第三章全球变化研究的理论与方法

第三章全球变化研究的理论与方法弄清全球变化研究的一般理论及其在理论方面的借鉴；掌握全球变化研究的采用方法及其在主要研究中应用情况；熟悉全球变化研究的最新研究方法及其在研究方法上的创新弄清遥感(RS)在的基本原理；熟悉RS在痕量气体监测、LUCC等研究中的应用情况及其所取得研究结果；了解数值模拟方法的要求及其基本原理；掌握数值模拟在气候模拟、碳循环模拟与气候变化评价方面的应用与模型。教学目的第一节全球变化的一般理论基础一、系统耦合原理陆地系统、海洋系统、大气系统二、自组织与生物放大作用全球生命系统是一个自组织系统，是一个能够自我适应和自我调节的体系许多重金属元素、人工合成的化学物质通过生态系统中的食物链富集，且具有全球性自组织理论是20世纪60年代末期开始建立并发展起来的一种系统理论。它的研究对象主要是复杂自组织系统（生命系统、社会系统）的形成和发展机制问题，即在一定条件下，系统是如何自动地由无序走向有序，由低级有序走向高级有序的。它主要有三个部分组成：耗散结构理论（DissipativeStructure）、协同学（Synergertios）、突变论（CalastropheTheory）。1、耗散结构理论：主要研究系统与环境之间的物质与能量交换关系及其对自组织系统的影响等问题。建立在与环境发生物质、能量交换关系基础上的结构即为耗散结构，如城市、生命等。远离平衡态、系统的开放性、系统内不同要素间存在非线性机制是耗散结构出现的三个条件。远离平衡态，指系统内部各个区域的物质和能量分布是极不平衡的，差距很大。2、协同学主要研究系统内部各要素之间的协同机制，认为系统各要素之间的协同是自组织过程的基础，系统内各序参量之间的竞争和协同作用使系统产生新结构的直接根源。涨落是由于系统要素的独立运动或在局部产生的各种协同运动以及环境因素的随机干扰，系统的实际状态值总会偏离平均值，这种偏离波动大小的幅度就叫涨落。当系统处在由一种稳态向另一种稳态跃迁时，系统要素间的独立运动和协同运动进入均势阶段时，任一微小的涨落都会迅速被放大为波及整个系统的巨涨落，推动系统进入有序状态。3、突变论则建立在稳定性理论的基础上，认为突变过程是由一种稳定态经过不稳定态向新的稳定态跃迁的过程，表现在数学上是标志着系统状态的各组参数及其函数值变化的过程。突变论认为，即使是同一过程，对应于同一控制因素临界值，突变仍会产生不同的结果，即可能达到若干不同的新稳态，每个状态都呈现出一定的概率。在生态环境中，由于食物链的关系，一些物质如金属元素或有机物质，可

以在不同的生物体内经吸收后逐级传递，不断积聚浓缩；或者某些物质在环境中的起始浓度不很高，通过食物链的逐级传递，使浓度逐步提高，最后形成了生物富集或生物放大作用。

例如，海水中汞的浓度为0.0001mg/L时，浮游生物体内含汞量可达001-0.002mg/L，小鱼体内可达0.2-0.5mg/L，而大鱼体内可达1-5mg/L，大鱼体内汞比海水含汞量高1万-6万倍。生物放大作用可使环境中低浓度的物质，在最后一级体内的含量提高几十倍甚至成千上万倍，因而可能对人和环境造成较大的危害。生物放大生物放大作用是通过食物链完成的，而食物链可以分为几种形态。在生态系统中，根据生物间的食物关系，可将食物链分为四类。一是捕食性食物链，它是以植物为基础，后者捕食前者。如青草-野兔-狐狸-狼-虎。二是碎食性食物链，指的是以碎食物为基础形成的食物链。如树叶碎片及小藻类-虾（蟹）-鱼-食鱼的鸟类。三是寄生性食物链，是以大动物为基础，小动物寄生到大动物上形成的食物链。如哺乳类-跳蚤-原生动物-细菌-过滤性病毒。四是腐生性食物链，指的是以腐烂的动植物尸体为基础，然后被微生物所利用。生物放大作用就是通过食物链完成的。总的说来，初级生产者所产生和固定的能量、物质，通过一系列取食和被食的关系而在生态系统中传递，便可形成生物富集或生物放大。地壳三、连锁反应与量变引起质变原理地球上某一物种的灭绝或敏感性充分的变化将引起一系列的连锁反应地球上某一成分在某一阈值或数量以内，起作用较小，而超过一定的阈值，其群体或作用凸现四、多样性原理地球上的生物是丰富多彩的，丰富的生物多样性构成了稳定的生态系统，是进化的结果，是稳定地球环境的基础五、温室效应原理全球的地面平均温度约为15℃。可是，如果没有大气，地球的地面平均温度应为－18℃。这33℃大体就是因为地球有大气，

