全球变化科学导论(第四版)(朱诚等 编著)思维导图
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第三章 全球变化研究方法
Chapter 3 The Research Method on Global Change 第三章 全球变化研究方法（途径）
[教学目的与要求]
1.了解对过去全球变化各种研究方法的基本原理 2.理解如何利用各种代用指标恢复古环境
3了解全球变化动态监测的手段与内容
4了解全球变化模拟的类型，原理 [重点与难点] 各种研究方法的基本原理 [教学时数] 6学时 [教学方法与手段] 研究性讲授，利用多媒体展示教学内容；
黄土沉积特征
• 第四纪黄土沉积以黄土层和古土壤层交互沉积为特征。黄土层的 形成反映风尘堆积作用过程，而古土壤层的形成反映成土作用过 程。当风尘堆积作用大于成土作用时形成黄土层，反之，形成古 土壤层。 • 黄土沉积与寒冷的冰期相对应，古土壤与相对温暖的间冰期相对 应。 • 我国黄土主要分布在干旱荒漠区的外缘，表明黄土沉积时期当地 属于干寒草原环境，而古土壤发育时期则对应温暖的森林草原环 境。 • 黄土与古土壤层的交替变化是第四纪冰期---间冰期环境周期性变 化的反映。 • 根据黄土层的风化程度和古土壤发育程度的差别，推断环境在不 同时期的差别。 • 黄土—古土壤序列是目前已知的唯一能与深海氧同位素记录对比 的陆上沉积。两者有很好的对应关系。
• [参考书目]
• 朱诚,谢志仁,申洪源. 全球变化科学导论(An Introduction to Global Change Science). 南京: 南京大学出版社,2003.
• [课堂训练、作业思考题]
• 课堂训练：用多媒体手段指导学生利用图书馆资料及网 络资源，查阅相关书籍及期刊文献，了解现在全球变化 研究中目前的最新进展 • 作业思考题 • 1．反映全球变化的记录有哪些?如何利用这些指标重建 过去的全球环境变化？
[教学目的与要求]
1.了解对过去全球变化各种研究方法的基本原理 2.理解如何利用各种代用指标恢复古环境
3了解全球变化动态监测的手段与内容
4了解全球变化模拟的类型，原理 [重点与难点] 各种研究方法的基本原理 [教学时数] 6学时 [教学方法与手段] 研究性讲授，利用多媒体展示教学内容；
黄土沉积特征
• 第四纪黄土沉积以黄土层和古土壤层交互沉积为特征。黄土层的 形成反映风尘堆积作用过程，而古土壤层的形成反映成土作用过 程。当风尘堆积作用大于成土作用时形成黄土层，反之，形成古 土壤层。 • 黄土沉积与寒冷的冰期相对应，古土壤与相对温暖的间冰期相对 应。 • 我国黄土主要分布在干旱荒漠区的外缘，表明黄土沉积时期当地 属于干寒草原环境，而古土壤发育时期则对应温暖的森林草原环 境。 • 黄土与古土壤层的交替变化是第四纪冰期---间冰期环境周期性变 化的反映。 • 根据黄土层的风化程度和古土壤发育程度的差别，推断环境在不 同时期的差别。 • 黄土—古土壤序列是目前已知的唯一能与深海氧同位素记录对比 的陆上沉积。两者有很好的对应关系。
• [参考书目]
• 朱诚,谢志仁,申洪源. 全球变化科学导论(An Introduction to Global Change Science). 南京: 南京大学出版社,2003.
