全球变化复习资料
⼀、全球变化（global change）
指由⾃然和认为因素引起的、影响地球系统功能的全球尺度的变化，所谓地球系统，由位于地球表⾯的⼤⽓、陆地、海洋等⼦系统徐成，发⽣在它们之间的各种相互作⽤。相互影响的物理、化学、⽣物与⼈类过程实现了物质和能量的转化，因⽽为地球上的⽣命提供了条件。
⼆、全球变化研究的意义
（1）全球变化研究是⼈类社会实现可持续发展的科学基础
其所取得的科学认识是对可持续发展的重要贡献，为⼈类社会的可持续发展提供科学的背景和依据，未来的可持续发展必须与未来环境的变化有机结合，可持续性是⼈类适应全球变化的准则，⼈类对环境的适应必须符合可持续性。
（2）深化对地球系统的认识，发展地球系统科学
地球系统科学是全球变化研究的科学基础，并且全球研究表现出强烈的学科交叉的特点，构成了新的学科⽣长点，对所有的传统地理科学学科都是机遇，也是挑战。全球变化的兴起为地理学的发展提供了新的机遇。
（3）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
例如对资源的有限性的认识，必将促进⼈类⽣产和⼩费观念的变⾰，促进资源、环境、灾害等有关的应⽤基础学科的发展。
三、全球变化的科学内涵
（1）以地球系统为基础
将地球作为⼀个整体⽽不是孤⽴地研究地球的不同组分和它的环境，即从全球尺度进⾏研究。
（2）已发⽣在各种事件尺度上的动态变化为核⼼
从100-109的时间尺度均可辨认出地球系统的变化，可以利⽤五个不同的时段来定义：
①⼏百万年到⼏⼗亿年：地球结构的演变、⽣命的演化、与此有关的现代⼤⽓化学成分的演变均是由⼏百万年或⼏⼗亿年的尺度决定的。
②⼏千到⼏⼗万年（轨道及亚轨道周期尺度）：⼿轨道参数周期性变化所驱动的全球⽓候的冰期和间冰期的交替以及与此有关的⼤⽓成分、⼟壤发育、⽣物种类区域分布的响应变化。
③⼏⼗到⼏百年（年代与世纪尺度）：这⼀尺度的中⼼课题是物理⽓候系统及其对⽣命有机体以及⽣物化学循环、⼤⽓化学成分变化、地表⼲燥度、海洋⽣物系统的变化，均是此时间尺度上的重要问题。
④⼏天⾄⼏个季度。天⽓现象、洋流中的旋涡、极地冰盖的季节增长和融化、地表径流和⽣物地球化学循环的反馈过程，主要受制于太阳辐射年循环调节限制。
⑤⼏秒到⼏⼩时。陆地、海洋、⼤⽓、⽣物落的质量、动量、能量、通量的变化，这些过程以湍流输送作为介质⽽发⽣。
四、有关全球变化的科学活动
（1）全球变化的国际合作研究计划
WCRP：世界⽓候研究计划IGBP：国际地圈-⽣物圈计划
IHDP：国际全球环境变化⼈⽂因素计划DIVERSITAS：国际⽣物多样性计划
（2）IPCC：政府间⽓候变化专门委员会
由世界⽓象组织（WMO）和联合国环境规划署（UNEP）与1988年联合国建⽴的政府间组织。其责任是，依据经评审发表的科学/技术⽂献，对全球变化（特别是⽓候变化）的研究进展和科学认知进⾏分析和评估，为联合国⽓候变化框架公约（UBFCCC）和各国政府制定相关政策提供最新的有关⽓候变化的科学、技术、社会经济咨询，对联合国各国政府负责。
第⼀章地球系统科学与全球变化研究
第⼀节地球系统
⼀、地球系统
是指地球上相互作⽤、相互影响的物理、化学、⽣物与⼈类活动过程的集合，这些过程实现了物质和能量的传输与转换，从⽽为地球上的⽣命提供了条件。
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的组成部分。
