全球变化复习资料.doc

第一章 地球系统与全球变化第一节 地球系统1、地球系统：可划分为地圈和生物圈，其中地圈包括物理气候系统（水圈、大气圈）和固体地球系统（岩石圈），生物圈又称全球生态系统，包括地球上全部生物和生命系统。人类由于主观能动性，在这3个系统之上构建了独特的人类生态系统，也是地球系统的一个重要组成部分。物理气候系统：决定着地球表层水分和能量的交换和分布，形成全球气候固体地球系统：决定着地壳的生消及其运动，形成地球的海陆分布格局与各种地貌地形。全球生态系统：包括地球上多种多样的生态群落与生态系统。2、系统间的关系：物理气候系统、固体地球系统、全球生态系统分别调控着水循环、生物地球化学循环和固体地球物质循环3个循环子系统，并通过彼此的联系成为一个整体。人类由于主观能动性，在这3个系统之上构建了独特的人类生态系统，也是地球系统的一个重要组成部分。3、地球系统驱动力：地球外部由太阳和其他外力所组成的；地球内部的“发动机”，主要由放射性和内部深处的原生热所驱动。第二节 全球变化与全球变化研究1、全球变化：广义指全球环境（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等）中的、能改变地球承载生命的能力的变化。狭义理解的全球变化主要是指人类生存环境的恶化。2、全球变化的科学内涵：全球观点与全球尺度（全球观点：把地球看作一个整体，而不是孤立地研究地球的不同组分和它的环境；全球尺度：虽然过程或事件空间尺度有大有小，但其影响却是全球性的）所有时间过程（包括所有时间范畴和所有时间尺度：全球变化的研究不仅揭示过去，更是认识现代以及未来的变化）人类的作用（人类是全球变化的营力之一）3、全球变化研究的主要内容：全球变化的驱动力和过程；全球环境变化在时间和空间上的表现形式； 全球变化的影响与人类的响应；全球变化信息的获取、处理与分析技术。4、全球变化研究的意义：全球变化研究是人类社会实现可持续发展的科学基础（可持续发展必须以适应全球变化为基础，人类对全球变化的适应必须最大限度地符合可持续发展的原则）；深化对地地球系统的认识，促进地球科学发展；改变人类的观念，促进应用基础科学和有关社会科学的发展（全球变化研究也关注全球变化的环境影响、社会影响，以及对策和政策评估研究，这些研究会促进有关决策科学的发展，提高人类应付全球变化的能力）。第三节 全球变化研究的历史、现状和趋势1、与以往的研究相比，当前全球变化研究呈现以下特点：以系统的和动态的地球观为指导（旧地球科学体系以圈层为核心）；研究重点由长时间尺度转向短时间尺度；区域尺度和全球尺度一同考虑；注重过程和机制研究，强调定量化、模型化描述，重视动态监测和预测研究；关注人类活动引起的全球变化；注重全球变化对人类的影响及人类响应。2、技术手段：放射性同位素、古地磁、稳定同位素、深海钻探、冰芯获取。3、研究计划：世界气候研究计划（WCRP）、国际地圈-生物圈计划（IGBP）、全球变化人文计划（IHDP）、生物多样性计划（DIVERSITAS）第二章 全球变化的主要过程与驱动力第一节 全球变化的主要过程气候系统与水文循环过程； 固体地球系统与岩石圈循环过程生态系统与生物地球化学循环过程； 人类生态系统与人类活动过程1、气候系统与水文循环过程(1)地球表面的能量收支平衡与温室效应影响因素：太阳辐射强度和地球轨道要素；地球的行星反射率（）；太阳能在地球系统中滞留时间。(2)大气和海洋环流大气环流形式：平均经圈环流：由于赤道-极地之间的能量梯度作用和地球自转影响所产生环流圈；沃克环流：赤道地区大洋东、西两侧海水冷暖差异形成的大气玮圈环流；季风环流：由于海、陆分布及其物理性质的不同所产生的热力差异而导致的环流。