• [课堂训练、作业思考题]
• 课堂训练：用多媒体手段指导学生利用图书馆资料及网 络资源，查阅相关书籍及期刊文献，了解现在全球变化 研究中目前的最新进展 • 作业思考题 • 1．反映全球变化的记录有哪些?如何利用这些指标重建 过去的全球环境变化？
全球变化第二章全球变化的主要过程与驱动力概要
由于行星的摄动作用，黄赤交角发生周期性 的变化。现代黄赤交角是23°27′，在几百万年 内，黄赤交角的变化范围为21°39′～24°36′， 变化周期约40ka。这一变化被比喻为好像船的 左右摇摆。黄赤交角影响地球上不同纬度和不 同季节的气候差异程度的大小，黄赤交角越大， 冬季和夏季的差异越大。黄赤交角变化对极区 影响最大，若黄赤交角减小，极地地区变暖， 反之，极地地区更为寒冷。
地球绕太阳运转的轨道呈椭圆形，太阳位于椭圆轨 道的一个焦点上，轨道偏离正圆的程度就是地球轨道 的偏心率。偏心率以10万年变化于0.005～0.06之间， 同 时 还 存 在 40 万 年 的 周 期 变 化 。 目 前 的 偏 心 率 为 0.0167，地球分别处于近日点和远日点时，日照量的 差别为7%，偏心率愈大，差异愈大。
在无机环境中，碳主要以CO2或者碳酸盐和重碳酸盐的 形式存在。生态系统中的碳循环基本上是伴随着光合、呼 吸和分解过程进行的，在较长的时间尺度上，地质因素对 于碳循环也是重要的，因为贮存在沉积岩中的大量碳(煤、 石油和天然气等)是生态系统在过去年代中所固定的，它 们暂时退出了生物圈活跃的生物地球化学循环。自然界碳 的活动贮存库主要是海洋、大气和有机体。
二、固体地球系统与岩石圈循环过程
（一）板块运动过程 （二）陆上风化与侵蚀堆积过程 （三）海洋沉积过程
三、生态系统与生物地球化学循环过程
全球碳循环（IPCC，1996）
大气中及溶解在河流、湖泊和海洋等水体中的CO2，是 可供生物圈利用的主要无机碳源，陆上植物和海洋浮游植 物等有机物通过对CO2的光合作用而捕获太阳能为生物圈 提供能量，同时使得碳进入生物圈，并向大气提供氧气。
太阳活动是太阳表面上一切扰动现象的总称。主要包括：发 生在光球表面的黑子、光斑，发生在色球层的谱斑、耀斑，以及 日珥、日冕等。一般用黑子活动代表太阳活动，黑子越多，太阳 活动越强，其他太阳活动都和黑子活动呈同步变化，太阳常数的
全球变化-第一章
❖ 人类生态系统是一个构建在固体地球系统、 物理气候系统和自然生态系统之上，并作 为水循环、生物地球化学循环和地球岩石 圈循环过程的一个中间环节的系统，是地 球系统的一个重要组成部分。
三、地球系统的物质和能量转化
地球系统中物质和能量的转换与交换是通过一系列的过程 来实现的。这些过程按其性质可分为物理过程、化学过程 和生物过程三种类型。地球系统的过程是地球系统中由物 理、化学或生物学规律所支配的那些现象的集合。以全球 碳循环为列。
❖ 地球系统中的物理过程、化学过程和生物过程是有机联系 的整体。
❖ 不同的地球系统过程具有不同的时间和空间尺度，通常用 10 n表示。
尺度
四、地球系统的驱动力
地球系统的驱动力
太阳和其他外力 （人类活动）
放射性和内部深处的原生热
在以上两个驱动力的相互作用下，地球表层产生了复 杂的循环过程。人类在其发展进化的进程中，为了自 身的生存和发展，逐步用人类所驯化的植物和动物组 成的生态系统以及几乎全部由人类自己构建的城市体 系来代替自然生态系统，使人类生态系统逐渐成为地 球环境中不可忽视的重要组成部分，由此成为影响地 球系统状态、引起全球变化的一个重要因素。
二、全球变化研究的主要内容
2、全球环境变化在时间上和空间上的 表现形式
从时间过程上看，全球环境变化表现为一个 时期环境的状态或其特征值较另一时期有明显不 同。
全球变化在不同地区均会有所反映，但不同 地区响应全球变化的方式可以各不相向，可以存 在着彼此不同的过程。
二、全球变化研究的主要内容
3、全球变化的影响和人类的响应
国内：《吕氏春秋》《水经注》
二、科学的全球变化研究的起步与发展
70年代
人类社会、经济、政治变化
80年代
三、地球系统的物质和能量转化
地球系统中物质和能量的转换与交换是通过一系列的过程 来实现的。这些过程按其性质可分为物理过程、化学过程 和生物过程三种类型。地球系统的过程是地球系统中由物 理、化学或生物学规律所支配的那些现象的集合。以全球 碳循环为列。
❖ 地球系统中的物理过程、化学过程和生物过程是有机联系 的整体。
❖ 不同的地球系统过程具有不同的时间和空间尺度，通常用 10 n表示。
尺度
四、地球系统的驱动力
地球系统的驱动力
太阳和其他外力 （人类活动）
放射性和内部深处的原生热