①物理⽓候系统：决定着地球表层⽔分和能⼒的交换和分布，形成全球⽓候。
②固体地球系统：决定着地壳的⽣效及其运动，形成地球的海陆分布格局和各种地貌地形。
③全球⽣态系统：包括地球上多种多样的⽣态落与⽣态系统。
三者关系：物理⽓候系统、固体地球系统、全球⽣态系统分别调控者⽔循环、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。
⼆、地球系统的物质循环过程
1、⽔循环
意义体现在⽔的相态转换；控制地球温度和云层的形成、输送、消散；参与地貌形成的主要外营⼒。
2、岩⽯和构造循环
岩⽯循环是构成固体表⾯的岩⽯圈的岩浆岩、沉积岩、变质岩三⼤岩⽯之间的物质转换过程。构造循环是指受地球内部热能驱动的地球深部过程主导，其主要过程在板块分离处的
洋中脊，导致板块增⽣；⽽在板块汇聚边界，导致⼤洋板块消亡，⼤陆板块拼合。
板块汇聚运动的三种情况：
①⼤洋板块与⼤陆板块相汇聚，其中部分消减到软流圈内，在板块接触带内形成⼀系列的到户带，如⽇
本岛弧，岛弧上⽕⼭、地震频发。
②活动⼤洋板块与⼤陆板块边缘汇聚，⽕⼭-深成岛弧系侵移到⼤陆地壳进⽽⼤陆地壳内，在⼤陆边缘形成年轻的⾼⼤⼭系，如北美西海岸的⾼⼤⼭系。
③⼤陆板块和⼤陆板块汇聚是洋壳削减的最终产物，它导致洋壳消失，两⼤陆连接并形成⾼⼤⼭脉和⾼原，如印度板块和欧亚板块碰撞形成的青藏⾼原。
3、⽣物地球化学循环
指H、O、C、N、S、P等元素在固体地球、⼤⽓圈、⽔圈和⽣物圈传输转换过程。
三、地球系统的⾮线性⾏为特征
1、反馈与临界突变
如“雪球效应”：温度降低（升⾼）→冰雪覆盖增⼤（减⼩）→地表反射率增⼤（减⼩）→吸收太阳辐射减少（增多）→温度降低（升⾼）。
2、多稳定模态
环境变化
作为⼀种⾮平衡系统，地球系统存在多种状态，Holling等将其⾃然描述为4种状态：①平稳（nature flat），系统⼏乎或完全没有受到影响稳定性的强迫作⽤；②平衡（nature balanced），系统处在或接近平衡状态；③失衡（nature anarchic）由双曲线的增长或⽡解过程主导的全球性的不稳定；④弹性（nature resilient），多稳定态的性质，其中的⼀些具有不可逆性，⽽另⼀些作为内部动⼒过程的表现，在不同的状态之间转换。
3、协同变化
球系统中，⽣物和物理过程相互作⽤，按照⼀定的协同关系相互依存，形成有机整体，决定全球的状态。
第⼆节⼤⽓系统中的主要过程
⼀、地球辐射平衡（earth radiation budget）
通常定义为全年平均⼤⽓层顶⼊射太阳辐射和出射辐射（包括地⽓系统向外发射的长波辐射和反射的太阳短波辐射）之差。当⼤⽓层顶辐射平衡为零时，地球⽓候将保持稳定；反之，当⼤⽓层层顶辐射平衡被打破，地球⽓候将随之发⽣变化直到新的平衡。21世纪初⼤⽓层顶⼊射塌秧辐射为340W/㎡
影响因素：太阳辐射强度及地球轨道要素相关联到达地球的太阳辐射能的多少；⾏星反照率；太阳能在地球系统中滞留的时间。
1、温室效应
⼤⽓中的⽔汽、CO2、N2O、CH4、氯氟烃（CFC S）等温室⽓体对太阳短波辐射进⼊地球影响不⼤，却能强烈吸收地球散发的长波辐射，从⽽在地球的表层形成⼀层保温层，使地球所接受的太阳能不是马上就散失掉，⽽是在返回宇宙空间之前反复地加热地球表层，使地球表层变得像温室⼀样温暖，这就是通常所说的“温室效应”。
2、⼤⽓⽓溶胶过程
⽓溶胶是指悬浮在⽓体中的固体和液体与⽓体载体共同组成的多项体系，⼀般粒度尺⼨在1-100nm之间。可分为硫酸盐⽓溶胶、硝酸盐⽓溶胶、⿊碳⽓溶胶和沙尘（矿物）⽓溶胶等。