像一条被子一样，造成大气温室效应之故世界上，宇宙中任何物体都辐射电磁波，物体温度越高，辐射的电磁波波长越短。太阳表面温度约6000℃，它发射的电磁波长很短，称为太阳短波辐射(其中包括从红到紫色的可见光)。地面在接受太阳短波辐射而增温的同时，也时时刻刻向外辐射电磁波而冷却。地球发射的电磁波长因为温度较低而较长，称为地面长波辐射。短波辐射和长波辐射在经过地球大气时遭遇是不同的：大气对太阳短波辐射几乎是透明的，却强烈吸收地面长波辐射。大气在吸收地面长波辐射的同时，它自己也向外辐射波长更长的长波辐射(因为大气温度比地面更低)。其中向下到达地面的部分称为逆辐射。地面接受到逆辐射后就会升温，或者说大气对地面起到了保温作用。这就是大气温室效应的原理。地球大气的这种保温作用，很类似于种植花卉的暖房顶上的玻璃(因此温室效应也称暖房效应或花房效应)。因为玻璃也有透过太阳短波辐射和吸收地面长波辐射的保温功能二氧化碳能够透射太阳短波辐射，使它达到地表增温，但对于地面长波辐射却善于吸收，特别是对波长在13-17μm波谱范围内有强烈的吸收能力.使得地面辐射能够大量截留在大气二氧化碳层内，不逸入宇宙空间.六、生物地球化学循环原理又称生物地球化学旋回。在地球表层生物圈中，生物有机体经由生命活动，从其生存环境的介质中吸取元素及其化合物(常称矿物质)，通过生物化学作用转化为生命物质，同时排泄部分物质返回环境，并在其死亡之后又被分解成为元素或化合物(亦称矿物质)返回环境介质中。这一个循环往复的过程，称为生物地球化学循环。生物地球化学循环还包括从一种生物体(初级生产者)到另一种生物体(消耗者)的转移或食物链的传递及效应。水循环碳循环第二节常规方法的应用全球变化研究采用以系统为指导的综合研究方法，对地球环境系统进行多学科综合研究，是国际多学科综合的研究前言一、气候变化研究方法依托固定、半固定或者临时性气象台、站、点的气象仪器，观测分析气候变化现象、过程、特征及规律，并进行必要的模型推演1.气象监测法利用地层(古生物化石)、冰心、黄土和古土壤、风沙层理、洞穴沉积、湖盆沉积法(孢粉分析法)、深海沉积等地质信息，建立与气候因子之间的变化关系2.地质证据法洞穴古生物化石3.树木年轮法应用相对古老的树木样本，特别是树木年轮、以及胸径、树高、生物量等生长信息与气候要素建立相应关系古树与年轮4.地貌分析法应用地貌类型的形成、演化等特征，推演气候可能的变化特征与变化过程地貌特征按照气象观测的一系列方法，在北极、南极以及地球的第三级－青藏高原进行系统观测，系统掌握全球气候变化的现象、过程、特征、规律及证据5.极地研究法6.考古分析法从遗址位置、器皿、化石等信息分析气候变化特征从相关的历史文献、传说、风俗等分析气候变化特征7.文献分析法二、植被动态观测法1.控制环境试验2.开顶式同化箱试验FACE方法即自由CO2气体施肥实验(Free-AirCO2enrichment)方法，是在自然状态下直接接入高浓度CO2。3.FACE方法4.移地试验将一点的原状土体及其植被移入到另一地或相互移植，利用气候在空间上的差异代替时间上的变异，达到模拟气候变化的目的，移研究作物对气候变化的影响5.生态观测网路生态系统监测网络(CERN）6.