海洋环流形式：表层风生流：大气环流驱动大洋表层水体发生相应的运动；热盐环流：由海水的密度（取决于温度和盐度）分布决定的海洋环流。(3)水文循环与气候系统中的反馈过程对气候变化最重要的4个反馈过程：水汽反馈；云辐射反馈；冰雪圈反馈；海洋反馈。海洋对大气运动、气候系统的影响体现在：影响地球大气系统的热力平衡；影响水汽循环；调谐大气运动；降低气候系统的敏感性，调节温室效应。2、固体地球系统与岩石圈循环过程板块运动过程 板块与板块之间的相对运动有离散、汇聚和平移3种形式；陆上风化与侵蚀堆积过程 所有被风化侵蚀的物质最终被搬运到大洋沉积，完成地球固体物质在地球表面的迁移转化过程；海洋沉积过程3、生态系统与生物地球化学循环过程生态系统的结构和功能；生物地球化学循环过程 （除生命活动过程之外，大气化学过程、土壤地球化学过程和海洋化学过程是控制生物地球化学循环的3个关键环节。） 全球碳循环4、人类生态系统与人类活动过程人类生态系统的构成 (人类生态系统存在着采集-狩猎系统、农业系统和工业城市系统3种类型)人类生态系统中的物质、能量流动第二节 全球变化的驱动力1、驱动全球变化的地球外因素太阳活动；地球轨道参数变化；地外物体的撞击作用2、驱动全球变化的地球内力因素海陆分布变化；高海拔的山地或高原的隆起；火山活动 （阳伞效应：强火山爆发能在平流层下部形成一个持久的含有硫酸盐粒子的气溶胶层，它们存留在平流层中增加了大气的反照率，因而减少了到达地面的直接太阳辐射，进而导致温度下降。）3、全球变化中的人文因素人类活动造成的土地覆盖的变化、系统成分的变化、自然过程的变化追踪会导致自然系统的功能失调和变化，并通过累积性变化或系统性变化两种方式导致全球变化4、地球系统内部的反馈作用与全球变化厄尔尼诺（El Nino）：赤道东太平洋地区海洋表面温度（SST）的持续异常增暖；拉尼娜（La Nina）：当赤道东太平洋表面海温出现较强负距平时，发生反厄尔尼诺现象；南方涛动（Southern Oscillation）：印度洋地区和南太平洋地区气压的反向变化，是一种大尺度的大气环流异常。第三节 全球变化的概念模式1、几十几百年尺度变化的概念模式人类活动对全球变化的影响最为明显。在这个模式中，地球系统的过程主要取决于两个主要的相互作用的系统：物理气候系统和生物地球化学循环系统（包括生物过程）。2、几千几十万年尺度变化的概念模式全球变化主要由地球围绕太阳运动轨道变化而引起的。涉及到地球表层的所有子系统及绝大部分过程：物理气候系统；生态系统过程；生物地球化学循环；地貌发育。3、几百年以上尺度变化的概念模式不仅发生在地球表明，也发生在地球内部。取决与3个过程：地核和地幔过程；板块构造过程；太阳驱动的过程。第三章 全球变化的影响及人类的响应第一节 全球变化对人类的影响1、全球变化影响的主要途径：直接对人类健康产生影响；引发某些社会事件；通过资源和灾害的变化改变自然系统的承载力，影响环境系统的生产力。2、全球变化影响的领域方面：人类的健康和工作能力；住房建筑和新住宅区；各类农业；水资源开发和管理；林业资源；渔业和海洋资源；能源的生产和消费；工商业活动；交通和运输；各种公共服务。3、全球变化影响的层次：土地承载力；生产系统；经济与生活；社会政治。4、全球变化的敏感区和易受影响的地区 气候边界地带与生态脆弱带，这些地区土地的可利用性及其生产能力的大小常随全球变化而发生显著变化（非洲萨赫勒地带、我国北方农牧交错带）； 海洋与陆地的交界面，即海岸带，是各种过程结合作用的地区，是受海面升降控制的地区，也是全球变化及变化对人类的影响表现最为强烈的敏感地区之一（珊瑚礁、红树林、海岸沼泽、湿地）； 全球变化的不利影响对社会最脆弱的地区打击最大第二节 人类对全球变化的适应1、对待全球变化的不同态度承认全球变化的必然性，但全球变化会回到稳定位置，全球变化是一种挑战，如果应对得当，人类可以受益。