3、铁限制假说
认为海⽔中铁元素的缺乏，限制了浮游植物的⽣长，因为海洋浮游植物的⽣长必须有微量的铁，⽽铁在现代氧化环境下的海⽔中极难溶解。铁作为海洋⽣物⽣产⼒的限制因素，决定了海洋⽣物⽣产⼒的⾼低，全球海洋⽣产⼒的⾼值区也正是富铁的⼤⽓降尘的⾼值区，成为吸收CO2的⾼值区。
4、云过程
云对全球能量收⽀有两种作⽤：⼀是短波辐射的极好反射体，对地球的⾏星反射率有重要影响，云顶表⾯可以反射太阳辐射，因⽽使地球收⼊的太阳辐射减少；另⼀⽅⾯云⼜是红外辐射的良好吸收体，对于来⾃地球表⾯的热辐射，具有类似温室⽓体的作⽤，并同时放出热辐射，减少地⾯享空间损失热量的作⽤。
第三节海洋系统及其界⾯的主要过程
⼀、海洋对⽓候系统的平衡功能
海洋战地球表⾯的71%，占地球⽔量的97%，⼊射到海洋表⾯的太阳辐射，⼤部分都能被吸收。海洋对⼤⽓运动和⽓候系统的重⼤影响，具体表现在以下⼏个⽅⾯。
（1）影响地球⼤⽓的热⼒平衡。海洋吸收的能量的绝⼤部分储存在海洋的表层（混合层）中，这些热量被以潜热、长波辐射和感热交换的形式传输给⼤⽓，驱动⼤⽓的运动，并控制
着⼤⽓的温度，因此海洋的热状况和表⾯的蒸发强度都对⼤⽓系统能量的输送和平衡有重要作⽤。
卫星资料分析表明，全球有超过30%的经向能量输送是由海洋来完成的，在中纬地区，海洋把地球地区
多余的热量向⾼纬输送，在0～30°N的低纬地区海洋输送的热量超过⼤⽓的输送。在中纬50°N附近，通过海⽓间强烈的热交换，海洋把相对多余的热量传输给⼤⽓，再由⼤⽓环流将能量输向更⾼纬。
（2）影响⽔循环。⼤⽓⽔汽量的绝⼤部分（86%）有海洋提供。海洋，尤其是低纬度海洋，是⼤⽓中⽔汽的主要源地。海洋通过蒸发和凝结影响⽔循环从⽽影响⽓候及其变化。
（3）调谐⼤⽓运动。受海洋独特的热⼒学和动⼒学性质影响。海洋的运动和变化有明显的缓慢性和持续性，可以在长时间内通过海⽓相互作⽤影响⼤⽓的变化。例如在⾚道东太平洋中发⽣的厄尔尼诺和拉尼娜现象是由海洋产⽣的最显著的⾃然变率。
（4）降低⽓候系统的敏感性，调节温室效应。海洋具有极⼤的热容量，能够对⽓候系统的状态进⾏有效的调节。例如海洋是地球系统中最⼤的⼤⽓⽔汽的源和CO2的汇，海洋通过改变⽔汽蒸发和CO2的吸收的强度的调节⼤⽓中这两种最重要的温室⽓体的含量，使温室⽓体的强度得到有效地控制。
⼆、海⽓相互作⽤与周期性⽓候变化
1、沃克环流、厄尔尼诺、拉尼娜、南⽅涛动
在正常年份，受⾚道西风和⼤洋表层流影响，⾚道地区的⼤洋东侧是海⽔上升作⽤最强烈的地区，在⾚道东太平洋地区强烈的冷⽔上翻，使其海⾯温度与⾚道西太平洋地区的“暖池”之间形成强烈对⽐。在⾚
道东太平洋冷⽔域上空⼤⽓强烈下沉，⾚道西太平洋印度尼西亚岛海域上空⼤⽓对流强烈，⼤⽓以上升为主，这样在垂直⽅向上就形成了⼀个闭合的东西向环流圈，称
为“沃克环流”。
在厄尔尼诺年，⾚道西风减弱，沃克环流发⽣反转，⾚道东太平洋地区海⾯持续增暖，沃克环流的上升⽓流和下沉⽓流地区向东移动，这种⼤⽓环流跷跷板式的异常变化就是南⽅涛动（ENSO：El Ni?o &South Oscillation）。厄尔尼诺年，变⼲的区域主要有澳⼤利亚北部、印度尼西亚和菲律宾；变湿的区域有南美洲热带地区西海岸、北美洲墨西哥海岸带、巴西南部和阿根廷中部。
南⽅涛动⼀般⽤南⽅涛动指数（SOI）表⽰，SOI：东太平洋海平⾯⽓压—印度洋海平⾯⽓压，ENSO以3-7年为准周期在暖状态（厄尔尼诺和负SOI）与冷状态（拉尼娜和正SOI）之间循环转换。
