種植物物候期，或者根據(jù)一個地方物候推算另一個地方的物候期。
第五，由于引起植物二次開花、二次結實和竹子開花等異常物候現(xiàn)象的原因比較復雜，因此，只能作為反映氣候異常的旁證。只有當兩種以上植物同時出現(xiàn)開花，或多數(shù)枝條二次開花，或溫帶地區(qū)植物冬季二次開花，才能作為秋、冬氣候異常溫暖的證據(jù)。歷史文獻中有關竹子開花和結實的記載，只能作為氣候干旱的旁證材料。
（二）生物學方法
所謂生物學方法，就是用具有氣候指示意義的生物的變化來研究歷史時期氣候變化的方法。生物學方法在歷史時期氣候變化的研究中應用最為廣泛，它包括生物品種界限的推移、生物群落的數(shù)量消長、生物品種受害次數(shù)和程度以及植物孢粉的比例等方法。
1.植物孢粉的方法。孢粉，指植物在繁殖期間撒播出的花粉（種子植物）和孢子（苔蘚類、蕨類等）。所有散落到地表的孢粉，隨著時間的流逝被一層層地埋藏在土層中。孢粉因其體積小、數(shù)量多、結構嚴密、形態(tài)各異，因此成為判斷當時植被成分的可靠證據(jù)。孢粉分析幾乎可以利用所有大陸沉積類型，但河床和泥炭層最為理想。孢粉分析結果常用百分數(shù)表示孢粉的成分。樣品的孢粉成分稱為“花粉譜”。由于受技術因素和諸多自然因素的影響，分析的孢粉成分并不等于植被成分。但花粉譜的變化仍然可以反映一個大區(qū)域內植被狀況的變化。因此，孢粉分析在研究古代氣候變化中仍然不失為一種重要的手段。
2.生物分布界限推移法。氣候因子常常是影響生物分布界限的主要因子。因此，只要了解某一生物品種在歷史上分布界限的推移，我們就可以推算出相應的氣候因子的變遷。古代植物分布資料一部分來源于歷史文獻，一部分來源于古樹樁，埋藏于土層中的樹木枝葉、果實、植物花粉和植物硅酸體。動物分布資料來源于文獻記載和動物的殘骸。此外，在沿海地區(qū)也可以根據(jù)海洋生物古今分布界線的差異來推測氣候變化。滿志敏認為，利用生物分布界限推算當時的氣候狀況時，必須引入人類活動，按人類活動的方向和強度，生物分布可有自然分布型、經(jīng)濟分布型、觀賞分布型和抑制分布型4種。經(jīng)濟分布型的分布地區(qū)比自然分布型大，觀賞型生物的分布比經(jīng)濟型更偏北。抑制分布型比前3種均要小。[6]
3.數(shù)量消長的方法。一些生物的品種每年繁殖的數(shù)量隨氣候條件有很大變化，例如蝗蟲、黏蟲、螟蟲等常常隨氣候干濕的變化而變化。其中尤以蝗蟲大爆發(fā)與氣候關系非常密切。在生物量消長的研究中也常常有用農(nóng)作物收成豐歉程度推測氣候變化的。
4.比值法。在某些情況下，生物數(shù)量消長不能客觀地反映氣候變化，這時常常可用比值法消除其他因素的影響。如美國考古學家和歷史學家利用米爾河遺址中野牛骨頭與鹿骨頭比值表示這兩種動物的消長，成功地復原了1100年前后該地區(qū)氣候與植被的變化。[7]
5.綜合指標方法。歷史記載最大的缺點是記錄不連續(xù)，因此，我們很難得到一個有關某一生物品種的生長狀況、受災程度等系列。在這種情況下，可以用其他指標衡量，補缺記、漏記年份，建立某一時期這一生物品種生長序列。
三 自然地理因子的方法
自然地理因子的方法指利用海平面升降、河流流量（或水位）變化、湖泊水位變化、水面結冰變化和大陸冰雪變化推測氣候變化的方法。
四 同位素方法