世界极不稳定，全球变化会带来恶果，必须阻止全球变化不可知，不愿直面全球变化全球变化在一定范围内有益，超出限度则有害2、全球变化影响的评估（不确定性很大）3、全球变化对策基于趋利避害原则进行适应（主动适应、被动适应和积极防御）防止或减缓全球变化的发生不采取任何行动把全球变化控制在一定限度第四章 全球变化研究的主要途径主要途径：重建；动态监测；模拟。第一节 过去全球变化的重建1、基本假设均一性假设：它包括两个基本假设：自然法则在任何时间和空间上的不变性；如果所研究的结果能够用现代可观察的过程来解释，就不会有假设的未知过程。协同性假设：首先是指环境过程与其产物之间的协调统一；其次，同一环境状态下所形成的不同类型的产物之间存在协同关系，可以彼此参校、替代，共同指示其生成环境；再次，地区之间的协同性；最后，时间上的协调性。全息假设：根据部分可反映整体的全息学基本观点，环境可以由其可识别的全息源来反映。2、过去全球变化信息的类型观测记录：指借助于各种观测技术手段所获得的环境信息。特点：记录规范，精度高，但时间尺度短。举例：气象、水文的监测记录，遥感数据。考古和历史文献记载：指由人类物质文化活动而形成的物质和文字记录。举例：人类遗址、遗迹，有关物候、灾异、耕作制度的文字记录古环境感应体：指在过去某一时期形成并一直保存至今的各种自然体，记录了当时的环境状况。举例：古沙丘、黄土与古土壤、冰芯、树木年轮代用资料：考古和历史文献记载与古环境感应体特点：时间尺度长，分布地区广泛，能揭示长时间尺度的全球变化历史，但记录不规范、连续性差，记录混杂，需要提取、鉴别才能使用。3、环境属性信息提取信息源可提取信息赋予圈层主要类型物理化学生物人类文化岩石圈：沉积物与地貌形态黄土与古土壤粒度、磁化率、土壤类型、土壤微形态同位素、化学（常量和微量）元素蜗牛、植物硅酸体、孢粉、C3/C4植物比例、大化石、昆虫、有机质文化层深海沉积风成碎屑物含量、粒度同位素微体生物化石冰雪圈冰芯冰雪累积量、尘埃含量同位素、化学元素、大气成分有机气体、有机物、孢粉生物圈树木年轮密度同位素、化学元素宽度（径向生长量）人类圈文献记录自然灾害、河湖水系、位置水况动植物类型、分布、物候土地利用方式、农事活动、收成、社会经济状况、文学艺术、风俗习惯、人口与聚落4、空间和时间位置信息（宙代纪世）14C年代测定；古地磁测年；地质年代表5、重建过去全球变化的主要步骤对全球变化信息的识别与提取；对过去全球变化的证据进行标定与核对；过去全球变化的整体或部分地复原。第二节 全球变化的动态监测1、观测系统全球气候观测系统（GCOS）；全球海洋观测系统（GOOS）；全球陆地观测系统（GTOS）。2、观测内容地球系统外部能量；重要微量气体；大气变量；地表性质；海洋变量；地球物理变量3、观测的技术手段空基观测：卫星、航天飞机陆基和海基观测：气象观测第三节 全球变化的模拟按照模式适用空间的大小可把模式分为全球模式、区域模式、局地模式等不同空间尺度的模式。模式的作用之一是可以帮助把小尺度的观测和试验结果推广到区域乃至全球尺度。当建立在小尺度上的模式向更大的空间拓展时，需要进行尺度放大（scaling up）；同样，当全球模式应用到区域尺度时需要进行尺度细化（scaling down）。1、气候模式、模拟气候模式：是由一组特定的热力学和动力学方程组成的具有一定边界条件和初始条件的“数学-物理模型”，是用数学方法对某些特定时空尺度的气候系统演变的物理描述。