2、热盐环流（⼤洋传送带）
由海⽔密度分布决定的海洋环流，并且海⽔密度⼜取决于温度和盐度，所以称为热盐环流（温盐环流、全球热盐传送带）。北⼤西洋⾼纬海域下沉的⾼盐度⽔以深层流的形式向南流，越过⾚道进⼊南⼤洋，与维尔德海和罗斯海的深⽔汇合，再流进⼴阔的印度洋和太平洋海域⽽上升到表⾯，然后再向西返回到⼤西洋以平衡外流的⽔体。
由于这⼀环流中表层海⽔的北向输送和深层海⽔的南传都是经向的，故这两个南北反向
的海⽔输送流⼜称为经向翻转环流（MOC）。
3、⼤洋碳泵
海洋是地球系统中最⼤的碳库，海洋碳库是⼤⽓的50倍，陆地⽣态系统的20倍。海洋碳主要以溶解⽆机碳（DIC）、溶解有机碳（DOC）和颗粒有机碳（POC）形式存在。海洋中存在着数量巨⼤的微型⽣物（Microbes），它们是海洋惰性溶解有机碳（RDOC）的主要⽣产者，它们可以利⽤活性溶解有机碳（LDOC）⽀持⾃⾝的代谢，同时产⽣RDOC。
⽣物来源的RDOC构成了海洋RDOC库的主体，由于RDOC在海⽔中的代谢周期很长，所以相当于将⼤⽓中的CO2封存在海⾥⾯。在海⽔中LDOC的浓度较低，⽽RDOC的浓度较⾼，微型⽣物的这⼀作⽤将低浓度的LDOC转化为⾼浓度的RDOC就好像将⽔从低⽔位抽到了⾼⽔位，所以这⼀机制被形象地成为微型⽣物碳泵（Microbial Carbon Pump，MCP）。三、海陆过渡带的主要过程
海岸带是指海洋和陆地交界⾯的狭长地带，是各种过程结合作⽤的地区，是受海平⾯升降控制的地区，也是全球变化及其对⼈类的影响最为强烈的敏感地区之⼀。海岸带的范围⼤致是从海岸平原延伸到⼤陆架边缘的地区，曾在第四纪⼗四期随海平⾯的波动⽽反复地被淹没和出露。
第四节陆地系统及其界⾯的主要过程
⼀、陆地⽣态系统碳循环
陆地⽣态系统碳循环可形象的⽐喻成⼀个⽣物泵，植物通过光合作⽤吸收⼤⽓中的CO2，将碳储存于植物体内，固定为有机物。其中⼀部分有机物通过植物⾃⾝呼吸作⽤（⾃养呼吸）和⼟壤及枯枝叶层中的有机质腐烂（异氧呼吸）返回⼤⽓。这就形成了⼤⽓—陆地植被—⼟壤—⼤⽓整个陆地⽣态系统的碳循环。
表⽰⽣态系统⽣物⽣产⼒的指标主要有
总初级⽣产⼒（gross primary productivity ,GPP）：初级⽣产者在单位时间内通过光合作⽤形成的所有光合产物，这是⽣物量形式捕获并贮存到⽣态系统的初始物质和能量，是陆地⽣态系统的基础。
净初级⽣产⼒（net primary productivity，NPP）：⽣物⽣产的⽣物量与其维持沙僧寻所消耗的⽣物量只差，它表⽰单位⾯积中⽤于植被净⽣产的有机体量，即总⽣长量其中以热带湿润森林最多。
净⽣态系统⽣产⼒（net ecosystem productivity，NEP）、是⽣态系统中植物的⽣物量，指单位⾯积上获得有机体⼲物质重量，⼀般⽤t/hm2表⽰。
净⽣态系⽣产⼒（net biome productivity，NBP），简称“4P”。是⽣态系统中⽣物量的现存量，通常进⾏调查实际上是现存量。
⼆、⽆机碳收⽀过程
岩溶作⽤中是CO2—H2O—碳酸盐三相动态平衡的过程，碳酸盐的溶蚀过程是从⼤⽓中
吸收碳的过程，凝结钙华的过程是碳的排放过程。当⼤⽓浓度降低时，岩溶系统中将出现钙华凝结沉降，并向⼤⽓中排放CO2，反之吸收CO2。
第五节⼈类⽣态系统的过程
⼀、⼈类⽣态系统的过程及其与⾃然⽣态系统过程的差别
①能量来⾃于华师能源的释放与天然能源的转化.
