全球变化研究进展和趋势

第22卷第4期2007年4月

地球科学进展

A DVAN CE S I N E AR T H S C I E N C E

V o l.22　N o.4

A pr.，2007

文章编号：1001-8166（2007）04-0417-11

全球变化研究进展和趋势*

葛全胜1，王　芳1，陈泮勤2，田砚宇1，程邦波1

（1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京　100101；2.中国科学院资源环境科学与技术局，北京　100864）

摘　要：概述了国际全球变化研究计划（E SSP、I G B P、W C R P、I H D P、D I V E R S I T A S）新近的研究战略调整和研究重点，在对国际全球变化研究成果综合分析的基础上，总结了全球变化研究的阶段性理论进展，归纳了全球变化研究的特点和趋势。

关　键　词：全球变化；地球系统科学；进展和趋势

中图分类号：X21 文献标识码：A

随着全球环境问题的日益突出和全球变化趋势的发展，从地球系统科学的角度审视全球变化，促进人类社会的可持续发展已经日益受到人们的关注。当前以I G B P、W C R P、I H D P、D I V E R S I T A S和E SSP为代表的国际全球变化研究组织和计划的活动正在蓬勃开展，全球变化研究已取得重要的阶段性进展，世界主要国家在新的科技战略布局中也都重视全球变化领域的研究，全球变化研究方兴未艾，呈现出明显的发展特点和趋势。

1　全球变化研究计划新进展

1.1　地球系统科学联盟（E SS P）的新发展

2001年由全球环境变化四大科学计划W C R P、I G B P、I H D P和D I V E R S T RA S联合组建的E SSP有力的促进了地球系统科学系列重大研究计划的交叉与合作，促进了地球系统的综合集成研究，增进了人们对复杂地球系统的认识和理解。E SSP开展的工作主要集中在以下方面：启动联合研究计划、开展区域性活动、进行地球系统分析模拟以及组织召开全球变化开放科学大会。

1.1.1　启动联合研究计划

E SSP成立之初设立了4项有关碳、食物、水和

人类健康问题的联合计划，目前4项联合计划均已启动（表1）。

上述每项计划都是与人类生存和可持续性发展密切相关的关键性问题，计划的开展均采取综合集成、跨学科交叉的研究方法。E SSP设立4项联合研究计划的主要目的是综合研究地球系统变化及其对全球可持续性的影响，建立与社会直接相关的研究议程。

1.1.2　关注区域问题的研究

E SSP特别重视与地方科学团体进行合作，开展大量的区域研究工作。1992年成功发起了S T AR T （全球变化分析、研究和培训系统计划），致力于加强全球变化研究的能力建设，特别注重发挥发展中国家的作用，现已建立东亚、东南亚、南亚、非洲、地中海等区域网络系统。随后E SSP又启动了一系列全球变化区域集成研究计划，如以南美洲亚马孙流域热带雨林破坏及其环境影响评价为核心的L B A （亚马孙大尺度生物圈大气圈实验）、以非洲干旱为核心的区域集成研究项目A MM A（非洲干旱区域研究项目）、以人类活动与季风气候的相互作用及其与全球变化的联系为核心的M A I R S（季风亚洲区域集成研究项目），都是区域研究的成功范例，也为今

*　收稿日期：2007-03-06；修回日期：2007-03-16.

*基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目“C N C- I GB P活动开展及全球变化决策咨询”（编号：K Z CX2- Y W-314）；和“我国减缓气候变化的碳汇管理与适应气候变化的对策研究”（编号：K Z CX2-Y W-305）；科技部国际科技合作重点项目“中德全球环

境变化联合研究”（编号：2005 D F A20010）资助.

　作者简介：葛全胜（1963-），男，安徽安庆人，研究员，主要从事全球变化及历史地理研究. E- m a i l：g eqs ＠i g s n r r. a c. c n

*通讯作者：王芳（1979-），女，山西阳泉人，硕士，主要从事全球变化相关研究. E-m a i l：w angf＠i gs n r r. a c. c n

表1　E SS P联合研究计划

T a b l e1　J o i n t p r o j ec t s of E SS P

计划名称主要研究目标启动年份项目办公室所在地负责人

G C P理解控制碳循环的根本机制与反馈，解释当前的碳

源和碳汇格局，发展未来碳循环动力学2001澳大利亚、日本、中国

和欧洲

M i ke R aupach博士，G C P科学委

员会主席，澳大利亚联邦科学与

工业研究组织

G ECA F S制定解决全球环境变化对食物供应影响的战略，分

析食物系统适应G E C所引发的环境与社会效应2001英国N ER C生态与水

文中心

J o hn I ng r am教授，G ECA F S执行

官员，N ER C生态与水文中心

G W SP在地球系统研究框架内，理解地球系统变化与水系

统之间在局地到全球尺度上的相互作用与反馈，进

而服务于可持续的水系统管理2001德国波恩大学E ri c C r a s w e l l教授，G W SP执行官

员

G EC H H理解全球变化（包括大气组成变化、水循环、食物与

织物生产生态系统、城市化、生物多样性变化等）与

人类健康的关系

2006尚未成立

注：G C P（全球碳计划）、G ECA F S（全球环境变化与食物系统）、G W SP（全球水系统计划）、G EC H H（全球环境变化与人类健康）

后全球变化研究奠定了开展区域研究的基础。同时，E SSP不断加强与政府间全球变化研究网络的联系，包括I A I（美洲间全球变化研究所）、A P N（亚太全球变化研究网络）、E NR I C H（欧洲全球变化研究网络）等，通过与跨政府间全球变化研究网络的合作，E SSP在跨国家的地区性重要区域的全球变化研究方面发挥了重要作用［1］。

