地球系统和全球变化共32页文档

的整体。
• 不同的地球系统过程具有不同的时间和空间尺度，通常用
10 n表示。
尺度
四、地球系统的驱动力
地球系统的驱动力
太阳和其他外力 （人类活动）
放射性和内部深处的原生热
在以上两个驱动力的相互作用下，地球表层产生了复 杂的循环过程。人类在其发展进化的进程中，为了自 身的生存和发展，逐步用人类所驯化的植物和动物组 成的生态系统以及几乎全部由人类自己构建的城市体 系来代替自然生态系统，使人类生态系统逐渐成为地 球环境中不可忽视的重要组成部分，由此成为影响地 球系统状态、引起全球变化的一个重要因素。
• 世界气候研究计划
（ Global Climate Research Program）
1，1979年启动 2，全球变化形成的基础与组成部分 3，气候是一个系统 4，四大圈层相互作用的结果
• 国际地圈-生物圈计划
International Geosphere-Biosphere Program
（二）研究近况 1980年以来，我国积极参与了国际全球变化研
究计划的酝酿、组织和实施全过程，并正对我国 特点实施了与国际全球变化研究相对应的全球变 化。 我国全球变化研究的重点：
一、具有全球意义的我国急需解决的区域性 生存环境问题。
二、全球变化对我国的气候、环境和经济发展 的影响。
谢谢
三、全球变化的研究意义
• 研究全球变化的主要理论和现实意义：
全球变化研究是人类社会实现可持续发展 的科学基础。 深化对地球系统的认识，促进地球科学发 展。 改变人类的观念、促进应用基础科学个有 关社会科学的发展。
第三节 全球变化研究的历史、 现状和趋势
• 一、早期：
1，竺可桢开创的基于考古和历史文献的气候变化研究 2，中科院对青藏高原组织的数次科学考察研究 3，刘东生等领导的中国第四纪黄土研究，以及古季风

人类生态系统是一个构建在固体地球系统、 物理气候系统和自然生态系统之上，并作 为水循环、生物地球化学循环和地球岩石 圈循环过程的一个中间环节的系统，是地 球系统的一个重要组成部分。
三、地球系统的物质和能量转化
地球系统中物质和能量的转换与交换是通过一系列的过程 来实现的。这些过程按其性质可分为物理过程、化学过程 和生物过程三种类型。地球系统的过程是地球系统中由物 理、化学或生物学规律所支配的那些现象的集合。以全球 碳循环为列。
地理学之父-竺可桢
我国著名的科学家和 爱国教育家，当代 闻名的科学家、地 理学家和气象学家， 中国近代地理学和 气象学的奠基人。
科学考察
黄土之父-刘东生
刘东生（1917-2008），我国 著名地质学家，中国科学院院士。 20世纪80年代，刘东生基于中国黄 土重建了250万年以来的气候变化 历史，使黄土与深海沉积、极地冰 芯并列成为全球环境变化研究的三 大支柱，为全球气候变化研究做出 了重要贡献，为国际科学界所信 服 。
全球变化是对人类生存和发展的挑战。对于 人类社会而言，全球变化意味着人类生存条件的 变化，势必对人类产生有利或不利的影响。
二、全球变化研究的主要内容
4、全球变化信息的获取、处理和分析
技术
全球环境演变、与环境演变相联系的过程和 驱动力、全球变化对人类的影响与人类的响应构 成了全球变化研究的主要内容。需要并产生大量 的、多种类型的数据和信息，这些数据包括反映 过去全球变化的各种信息、监测正在进行的全球 变化过程所获得的信息，以及由各种分析、模拟 所产生的信息等。其数据涵盖地球系统的各个方 面，全球各种尺度数据的获取、接收、分析处理、 汇编存档和使用，决定着全球变化研究的成败。
全球变化 Global Change

２０ ０ ６年
《 田师范专科学校学报》（ 文综 合版 ） 和 汉１期
地球系统科学与全球变化和可持续发展
石频
（ 西南大学资源环境科学学院 重庆 ４０１） ０７５
