已有研究（Xiao and Li，2007a，2007b）表明，海洋的突變存在一定的年代際變化特征。本節(jié)（文）研究中利用氣候突變過程分析方法，研究近百年全球海表面溫度的突變過程，詳細(xì)分析其中幾次突變的開始、持續(xù)、結(jié)束的空間分布特征以及突變過程的統(tǒng)計特征，并借助于大量的統(tǒng)計結(jié)果，定量地驗證了突變變化率、變化幅度以及不穩(wěn)定度之間的函數(shù)關(guān)系。這個關(guān)系式也從側(cè)面論證了突變事件的突發(fā)性和危害性之間的緊密聯(lián)系。

將氣候突變過程分析方法應(yīng)用于全球每一個格點上近百年的海表面溫度序列進(jìn)行檢測，每條序列檢測中得到一組反映這條序列突變特征的參數(shù)，每組參數(shù)包括突變開始時刻、結(jié)束時刻、突變變率、突變幅度以及穩(wěn)定性參數(shù)。本節(jié)計算中，觀察窗口大小取為10 年。依據(jù)這些參數(shù)，可以對每一條序列的每一次突變進(jìn)行還原再現(xiàn)。

1. 幾次突變的發(fā)生時段及空間分布

針對任一年份開始/結(jié)束的突變格點數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計，并計算其占總格點數(shù)目的概率。統(tǒng)計了1848～2010 年逐年發(fā)生突變的格點頻次。如圖5.40所示，近百年來存在三次突變：分別開始于1878、1942和1976年，結(jié)束于1886、1950和1982年；以及兩個時段：分別開始于1890~1920、1990~2010年，結(jié)束于1900~1930、1990~2010年。

圖5.40 基于突變開始（a）、結(jié)束時刻（b）的突變發(fā)生概率的統(tǒng)計分布

進(jìn)一步描述圖5.40 中兩個概率序列之間的定量關(guān)系，繪制了圖5.41 的相關(guān)系數(shù)圖。發(fā)現(xiàn)當(dāng)子序列長度取值為100 年甚至更長的時候，兩條序列的相關(guān)系數(shù)基本穩(wěn)定，相關(guān)系數(shù)為0.7，通過0.99 的顯著性檢驗。且兩條序列的滯后也大約在10 年左右，表明圖5.40 中分別依據(jù)突變開始時刻、結(jié)束時刻統(tǒng)計到的突變屬于同一次突變。

圖5.41 基于突變開始、結(jié)束時刻的突變發(fā)生頻次之間的最佳相關(guān)系數(shù)

進(jìn)一步驗證這種概率之間的對應(yīng)，即考察這些對應(yīng)起來的突變開始和結(jié)束時刻是否屬于同一個格點的一次突變過程。圖5.42 所示為依據(jù)開始和結(jié)束時刻識別的幾次突變的空間分布情況，具有較好的一致性，也表明突變事件經(jīng)歷開始、持續(xù)、結(jié)束三步。

圖5.42 依據(jù)開始和結(jié)束時刻的概率進(jìn)行分類的突變空間分布

（a），（b）是1878 年開始的突變和1886 年結(jié)束的突變空間分布；（c），（d）是1942 年開始的突變和1950 年結(jié)束的突變；（e），（f）是1976 年開始的突變和1982 年結(jié)束的突變；（g），（h）是1890～1920 時段開始的突變；（i），（j）是1990～2010年時段結(jié)束的突變

整個突變事件的空間分布情況，與肖棟和李建平（2007）等給出的突變“點”的分布情況存在很大的重合，表明“突變過程”的檢測是對傳統(tǒng)的“突變點”的檢測的一種補充和延拓。