1.1.3　开展地球系统分析模拟

E SSP业务工作的核心是同化来自I G B P、I H D P、W C R P和D I V E R S I T A S4大全球变化计划不同领域的数据和信息，把地球系统作为一个整体开展深层次的分析和模拟工作①。

（1）推动I G B P-A I M E S（地球系统综合分析与模拟计划）和W C R P-W G C M（W C R P耦合模拟工作组）的综合研究。目前在A I M E S和W G C M合作基础上，通过综合集成的方法与手段，E SSP正在积极开展地球系统模拟工作。A I M E S是I G B P最新推出的一项计划，主要开展地球系统数据分析、模式分析与模拟等工作。W G C M主要开展气候耦合模式的开发与评价、采用耦合模式研究十年至百年尺度自然气候变率及其可预报性、预测气候系统对自然作用和人类活动变化的响应以及发展数据同化手段。

E SSP将通过综合集成A I M E S和W G C M的研究成果，开展地球系统层次的分析与模拟，以期提高对地球系统的新认识。

（2）在地球系统的分析与模拟中集成人类因素和生物多样性变化因素。目前E SSP正在开展一些集成人类因素的分析模拟计划与研究倡议，其中包括T O G（奥斯陆小组）的工作和由G C P发起的有关碳循环模型开发的研究倡议。T O G是由I G B P和I H D P共同实施的一个研究网络，主要致力于自然—社会科学集成的方法学和理论方面的研究；G C P发起的有关碳循环模型开发的研究倡议主要目标是发展新的综合集成碳循环模型，在碳循环模型的分析与模拟中充分考虑生物物理过程与能源系统动力学、土地利用变化以及制度/政治变化等之间的关系。生物多样性变化也将是E SSP在下一步地球系统分析模拟工作中予以重点考虑的方面。

1.1.4　组织召开开放科学大会

全球变化开放科学大会是E SSP学术交流活动中最重要的一项内容，旨在推动全球变化领域的学科交叉和集成研究，计划每5年召开一次。E SSP第一次开放科学大会于2001年7月在阿姆斯特丹成功举办，主题为“一个变化星球的挑战”；E SSP第二次开放科学大会于2006年11月在北京召开，主题为“全球环境变化：区域挑战”。第二次开放科学大会进一步巩固和完善了E SSP的研究框架，会议期间新启动了2项科学计划和研究项目即G EC H H和M A I R S，拓展了全球环境变化研究的深度和广度。第二次开放科学大会全体报告共14个，分组报告共1431个，报告主题和研究内容方面，仍继续关注区域问题研究，其中非洲、亚洲等区域为重点关注地区。同时，全球变化研究与可持续发展紧密关联，注重考虑与人类生活密切相关的环境安全、风险管理、灾害预防、政策制定、人类健康、土地安全、水资源安全等自然和社会的综合问题。

1.2　世界气候研究计划（W C R P）新发展

为了应对新的科学挑战和迎接新的机遇，W C R P于2005年提出了新的“地球系统的协调观测

8

1

4 地球科学进展 第22卷

①h t t p：//w w w. e ss p.o r g/e n/a bout-u s.h t m l；h tt p：//w w w.e ss p.o r g/

e n/i n t eg r a t ed- r eg i onal-s t ud i es.h t m l；h t t p：//w w w.e ss p.o r g /e n/e s-

m ode ll i ng. h t m l

和预报”C O P E S战略计划。这是W C R P在2005—2015年的战略框架，其目标是促进对地球系统变率和变化的分析与预测，使成果能够在更广泛的实际运用中得到体现，为社会提供直接相关的、有益的和有效的产品和服务［2］。

1.2.1　提出未来10年的挑战和机遇

（1）无缝隙预测问题。目前对于连续预测问题有一种新观点，即应该减小短期预测和长期气候预估之间的区别，实现不同时间尺度上气候事件的无缝隙预测。短期气候和天气会对长期气候行为有重要的影响；较长时间尺度气候变化的区域影响主要会通过较小尺度特征的变化（包括一些极端事件）来反映。基于上述认识，气候模式应当采用尽可能高的分辨率来运行，即能连续反映短时间尺度气候事件

。

（2）更广泛的气候/地球系统预测。在气候/地球系统的预测模式中，耦合不同地球系统分量，将会产生不同的气候行为结果，因此需要发展综合集成的、考虑地球系统不同分量的气候/地球系统预测模式。

（3）可预报性问题。导致预测结果不确定性原因主要包括初值的影响、边界条件的影响、气候系统变化的非线性过程以及模式精确性等［3］。需要减少预报中的不确定性，因为不确定性往往导致预测的失败，这对减少气候/地球系统预测中的不确定性、增加可预报性提出了新的挑战，需要建立新的理论和观测方法。

（4）气候系统行为分析。评估已经发生的气候事件，定义气候系统的异常和发现气候系统的变化趋势，确定人类活动和自然变化对气候事件的影响程度，这些都可归结为气候系统行为分析，需要长期予以关注。1.2.2　构建新的研究框架

