全球变化专题

全球变化专题第1页，共72页，2023年，2月20日，星期六我们的家园：空气水食物

……第2页，共72页，2023年，2月20日，星期六一、全球变化的概念工业革命带来了人类社会的快速发展，但同时也加快了地球表层系统的各种环境变化：全球变暖、生态系统退化、植被带迁移、生物多样性丧失、荒漠化扩展等，人类社会面临前所未有的资源、环境和发展的严峻挑战。1、人类活动对地球表层系统的影响第3页，共72页，2023年，2月20日，星期六1、人类活动对地球表层系统的影响人类活动对地球系统的影响，成为现代生态学和现代社会发展的重要科学命题和研究焦点。如何保证地球成为适合人类生存并持续发展的生命支持系统成为当前亟待解决的根本问题。而科学、全面的认识地球生态系统过程发生的各种变化，是确定科学对策的关键。第4页，共72页，2023年，2月20日，星期六2、全球变化的定义该词出现于20世纪70年代，“全球变化”表达了整个人类社会、经济、政治体系的不稳定状态。20世纪80年代，随着环境问题的突出，自然科学家将原来的定义扩展到整个地球环境系统的变化。全球变化：是指由于自然和人为的因素而引起的全球性的环境变化，包括气候变化、大气组成变化、土地利用变化、生物多样性变化、荒漠化。第5页，共72页，2023年，2月20日，星期六2.2当代主要的全球变化全球变化相互影响，人口增长是主要驱动因子2、全球变化的定义第6页，共72页，2023年，2月20日，星期六人口呈指数级数增长：1850年10亿；1999年60亿每增加10亿需要的时间越来越短第7页，共72页，2023年，2月20日，星期六工业革命后，人口增长的速率与温度升高、CO2增加、N增加趋势基本一致人类的改造能力迅速增加第8页，共72页，2023年，2月20日，星期六二、主要的全球变化及其成因第9页，共72页，2023年，2月20日，星期六证据二1.大气成分变化：CO2CO2对全球温暖化的贡献率60%。工业革命后CO2浓度呈指数增长，工业革命前280umol.mol-1，1958-2010：315~385umol.mol-1。第10页，共72页，2023年，2月20日，星期六温室气体工业化前浓度(1750)1999年浓度增加速率(%/a)贡献率(%)CO22803500.560CH40.81.71.015~30N2O0.2880.310.25CH4N2O1.大气成分变化：CH4、N2O第11页，共72页，2023年，2月20日，星期六1.大气成分变化：臭氧（Ozone）和氟氯化碳（CFCs）第12页，共72页，2023年，2月20日，星期六化石燃料和水泥生产土地利用变化1.大气成分变化：CO2的来源1980-1989:55亿吨/年；2000-2007:75亿吨碳/年1980-1989:16亿吨/年；2000-2007:15亿吨碳/年第13页，共72页，2023年，2月20日，星期六碳源/汇1980to19891989to1998(1)化石燃料燃烧和水泥生产5.5±0.56.3±0.6(2)土地利用的净释放1.6±0.81.6±0.8(3)大气CO2浓度的增加3.2±0.23.3±0.2(4)海洋吸收2.0±0.82.3±0.8(5)陆地吸收=[(1)+(2)]–[(3)+(4)]1.9±1.32.3±1.3AverageannualbudgetofCO2for1980to1989andfor1989to1998,expressedinGtCyr–2000：1980-1998年全球碳预算第14页，共72页，2023年，2月20日，星期六三个原因：

工业化后CO2增加归因于化石燃料燃烧（1）南极和格林兰冰芯记录：大气中CO2开始增加的时间与同期化石燃料消耗的增长率相近。（2）北半球大气CO2浓度比南半球的高，因为大多数最强的排放源位于北半球。（3）大气中氧含量每年减少3ppm，这与大气中CO2增加是相对应的，因为CO2是燃烧的一种产品。第15页，共72页，2023年，2月20日，星期六工业化（1750年）以来，大气中温室气体明显增加。年100012001400160018002000280300320340360(ppmv)CO2南极冰芯资料显示近1000年大气CO2浓度（2001）第16页，共72页，2023年，2月20日，星期六第17页，共72页，2023年，2月20日，星期六第18页，共72页，2023年，2月20日，星期六土地利用变化引起的碳排放