2. 幾次突變的過程特征

依據(jù)突變開始/結(jié)束的空間格點檢測到的頻率，可以將突變分為三個時刻和兩個時段。據(jù)此分別考察這幾次突變的溫度序列的平均情況。其中兩個時段又可以進(jìn)一步細(xì)分，具體如圖5.43 所示?？疾?878 年、1942 年、1976 年、及1890～1920 年、1990～2010年時段的突變，分別計算各個時期突變前后時間序列的變化情況。

圖5.43 同一次突變背景下群發(fā)的突變時間序列的平均

（a）1878 年；（b）1896～1898 年；（c）1900～1903 年；（d）1908～1909 年；（e）1942 年；（f）1976 年；（g）1989～1999 年；（h）2005～2006 年

從序列變化上來看，1960 年以前的幾次突變均表現(xiàn)為溫度降低，其中1876 年的突變，發(fā)生突變的格點序列平均溫度降低了0.12℃；1890～1920 年的三次突變，溫度分別降低了0.11℃、0.16℃和0.06℃；1942 年的突變，溫度則降低了0.08℃。1960 年之后的突變，表現(xiàn)為升溫，其中1976 年的突變，溫度上升0.35℃；1990～2010 年的突變，溫度上升了0.11℃。此外，發(fā)生在兩次世紀(jì)末的兩次突變（1890～1920 年和1990～2010年），由于分布在緯度較高地區(qū)，因此序列的平均溫度較低，8～10℃，其余三次突變分布緯度相對較低，平均溫度在20℃左右。

注意到幾次突變所在的區(qū)域環(huán)境均在對應(yīng)的時期存在較為顯著的氣候?qū)W突變的背景。其中19 世紀(jì)末的突變主要發(fā)生在印度洋，而印度洋偶極子在那一時段從負(fù)位相轉(zhuǎn)換為正位相；1940 年左右的突變，可以在全球溫度變化序列中找到對應(yīng)關(guān)系，這一時段全球平均溫度出現(xiàn)顯著性的轉(zhuǎn)折，并且持續(xù)了10 年之久；開始與1976 年的突變主要發(fā)生在ENSO 區(qū)域，并且1976 年是公認(rèn)的氣候轉(zhuǎn)折點，很多氣候要素均在此被檢測到出現(xiàn)氣候突變；20 世紀(jì)末的氣候突變則主要發(fā)生在高緯度地區(qū)，這造成了極地溫度大幅度上升，極冰、積雪發(fā)生消融，造成海平面上升（IPCC IV，2007）。

3. 幾次突變過程的持續(xù)時間

突變過程分析方法給出某次突變的開始和結(jié)束時刻，可以計算出該次突變的持續(xù)時長。圖5.44 給出突變持續(xù)時長的空間分布。

圖5.44 不同時段的突變持續(xù)時間空間分布

（a）1878 年；（b）1896～1898 年；（c）1900～1903 年；（d）1908～1909 年；（e）1942 年；（f）1976 年；（g）1989～1999 年；（h）2005～2006 年

分析發(fā)現(xiàn)：20 世紀(jì)60 年代之前的突變，持續(xù)時間為60～120 個月，且以大于90 個月為主；70 年代的突變?yōu)?0～90 個月；80～90 年代的突變持續(xù)時間縮短至30～60 個月為主，21 世紀(jì)初的突變則小于30 個月。因此在全球溫度增暖的背景下，突變持續(xù)時間是縮短的。

4. 幾次突變過程的變化幅度

氣候突變分析方法能夠檢測到突變前后序列的差異性，即突變幅度。圖5.45 所示為不同時段的突變事件在突變持續(xù)過程中的幅度變化情況的空間分布，冷色色塊表示降溫，暖色表示增溫。

圖5.45 不同時段的突變變化幅度分布

（a）1878 年；（b）1896～1898 年；（c）1900～1903 年；（d）1908～1909 年；（e）1942 年；（f）1976 年；（g）1989～1999 年；（h）2005～2006 年