功能和行为都是地球系统在局部的反映， 层圈行为的 【 捅 要Ｊ 对 今 球 环 危 题 阐 地 系 科 、 球 层圈的结构、 针 当 全 性 境 机问 ， 述了 球 统 学 全 耦合产生了系统的新行为， 这是一次质的飞跃， 它完全不同于各个 层嘲的行为的叠加， 系统整体不等于部份之代数和。因此，必须从 基础上．强调要调整人地关系，以保证经济、社会、环境的持续发展 复杂系统的科学理论出发， 在综合分析的高度上， 研究地球系统在 ［ 关键 １Ｊ 球 统 学 全 变 ： 持 发 列地 系 科 ： 球 化 可 续 腱 驱动力作用下演变的整体行为的新规律和新机制。 １引言 ． ２２ ． 研究内容： 地球科学各分支学科的研究成果显然是地球系 地球 自诞生以来， 就以其自身的规律造就并主宰着地球上的生 灵 与此同时， 地球上的人类在漫长的历史岁月中， 为了自 身的 统科学发展的丰富养料和基础， 生 但地球系统科学研究有与各分支学 科不副的独立内容，它们基本上可分为以下几方面。 存和发展， 不断地影响并改造着地球环境，逐渐成为地球环境中 可缺少的组成部分。 今天， 人类对地球环境的影响已从罗马时期的 ２２ １ ．． 外驱动力和地球系统的相互作用： 天体以及人类活动都 它们在不同时空尺度上影响地球 局部影响步入了 全球影响的时 正因为如此， 代。 使得人类面临着一 足地球系统变化的重要外驱动力， 研究这种影响的力学、物理、化学 系列前所未有的、 重大而紧迫的全球性环境问题。 环境污染、 温室 系统的整体结构、功能和行为， 效应、 气候异常、 植被破坏、 土地荒漠化等已成为人们的热门话题。 与生 物过程是揭露地球系统变化规律与机制的 重要内 容。 ２２２ ＋． 层圈界面动力学： 地球系统各层 的非线性耦合作用是 从科学的角度看， 这些紧迫的环境问题， 涉及地球各部分、 各圈层 这种相互作用主要表现在各层圈界面上 的相互作用， 涉及到地球作为一颗行星的可居住性问题。 认识并预 地球系统变化的重要特征， 能量、 动量、 物质的相互交换， 而这种交换决定于界面两侧介质物 言地球环境的变化，是世界科学家们面临的严峻挑战。 人类只有一个地球。 它不仅为人类提供了生存空间， 且还为 而 理、 化学与生物的特性，具不同时空尺度的结构 它们在空问上具 人类生存提供了以前不可再生和可再生的物质源泉。 因而， 地球既 不同尺度的非均匀结构，在时间上是具有不同尺度的非平稳过程。 承受着人类社会物质需要的索取， 也承受着人类在社会发展进程中 因此，确定以空间、时间和各层圈状态为自变量的界面通量函数， 所进行的一切改造 特别是科学技术高 速发展的今天， 样使人 怎 类 建立统一的界面通量动力学模式是地球系统科学研究的重要内容。 ２２３ ．． 地球系统演化规律与机制： 地球系统是一个复杂的巨系 社会可持续发展， 足人们共同关心的重大问题，也是人类生存与自 然的基本矛盾，更是地球科学面临的严峻挑战。 统， 它的演变过程具有自组织、 突变、 混沌等一切非线性动力学的 特征。 发展同化、 融合和集成的方法， 综合分析用不同实验方法在 ２地球系统科学研究的必要性和研究内 ． 容 ２１ ． 必要性：经过 １０多年的发展。人气科学、 ０ 海洋科学、地 不Ｉ的时空尺 司 度内获取的有关古生 物、古人类、古地 质、古地磁、 质科学、 地理科学、 地球物理学、 空间科学等地球科学分支学科已 古环境、 古海洋、古气候 以及天文等方面的海量资料，建立复杂系 经形成了各自 完整的独立学科体系。但是，随着研究的Ｆ益深入， 统的理论和分析研究方法，以揭露地球系统形成与演变的整体特 １ 各分支学科都愈来愈认识到学科之间交叉的重要性和必要性。 长期 征、 规律和机制。 