气候模拟：利用气候模式对气候与气候变化的事实、规律及未来可能发生的变化进行研究。2、生态模式与植被和生态动力学模拟3、C循环模式碳循环模式由大气碳传输模式（ATM）、海洋碳循环模式（OCCM）和陆地生物地球化学模式（TBM）组成，OCCM和TBM分别与ATM耦合。4、气候变化评价模型第五章 全球自然环境的形成与演化第一节 主要圈层的演化始于45亿年，地球和地外天体的碰撞的意义：月球的出现成为地球最大的潮汐引力场；地轴的倾斜导致了地球上的气候形成季节性变化。1、地壳的演化原始地壳的形成与破坏阶段漫长的陆壳增生阶段以大陆合并与解体为特征的板块运动回旋阶段2、大气、海洋的演化原始大气（H2、CO、CH4）第二代大气（还原性，CO2、H2O、N2、O2）成铁时期第三代大气（氧化性，O2、CO2）3、生命的进化化学进化阶段（4038亿年前，化学过程）细胞进化阶段（387亿年前，细胞内部结构、生理过程进化）真核细胞起源多细胞复杂生命进化（7亿年前以后，组织器官结构、功能适应进化）4、生物大灭绝事件寒武纪末泥盆纪末二叠纪三叠纪之交 最大灭绝三叠纪末白垩纪末（1/3生物灭绝，鳄鱼、蛇、鬼、蜥蜴残存）5、生态系统的演化及生物-环境的相互作用地球上生命的发展演化遵从“适者生存”的自然法则，受环境条件的制约，当某种生物对环境的变化不能适应时，就可能衰落乃至灭绝，被更能适应环境的新物种所替代；生命也以惊人的程度参与着地球表层环境的演变，极大影响这地球的演化进程和演化反向，甚至使地球的大气圈、水圈和地球岩石圈发生不可逆的改变第二节 全球自然环境的演化分为5个演化发展阶段：（1）无机自然地理环境（4538亿年前）生命出现以前地球物质分异作用；原始地壳形成与破坏；原始大气被还原性大气取代；地月系统形成（2）古海洋自然地理环境（384亿年前）海洋生命繁盛无生命系统有生命系统（板块、O2、真核）；生命可居住环境形成（三叶虫、无脊椎动物）；海洋生命繁盛（钙壳生物）（3）古自然地理环境时期（42.25亿年前）陆地生命发展斑块碰撞、大陆升起（4）过渡时期（2.250.65亿年前）被子植物、昆虫繁盛白垩纪末生物大灭绝（5）现代自然地理环境时期（0.65至今）现代化、多样化显现于第三纪，形成与第四纪。成因：板块运动；新生代衰落。第六章 新生代衰落与第四纪全球变化第一节 新生代衰落新生代衰落：新生代包括第三纪和第四纪，历时65Ma。新生代期间，环境呈变冷、变干的趋势性变化，称为新生代衰落。新生代衰落导致了第四纪冰期的出现。1、降温与第四纪冰期的来临始新世末期事件：始新世末期前后有一次重要的急速变冷事件，对全球生物界造成重要影响。Messinisn事件：晚中新世地中海盆地中的蒸发作用导致水位进一步降低，盐分浓缩，最终形成巨厚的蒸发矿床。2、旱化趋势非洲板块北移南北极大冰盖形成青藏高原隆起3、自然地带分异的复杂化第二节 第四纪冰期-间冰期变化寒冷的冰期和相对温暖的间冰期是第四纪的2种基本状态。冰期-间冰期变化：周期性的冷暖环境交替转换，幅度达10以上。1、特征：转化过程的不对称环境要素变化的协同性状态转换过程的时滞现象快速转换事件2、快速转换事件Heinrich事件：地质学家Hartmut Heinrich（1988）发现北大西洋末次冰期期间的沉积中普遍存在6次大的冰漂碎屑沉积事件，反映了6次较大的冰山崩塌融化过程。D-O颤动：冰期期间存在数次短期变暖事件。新仙女木事件：11KaBP前后的强变冷事件，温度在数百年内土壤下降6，使气温回到了冰期环境，持续时间1000年左右。根据八瓣仙女木花粉而命名。