（1）调整核心计划。W C R P的核心计划对W C R P的运行至关重要，决定了W C R P的运行目标实现。W C R P的部分核心计划，T OG A（热带海洋和全球大气计划）（1985—1994年）、W O C E（世界海洋洋环流实验）（1982—2002年）和A C S Y S（北极气候系统研究）（1994—2003年）计划已相继完成，同时又新发起一些后续计划。现有的主要核心项目有：C L I VA R（气候变化与可预报性研究）、G E W E X（全球能量和水循环试验）、S P AR C（平流层过程及其在气候中的作用）和C l i C（气候与冰冻圈计划）。同时，W C R P还联合I G B P、S C O R、C A C G P共同发起了S O L A S（表层海洋—低层大气研究）计划。

（2）构建新的W C R P模拟工作组W M P。W M P 于2004年3月批准成立，其主要作用是服务于W C R P的目标，尤其是在C O P E S（地球系统的协调观测和预报）的框架内促进、协调和整合W C R P内所有的模拟活动。

（3）构建新的W C R P观测与同化工作组W OA P。W OA P于2004年3月批准成立，其主要任务是加强与G C O S、G OO S、G T O S、W C R P及其他研究计划内相应观测和同化组织的互补和紧密结合。

（4）设立新的具体目标和举措。W C R P确定了一系列具体研究目标，并希望能够在1～3年期限内取得明显进展，这些具体研究目标如表2所示，有些研究计划和保障措施正在开展中。

W C R P通过设计和调整新的战略框架，既注重推出新的研究项目，又注重观测模拟手段的发展，目前已形成了较为完善的气候系统研究、观测、模拟的框架体系（图1）。

1.2.3　加强数据相关工作

W C R P加强了资料存取、资料同化和再分析的

表2　W CR P确立的未来1～3年具体研究目标

T a b l e2　E x i s t i n g s p ec i f i c ob j ec t i v e s

目 标保障措施

1.增进对全球季风气候的理解并确定它们的可预报性由W CR P牵头开展广泛协作，由C L I VA R和G E W E X领导

2.增进对热盐环流（N A和SO）的稳定性及其对人类活动强迫的响应的认识和模拟N A由W GC M和C L I VA R大西洋工作组负责SO由南大洋工作组负责

3.认识并减小模式中存在的气候敏感性的不确定性范围在W GC M中举办专题研讨会并长期开展活动

4.提高对气溶胶、辐射、云和降水相互作用的认识在G E W E X和S P AR C计划下进行，并与I GB P加强合作

5.在所有的地区利用当前有效的模式和资料确定季节气候预测的预期技巧已经建立了执行这项任务的一个特别工作组。需要和实际的业务技巧进行对比

6.加强对地球系统资料的同化工作充分发挥W OA P的作用，召开科学会议或主题研讨会

9 1 4

第4期 葛全胜等：全球变化研究进展和趋势

图2　I G B P第一阶段和第二阶段的时间线［5］

F i g.2　T i m e li n e of t h e f i r s t a n d s eco n d p h a s es o f I

G B P，i nd i ca t i n g p l a nn i n g，i m p l e m e n t a t i on a n d s y n t h e s i s s t ages

表3　I G B P最新科学计划调整

T a b l e3　U pd a t e d s c i e n ce p l a n s of I G B P

计划名称项目办公室所在地计划历程

I GA C西雅图的美国N OA A太平洋海洋环境实验

室从P h a s e I中延续下来，计划产生于20世纪80年代末，但在研究议程上进行了重新调整

G LP丹麦哥本哈根大学地理系由P h a s e I的2个陆地研究计划G C TE和L U C C共同产生，并作为二者

的后续计划，由I G B P和I HD P共同发起

G L O BE C/I M BE R G L O BE C的I PO（国际项目办公室）位于英国

普利茅斯海岸实验室；I M BE R的I PO位于法

国普劳泽内的欧洲海洋研究所G L O BE C由P h a s e I延续下来，计划于2009年结束；I M BE R是I G B P Pha-s e I I新成立的计划，由I G B P和S C O R共同发起

S O L A S英国诺里奇的东英吉利大学P h a s e I I新成立的计划，由I G B P、S C O R、W C R P和C A C G P联合发起i L E A PS芬兰赫尔辛基大学的物理科学系P h a s e I I中新成立的一个界面过程研究计划

L O I C Z德国基斯达赫特G K SS研究中心的海岸研究所从P h a s e I中延续下来，在P h a s e I I中扩展了研究范畴，纳入了人文因素的内容，I HD P作为共同发起者

P AG E S瑞士伯尔尼由P h a s e I中延续下来，在P h a s e I I中重新提炼了研究方向，更加注重地

球系统行为的研究

A I M E S美国

B ou l d e r国家大气研究中心作为G A I M的后续计划，是I G B P推出的地球系统集成研究前沿计划

F T I s尚未成立由I

G B P科学委员会于2003年建立

注：I GA C（全球大气化学计划）、G LP（全球土地计划）、G L O BE C/I M BE R（全球海洋生态动力学/海洋生物地球化学和海洋生态系统集成研究）、

i L E A PS（陆地生态系统—大气过程集成研究）、L O I C Z（海岸带陆海相互作用）、P AG E S（过去全球变化研究）、F TI s（快速启动倡议计划）