相关方法光合速率、暗呼作用、叶绿素荧光效应、叶面积指数等通过GPS以及相关大地测量仪器，观测分析地壳的变化以及运动情况三、海洋环境观测方法二、地壳运动观测方法固定、半固定及临时性观测站，进行进行气候、水文、生物、地貌、资源环境观测第三节卫星遥感方法的应用一、卫星遥感基础20世纪60年代发展起来的对地观测综合性技术。遥感一词的英文为RemoteSensing，意思是遥远的感知。60年代由美国人EvelynPruitt提出。通常有广义和狭义的理解。广义理解，遥感泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波(声波、地震波)等的探测。实际工作中，重力、磁力、声波、地震波等的探测被划为物探(物理探测)的范畴。因而，只有电磁波探测属于遥感的范畴。狭义理解，遥感是指从不同高度的平台(Platform)上，使用各种传感器(Sensor)，接收来自地球表层的各种电磁波信息，并对这些信息进行加工处理，从而对不同的地物及其特性进行远距离探测和识别的综合技术遥感平台：装载传感器的工具或设备，主要有地面平台(如遥感车、手提平台、地面观测台等)、空中平台(如飞机、气球、其他航空器等)、空间平台(如火箭、人造卫星、宇宙飞船、空间实验室、航天飞机等)传感器：接收、记录目标物电磁波特征的仪器（各种光学、无线电仪器），如扫描仪、雷达、摄影机、摄像机、辐射计等。遥测(Telemetry)是指对被测物体某些运动参数和性质进行远距离测量的技术，分接触测量和非接触测量遥控(RemoteControl)是指远距离控制目标物运动状态和过程的技术。1.遥感技术系统遥感技术:根据电磁波理论，不与目标物接触，从远处用探测仪器接收来自目标物的电磁波信息，通过对信息的处理和分析研究，确定目标物的属性及目标物相互间的关系的综合技术系统。遥感系统的组成信息源：任何目标物都具有发射、反射和吸收电磁波的性质，这是遥感的信息源信息获取：传感器接收到目标地物的电磁波信息，记录在数字磁介质或胶片上。胶片是由人或回收舱送至地面回收，而数字磁介质上记录的信息则可通过卫星上的微波天线传输给地面的卫星接收站。信息纪录与传输：地面站接收到遥感卫星发送来的数字信息，记录在高密度的磁介质上(如高密度磁带HDDDT或光盘等)，并进行一系列的处理，如信息恢复、辐射校正、卫星姿态校正、投影变换等，再转换为用户可使用的通用数据格式，或转换成模拟信号(记录在胶片上)，才能被用户使用。信息处理：地面站或用户还可根据需要进行精校正处理和专题信息处理、分类等。信息应用：遥感获取信息的目的是应用。这项工作由各专业人员按不同的应用目的进行。2.遥感的类型地面遥感:传感器设置在地面平台上，如车载、船载、手提、固定或活动高架平台等;航空遥感:传感器设置于航空器上，主要是飞机、气球等;航天遥感:传感器设置于环地球的航天器上，如人造地球卫星、航天飞机、空间站、火箭等;航宇遥感:传感器设置于星际飞船上，指对地月系统外的目标的探测。2.1按遥感平台分紫外遥感:探测波段在0.05一0.38μm之间;可见光遥感:探测波段在0.38一0.76μm之间;红外遥感:探测波段在0.76一1000μm之间;微波遥感:探测波段在1mm一1m之间;多波段遥感:指探测波段在可见光波段和红外波段范围内，再分成若干窄波段来探测目标。2.2按传感器的探测波段分根据波段把遥感划分为3种类型主动遥感和被动遥感成像遥感与非成像遥感主动遥感由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向散射值量;被动遥感的传感器不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量。成像遥感：传感器接收的目标电磁辐射信号可转换成(数字或模拟)图像;非成像遥感：后者传感器接收的目标电磁辐射信号不能形成图像。