在以上两个驱动力的相互作用下，地球表层产生了复 杂的循环过程。人类在其发展进化的进程中，为了自 身的生存和发展，逐步用人类所驯化的植物和动物组 成的生态系统以及几乎全部由人类自己构建的城市体 系来代替自然生态系统，使人类生态系统逐渐成为地 球环境中不可忽视的重要组成部分，由此成为影响地 球系统状态、引起全球变化的一个重要因素。
二、全球变化研究的主要内容
2、全球环境变化在时间上和空间上的 表现形式
从时间过程上看，全球环境变化表现为一个 时期环境的状态或其特征值较另一时期有明显不 同。
全球变化在不同地区均会有所反映，但不同 地区响应全球变化的方式可以各不相向，可以存 在着彼此不同的过程。
二、全球变化研究的主要内容
3、全球变化的影响和人类的响应
国内：《吕氏春秋》《水经注》
二、科学的全球变化研究的起步与发展
70年代
人类社会、经济、政治变化
80年代
全球变化GC01
第一章 地球系统与全球变化
§1.1 地球系统
/划分 /能量 /尺度 /驱动力
§1.2 全球变化与全球变化研究
/内涵 /研究内容 /研究意义
§1.3 全球变化研究的历史、现状和趋势
/历史 /现状和趋势 /在中国
§1.1 地球系统 /划分
一、地球系统的划分
大气圈 地圈 物理气候系统 水圈 岩石圈 固体地球系统
§1.3 全球变化研究 /现状
§1.3 全球变化研究 /在中国
三、我国的全球变化研究 • 代表人物
•竺可桢开创的基于考古和历史文献的气候变化研究 •中科院对青藏高原组织的数次科学考察研究 •刘东生等领导的中国第四纪黄土研究，以及古季风研究 •施雅风领带的中国东西部第四纪冰川研究及全新世环境 演变研究 •汪品先等领导的中国海域第四纪环境演变研究
§1.3 全球变化研究 /历史
• 全球变化研究起步
• 莱伊尔，均变论——现在是过去的钥匙 • 阿加西，大冰期理论——首次把冰川的进退裕全球文学因素是全球气候波动的主要原因 • 魏格纳，大陆漂移学说——地壳演化规律 • 近代地理学家，洪堡、乔治马什、施吕特尔等，人类活动导 致的环境演变
• 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。
§1.3 全球变化研究 /历史
一、全球变化的发展 • 早期认识
• 远古时代：神话 • 古人：
亚里士多德——海陆按照一定的规律周期性变化
达芬奇——根据岩石中的海螺指出海陆变迁说 吕氏春秋——对气候异常的特点和对人类的影响作了概括 郦道元，水经注——研究了我国河湖水系演变的历史、原因 沈括——通过古地图对比研究水系变化，等
§1.1 地球系统 /驱动力
四、地球系统的驱动力
太阳和其他外力 （人类活动）
§1.1 地球系统
/划分 /能量 /尺度 /驱动力
§1.2 全球变化与全球变化研究
/内涵 /研究内容 /研究意义
§1.3 全球变化研究的历史、现状和趋势
/历史 /现状和趋势 /在中国
§1.1 地球系统 /划分
一、地球系统的划分
大气圈 地圈 物理气候系统 水圈 岩石圈 固体地球系统
§1.3 全球变化研究 /现状
§1.3 全球变化研究 /在中国
三、我国的全球变化研究 • 代表人物
•竺可桢开创的基于考古和历史文献的气候变化研究 •中科院对青藏高原组织的数次科学考察研究 •刘东生等领导的中国第四纪黄土研究，以及古季风研究 •施雅风领带的中国东西部第四纪冰川研究及全新世环境 演变研究 •汪品先等领导的中国海域第四纪环境演变研究
§1.3 全球变化研究 /历史
• 全球变化研究起步
• 莱伊尔，均变论——现在是过去的钥匙 • 阿加西，大冰期理论——首次把冰川的进退裕全球文学因素是全球气候波动的主要原因 • 魏格纳，大陆漂移学说——地壳演化规律 • 近代地理学家，洪堡、乔治马什、施吕特尔等，人类活动导 致的环境演变
• 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。
§1.3 全球变化研究 /历史
一、全球变化的发展 • 早期认识
• 远古时代：神话 • 古人：
亚里士多德——海陆按照一定的规律周期性变化
达芬奇——根据岩石中的海螺指出海陆变迁说 吕氏春秋——对气候异常的特点和对人类的影响作了概括 郦道元，水经注——研究了我国河湖水系演变的历史、原因 沈括——通过古地图对比研究水系变化，等
§1.1 地球系统 /驱动力
四、地球系统的驱动力
太阳和其他外力 （人类活动）
第一讲全球变化科学导论
World population
World population will reach 6,000 million during 1999 - but the rate of growth has begun to slow.