近几百年来， 人类社会与经济活 动对地球系 统各 ｌ 必须从地球系统的角度来研究人类驱动 的大气过程及气候变化已经不完全由大气本身运动所决定， 太阳活 层圈变化的影响Ｅ益加剧， 动、海洋状态、冰雪覆盖、生态变化、人类活动以及地质构造活动 力 的整体 影响。 都是影响不同时空尺度气候变化的决定性因子， 青藏高原隆起对东 ２２４ ．． 地球系统动力学模式： 地球系统动力学模式是深入揭露 亚季风的形成与变化就是决定性的。 反之， 气候变迁对全球环境以 系统变化规律和机制并预测其变化趋势的重要手段， 也是地球系统 致全球冰雪分布、 海洋环流等变化， 从而引起生物的生灭和海洋分 科学走向定量化的重要标志。 可以从两个方面来发展建立地球系统 一方面是在各层圈动力学方程和层圈界面动力学方程 布与地质构造的变动都可能是重要的影响因予 因此， 大气科学家 动力学模式： 们正在向 海洋科学、 生态科学、 科学拓展， 水文 而地理学家、 基础上， 地质 集成为地球系统动力学模式： 另一方面是用非线性统计方 学家、 海洋学家及生态学家等也在目益与大气科学相结合， 分支学 法， 在综合地球系统历史演变的海量的时空分布资料基础上， 构建 科的紧密交叉己成为当代地球科学发展的重要特色 但是， 这种交 地球系统统计动力学模式。 叉和结合都还只限于根据本学科发展需求出发来进行的。事实上， ２ ２５ ．． 地球系统未来变化趋势的预测： 未来变化趋势预测是地 地球系统各层圈本来就是有机结合的整体， 任一层豳过程都在不同 球系统科学研究的重要应用 目标， 也是地球系统科学的基础科学问 程度上与其它层圈不同时空尺度过程存在着相互影响和制约， 任一 题。 地球系统是个开放的非线性复杂巨系统， 其变化是非平稳过程，

世界气候研究计划（WCRP）
世界气候研究计划（WCRP）成立于1980年，是由ICSU和世界气象组织（WMO） 共同发起的，同时也得到来自联合国教科文组织的政府间海洋委员会（IOC）的 资助。WCRP的目标是发展有关自然气候系统和气候过程的基础研究，以确定气 候在多大程度上可以预测，以及人类活动对气候影响的程度。WCRP开展针对全 球大气、海洋、地表、海冰和陆地冰等对理解地球自然气候系统有贡献的深入研 究，尤其关注可以为气候及其变率等热点问题提供科学的定量回答的研究，如建 立可以预测全球和区域的气候变率、极端时间发生频率和程度的变化等的研究基 地。目前WCRP的主要研究计划包括：全球能量与水循环试验（GEWEX）、气候 变率及其可预报性（CLIVAR）、气候与冰冻圈（CliC）、平流层过程及其在气候 中的作用（SPARC）、气候系统观测与预测试验计划（COPE）等。
科学方法论：归纳法和演绎法
现代基础学科的发展：数学、物理学、化学 牛顿发表的巨著《自然哲学的数学原理》 社会需求和发展的推动：矿藏、远程贸易、新产品开发 …… 战争的需要 探险活动 现代科学分支的产生：地质学、地理学、气象学、海洋学、植物学、天文学 …… 学科分支间的交叉：海洋地质学、海洋生物学、海洋物理学、海洋化学 …… 技术的对科学发展的支撑和相互促进：观测仪器、实 /试验仪器、通信设备和网络……
全球变化研究的一些国际、国内计划
国际地圈—生物圈计划（IGBP）
国际地圈生物圈计划（IGBP）是在1986年的国际科学联合会理事会第21 届大会上成立的。IGBP成立的目的是通过描述地球上相互作用的物理、 化学和生物学过程，了解地球上正在发生的环境变化，以及这些变化对 人类生活的影响，提出有效的解决方案，管理人类和其他生命所依赖的 复杂的地球系统。

科学方法论：归纳法和演绎法