2.3按工作方式分主动遥感与被动遥感PassiveSensorsActiveSensors从大的研究领域可分为外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等;从具体应用领域可分为资源遥感、环境遥感、农业遥感、林业遥感、渔业遥感、地质遥感、气象遥感、水文遥感、城市遥感、工程遥感及灾害遥感、军事遥感等，还可以划分为更细的研究对象进行各种专题应用。2.4按遥感的应用领域分至此我们可以概括为六种获取地表信息的遥感手段多波段遥感多极化遥感相位差遥感多角度遥感多时相遥感多象元信息综合遥感目前空间分辨率：1m（最近0.61m）（美国军方15cm）光谱分辨率：5~6nm（美国高光谱600多通道）温度分辨率：0.1~0.3K时间分辨率：（重复周期）1~3天3.遥感发展前沿——卫星及小卫星卫星的发展：大型、综合化与微小型专业化的融合EOS－AM1、PM1、ENVISAT大型平台特点：价高、周期长、风险大“快、好、省”—微小卫星的准则－卫星进入寻常高校和科研机构的实验室－卫星成为发展中国家进入空间的捷径2002.5.4发射3.遥感平台3.1地面平台地面平台：高度在0~50m范围内，包括车、船、塔三脚架、遥感塔、遥感车等对地观测研究中应用较少主要目的：对地物进行波谱测量航空平台：高度在百米~10多km，包括低、中、高空飞机，以及飞艇、气球等飞机高空：无人机2~3万米低空：航空摄影测量<2000米，大比例尺航片气球高空气球12~40公里航空平台历史悠久，主要是飞机摄影3.2航空平台航天平台：高度在150km以上（3600km静止卫星，700~900km陆地观测卫星）航天飞机240~350km高度卫星：低轨：150~300km，大比例尺、高分辨率图象寿命短，几天到几周（由于地心引力、大气摩擦）用于军事侦察中轨：700~1000km，资源与环境遥感NOAA气象卫星833/870kmLandsat1-3915km，Landsat4-5705kmSPOT832km高轨：35860km，地球静止卫星，通信、气象航天平台航天平台目前发展最快、应用最广：气象卫星系列、海洋卫星系列、陆地卫星系列3.3航天平台二、RS与大气痕量气体监测全球大气由于人类活动正经历快速变化，大气痕量气体及浓度随着人类活动的发展发生了巨大的变化，各种温室气体通过温室效应导致全球变暖，BrO，NOx，CH4等各种痕量气体对大气臭氧的破坏已经引起了全球大气科学家的关注。例如：由来自对流层人类排放的CFCs、HFCs和卤代烃类等导致的两极平流层臭氧洞，全球对流层臭氧的巨增、对流层CO2、CH4、N2O和O3等温室气体的增加等。痕量气体还可以参与光化学反应，降水化学和在气溶胶中的气一固转化，间接对全球的生态环境以及气候变化造成严重影响。大气中的痕量气体和气溶胶不仅具有化学活性，还具有辐射活性，对太阳辐射和地表红外辐射有很强的吸收作用，它们的浓度虽低，但对地气系统的能量收支及生物圈与大气的相互作用过程却有着不容忽视的作用，影响地气系统的物质循环和能量流动，它们的变化将会引起一系列气候和环境效应。早在1978年，Nimbus7卫星上就开始搭载TOMS传感器监测臭氧总量的变化；1979年开始NOAA系列卫星连续监测臭氧廓线(SBUV)；从1970年代开始，越来越多的卫星上都开始搭载大气成分观测仪1995年4月21日欧洲空间局ESA发射的ERS-2卫星上，装载了全球臭氧监测仪(GOME)，其主要任务是监测臭氧以及在对流层和平流层臭氧化学中具有重要影响的痕量气体(如：NO2、BrO、OClO和SO2)的全球分布；1999年，美国规划和协调的对地观测系统(EOS)卫星系列的第一颗卫星EOS／AM一1发射，对地球大气进行全方位、长时间的观测研究近年来，针对全球大气变化和与此相关的大气化学和大气物理过程的研究，美国航空航天局(NASA)和加拿大空间局(CSA)于1999年12月18日发射的TERRA卫星上搭载了对流层污染测量仪(MOPI1vr)。