②⼈为控制下⼤量物质的⾮闭合输⼊与输出.
③单⼀的是⾷物⽹络结构.
④打破时空限制的物质和能量流动.
⑤⼈类参与⽣产过程且能对系统进⾏调节.
⑥多重平衡与多重决定性（⼈与⾃然、社会的平衡；⾃然环境系统本⾝的平衡…）.
第三章地球系统科学与全球变化研究
第⼀节全球变化驱动⼒的来源及其特征时间尺度
⼀、全球变化⽆动⼒来源于系统外系统内因⼦两部分
系统外因⼦包括天⽂因素和地球内⼒因素两⼤类。系统内因⼦则来⾃于地球系统⾃组织过程中所有的各种反馈作⽤。
⼆、地球轨道参数变化
地球运动对奥参数的变化，包括偏⼼率、地轴的倾斜度（即黄⾚交⾓）和岁差（即春分点的西移）等，其特征时间尺度主要为104-105年，亦称轨道尺度；103年尺度上的影响也存在，被称为亚轨道尺度，轨道参数变化会改变地球接受太阳辐射的季节变化和地区分布的变化。
第⼆节百万年以上尺度全球变化驱动⼒
⼀、太阳辐射输出的长期演化
⼆、地外物的撞击
三、板块运动导致的海陆分布与地貌格局演化及其环境效应
（⼀）海陆分布的变化
现代的海陆分布格局是由约200MaBP的超级⼤陆和超级海洋——泛⼤陆（联合古陆）和泛⼤洋时期的⼤陆分裂形成的。
⼤陆漂移和海底扩张以及与此相关的海⾯⽣煎，造成海陆分布格局及海洋和陆地⾯积对
⽐变化，⽽陆地的位置和组合关系不同，对全球的温度和降⽔格局早场深刻的影响。洋盆形状和海陆分布格局的变化导致⼤洋环流形式的变化。⼀些海道的关闭和开启，造成洋流的迅速调整。
（⼆）⾼海拔的⼭地或青藏⾼原的隆起
⾼⼭和⾼原通过热⼒和动⼒作⽤对全球⼤⽓环流运动所产⽣的深刻影响更为重⼤。根据⼤⽓环流模式模拟的结果，东亚与印度、⾮洲的现代季风环流只是在第四纪青藏⾼原急剧隆起、超过⼀定⾼度（2000m）
后才得以建⽴，当青藏⾼原不存在时，现今亚洲⼤陆冬季的西伯利亚⾼压和南亚低压都不出现，即不存在现代季风。
青藏⾼原也可导致西风带的弯曲，并在东亚和北美中西部形成两个⼤槽。北美中西部西风槽将加强携带⽔汽的⽓旋系统的北移程度，因⽽有利于在⾼纬地区形成冰盖。
第三节万年⾄数⼗万年尺度全球变化驱动⼒
⼀、地球轨道参数的周期性变化
1920年⽶兰科维奇对地球轨道参数变化的影响进⾏深⼊研究，提出了第四纪冰期的天⽂假说，他认为地球轨道的偏⼼率、黄⾚交⾓和岁差的周期变化改变地表的⽇照量，⾜以导致冰盖的进退，是形成第四纪冰期和间冰期更替的主要原因。
（1）偏⼼率周期变化：以0.4Ma、0.1Ma的偏⼼率周期变化于0.005-0.06之间，偏⼼率越⼤，近⽇点和远⽇点⽇照量的差异愈⼤，⽬前的偏⼼率为0.0167，地球处于近⽇点和远⽇点的⽇照差是7%。
（2）岁差周期：受太阳和⽉球的引⼒作⽤，地球的⾃转像陀螺⼀样绕⾃转轴旋进，由此引起的黄道和天⾚道交点的变化就是岁差，其变化周期为23ka和19ka两个周期。
岁差导致地球到达近⽇点的时间变化，现在地球在1⽉位于近地点，全球1⽉⽇照量稍⼤于7⽉，从⽽使北半球冬季稍暖，夏季稍凉，⽽使南半球冬季更冷，夏季更暖。10500多年后以后，当近⽇点出现在7⽉时，情况将相反。
（3）黄⾚交⾓周期：由于⾏星的摄动作⽤，黄⾚交⾓以41ka的周期变化于21°39′-24°36′，现在的黄⾚交⾓时23°27′。黄⾚
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