土地利用变化大约占全球CO2释放量的15-20%，作用仅次于化石燃料的燃烧。

1850-1998年间,土地利用变化引起的全球碳排放达136±55Gt,其中毁林占87%,草地开垦占13%；同期化石燃料燃烧和水泥生产的碳排放量为270±30Gt。森林采伐：森林减少而少了地上生物量(吸收大气CO2)；残留植物的腐烂和土壤有机物质自然分解而放出大量CO2。Gt(十亿吨,109ton)第19页，共72页，2023年，2月20日，星期六森林破坏：森林转化为农田，土壤碳损失25%-40%，0-20cm耕作层损失最大(40%)。森林转化为草地或者轮种地，土壤碳损失20%-27%。热带森林土地利用变化净碳损失0.47GtC.a-1(植物0.31，土壤0.16)土地利用变化引起的碳排放第20页，共72页，2023年，2月20日，星期六草原破坏：草原的碳库90%以上在土壤中，影响草地生态系统碳库变化的土地利用主要是开垦和过度放牧。开垦：开垦后的烧荒使植被中的碳都释放到大气中；开垦促进土壤呼吸，加快土壤有机质分解；多年生草本被作物替代后，固定的初级生产量(C)分配到土壤中比例降低，一大部分被收割走损失。开垦后，土壤中的碳损失30-50%。过度放牧：初级生产力降低，家畜采食减少了向土壤中输入的碳。加快土壤呼吸。内蒙古锡林河流域羊草草原的研究显示，过度放牧使表层土壤碳减少12%。土地利用变化引起的碳排放第21页，共72页，2023年，2月20日，星期六热带毁林导致的CO2排放急剧上升第22页，共72页，2023年，2月20日，星期六干扰稳定森林采伐后的碳库动态：土壤、死有机物碳释放第23页，共72页，2023年，2月20日，星期六全球变暖降水格局改变气候灾害事件增加厄尔尼诺现象2.气候变化第24页，共72页，2023年，2月20日，星期六2.气候变暖1860年以来，全球表面温度平均上升0.6°C，仅过去40年就增加0.2-0.3°C。第25页，共72页，2023年，2月20日，星期六2.气候变暖第26页，共72页，2023年，2月20日，星期六20世纪是过去2000年中最温暖的100年。近两千年全球地表平均气温变化（相对于1961-1990年30年气候平均）

公元200-1980年

公元1856-1998年（根据MannandJones,2003改绘）第27页，共72页，2023年，2月20日，星期六

近代的气候变暖与大气中温室气体的浓度大幅度上升密切相关。CO2是最主要的温室气体，对气候的稳定起着关键的作用。2.气候变暖的原因第28页，共72页，2023年，2月20日，星期六温室气体能够吸收地表向外发射的长波辐射，减小地球向外空释放能量，并通过大气的再发射向地表传递热量，使低层大气和地面温度上升，这一过程称为“温室效应”（Greenhouseeffect）。平流层对流层第29页，共72页，2023年，2月20日，星期六自第二次工业革命以来，大气CO2浓度显著增加；尤其是自20世纪60年代，CO2浓度与温度以相似的趋势递增。第30页，共72页，2023年，2月20日，星期六

由上可见：(1)CO2与温度变化总是以相同的趋势演变，CO2是气候变化的一个关键驱动力；(2)人类排放的CO2是近代气候变化的主要驱动力；(3)如果CO2及其它温室气体的大气含量增加到400-500ppm以上，地球的平均温度至少要升高2℃以上。第31页，共72页，2023年，2月20日，星期六用模型方法分离自然活动和人类活动对气候的影响：结果显示，有人类活动影响的模拟的气候变化趋势最接近实际情况。2.气候变暖的原因黑线：观测值红色：人类变化+自然变化蓝色：自然变化第32页，共72页，2023年，2月20日，星期六海平面上升永冻土层解冻植物生长季延长动、植物分布范围向高海拔、高纬度地区移动动植物物候节律变化：生育季节、开花时间珊瑚礁白化。。。。。。2.气候变暖：