MOPITT测量大气柱中发射和反射的红外辐射，用于反演大气中CO和CH4的廓线等；随后美国规划和协调的对地观测系统(EOS)卫星系列的EoS／PM一1于2002年发射，欧洲空间局(ESA)在2002年3月1日发射的ENVIr一1上装载了多台大气化学成分测量仪器，通过对大气吸收光谱、大气发射光谱以及恒星光谱测量，探测大气臭氧层、温室效应示踪气体和气溶胶浓度分布，可研究多种大气痕量气体包括O3、H2O、CH2、N2O、HNO3、CFC等的成分变化及其对辐射收支和大气状态参数的影响，其中大气制图扫描成像吸收光谱仪(SCIA—MACHY)，专门用于监测对流层和平流层里NO2和O3等痕量气体日本国家宇宙发事业团(NASDA)研制的日本的高级地球观测系统ADEOS-1(2002年12月发射成功)，搭载了各类遥感器，其中有臭氧总量测绘仪(T0Ms)，用于臭氧和二氧化硫的浓度和分布观测；温室效应气体干涉监测仪(IMG)，用于温室气体(CH2，CH4，N2O)的浓度分布监测；改进型临边大气分光计(ILAS)，用于高纬度区临边大气痕量气体(O3，H2O，CO2，CH4，NO2，N2O，HNO3)的测量2004年7月15日美国国家航空航天局(NASA)发射的Aura地球观测系统卫星携带了4个仪器：臭氧监测仪(OMI)，微波分支探测仪(MLS)，高分辨动力分支探测仪(HIRDLS)和对流层发射分光仪(TES)。其中臭氧监测仪(OMI)由荷兰和芬兰与NASA合作制造，可以获得逐日、直接的全球低层臭氧和其它影响空气质量的污染物的测量结果，并可将结果以空前的空间分辨率传输，这有助于科学家了解污染物的长途输送及其复杂性，OMI的观测结果有助于更好地了解臭氧层空洞怎样对未来平流层冷却做出反应，为科学家对影响平流层臭氧层与气候的物理和化学过程提供新的认识途径，有助于科学家监测全球污染的产生和重新认识气候变化将怎样影响平流层臭氧层的恢复。三、RS与湿地研究湿地是地球上最重要的生态系统之一，具有很高社会效益、经济效益和科学研究价值。由于各种自然因素和人为因素的影响，越来越多的湿地转化为农业用地和城市用地。湿地质量和数量的变化已引起人们的广泛关注随着全球人口的持续增长，对土地利用提出了更高的要求，湿地资源面临巨大压力，需要对这一有价值的生态系统进行科学的管理和保护，采用新技术、新方法实时、动态监测其变化，遥感技术扮演着一个重要的角色1.基于遥感监测的湿地分类系统湿地的科学分类是湿地科学理论的核心问题之一，也是湿地科学发展水平的标。基于多分辨率、多数据源遥感影像的湿地信息提取与动态监测。首先要建立或采用一个湿地分类系统，而这一系统不同于其它湿地研究的分类系统，通常较宏观、灵活性大。2.湿地监测的遥感影像预处理基于遥感影像的湿地信息分类与提取．数据预处理是一个重要的环节。主要包括辐射校正、几何纠正、空间滤波、彩色变换、多光谱变换等3.湿地监测的遥感影像数据源①基于不同空间分辨率遥感影像的湿地监测②基于不同光谱分辨率遥感影像的湿地监测③基于多时相遥感影像的湿地监测④基于微波遥感影像的湿地监测⑤融合多源遥感影像的湿地监测四、RS与LUCC研究一个地区的土地覆盖状况受该地区气候条件、土壤条件、植被状况、地理地质环境和景观格局的影响，同时也受人类对土地利用方式和强度的影响。由于土地覆盖和土地利用与人类的生产生活密切相关，所以长期以来，土地覆盖及土地利用的研究成为自然科学研究领域的一个重要分支。应用遥感技术监测土地覆盖，其实质就是根据同时相的遥感影像，通过信息提取。快速准确地监测获取各时段的土地覆盖信息及其变化状况国外利用遥感技术对土地覆盖和土地利用的研究至少可以追溯至20世纪20年代。