Population
Source: compiled by UNEP GRID Geneva from United Nations Population Division 1996
全球水,碳循环,食物系统
全球变化科学是怎样产生的?
全球变化科学的研究对象,目标和要解决的 主要科学问题
全球变化科学的学科性质,特点和研究方法
人类生存的地球环境正在发生那些重大变化
• 气候的变化 温度升高 • 大气成分的变化 二氧化碳和其它温室气体、气溶胶含量
的增加, 臭氧洞
• • • • • •
Europe
North America
South America
Urban population
Source: compiled by UNEP GRID Geneva from United Nations Population Division 1997 and WRI, UNEP, UNDP and WB 1998
(millions of hectares degraded)
Vegetation Removal Overexploitation Overgrazing Agricultural Activities Industrial and Bioindustrial
579 133 679 522 23
World
Asia and Oceania Latin America and Caribbean
第一章地球系统与全球变化-精选文档
全球变化研究出现的科学背景
出现的 过程
出现的过程
背 景 硬件条件 社会需求 历史必然性 科学思想代表
背 景
全球变化研究出现的过程
全球变化研究是在20世纪80年代初开始。
1983年，首次提出物理过程与生物过程相互作用的观点， 并将其与自然界尚未揭开的“奥秘”联系起来； 1984年国际科学联合会第20届大会开始全球变化研究 的讨论；
(3)弗里德曼(Fridman)，美国科学院物理、数学、资源委员会主席，1983年 他首次提出“全球变化(Global Change)”的概念。从此，人类开始从交叉科 学角度将地球作为全球系统开展研究。
(4)马隆(Malone)，1984年国际科学联合会副主席，是他第一个将全球变化 研究付诸实施。 全球变化研究这门科学就是在上述背景下应运而生的。
温室效应
小冰期以来天山乌鲁木齐河源1号冰川变化图 (刘潮海等, 2000)
其他气候变化的结论：
气温和海温： (1) 1950~1993年期间，陆地上夜晚最低温每十年增加约0.2℃，白天最高温每十年增加约0.1℃， 这使得许多中高纬度地区结冰季节变短。 (2) 海表面温度的上升速度是陆地表面平均气温上升速度的一半。 对流层气温： 20世纪50年代以来，地表以上8km的大气层平均每10年增温0.1℃。
(9)垃圾成灾：地球亡的垃圾越来越多， 20 世纪末仅美国
每年就产生工业垃圾20×108 t以上，城市居民垃圾2．2×108t， 丢弃的旧汽车1000多万辆，废轮胎上亿只。全球危险废物以每
年5×108t 的速度递增。垃圾无孔不入，在珠穆朗玛峰、南极
都有垃圾，甚至在太空上也有垃圾。 根据NASA的统计，地球轨道上有大约 4000个运行中或报 废的人造卫星和火箭残体，此外还有大约 6000 个可以看到并 跟踪的太空垃圾碎片；而直径超过一厘米的太空垃圾，更多达
第二章-全球变化的主要特征与过程
第二章 全球变化的主要特征与过程一、全球变化的时空谱特征全球变化在事件与过程的时空上构成多尺度的耦合系统。
可见，要认识这些事件和过程的性质，就必须在特定的时空尺度上对它们进行研究。