后果第33页，共72页，2023年，2月20日，星期六20世纪已观测到的气候变化的影响第34页，共72页，2023年，2月20日，星期六过去100年全球海平面上升10-20cm,平均每年上升1-2mm。预计到2100年平均上升50cm。海平面升高冰盖的融化第35页，共72页，2023年，2月20日，星期六第36页，共72页，2023年，2月20日，星期六北冰洋冰盖的缩小冰川退缩缪尔冰川，Alaska第37页，共72页，2023年，2月20日，星期六阿拉斯加永冻层融化永冻层融解->大量碳释放->加剧全球变暖第38页，共72页，2023年，2月20日，星期六生物向高纬度、高海拔迁移第39页，共72页，2023年，2月20日，星期六温带森林的砍伐3.土地利用变化土地覆盖(landcover)：土壤/植被系统的结构，如森林、草地、耕地等。土地利用(landuse)：人类利用土地覆盖类型的方式,例如如何利用森林：生产木材or保持水土第40页，共72页，2023年，2月20日，星期六森林->耕地、牧业用地：全球耕地一半以上于1900年后开垦出来。1961-1991全球土地利用变化森林减少耕地增加3.土地利用变化第41页，共72页，2023年，2月20日，星期六改变下垫面的热力特征（如地表反射率等），从而影响气候系统。通过对陆地碳循环影响大气组成成分（主要是温室气体），进而影响气候变化。1850-1998年间,土地利用变化引起的全球碳排放达136±55Gt,其中毁林占87%，草地开垦占13%；而同期化石燃料燃烧和水泥生产的碳排放量为270±30Gt。影响生物多样性。3.土地利用变化：影响第42页，共72页，2023年，2月20日，星期六地表反射率

水汽流动

碳排放森林农田3.土地利用变化：影响气候系统第43页，共72页，2023年，2月20日，星期六水汽流动:植被的蒸腾蒸散热带森林：天然、很高的植被蒸腾农田：需要额外的水分灌溉第44页，共72页，2023年，2月20日，星期六毁林导致的碳排放第45页，共72页，2023年，2月20日，星期六4.荒漠化定义：由于不恰当的人为活动，导致的干旱、半干旱和半湿润地带的环境退化现象。包括气候变异和人类活动在内的多种因素的作用下产生和发展的土壤退化、水资源减少、植被退化，生产潜力减少第46页，共72页，2023年，2月20日，星期六我国的荒漠化形势严峻达国土面积8%以2100km2/yr的速度蔓延潜在荒漠化面积占国土面积34.6%风蚀、土地沙化草场退化第47页，共72页，2023年，2月20日，星期六目前物种灭绝速度为自然速度100-1000倍未来灭绝速度将以目前10倍的速度增加中国：拥有全球物种的10-14%，多样性极为丰富，然而，目前：61%的野生生境丧失40%的生态系统严重退化15-20%的物种濒危5.生物多样性丧失第48页，共72页，2023年，2月20日，星期六5.生物多样性丧失第49页，共72页，2023年，2月20日，星期六多样性->生态系统稳定性

->高生产力

->重要的经济资源多样性丧失，生态系统的稳定性降低，进而影响生态系统的结构和功能。第50页，共72页，2023年，2月20日，星期六三、国际全球变化研究计划全球变化是一个多学科的研究领域，需要全世界的科学家联合起来开展研究。目前，国际上已经展开了多项跨学科的交流与合作研究项目，并取得了大量研究结果，为制定科学、合理的应对全球变化政策提供了科学依据。第51页，共72页，2023年，2月20日，星期六WCRP（世界气候研究计划）：1980s