第三节 冰期-间冰期之间的转换机制1、冰盖与海冰反馈2、大气温室气体的反馈与气溶胶反馈3、大洋传送带的变化4、火山活动的作用第四节 最后冰期最盛期的环境1、全球性降温和冰盖扩展2、西风带加强与中高纬度自然带退缩3、全球海面下降与海洋过程变化4、全球干旱化与环境重大改变第五节 人类的演化与环境1、人类的出现与发展前人(古猿，4MaBP)能人(2.4MaBP)直立人(2MaBP) 早期智人(0.2MaBP) 晚期智人(0.1MaBP)前人（古猿）：能直立行走，以野生植物和动物腐尸为食，和其它动物没有严格区别，竞争也不占优势。能人：能完全在地面上生活。能制造非常简单的工具。（奥杜威文化：最早的石器是在非洲发现的，可能是能人制造的，它们是用经简单打制的砾石制成的。）直立人：能够制造石器工具、并利用工具获取食物，创造了利用工具从自然界捕获和采集食物的生存能力。早期智人：能够制造更为复杂的复合工具系统。晚期智人：解剖结构上的现代人。2、采集-狩猎者对环境的影响气候变化论：更新世末期的大型哺乳动物灭绝的原因是这些动物不能适应环境变化。更新世滥杀：人类作为狩猎者，是造成了当时动物灭绝的罪魁祸首。第七章 全新世及近2000年的全球变化第一节 全新世的气候变化与环境的响应新仙女木事件之后，气候迅速变暖，最后冰期结束，进入全新世的间冰期。1、气候变化早期增暖（和现在相当）中期的全新世暖期（较现在高23）晚期的变冷（和现在相当）2、冰川与海洋状况变化冰盖消融海平面上升、降水增加3、湖泊演变与河流调整（湖泊数量增加、面积扩大；河流流量上升，面积上升）4、植被迁移与演化（扩展、回归）从时间上看一个地点的植被类型的演替从空间上看植被分界线的迁移、植被空间的分布格局第二节 全新世人与环境的相互作用1、海岸地区环境演变的影响与人类的适应2、撒哈拉地区畜牧业文化的兴衰3、农业革命及其对环境的影响“新石器革命”理论：认为环境的恶化所造成的事物短缺导致了农业的产生。农业进步不仅受到环境变化的影响，同时反过来也造成环境的改变。4、文明古国兴衰和游牧文化兴起的环境背景气候恶化文明古国衰亡游牧业文化是适应于干旱和地势起伏环境的一种生产方式。第三节 2000年来环境变化及其影响1、中世纪温暖期和小冰期在过去的1000多年里，温度波动达12左右，降水变化幅度为1020%，其间出现了中世纪暖期和小冰期。中世纪暖期：在1000AD前后，欧洲的部分地区、北美和北大西洋等地区经历了一个较现代相对温暖的时期。小冰期：是指发生在过去几个世纪里的冰川重新前进、通常也是温度降低的时期，起于16世纪早期，终于19世纪中后期。2、人类活动对环境的影响人类活动：农业；畜牧业；狩猎；城市消费、工业生产需要造成影响：森林破坏；区域/局地环境（湿地、沼泽）改变；土地退化、土壤侵蚀；动物数量下降；大气、水、土地污染3、历史时期气候变化的影响与人类的适应第八章 近现代全球变化第一节 全球气候系统的变化气溶胶（aerosol）：由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，又称气体分散体系。阳伞效应：强火山爆发能在平流层下部形成一个持久的含有硫酸盐粒子的气溶胶层，它们存留在平流层中增加了大气的反照率，因而减少了到达地面的直接太阳辐射，进而导致温度下降。1、大气圈组成成分的变化改变大气成分的途径：工农业生产、生活活动（化石燃料、化肥、制冷剂）；土地覆盖变化（森林破坏）；某些化学物质排放（氟利昂）。大气成分变化的表现：使一些大气成分增加（CO2、CH4、SO2、CO）；使一些大气成分减少（O3）；改变一些大气成分（酸化）；向大气增添人工合成成分（氟利昂）。