学联盟理事会）和资助机构I G FA（国际资助全球变化研究组织）等各种机构的影响，同时与一些研究组织保持着密切的合作，并与一些组织联合发起科学计划。I G B P及其合作伙伴共同发起的研究计划在开展时将与一些地球观测组织如I GO S-P（全球综合观测战略伙伴关系）、G E O（对地观测工作组）、C E O S（地球观测卫星委员会）等进一步加强合作。此外，I G B P将与开展全球变化研究的地区性网络组织如I A I、A PN 等进行合作交流，以共同加强能力建设。

1.3.3　推动新的实施战略和研究方法

（1）建立处理关键科学问题的研究网络。通过与国家科研团体合作建立起来的研究网络，可以有

1

2

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第4期 葛全胜等：全球变化研究进展和趋势

效的共享实验技术方面的专业知识。 F L UXN E T （全球通量塔站网络）是一个有效例证， F L UXN E T 是由240 个通量塔组成的跨越全球主要生物区系的网络，该网络由 B A H C 和 G C TE 发起，并受到

i L E A PS 的支持，主要开展对C O 2、水汽和能量交换的连续观测。

图3　

I G B P 合作的组织网络框架 F i g.3 T h e i n t e r o rga n i s a t i o n al s t r u c t u re w i t h i n

w h i ch I G B P o p era t es

（2）发展和促进标准化方法。通过在世界范围内进行大量的过程和实例研究，进行比较和综合，建

立标准研究方法。

L O I C Z 的海岸生物地球化学收支方法就是

I GB P 发展和促进标准方法的良好例证。该方法基于物质平衡来估算海岸生物地球化学通量，特别是在海湾和海岸的河口地区，通过对一种营养物通量的测量，根据不同营养物间比例系数来计算其他营养物的通量。该方法可以估算出入海岸带的碳、氮和磷通量。

（3）进行长时间序列的观测。长时间序列观测的站点和网络可作为野外观测和考察工作的一个补充，对于揭示全球变化的长期变化规律至关重要，特别是在人类活动剧烈影响的地区更有必要开展长时

间序列观测，包括通过 I GB P 陆地样带、全球瓶采样

网络所进行的大气C O 2的监测、以及海洋过程研究的长时间序列海洋站点等都是进行长时间序列观测的工作例证。

（4）开展模式间的比较和实测数据的比较。地球系统模式需要经过测试比较才能确定其模拟地球系统功能的可靠性，实测数据需要经过比较验证才

能确定其客观真实性和可利用性。

I GB P 为地球系统模式比较和实测数据的比较提供了良好平台，在其每项计划中都开展了模式间的比较以及实测数据

的比较工作，尤其在 G A I M （全球分析、解释与建模）和 A I M E S 中更加突出，如 G A I M 和 W GC M 发起的 C 4 M I P （耦合的碳循环气候模式比较）计划就是一个

支持模式比较的研究计划。

（5）协调多国家的野外观测与试验研究。协调不同国家的野外研究和试验，集中共用关键技术与设备装置，可以避免重复工作，整合研究资源，提高

研究效率。

I GB P 在协调多国野外研究和试验中发挥了重要作用，如建立陆面试验平台，观测不同尺度上的水、能量和微量气体通量；利用空中观测研究来了解对流层的组成及化学特征；在偏远地区进行生物物质燃烧实验等。