(1985)IGBP（国际地圈与生物圈计划）:1986DIVERSITAS（全球生物多样性计划）：1991IHDP（全球环境变化的人文因素计划）：1996三、国际全球变化研究计划第52页，共72页，2023年，2月20日，星期六世界气候研究计划(WCRP)：由世界气象组织(WMO)和国际科学联合会联合主持，20世纪80年代开始执行。主要研究气候系统物理方面的问题，包括对大气、海洋和地球表面的研究。目标：全球气候的可预报程度；人类活动对气候的影响。第53页，共72页，2023年，2月20日，星期六国际地圈生物圈计划(IGBP)：由国际科学联合会1986年正式确立。针对整个地球系统的合作项目，重点研究地圈和生物圈的相互作用，目标是了解控制地球系统及其演化的相互作用过程，以及人类活动对地球系统的影响。第54页，共72页，2023年，2月20日，星期六全球生物多样性计划(BIODIVERSITAS)由国际生物学联合会，环境问题科学委员会、联合国教科文组织联合发起。主要任务：通过国际间合作，加强对生物多样性的起源、组成、功能、维持和保护及可持续利用的研究。第55页，共72页，2023年，2月20日，星期六全球变化的人文因素计划(IHDP)：由国际远景机构联合会、联合国教科文组织、国际社会科学联合会联合制定的计划。该计划主要侧重社会科学领域的综合研究，分析人类在导致全球变化中所起的作用。目标：加强对人-地系统复杂相互作用的认识，探索并预测全球环境下的社会，确定社会策略以减缓全球变化的不利影响。第56页，共72页，2023年，2月20日，星期六四、全球变化的适应对策全球变化研究的不确定性碳政策林业和牧业对策农业对策第57页，共72页，2023年，2月20日，星期六1.全球变化研究的不确定气候变化存在时空差异性；不同生态系统类型对气候变化的响应和敏感性不同；未来的气候变化预测存在不确定性，制定适应对策应该考虑不同的气候变化情景。第58页，共72页，2023年，2月20日，星期六气候预测的不确定性：在大气环流模型(GCM)中，大气与海洋、大气与生物圈还没有完全耦合；对于生态系统的描述还不完善；其中的陆面过程模型对于植物的过程和机理描述不充足。1.全球变化研究的不确定第59页，共72页，2023年，2月20日，星期六全球尺度的气候系统模式的空间分辨率尽管已经增加，在模拟全球、洲际大陆空间尺度上可信度较高，但在较小的国家或省区尺度上分辨率不够；并且，其科学内涵在区域尺度上也经常是粗糙的，因而对区域模拟的不确定性很大，不同的模式经常给出完全相反的结论。第60页，共72页，2023年，2月20日，星期六植被对气候反馈的不确定性：现有的陆面模型是以研究区域给定的植被类型和土壤特征为基础，忽略了对气候系统有重要影响的植被类型的潜在变化，即没有考虑植被类型的改变对气候变化的反馈作用。第61页，共72页，2023年，2月20日，星期六植被和生态系统变化机理的不确定性：植被对于环境的适应性在不断发生变化，严重影响预测结果的准确性；人类活动的范围和强度的不确定性：人类活动的影响大多是通过人类的经济活动而出现的，经济发展中的不确定因素，使预测难以达到理想的程度；干扰的范围及其强度的不确定性：第62页，共72页，2023年，2月20日，星期六是否存在中世纪暖期(WMP)和小冰期(LIA)历史气候研究中，关于过去两千年来是否存在比20世纪更暖的中世纪暖期存在很大争议：该争议关系到如何评估20世纪气候变暖中自然波动与人类活动的贡献问题。如存在WMP,意味着20世纪暖期可能是百年甚至千年尺度的暖期的重现,与小冰期(LIA)结束后气候转暖有关。而不一定是主要由于人类活动导致。案例1.气候变暖的不确定性第63页，共72页，2023年，2月20日，星期六不存在WMP、LIA：美国学者MannM

和英国学者JonesP,他们认为过去千年来上个世纪最暖。第64页，共72页，2023年，2月20日，星期六MWP和LIA存在：加拿大学者McIntyreS、McKitrickR以及美国学者SoonW。认为MannM的资料在1550年之前数据可信度不高,存在6个错误(资料核对的误差、不合理的截断及外推记录、应用过时的资料、地理位置错误、不正确地计算树木年轮的主分量以及资料缺少质量控制),重新订正后发现1550年之前的温度比MannM预测的高。意味着历史时期存在暖期。第65页，共72页，2023年，2月20日，星期六美国科学研究咨询委员会(NRCNA)对利用代用资料重建的全球或北半球温度变化的结果进行了评估,认为截至2006年,学术界重建的全球或半球温度序列在900~1600年时段的可信度较低。2009年,MannM在Science上发表文章,认可了MWP和LIA的存在,并承认某些区域MWP的温暖程度可能超过了20世纪末。第66页，共72页，2023年，2月20日，星期六2.全球碳对策经过反复争论和研究，基本达成共识，造成全球气候变暖的主要根源在于矿物燃料、森林过伐、草地过牧和开垦等导致温室气体含量剧增。制定了一系列具有国际约束力的文件，如《京都议定书》(1997)、《联合国气候变化变化框架公约》(1992)等。增汇、减排第67页，共72页，2023年，2月20日，星期六《京都议定书》：工业化发达国家努力在2008-2012年把CO