同位素指原子核內質子數(shù)相同而中子數(shù)不等的一些原子。同位素分為穩(wěn)定同位素和不穩(wěn)定同位素（放射性同位素）。穩(wěn)定同位素是不隨時間變化而變化的，因此，如果我們可以測出過去各個時期中某種同位素含量，并確定溫度與含量之間的相互關系，就可以推測物質形成時期的溫度狀況。目前，同位素法在以下五個方面取得了進展：一是利用海洋中有孔蟲甲殼層中18O/16O比值測定古海水的溫度；二是利用極冰冰芯中18O同位素組成的變推斷冰原形成時期的溫度狀況；三是利用洞穴沉積中δ18O值的變化推測古溫度，利用δ13C比值的變化示蹤生態(tài)環(huán)境的變遷；[8]四是利用湖泊沉積中介形蟲殼體的氧同位素恢復古湖泊水位波動和古氣候變化；五是利用黃土中碳氧同位素作為氣候代用指標研究古植被、降雨量、古季風演化。[9]
五 蟲旱災異年頻數(shù)法
我國關于歷史災害的文獻記錄相當豐富，利用它可比較完整地統(tǒng)計出特定區(qū)域、特定時段里（如10年）災年出現(xiàn)的次數(shù)，即所謂的災年頻數(shù)。用L（Locust）、D（Drought）分別表示蟲災年頻數(shù)和旱災年頻數(shù)，則LUD就表示蟲旱災異年頻數(shù)。李鋼等人利用陜西過去450年（1501—1950年）的蟲、旱災年記錄，通過分析比較，選取10年尺度上的歷史蟲旱災異年頻數(shù)（LUD）對陜西過去450年氣候干濕變化作了重建，發(fā)現(xiàn)1501—1550年氣候偏干；1551—1630年氣候偏濕；1631—1710年氣候偏干；1711—1800年氣候偏濕；1801—1950年氣候偏干。此外，在最后一個階段偏干階段出現(xiàn)1825—1840年的氣候偏濕時段，這可能與此前印度尼西亞火山爆發(fā)有關。重建結果與陜西內外的冰芯、樹輪等代用資料的良好對比表明：10年尺度上的歷史蟲旱災異年頻數(shù)是研究陜西歷史氣候干濕變化的一種合理可靠、客觀有效的氣候重建代用指標。應在其他地區(qū)做更深入的實驗研究。[10]
六 歷史時期各種氣候證據(jù)的斷代方法
所謂斷代是指確定歷史上各種事件發(fā)生的年代。斷代技術雖然并不能直接提供氣候變化的證據(jù)，但這一工作對古氣候研究是極為重要的。歷史時期氣候證據(jù)的斷代方法包括歷史文獻氣候記載的斷代方法、14C斷代方法、樹木年輪斷代方法、季候泥斷代方法、冰層斷代方法、地衣測量斷代方法、花粉斷代方法和考古斷代方法。
[1] 王婷、于丹、李江風、馬克平：《樹木年輪寬度與氣候變化關系研究進展》，《植物生態(tài)學報》2003年第1期。
[2] 吳祥定、邵雪梅：《中國秦嶺地區(qū)樹木年輪密度對氣候響應的初步分析》，《應用氣象學報》1994年第2期。
[3] 劉洪濱、吳祥定、邵雪梅：《采用樹輪圖像分析方法研究歷史時期氣候變化的可行性》，《地理研究》1996年第2期。
[4] 范瑋熠、王孝安：《樹木年輪穩(wěn)定碳同位素與氣候變化的關系研究進展》，《陜西師范大學學報》（自然科學版）2004年增刊第2期。
[5] 《利用樹輪年代研究亞洲季風氣候動力學的進展》，《海洋地質與第四紀地質》2007年第1期，摘譯自Pages News2006年第2期，第10—11頁。
[6] 張丕遠主編：《中國歷史氣候變化》，山東科學技術出版社1996年版，第204—206頁。
[7] 龔高法、張丕遠、吳祥定、張瑾瑢編著：《歷史時期氣候變化研究方法》，科學出版社1983年版，第192頁。
[8] 劉啟明、王世杰、歐陽自遠：《全球變化研究中的洞穴化學沉積物》，《地學前緣》2003年第2期。
[9] 王麗、汪勇、王建力：《氧同位素在高分辨率古氣候研究中的應用探討》，《江蘇地質》2005年1期。
[10] 李鋼、王乃昂、王海、程弘毅、郭堅：《蟲旱災異年頻數(shù)：一種揭示歷史氣候變化的新指標》，載陜西師范大學西北環(huán)發(fā)中心編《歷史環(huán)境與文明演進——2004年歷史地理國際學術研討論文集》，商務印書館2005年版，第89—99頁。