（6）促进模式开发者与野外试验人员的互动。通过促进模式开发人员与试验人员的交流合作可以有效的促进试验观测与模式模拟的耦合，从而促进

地球系统的综合集成研究，如 I GA C - S P AR C 在大气化学与气候方面的合作和

i L EA PS- G E W E X 在陆地—大气界面过程研究方面的合作。

1.3.4　组织召开 I GB P 代表大会

I GB P 每4年召开一次代表大会，参会者包括 I GB P 科学委员会成员、所有计划的科学指导委员会成员、 I GB P 重要科学家、各国家委员会代表等。召

开代表大会的目的主要是共享研究进展和成果、讨论和启动研究计划，促进地球系统科学集成，尤其加

强国家与国际间的联系，促进区域—全球集成。 I G -B P 将与其他重要伙伴计划共同召集代表大会，计划在2008

年上半年举行第四次代表大会。1.3.5　加强能力建设

I GB P 继续加强能力建设，特别是对不发达国

家，能力建设主要通过项目研究活动来实施，也可通

过

S T AR T 、 I A I 、 A P N 等区域研究网络的合作来进行。 I GB P P h a s e I I 将开展以下工作：由

A I M E S 建立一个地球系统科学的国际博士后研究网络、循环举

办 S O L A S 和 i L EA P S 暑期培训、与

L O I C Z 共同开展有关水资源与海岸带管理的研究生培训计划等。

I GB P 还将帮助非洲建立一个全球变化的合作组织，

促进其全球变化研究，并解决非洲科学家开展地球系统科学和全球变化研究的资金问题。

1.4　国际全球环境变化人文因素计划（

I H D P ）新发展

I H D P 是由 I S SC 和 I C SU 发起的跨学科的社会科

学研究计划，总部将迁往联合国大学伯恩分校。与

I G B P 等研究计划相比， I H D P 尚不够成熟。作为一个刚刚起步的计划，

I H D P 在最初10年并没有提出明确224

地球科学进展 第22卷

的战略规划，更多地是在借鉴其他全球变化研究团体尤其是I G B P的经验，处于探索与尝试状态。

1.4.1　取得的成效与不足之处

10年以来，I H D P的工作取得了一定的成效。这不仅体现为参与核心计划与联合计划研究的科学家取得的诸多进展，也体现为人们意识的改变。正如I C SU领导下的外部评估委员会所指出的，I H D P 已经成功地促进了社会科学界对全球变化问题的参与，并提升了政治家与公众对全球变化人文因素的关注。另外，I H D P研究完全为欧美发达国家主导的局面正在逐渐改变，无论是在研究内容还是人员构成方面，发展中国家正在占据越来越大的比重。

I H D P在拓展与增强全球科学能力方面可以发挥十分重要的作用，但是这一点并没有在I H D P章程与现有任务目标中加以明确。此外，对社会科学的关注需要加强，与政策的衔接也是I H D P亟待改善的一个方面。

1.4.2　新的战略规划

I H D P已经着手制定其2007—2015年战略规划①，虽然规划尚未最终定稿，但是I H D P的未来发展方向在讨论稿中已经初见端倪。在规划中，I H D P 明确提出了自身定位：I H D P不是一个科学评价机构，而是一个科学产出组织，其扮演的角色是遴选与制定若干关键研究主题，并促进对此感兴趣的学术团体的研究活动，其目标在于汇集来自各个学科、各个国家的科学家，就共同关心的问题展开综合与长期合作研究。

战略规划主要分为研究规划、能力建设规划、科学—政策联络规划3个部分。研究方面，规划草案提出了三维的研究策略。第一个维度是I H D P核心计划与联合计划，第二维是I H D P提出的4个交叉研究主题，第三维是改进与整合方法论，如改进的统计方法、个例研究、描述、系统分析与模拟等。为实施上述策略，I H D P需要在能力建设和科学政策联络方面加强工作，与I H D P及E SSP的主要成员之间建立密切有效的联系。在加强科学与政策之间的联系方面，规划草案也提出了若干建议措施，例如建立科学家与专业人员的互动论坛、扩大媒体宣传、建立科学委员会与核心计划发言人机制、将科学成果转化为目标受众更广泛的出版物、开展联络能力建设等。上述建议虽处于讨论阶段，但是充分体现出I H D P 重视将科学研究成果应用于决策服务。

1.4.3　新的结构调整和科学计划

进入第二个10年，I H D P的发起机构将由原来

的2个增加到3个，除原有的I C SU与I SSC外，联合国大学也将加入这一行列。这将有助于I H D P进一步国际化，更有效地调动国际资源促进自身的发展。当前I H D P建立了7个核心科学计划即：L U C C（土地利用/土地覆盖变化）、I DG E C（全球环境变化的制度因素）、G EC H S（全球环境变化与人类安全）、I T （工业转型）、L O I C Z I I，以及新成立的U G E C（城市化与全球环境变化）和G L P，其中L U C C、L O I C Z I I和G L P为I H D P与I G B P共同发起，L U C C计划已经结束。各核心计划通过各自的国际项目办公室协调其运作，并接受其各自科学指导委员会的管理。此外，I H D P还确立了4个横向交叉研究主题：脆弱性、恢复性与适应，阈值与转型，治理，社会学习与知识。

1.4.4　能力建设

在学术网络建设方面，I H D P出版了年度报告、科学计划、I H D P时讯、会议报告等，参与发起了人口环境研究网络、山地研究计划，建立了人文因素研究青年学者网络，组织了一系列国际会议。两年一度的全球变化人文因素研习会I H D W是I H D P能力建设的重要内容。未来I H D P将会建立青年科学家长期持续交流的平台，并建设国家委员会网络，增进国家委员会之间以及地区间的横向交流合作。同时加强与欧盟、E SSP以及其它可持续发展研究机构之间的外部联络。

1.5　生物多样性计划（D I V E R S I T A S）新发展

D I V

E R S I T A S由I U B S（国际生物科学联盟）、S C O P E（环境问题科学委员会）和U N E S C O（联合国教科文组织）共同发起，于2001年进入第二阶段研究。

1.5.1　研究战略的制定

D I V

E R S I T A S在第二阶段中组织制定了新的研究战略，在研究内容上进行了大幅度调整，使其与全球环境问题研究更加密切，重新确定了优先研究领域。由于生物多样性科学的各个研究领域在工作开展中交叉渗透性不够，D I V E R S I T A S在下一步研究中将更加注重学科综合。D I V E R S I T A S的科学研究范围不断拓展，目前的研究框架中涵盖了生物、生态与社会科学，学科综合交叉和集成研究受到重视。1.5.2　核心计划的调整

2002年4月D I V E R S I T A S确定了新的核心研究计划：①发现生物多样性并预测其变化趋势即“b i o-

3

2

4

第4期 葛全胜等：全球变化研究进展和趋势

①I H D P S ec r e t a ri at.R ecom m enda t i ons f or I H D P S t r a t e g i c P l an.T he

2 n d E SSP O pen i ng S c i ence con f e r ence.2006，11.

