中国历史气候情景的恢复与重建技术
历史气候变化一般指人类有文字记录以来的变化，其上限大约同冰后期气候最温暖时期相接，其下限同气象记录开始相接。今天（碳十四测年从1950年算起，下同），学术界已将上限上溯至全新世（冰后期）的开始，其具体年代为11650年。[1]20世纪80年代，龚高法、张丕远等人将历史时期气候研究方法总结为七种：1.历史文献气候记载的研究方法；2.树木年轮方法；3.物候方法；4.生物学方法；5.自然地理因子的方法；6.同位素方法；7.历史时期各种气候证据的断代方法。[2]90年代以来，随着历史气候研究的深入，气候史料的量化技术有了新的发展，各种气候恢复和重建技术，如探索考察法、统计检验法和空间场分析技术应运而生，尤其是非线性动力学理论和方法的引入为历史时期气候变化的研究开辟了新的方向，其他研究方法也取得了新进展。本文介绍利用现代分析技术恢复和重建历史气候情景的方法。
一 探索考察法
仅仅依靠历史文献方法建立的气候序列，还不足以恢复和重建历史气候在时间和空间上的演变规律，要重建历史气候情景，还必须借助现代分析技术。现代分析技术包括探索考察法、统计检验法和空间场分析技术。
恢复和重建历史气候情景的最直接的方法就是应用探索考察法。所谓探索考察法，就是尽量不用或少用复杂的统计工具，而是直接分析数据本身的特点，以发现古气候演化的规律。探索考察法中最主要的是频率—众数图法和相投影图法。
（一）频率—众数图法
如在对2000年以来旱涝演变过程的分析中，研究者利用某一旱涝级别在一段时期内发生的频率，或一个阶段内所发生次数最多的那种级别反映气候演变的阶段性特征。研究者计算了公元前137—1470年众数级别随时间的变化后，发现1230年前后气候发生了突变。
（二）相投影图法
如果以旱、涝频率作为横轴与纵轴，将不同时期的旱涝概率在图上的变化看成气候系统的真实运转轨迹在相空间截面上的投影，可通过投影的特征反映气候系统运转轨道的特点。
二 统计检验法
统计方法一直是恢复和重建古气候情景的一种主要方法。包括最大概率变点检验方法、模糊动态聚类方法和时空场分析技术等三种方法。
（一）最大概率变点检验法
所谓最大概率变点检验的方法，就是针对气候等级序列数据的特点，寻找这样一种时间点，在该点前后，某一事件（如气候事件）发生了明确的改变。在对2000年旱涝等级序列研究中，[3]研究者应用概率变点检验的方法分别对1级（大旱）和5级（大涝）发生概率进行检验，结果证实最大概率变点出现在1213—1263年。证明了1230年前后气候突变的发生。他们对1、2级（大旱、旱）和4、5级（涝、大涝）发生概率进行检验，还识别出263—313年，863—913年两次最大概率变点。另外，有充分的证据表明，在480年也存在一次气候突变。
（二）模糊动态聚类方法
模糊动态聚类（FCM）算法是寻找气候吸引子和气候突变的有效方法。这种方法根据量化成等级的历史气候资料，统计特定地区在一定时间长度内各旱涝等级发生的概率，然后根据所定义的时段指标找到聚类中心，确定吸引子的特点，进而划分气候演化时段。如在我国2000年以来旱涝时空演化规律研究中，利用模糊动态聚类算法发现，2000年以来气候系统主要的一次变化发生在1230年前后。1230年以前旱、涝多发，旱灾次多发，且气候时段持续时间较短，转换较快，因此气候时段较多。1230年以后旱灾多发，涝灾次多发，单个气候时段的持续时间加长，气候状态发生转变次数较少，因而气候时段也较少，标志着气候系统在一个长得多的准周期轨道上运行。[4]
（三）时空场分析技术
1.空间概率等值线。旱涝空间概率等值线图主要应用于2000年以来旱涝空间场的变化研究。其具体做法是以纬度为纵轴、经度为横轴，分时段将某一区域某一旱涝等级概率值投影在经纬空间上，并把有相同概率的点连成线，这就是旱涝空间概率等值线图。研究者将中国中、东部公元前137—200年、201—400年、401—600年、601—800年、801—1000年、1001—1200年、1201—1470年的小涝、大涝、小旱、大旱的概率值投影在经纬空间上，通过分析等值线图，揭示了2000年以来中国气候空间演化情形。[5]
2.契比雪夫场分析。契比雪夫场分析技术在气候情景分析方面有明显的优势。契比雪夫0级系数反映旱涝空间场平均状况的变化，1级系数反映各个特征方向的旱涝空间趋势的变化，这些系数随时间的变化而变化，为分析旱涝时空演化规律提供了依据。在2000年来中国中部和东部旱涝空间场研究中，根据0级契比雪夫系数，将用FCM方法和最大概率变点检验法划分的8个涝灾多发时期和10个旱灾多发时期进一步划分为两大类，即湿润时期和偏湿润时期，偏干旱时期和干旱时期；根据1级契比雪夫系数，揭示了不同气候阶段中国气候空间演化的规律。[6]
[1] 吴文祥、葛全盛：《全新世气候事件及其对古文化发展的影响》，《华夏考古》2005第3期。
[2] 龚高法、张丕远、吴祥定、张瑾瑢编著：《历史时期气候变化研究方法》，科学出版社1983年版，第16页。
[3] 张丕远主编：《中国历史气候变化》，山东科学技术出版社1996年版，第313—315页。
[4] 张丕远主编：《中国历史气候变化》，山东科学技术出版社1996年版，第309—311页。
[5] 同上书，第365—380页。
[6] 张丕远主编：《中国历史气候变化》，山东科学技术出版社1996年版，第316—322页。