分析結(jié)果表明20 世紀(jì)60 年代年之前的突變主要以降溫為主，并且19 世紀(jì)的幾次突變主要發(fā)生在印度洋；20 世紀(jì)70 年代的突變則轉(zhuǎn)移到太平洋；20 世紀(jì)后半葉的突變，則主要分布在高緯度地區(qū)，如北極地區(qū)增溫顯著，靠近南極地區(qū)的突變出現(xiàn)小幅度降溫。

5. 幾次突變過程中的穩(wěn)定性參數(shù)

針對這幾次突變，分析其穩(wěn)定性參數(shù)。圖5.46 所示為幾次突變的穩(wěn)定性參數(shù)分布以及對應(yīng)的突變前后系統(tǒng)的狀態(tài)。

圖5.46 不同時段的突變穩(wěn)定性分布

（a），（b），（c）分別是1878 年、1942 年、1976 年的突變；（d），（e）分別是兩個時段（1896～1898 年，1990～2010 年）的突變；橫縱坐標(biāo)分別是突變前后的系統(tǒng)狀態(tài)；散點是穩(wěn)定性參數(shù)的取值

選取發(fā)生突變的概率大于1%是有效突變，通過數(shù)值試驗，證明選用1%作為識別突變的標(biāo)準(zhǔn)是合理的。 

進(jìn)一步討論SST 系統(tǒng)在突變過程中的一些統(tǒng)計現(xiàn)象。

圖5.49 中，統(tǒng)計了系統(tǒng)突變前后分別處于各個狀態(tài)的概率，以及發(fā)生突變時的變化幅度大小的概率。發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的變化幅度呈現(xiàn)顯著雙峰結(jié)構(gòu)，并且雙峰以“零”軸呈現(xiàn)不對稱分布，表明系統(tǒng)在不同狀態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)是不等價的。前人在關(guān)于氣候系統(tǒng)的理論研究中也曾給出相類似的結(jié)論，即氣候系統(tǒng)是一個多穩(wěn)定的系統(tǒng)，可能存在兩個或多個穩(wěn)定狀態(tài)。圖5.49 中的結(jié)果進(jìn)一步佐證了海表面溫度系統(tǒng)存在兩個穩(wěn)定狀態(tài)或多個穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5.49 SST 系統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)特征考察

（a），（b）分別是突變前后的系統(tǒng)狀態(tài)變量；（c）是系統(tǒng)突變過程中的變化量，即突變幅度

前續(xù)分析提出氣候突變分析方法的時候，進(jìn)一步從理論上分析了突變變率參數(shù)h、穩(wěn)定性參數(shù)κ、突變變化幅度ω 之間的定量關(guān)系，即突變變率參數(shù)與穩(wěn)定性參數(shù)之間呈線性關(guān)系，而與突變變化幅度之間則呈拋物線型關(guān)系。本節(jié)利用近百年來全球海表面溫度序列提取的參數(shù)，進(jìn)一步從實際資料中佐證這一結(jié)論。針對1878 年、1942 年、1976年、1890～1920 年及1990～2010 年的突變，繪制如圖5.50 和圖5.51 所示各格點序列在歷次突變過程中h-κ、h-ω 參數(shù)的分布關(guān)系。 

圖5.50 不同時段的突變變率參數(shù)h 與穩(wěn)定性參數(shù)κ之間的關(guān)系

（a）～（e）分別是1878 年、1942 年、1976 年及1890～1920 年、1990～2010 年兩個時段的突變

圖5.51 突變變率參數(shù)h 與突變幅度ω之間的關(guān)系

（a）～（e）分別是1878 年、1942 年、1976 年及1890～1920 年、1990～2010 年兩個時段的突變

上述結(jié)果驗證了前面推導(dǎo)出來的定量結(jié)論：即突變變率與穩(wěn)定性參數(shù)成正比，突變變率與突變幅度二次方成正比?；谶@一定量關(guān)系，可以通過已有的實際氣候序列的突變幅度來評估突變變率的大小，進(jìn)一步評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性。