以美国为例，早在1922年，Lee的《从空中看到的地球表面》就表述了利用遥感手段研究自然景观与人类活动关系的可行性和重要性，但当时航空摄影技术主要用在拍摄地面军事目标和地形勘测等方面第二次世界大战后，出现了更为广泛和系统的利用航空像片进行区域范围土地调查与制图研究，此后，航空像片被迅速推广到地质勘测部门及区域范围内土地覆盖和土地利用等方面20世纪50年代以来，随着空间技术的迅猛发展，出现了从宇宙空间进行侦查或探测的航天遥感技术，后来由于保密级逐渐放宽，航天遥感在国民经济各部门中得到广泛应用，人们开始探讨利用遥感资料进行大范围土地覆盖和土地利用制图的可行性，包括发展适用于遥感数据特点的土地分类系统及分类方法20世纪60年代后期，美国密执安环境研究所对土壤、岩石和植被等进行了大量的波谱测试工作，证明了地球资源卫星在勘测、监视和管理地球资源等方面效果显著20世纪70年代美国发射的第一颗人造陆地卫星(Landsat)开创了利用卫星遥感技术进行大范围土地覆盖和土地利用调查的新纪元此后，各国学者纷纷致力于探讨利用卫星遥感技术动态监测土地利用变化的方法一些国家发展了基于土地覆盖的净初级生产力估算(NPP)等技术。随着航天技术和计算机技术的发展，使得在大范围内进行土地覆盖和土地利用详细调查成为可能，但此时的土地覆盖遥感工作主要基于传统的土地覆盖制图理论方法，着重对土地类型分析解译以及相应的光谱特征描述，很少涉及土地覆盖与其它自然景观要素的联系1973年Rorse等探讨了”植被指数”的概念；1979年Tucker证明了在所有植被指数中，NDVI是最普遍适用的进入20世纪80年代后，人们已在洲际范围内利用气象卫星数据进行土地覆盖的研究，并取得了有效成果。应用AVHRR数据进行全球和洲际尺度的植被变化和土地利用研究始于1981年，最早应用多时相AVHRR植被指数(NDVI)进行洲际尺度的土地覆盖研究的是Tucker和Townshend，他们分别对非湖和南美洲进行了研究。Cihar等研究了NOAA／AVHRR数据的多波段组台方案，并进行了加拿大北方地区土地覆盖分类1980~1986年，美国农业部、国家海洋大气管理局．宇航局和商业部开展了全球性的农业和资源空间遥感调查计划(LACIE)，建成了集成化的运行系统，完成了美国1：100万比例尺和全球范围的土地覆盖数据集。进人20世纪90年代，土地利用和土地覆盖变化引起了国际组织和世界各国的普遍关注，人们对土地覆盖及其特征的含义有了新的理解和定义，土地覆盖不再是单一的土地和植被类型，而是土地类型及其具有的一系列自然属性和人文特征的综合体，包括土地类型和植被冠层的密度、植被生长季节的动态特征、生长季累积生物量、地表覆盖的生物物理特征量和人文对土地利用及人文建筑等1991年，美国国家地质测绘局(USGS)建立了基于生物物候模型的土地覆盖特征数据库；欧共体1992年以来开展了利用遥感技术监测欧共体国家耕地、农作物变化的大型计划(MARS)；加拿大实现了利用遥感、地理信息系统对全国实现周期性的宏观资源调查、更新与制图此后，全球土地覆盖类型识别、陆地生态系统NPP估算等各类土地覆盖研究新方法也纷纷兴起。Ringrose应用GIS和遥感技术进行了博茨瓦纳南部植被变化研究，Miguel—ayanz等人运用GIS结合地形数据进行交互式分类研究在此基础上，为适应全球变化以及资源环境、人口和发展等研究的迫切需要，人们开始着手建设基于NOAA—AVHRR数据覆盖全球或大区域的遥感数据集，五、RS与荒漠化监测土地荒漠化是全球性的重大生态环境问题。