D I S C OV

E R Y（生物发现）”；②评估生物多样性变化对生态系统功能和服务的影响即“e c o S E RV I CE S（生态服务）”；③发展生物多样性保护与可持续利用的科学即“b i o S U S T A I NA B I L I T Y（生物可持续性）”。

D I V

E R S I T A S第二阶段3个核心计划的发布将对保护和持续利用生物多样性起到十分重要的作用。从2004年开始，D I V E R S I T A S陆续发布3个核心计划的实施战略，它们之间具有着密切联系。b i o D I S-C OV E R Y计划将有助于评价当前的生物多样性，建立监测生物多样性变化的科学基地，以及用预测未来的观点提供决定这些变化过程的关键知识。

e co S E RV I CE S计划将评价生物多样性变化是如何影响生态系统的功能从而影响人类社会的生态产品和相关服务的提供。b i o S U S T A I NA B I L I T Y计划将发展生物多样性保护和持续利用的科学，并将其它核心计划的信息整合到现行政策中以鼓励生物多样性可持续利用，这将需要自然科学与政治学、社会学和经济学的综合交叉与集成①。

1.5.3　加强合作

加强与各项计划的合作，包括3个核心计划的紧密联系、以及与山区生物多样性、农业生物多样性、淡水生物多样性、外来物种等综合研究。目前，由I G B P和I H D P联合提出的G L P已与D I V E R SI-T A S建立了密切联系。

2　一些重要研究进展

近年来，全球变化研究取得了一系列重要进展，一些主要进展包括：

（1）南极冰芯所揭示的冰期和间冰期之间的全球环境波动增进了对地球系统行为的了解。V o s t ok 冰芯提供了过去42万年以来的温度、微量气体浓度和气溶胶水平的记录［6］，有力地证明了物理气候与全球生物地球化学循环之间的联系［7］。通过对南极D o m e C冰芯的研究获得了74万年前的温度记录和5万年前的C O2记录［8，9］，为建立过去74万年来气候与全球生物地球化学循环之间的关系提供了大量依据。

（2）对不同时间尺度上地球系统变率范围进行了量化。地球系统的一个显著特征是在所有时间尺度上都存在着自然变率［10］，研究表明百年尺度上北半球的表面温度存在约0.7℃的自然变化［11］。突变也是地球系统存在变率的一种表征，如北大西洋在冰期向间冰期过渡时的几十年内增加了6～8℃［12］。北大西洋地区在11600年前也发生快速

变冷现象，温度在十年内降低了至少10℃［13］。

（3）地球环境演化与生命过程的交叉研究提到一个新高度［14，15］。D S D P（深海钻探计划）和O D P （大洋钻探计划）的一系列新发现，如海底深部生物圈、流体作用和天然气水合物等，创造了地球与生命科学在分子生物学与生物地球化学的层面上结合的新方向。目前，生物圈与地圈的协同演化研究为地球科学发展提供了更为有力的证据。

（4）阐述了生物圈在地球系统运作中的重要作用。以前人们通常认为生物圈只是被动的受到地球物理变化的影响，而现在的研究表明，生物过程与地球系统动力学中的物理和化学过程紧密相关，生物过程对地球系统动力学中的物理和化学过程有时起着调节和缓冲的作用。生物圈通过生物地球物理和生物地球化学过程对地球系统行为产生影响。其中生物物理过程的作用方式主要包括：吸收和反射太阳辐射；水分蒸发和蒸腾；气流的动量传输。生物过程控制大气的氧化状态，通过向大气中排放碳氮硫等化合物影响大气成分。此外，全球铁循环的研究有力地证明了生物在地球系统变化中处于中心地位，起着复杂作用。

（5）对于人类对地球系统影响的变化程度有了更为清楚地认识。研究已充分证明人类活动能够对地球系统产生重要影响，至少在过去500多年中，人类活动导致地球系统的变化大大偏离了其正常变率范围［16］。人类活动对于土地系统和海岸带的影响表现得尤为明显，全球约50％未被冰面覆盖的土地已受到人类的彻底改造或发生了重大改变［17］。除极地、澳大利亚和南美洲南部的一些偏远海岸地区以外，全球其余海岸均已受到人类活动的剧烈影响［18］。由人类活动导致的物种灭绝速度约为其自然变率的100～1000倍［19］。人类活动除导致大气中C O2浓度增加外，还导致平流层臭氧减少和对流层臭氧增加［20］。

（6）气候及相关集成研究取得一系列重要进展。W C R P在过去25年里，在认识气候系统的各组成分量方面取得了一系列重要进展。如①已经结束的T OG A计划（1983—1985—1994年）奠定了从季节到年际时间尺度上认识和预测厄尔尼诺现象的物理基础；②成功地开展了W O C E（1983—1990—2002年），这是迄今为止规模最大、最成功的全球海洋研究计划；③G E W E X第一阶段（1988—2001年）试验

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4 地球科学进展 第22卷

①h t t p：//w w w. d i ve r s i t as－i n t e r na ti onal. o r g /

提供了包括云量、降水、水汽、表面辐射和气溶胶的10～25年时间长度的第一份全球参考资料集，为季节、年际和区域气候变化提供了重要基础；④相继启动了S P AR C（1992年开始）、A C S Y S/C l i C（1994—2003年/2000年开始）、C L I VA R（1995—2015年）等一系列重要计划，有力地推动了世界气候研究和地球系统科学研究。