现代基础学科的发展：数学、物理学、化学 牛顿发表的巨著《自然哲学的数学原理》 社会需求和发展的推动：矿藏、远程贸易、新产品开发 …… 战争的需要 探险活动 现代科学分支的产生：地质学、地理学、气象学、海洋学、植物学、天文学 …… 学科分支间的交叉：海洋地质学、海洋生物学、海洋物理学、海洋化学 …… 技术的对科学发展的支撑和相互促进：观测仪器、实 /试验仪器、通信设备和学工作主要依托全球环境变化研究的四大计划进行，侧重于各个 计划之间以及自然科学与社会科学、科学团体与产业和政府部门之间的交叉联合。自2001年以来， ESSP不断完善其工作框架，丰富其业务内容，目前已经初步形成了包含科学研究、分析与模拟、 能力建设和协调合作等多种功能的业务体系，具体包括联合计划、地球系统分析与模拟工作、区 域集成研究与能力发展、科学联络与学术交流共四项任务（见图4-1）。 ESSP的科学目标主要是通过联合研究计划、专门工作组、以及科学会议等方式实现，ESSP利用 专题研究活动、特殊区域研究、科学会议等措施将科学家和不同的研究工作整合起来，通过不同 观点的碰撞、不同方法的集成，提高对地球系统全面认识的能力。这些业务单元的业务开展主要 由各自的科学领导机构（如联合计划的科学指导委员会）负责指导，科学家独立地开展相关科学 研究工作，各业务单元的科学领导机构人员来自各个方面，也包括ESSP的专家（主要来自四大计 划）。另外，通过密切的科学联络和主题明确的科学会议，ESSP也加强了其内部业务的协调以及 与其他科学团体、产业和政府部门的沟通与合作。
21世纪 全球变化研究方向的调整
加深地球系统整体行为的研究 加強为可持续发展服务的全球变化问题 的研究 重视区域对全球变化贡献的研究
什么是区域集成研究
把区域作为地球系统的一个完整单元 ( holistic entity )来研究,必须是跨越学科 边界的研究,包括自然科学与社会科学之间的 边界. 区域研究要为定量的认识区域和全球之间的联 系,以及这些联系的变化的后果作出贡献. 区域研究要为区域的可持续发展提供科学支持. 要综合运用场地观测试验、遥感监测和数值模 拟等研究手段进行集成研究. 要把区域变化的过去、现在和未来的研究结合 起来进行集成研究.

以自水然环的境的稀破坏释为代作价，经用历了，原始海农业水、传密统农度业和现降代农低业三并个发上展阶升段。到表面，然后向西运动
9×1021J，远远超过了地球轨道要素所引起的日照率变化所产生的影响，这些热量的有无对高纬度的温度与大陆冰盖的生消有重大的 影响。
返回到大西洋以平衡外流的水体。构成了一个跨越大西洋和 夏季，由于大陆比海洋暖，在印度半岛的西北部形成热低压，产生著名的印度西南季风，高现象和气候变化。 冬季，由于大陆比海洋冷，在西伯利亚形成强大的冷高 压，给东亚带来了东北季风，低温干燥，风力强劲，此 偏北风强烈时即为寒潮；夏季，由于大陆比海洋暖，在 印度半岛的西北部形成热低压，产生著名的印度西南季 风，高温、湿润和多雨。偏南气流和偏北气流相遇，往 往会形成大范围的降雨带。
沃克环流
东赤道太平洋冷水域的上空大气强烈下沉，西赤 道太平洋印度尼西亚海洋大陆上空大气对流强烈，大 气以上升为主，形成的一个闭合的东西向环流圈，称 为沃克环流。
沃克环流通过大气的遥相关作用影响到世界其它 地区，在整个赤道纬圈均存在沃克环流。
沃克环流是赤道地区海气作用的产物，并通过大气 的遥相关作用影响到世界其它地区，在整个赤道纬圈均 存在沃克环流。
在各个大陆以夏季风降水为主的地区，冰期时气 候寒冷干燥，植被退化，某些内陆干旱地区沙漠扩张， 黄土堆积，湖面收缩下降。在以冬季风降水为主的内 陆干旱地区气候则寒冷湿润，湖面上升扩张。
间冰期（interglacial epoch)：
是指两次冰期之间的温暖时期。冰川退缩，海平 面回升，气候和生物带向两极方向迁移。
温室效应
温室气体（CO2、水汽、氧化亚氮、甲烷和氯氟烃 等）对太阳的短波辐射进入地球影响不大，却能强烈地 吸收地球的长波辐射，从而在地球的表面形成一层保温 层，使地球所接收的太阳能不是马上就散失掉，而是在 其返回宇宙空间之前反复地加热地球，使地球变得象温 室一样温暖，这就是通常所说的“温室效应”。