1．全球变化的时间尺度从时间尺度上看，全球变化可划分为5个时间尺度：（1）几百万年至几十亿年 （地质历史时期）该时间尺度的事件受地球行星演化规律与进程的控制，基本为不可逆过程。
包括的事件有：S Min Day Year(a) Centary 104a 106a 109a 特征时间尺度log(s) 全球 104 103 102 101 100 局地 特征空间尺度 （公里）造山造陆导致的地球上沧海桑田的演变、大气圈和水圈的形成的演变、生命的起源等。
（2）几千年至几十万年（第四纪的晚期和人类历史时期）该时间尺度的事件受地球轨道参数（如偏心率、黄赤交角和岁差）等变化的影响。
属于可逆事件。
包括的事件有：第四纪冰期－间冰期的交替、海面的升降、伴随冷暖干湿的大气成分的改变、古土壤层的发育、生物中的分布、迁移和灭绝，以及人类文明的诞生和发展。
（3）几年至几百年（年际、年代际到世纪）该时间尺度的事件受太阳活动、火山活动、大气环流的长期变化、ENSO等自然因子和大气温室效应的增强等认为因子的控制和驱动。
包括的事件有：全球气温的趋势上升、气温、海温、降水量、径流量、植物物候期及生长季节等的准周期性波动和突变，植物群落结构变化和植被带的可能移动。
（4）几天至几个季度（数天到一年之内，本质是季节的更替）该时间尺度的事件受太阳辐射量输入的年循环驱动。
使地球系统中形成以年为变化周期的时间变化事件。
（5）几秒至几小时（一天以内，本质是日变化，周期性十分规则）该时间尺度的事件受太阳辐射量输入的日循环驱动。
包括的事件有：风温压湿的日变化、地表植物冠层与大气界面上的分子扩散和湍流交换、物质交换过程。
2.全球变化的空间尺度可分为4个特征空间尺度(1)全球尺度(空间范围在20 000公里以上，地域单元大约为半球至全球尺度)特征事件有：太阳辐射的分布，大气环流和洋流，温室效应加剧与全球气候变化，臭氧层的破坏，地球和生命的起源等。
全球变化第一章地球系统与全球变化
在数天到一年之内，如季节的更替，气温、降水和地表径流 的季节波动，植物群落季相和农事季节的更替，候鸟的迁徙 几秒至几小时 在数秒到一天之内如气候要素的变化，物质、能量传递等
二、全球变化研究的主要内容 1.全球变化的过程和驱动力
2.全球环境变化在时间和空间上的表现形式
3.全球变化的影响与人类的响应
4.全球变化信息的获取、处理与分析技术
一、全球变化的科学内涵 全球变化为全球环境（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） 中的、能改变地球承载生命的能力的变化。 全球变化研究是以地球系统科学作为指南， 从行星地球整体角度出发，将地球的大气圈、水 圈(含冰雪圈)、岩石圈和生物圈看成是有机联系的 全球系统，把太阳和地心作为两个主要的自然驱 动器、人类活动作为第三促动因素，发生在该系 统中的全球变化是在上述力的驱动下，通过物理、 化学和生物学过程相互作用的结果。
二、全球变化的国际研究计划
全球变化研究包括由国际科学联合会、世界气象组织、国 际社会科学联合会、国际高级研究机构联合会、联合国教 科文组织、环境问题科学委员会、政府间海洋委员会、联 合国环境规划署等组织联合协同下开展的一系列核心计划 和相关计划，其中包括：
（一）国际地圈生物圈核心计划
（1）国际全球大气化学计划；（2）全球海洋通量联合研究；（3）过去的全球变化；
这些研究计划各有侧重，但围绕一个共同的目标，就 是逐步增加人类对地球的气候和环境演变规律（包括 自然和人为）的认识，从而对未来环境发展趋势提出 科学预测，为全球环境问题上的宏观决策提供科学依 据，也为各国政府在资源开发和利用、环境保护和整 理等方面的政策制定提出咨询性建议。
全球变化的时间尺度
几百万年至几十亿年 地质历史时期如造山运动和造陆运动、生命的起源等