据1992年联合国环境规划署的估算，全球有100多个国家和地区、10亿人口、1／3的陆地面积受到荒漠化的危害和威胁，荒漠化以每年5～7×104km2的速度扩展，造成约每年423亿美元的经济损失荒漠化的直接危害是降低土地的自我恢复能力，导致植被破坏，土壤生产力降低，粮食减产或绝收；间接危害是引发下游洪水、淤积，导致水荒、饥荒、“环境难民”，甚至带来政局动荡、邻国关系紧张乃至武装冲突根据1994年10月制订的联合国《荒漠化防治国际公约》对荒漠化的定义，我国荒漠化土地面积约为262.2×104km2，荒漠化已成为制约我国特别是西部地区经济社会发展的主要因素之一对荒漠化进行监测，掌握荒漠化的现状、程度及发生发展和动态演变规律，这是有效防治荒漠化的前提遥感与GIS技术用于荒漠化监测，主要是监测与荒漠化的特征、范围及与消长等密切相关的荒漠化组成或影响因素，如地表温度、土地利用类型、荒漠化类型、荒漠化程度、地形(坡度、坡向、坡位)、土壤(类型、质地、盐碱含量、含水率)、植被(种类、盖度、分布)及沟壑密度、盐碱斑占地率等。六、RS与冰川变化监测冰川是自然界最重要的并具有很大潜力的淡水资源，而冰川变化是气候变化的晴雨表，也是反映气候变化的指示器全球变化与可持续发展研究是当今地学研究的2大主题．极地冰变化，尤其是山岳冰川变化无疑是全球气侯变化的晴雨表之一由于冰盖庞大的体积，使得它们对气候变化的反应显得较为迟钝，而中纬度广为发育的山岳冰川与冰盖相比对气愤韵变化要敏感的多随着GIS在冰冻圈变化研究中的应用，以及遥感(RS)和全球定位系统(GPS)技术在冰变化测量中逐步开展七、RS与海洋研究随着地球资源卫星中分支出海洋卫星，科研人员逐步将卫星遥感技术应用于海洋及其相关领域的研究，将卫星遥感所获得的数据对海洋水温、海流、盐度、气象因素、水深、海底地形等进行了由定性到定量的分析，并将所得的结果用于指导海洋的开发管理、海洋灾害预警等方面，所起的作用是传统调查方法不能比拟的运用卫星遥感技术，人们实现了对海表面温度、海表面盐度、海平面异常、海流、海表面风、海浪、海洋内波、悬浮物浓度、叶绿素浓度、色素浓度和水色等多种海洋要素的监测，以及垂程水汽含量、可降雨量、气溶胶光学厚度等许多大气要素的监测世界海洋卫星遥感的发展经历了4个阶段：①准备阶段(1978年之前)；②试验阶段(1978~1985年)；③应用研究阶段(1985~1999年)。④从1999年至今，是海洋卫星遥感发展的综合探测阶段第四节数值模拟方法的应用数值模拟也叫计算机模拟。它以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。数值模拟技术诞生于1953年.Bruce,G.H和Peaceman,D.W模拟了一唯气相不稳定径向和线形流。受当时计算机能力及解法限制,数值模拟技术只是初步应用于解一维一相问题.两相流动模拟诞生于1954年，West,W,J和Garvin,W.W模拟了油藏不稳定两相流21世纪数值模拟技术发展体现在两方面，一方面是一体化模拟技术，数值模拟将不只是对油藏的模拟，数值模拟将对油藏，井筒，地面设备，管网以及油气处理厂进行一体化模拟，从而最优化管理油田。另一方面是定量进行属性不确定性分析，定量分析属性不确定性对计算结果的影响。一、气候模式与气候模拟气候模式是一组特定的热力学合动力学方程组成的具有一定的边界条件合初始条件的“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。气候模式不仅可以模拟当代气候，而且可以用于模拟某些外部条件的改变所引起的气候变化一般国际上使用的是可以描述气候系统的主要过程的3D气候模式(见表1)简单的气候模式课用于对气候系统行为的主要特征进行物理描述，也可以对CO2及其它温室气体的释放范围进行预测表1国际上使用的主要气候模式1.全球大气环流模式1.1什么是大气环流？大气环流，一般是指具有世界规模的、大范围的大气运行现象，既包括平均状态，也包括瞬时现象，其水平尺度在数千公里以上，垂直尺度在10km以上，时间尺度在数天以上。大气大范围运动的状态。某一大范围的地区（如欧亚地区、半球、全球），某一大气层次（如对流层、平流层、中层、整个大气圈）在一个长时期（如月、季、年、多年）的大气运动的平均状态或某一个时段（如一周、梅雨期间）的大气运动的变化过程都可以称为大气环流。