（7）温室气体研究受到广泛关注，C O2浓度增加得到了定量化确认。2006年C O2浓度是距今60万年甚至可能是2000万年以来最高的时期，达到380×10－6，比工业革命前高100×10－6。在2000—2005年间C O2浓度每年增长2.05×10－6（1970—1979年增长1.25×10－6/a，1980—1989年增长1.58×10－6/a，1990—1999年增长1.49×10－6/a），同时期由于化石燃料燃烧导致的C O2排放量每年增长3.2％，是1990—2000年间平均增长水平的4倍，预计未来几十年内C O2排放量依然处于迅速增长期①。

（8）地球系统的全球立体观测体系、研究网络、试验台站等正在逐步建立，包括G C O S、G T O S、G OO S、F L UXN E T以及各国家的地球环境卫星系列等。3　全球变化研究发展的特点和趋势总的来看，国际全球变化研究的特点和趋势主要表现为：

（1）注重地球系统的整体性研究和综合集成研究。地球系统的各圈层相互作用，存在着整体性行为和规律，全球变化问题是一个复杂系统，当前全球变化的大型研究计划无不重视综合集成的研究方法，如在W C R P新推出的C O P E S战略框架中特别强调在气候系统的综合模式里要充分考虑大气圈、海洋圈、陆地圈和冰雪圈的作用。综合集成研究的重要前提是寻找不同学科、不同研究团体切入的研究项目，并寻找其合适的切入点；各种研究手段、研究方法、研究结论的校准、比较与提炼是综合集成研究的关键所在，同时也是集成研究的目的和手段。

（2）注重高新技术手段的应用和地球系统的综合模拟。以日本为例，日本的全球变化和地学研究历来重视技术研究，从1971年开始，日本每5年进行一次分领域的技术调查和预测，目前共完成7次，在第7次调查和预测中，海洋与地球科学领域的前20项技术课题如表4所示②。日本全球变化研究高度重视模拟和预测，2002年日本建成了地球模拟

表4　日本海洋与地球科学领域的前20项技术课题①②

T a b l e4　T h e f i rs t20p r o j ec t s on m a r i n e a n d E ar t h t ec hn o l og i c al sc i e n c e i n J a p an

技术项目实现年份开发能提前几天预报重大地震（里氏7级以上）的技术2024建立一整套高水平的放射性废物地下处置的安全性评价方法2016在全球范围内达成共识，对引起全球变暖的二氧化碳及其他温室气体排放量加以限制，包括减少发展中国家的排放量2013阐明像竹荚鱼、沙丁鱼、秋刀鱼和青鱼等优势鱼类种群的演变机理2016实现对火山内部岩溶状态进行连续观测的技术2019在各港湾普遍使用高密度服务设施对港湾加以全面利用和保护2014在全国范围内安装将各种仪器集成为一体的深井型地震观测设备进行地震预报2016特定地域发生暴雨滑坡、泥石流等地质灾害的预测预报技术的实用化2015全球海洋变化的大规模数值预报模式的实用化2018普及防治赤潮发生的技术2014日本近期海流变化预测技术的实用化2014天然气水合物利用技术的实用化2018基于潮汐与海啸的卫星观测及海岸地形数据的海啸预报系统的实用化2009确定长期气象预报（未来半年预报）动态方法2015成立培养对全球环境保护、地球资源开发与保护作出贡献的国际科技人才的科教机构2011开发工业废物处理系统缓冲层使用的有净化作用的复合材料2017阐明高黏度岩浆的起源、上升、侵位、喷发的整个过程2019在全国范围内兴建寓教于乐的体验型科技博物馆2011用廉价的防生物附着剂代替有机锡化合物的实用化技术2009环境污染物降解菌增值技术的实用化20145

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4第4期 葛全胜等：全球变化研究进展和趋势

①②G C P. G C P p r e s en t a ti on. T he2006E SSP O pen S c i e n ce C on f e r ence.

h t t p：//w w w. i e s t ep. g o. j p/i ndex－j. h t m l；h t t p：//w w w. p ep. c om. c n/200303/ca 155508

器，可用于模拟和预测空气、海水循环、以及分析地球内部结构，再现真实的地球并预测未来的变化。地球模拟器具有世界上最快的运算速度，达到每秒35.86万亿次。在日本政府制定的10年的科技发展规划中，计划在2010年以新一代超型计算机取代现在的地球模拟器，将继续保持日本在全球变化和地学研究中模拟研究的世界领先水平。

（3）注重国际交流与合作，注重大型科学研究计划的阶段性主导作用。以4大研究计划及其综合交叉计划为标志，全球变化的实质性国际合作研究正蓬勃开展。这些大型国际研究计划制定的阶段性重点引导了国际上该领域的研究方向，其取得的阶段性进展则代表了国际全球变化研究进展情况。国际交流与合作亦成为一些国家全球变化研究发展的战略选择，比如日本全球变化研究的发展策略之一就是注重与美国的合作。