2、温度和降水变化（1）温度：时间、空间上变化时间：20世纪前40年、最近20年增温明显；冬春季增温多，夏季不明显；夜间增温快于白天。空间：中高纬度陆地升温明显；南半球升温更明显；对流层中下层升温，对流层上部、平流层冷却。3、气候变化的自然原因太阳辐射（可能贡献了1/31/2）火山喷发（尘埃、气溶胶气压、气温，直接辐射）厄尔尼诺南方涛动（使某些地区云雨增加或减少，从而造成洪灾或旱灾等）海平面变化（现代平均海面存在轻微上升的趋势，1015cm/a）4、海平面变化第二节 生态系统的变化1、森林生态系统的变化（面积和木材蓄积量下降）（1）原因：农牧业垦殖；木材需求；薪炭用材（2）后果：区域性影响：坡地侵蚀加剧；洪水灾害多发；地表气温上升；降水增加；河流含沙量增加；全球性影响：大量植物种灭绝；森林CO2汇功能减弱或消失；大气微尘粒增加，影响气温和水；流域上流侵蚀、中下游堆积作用增强，改变地球固体物质循环；通过蒸发、降水、径流过程影响水分循环2、生物多样性的变化（不断下降）（1）原因：狩猎（过去）；环境污染；生物栖息地缩小、毁灭；全球气候变化（2）后果：植物遗传基因库减少，影响农林业；经济、医药价值损失；影响到人类生活生产；美学上的缺憾3、荒漠化（面积扩展）原因：降水降少；气候变暖；风速增高，风蚀加强；大规模农牧业第九章 未来全球变化及其影响第一节 全球气候变化预测1、温室气体浓度上升。取决于人类排放量；海洋对C的吸收；陆地生物圈对C的吸收。2、增温的预测高纬增温幅度比低纬高；中国增温幅度比其它同纬度国家低。3、降水或土壤水分的预测存在很大不确定性。预测方法：气候模型；历时类比；动力分析。第二节 全球气候变化的可能影响1、对陆地生态系统的可能影响乔木、草本植物响应速度不一致（草快速适应，而树木慢导致森林面积下降）土壤形成缓慢，会出现不稳定的奇特过渡景观植物种更新和迁移速率跟不上环境步伐，迁移受阻，灭绝速度加快。2、对农业生产的影响评估相当困难。一般认为有利也有弊，对不同地区的影响差别很大。3、对淡水资源的影响径流量在高纬地区和赤道地区一般增加，而中纬地区一般减少；季节流量分配不同。春汛减弱，更多径流出现在冬半年；人口增加以及城市化加大水的需求。第三节 全球海平面变化及其可能影响1、海平面变化的预测（上升）CO2地表气温冰川消融、海水热膨胀海平面2、可能的影响（陆地面积降少、入侵淡水）最易影响地区：欧洲低地各国、孟加拉国、热带大洋岛国第四节 未来全球变化的复杂性与不确定性1、已明确的问题自从工业革命以来，大气CO2和CH4含量一直在升高。古气候资料表明，在过去的25万年中，CO2和CH4含量的长期变化与温度呈高度正相关联系。表明它们曾作为有效的强迫因子参与了冰期与间冰期全球气候变化。理论研究和模式模拟证实，大气CO2和CH4含量增加确能引起全球平均地面气温升高。根据古气候类比方法，在全球变暖的情况下，美国中部平原和加拿大草原将趋于干燥，北非撒哈拉沙漠的南缘、印度次大陆和中国东部季风区降水量可能会增加。一般认为，近百年来全球海平面上升是由于同期的升温引起的。末次冰期和冰后期初期北大西洋地区发生了剧烈的气候突然变化。2、尚不清楚的问题对CO2排放量及CO2被植物和海洋吸收的估计。本世纪全球的增温是否确由CO2在大气内的增加引起的。气候模式本身的缺陷。3、全球气候变化的特点：复杂性和不确定性；气候变化的地域差异；气候变化的速率问题第十章 全球变化对中国的影响及其响应和全球其它地区具有一致性，但也有自己的特征：与第三纪以来板块运动相联系的青藏高原隆起及现代季风的形成演化与自然带调整；在全球冰期间冰期旋回变化中表现为以冬、夏季风的彼此消长和边缘海的大幅度进退为特点；人类活动历史悠久，自然环境受人类活动改造最强烈第一节 板