大气环流是完成地球-大气系统角动量、热量和水分的输送和平衡，以及各种能量间的相互转换的重要机制，又同时是这些物理量输送、平衡和转换的重要结果。因此，研究大气环流的特征及其形成、维持、变化和作用，掌握其演变规律，不仅是人类认识自然的不可少的重要组成部分，而且还将有利于改进和提高天气预报的准确率，有利于探索全球气候变化，以及更有效地利用气候资源。大气环流通常包含平均纬向环流、平均水平环流和平均径圈环流3部分。大气环流主要表现为，全球尺度的东西风带、三圈环流(哈得莱环流、费雷尔环流和极地环流)、定常分布的平均槽脊、高空急流以及西风带中的大型扰动等。大气环流既是地－气系统进行热量、水分、角动量等物理量交换以及能量交换的重要机制，也是这些物理量的输送、平衡和转换的重要结果。太阳辐射在地球表面的非均匀分布是大气环流的原动力。大气环流构成了全球大气运动的基本形势，是全球气候特征和大范围天气形势的主导因子，也是各种尺度天气系统活动的背景。1.2大气环流模式全球大气环流模式(AGCMs)包括耦合的陆地表面与冰冻圈的3D描述，AGCMs类似于用于数值天气预报的模式，但是由于它主要用于几十年甚至上百年而不是几天的预测，其中表达的物理过程相对比较粗糙AGCMs可用于研究大气过程、气候的可变性以及大气对海平面气压变化反映的研究2.大洋环流模式大洋环流模式(OGCM)对海洋和海冰过程进行了3D描述，对研究海洋环流、海洋的内部过程及可比性比较有效20世纪80年代，中科院大气物理研究所设计了我国的大洋环流模式，即IAPOGCM3.大气－海洋耦合模式大气－海洋耦合模式(CGCM)是最复杂的气候模式，包ADGCM与OGCM的组合一些最新的大气海洋耦合模式还包括生物圈、C循环及大气化学过程CGCM科用来预报未来气候的变化，也可用来研究气候的可变性河耦合的气候系统中的物理过程典型的全球气候变化模式的空间分辨率为几百千米加入了C循环的CGCM模式可直接用来预报大气中CO2的浓度加入了大气化学过程的CGCM模式这可以预报影响气候变化的大气中其他成分的浓度变化4.气候模拟气候模拟是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，目前已经用气候模式预测出许多已北证实的气候事件气候模拟常用来监测气候变化的敏感性气候模拟的方法也是预测未来气候的重要手段1.全球碳循环全球碳循环是指碳素在地球的各个圈层(大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈)之间迁移转化和循环周转的过程碳循环最初只是在大气圈、水圜和岩石圈中进行，随着生物的出现，有了生物圈和土壤圈，碳循环便在五个圈层中进行，碳素的循环流动就从简单的地球化学循环进人到复杂的生物地球化学循环，生物圈和土壤圈在碳循环过程中扮演着越来越重要的角色碳循环的主要途径是：大气中的CO2被陆地和海洋中的植物吸收，然后通过生物或地质过程以及人类活动干预，又以CO2的形式返回到大气中就流量来说，全球碳循环中最重要的是CO2的循环，CH4和CO的循环是较次要的部分二、C循环模式图全球碳循环过程2.陆地系统C循环模式陆地C循环模式主要分为生物地理模式与生物地球化学模式及大气圈与陆地圈耦合模式等陆地C循环模式研究的发展趋势应是建立地表物理过程与生物地球化学过程相耦合的、能够模拟大气、植被、土壤之间物质与能量交换的综合动态生态系统模式生物地理模式可以预测不同环境中的各种植物类型的优势度，它以植物对环境的生态生理适应性河资源竞争能力为基础模拟植被分布河组成生物地球化学模式模拟陆地生态系统中C循环、营养物质(如N等)循环和水循环碳循环研究是通过土壤有机质模型进行的。土壤有机质模型代表土壤－植被系统碳和氮的转变，以土壤有机组分的数量作为状态变量早在20世纪40年代就已提出土壤有机质变化模型，Jenny(1941)用：dX/dt=-k