（4）全球变化研究越来越注重服务于国家需求和可持续发展，国家经济社会的可持续发展以及相关政策制定和决策参考的需求已成为学科发展的重要驱动因素。美国作为全球第一大温室气体排放国，在气候变化及相关的全球变化问题上，一方面致力于宣传其以“技术创新”为核心的气候变化政策，拒绝参与讨论任何关于《京都议定书》之后新机制的谈判；另一方面加大对全球变化研究中的不确定性问题的研究力度，20世纪80年代，在总统和国会支持下发起一系列大型全球变化研究计划［21］，探讨全球气候变化过程、影响、驱动因素以及缓解措施等，为国家相关政策制定、资源环境管理以及环境外交谈判等提供合理的科学依据，并于1990年制定全球变化研究法案，以通过法律制度监督和确保全球变化研究计划的有效实施。英国自然环境研究委员会于2002年设立了Q U E ST（量化并理解地理）计划，其目标是提高对地球系统中大尺度过程及其相互作用的定性和定量理解，特别是探讨海—陆—气间的生物物理化学过程的相互作用及其对人类活动的影响。Q U E ST计划的研究结果将为英国环境领域的决策和温室气体减排的履约谈判提供科学依据［22］。

（5）注重开展战略规划和重点发展方向的前瞻性布局。德国联邦教育与研究部于2000年3月正式推出了德国未来15年的大型地学研究计划，其名称为“地球技术科学—地球系统：从过程认识到地球管理”［23］，其中全球变化研究为重要研究内容，体现了德国地球科学发展战略的调整和新的走向。制

定重要行为准则，确保国际领先地位，是德国实施这项大型地学计划的两大战略目标。加拿大自然科学与工程研究理事会N S E R C确定了新一轮资助期（2006—2010年）“战略项目资助计划S P G”的优先领域。N S E R C每年将为S P G投入约4400万加元，S P G七大领域之一为健康的环境与生态系统，研究主题包括：生物圈对气候变化的适应、生态系统管理与建模、水资源和废弃物管理。我国于2006年制定了“国家中长期科学与技术发展规划纲要（2006—2020年）”，其中研究重点、优先主题、重大专项、前沿技术、基础研究中的许多方面是与地球科学紧密相关的［24］。

（6）加强对全球变化研究的资助强度。自20世纪80年代末以来，全球变化研究一直被美国总统和政府作为一项重要的科学行动，每年给予专项经费支持。2000—2006年间，美国投入约126.3亿美元科研经费，平均每年18亿美元。美国政府在全球变化研究领域持续稳定的经费投入为其在国际该领域发挥越来越重要的作用提供保障。德国重视在全球变化研究领域的经费投入，目前德国的全球变化领域经费资助来源主要为B W B F（联邦教育部研究部）和D F G（德意志联合会）。2005年德国投入约8.35亿欧元支持全球变化研究，其中B M B F投入约8亿欧元，占总额的95.8％；D F G投入约0.35亿欧元，占总额的4.2％［25］。欧盟于2002年制定了第六框架计划，它是欧盟对2002—2007年欧洲科研资金分配的主要指导框架，并确定可持续发展和全球变化领域是其7个优先领域之一，共投入资金21.2亿欧元，占优先领域总投资的16％。

（7）注重数据资源共享。为促进地球系统的综合集成研究，需要对描述地球系统整体行为的关键参数和过程数据进行规范化管理，并促进数据的有效共享。目前，I G B P已经推动建立了许多相关全球数据库，包括：高分辨率土地覆盖数据、大气中活性微量气体和气溶胶数据、土壤结构与矿物/化学组成数据、海洋表层的C O2分压数据等。尤其在大量古环境数据库建设中I G B P发挥着核心作用，如P A G-E S古记录数据库。我国也已开始注重科学数据的共享工作，并于2002年正式启动了国家科学数据共享工程，在9个试点项目中设立了“中国地球系统科学数据共享网”，为地球系统科学研究提供科学数据支撑服务。

致谢：本文在撰写过程中，中国科学院资源环境

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4 地球科学进展 第22卷

科学信息中心提供了相关参阅材料，特此致谢。

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G E Q u a n- s h e ng 1

， W AN G F a ng 1

， C H E N P a n- q i n 2

， T I A N Y a n- y u 1

， C H E N G B a ng- b o

1

（1.

I n s tit u t e o f G e og r a p h i c S c i e n ce s a nd N a t u r a l R es o u rce s R ese a rc h ， C A S ， B e i j i ng 100101 ， C h i na ；2. B u re au o f S c i e n c e a nd T ec hno l o gy f o r R es o u r c e s a nd E n v i r o nm e nt ， C A S ， B e i j i ng 100864 ， C h i na ） A b st ract ： T he u pd a t ed i m p l e m e n t a ti on s t r a t e gy a nd i nve s ti g a ti on p r i o r it y o f E SSP ， I G B P ， W C R P ， I H D P and D I V E R S I T A S i n t he f i e l d o f g l oba l e n v i r o nm ent a l change （ G E C ） a r e i n tr oduc e d. B a s ed o n s yn t h e ti c a ll y a n a l y s i s of

G E C r e s ea r c h ， t he p ha s e p r og r e s s o n G E C i s s um m a r i z ed ， a nd t he c ha r a c t e r i s ti cs a nd t r end o f G E C r e s e a r ch a r e ana- l y z ed.

K ey w or d s ： G l obal c h a n g e ； E a r t h s y s t e m s c i ence ； P r o g r e s s a nd t r e nd.

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第4期 葛全胜等：全球变化研究进展和趋势