全球变化研究出现的科学背景
出现的 过程
出现的过程
背 景 硬件条件 社会需求 历史必然性 科学思想代表
背 景
全球变化研究出现的过程
全球变化研究是在20世纪80年代初开始。
1983年，首次提出物理过程与生物过程相互作用的观点， 并将其与自然界尚未揭开的“奥秘”联系起来； 1984年国际科学联合会第20届大会开始全球变化研究 的讨论；
(3)弗里德曼(Fridman)，美国科学院物理、数学、资源委员会主席，1983年 他首次提出“全球变化(Global Change)”的概念。从此，人类开始从交叉科 学角度将地球作为全球系统开展研究。
(4)马隆(Malone)，1984年国际科学联合会副主席，是他第一个将全球变化 研究付诸实施。 全球变化研究这门科学就是在上述背景下应运而生的。
温室效应
小冰期以来天山乌鲁木齐河源1号冰川变化图 (刘潮海等, 2000)
其他气候变化的结论：
气温和海温： (1) 1950~1993年期间，陆地上夜晚最低温每十年增加约0.2℃，白天最高温每十年增加约0.1℃， 这使得许多中高纬度地区结冰季节变短。 (2) 海表面温度的上升速度是陆地表面平均气温上升速度的一半。 对流层气温： 20世纪50年代以来，地表以上8km的大气层平均每10年增温0.1℃。
(9)垃圾成灾：地球亡的垃圾越来越多， 20 世纪末仅美国
每年就产生工业垃圾20×108 t以上，城市居民垃圾2．2×108t， 丢弃的旧汽车1000多万辆，废轮胎上亿只。全球危险废物以每
年5×108t 的速度递增。垃圾无孔不入，在珠穆朗玛峰、南极
都有垃圾，甚至在太空上也有垃圾。 根据NASA的统计，地球轨道上有大约 4000个运行中或报 废的人造卫星和火箭残体，此外还有大约 6000 个可以看到并 跟踪的太空垃圾碎片；而直径超过一厘米的太空垃圾，更多达

在数天到一年之内，如季节的更替，气温、降水和地表径流 的季节波动，植物群落季相和农事季节的更替，候鸟的迁徙 几秒至几小时 在数秒到一天之内如气候要素的变化，物质、能量传递等
二、全球变化研究的主要内容 1.全球变化的过程和驱动力
2.全球环境变化在时间和空间上的表现形式
3.全球变化的影响与人类的响应
4.全球变化信息的获取、处理与分析技术
一、全球变化的科学内涵 全球变化为全球环境（包括气候、土地生产 力、海洋和其他水资源、大气化学及生态系统） 中的、能改变地球承载生命的能力的变化。 全球变化研究是以地球系统科学作为指南， 从行星地球整体角度出发，将地球的大气圈、水 圈(含冰雪圈)、岩石圈和生物圈看成是有机联系的 全球系统，把太阳和地心作为两个主要的自然驱 动器、人类活动作为第三促动因素，发生在该系 统中的全球变化是在上述力的驱动下，通过物理、 化学和生物学过程相互作用的结果。
二、全球变化的国际研究计划
全球变化研究包括由国际科学联合会、世界气象组织、国 际社会科学联合会、国际高级研究机构联合会、联合国教 科文组织、环境问题科学委员会、政府间海洋委员会、联 合国环境规划署等组织联合协同下开展的一系列核心计划 和相关计划，其中包括：
（一）国际地圈生物圈核心计划
（1）国际全球大气化学计划；（2）全球海洋通量联合研究；（3）过去的全球变化；
这些研究计划各有侧重，但围绕一个共同的目标，就 是逐步增加人类对地球的气候和环境演变规律（包括 自然和人为）的认识，从而对未来环境发展趋势提出 科学预测，为全球环境问题上的宏观决策提供科学依 据，也为各国政府在资源开发和利用、环境保护和整 理等方面的政策制定提出咨询性建议。
全球变化的时间尺度
几百万年至几十亿年 地质历史时期如造山运动和造陆运动、生命的起源等