第三章全球变化研究的理论与方法
全球变化1
最没有明天的国度
改变最多的极地人
最受影响的行业
最无辜的动物 最遭殃的大洲
乞力马扎罗的雪将不复存在!
为什么？
What is Global Change?
• 影响地球系统功能的全球尺度的变化
• 不仅仅是气候变化
• 社会经济、生物物理等
例如：changes in:
Reid & Miller (1989)
好莱坞电影《后天》
2004 年 5 月 28 日 ， 《后天》在全美各大 影院首轮上映！
故事概述~ 气候学家杰克霍尔（丹尼斯奎德饰演）观察史前气候研 究指出，温室效应带来的全球暖化将会引发地球空前灾难。 杰克博士曾警告政府官员采取预防行动，但警告显然已经太 晚。当罗得岛大小的冰山撞上南极洲冰棚后，全球气候引发 连锁效应：冰雹重袭东京，空前飓风袭卷夏威夷，印度罕见 飘雪，洛杉矶更刮起史无前例的龙卷风。杰克研究中的灾变 症候逐一显现：南北极冰帽的融解将大量淡水注入海洋。在 一场全球性超级暴风雨来临后，地球将步入一万年前的冰河 世纪。 正当杰克警告白宫紧急应变的同时， 他17岁的儿子山姆（杰克葛伦霍饰演） 被困在纽约，面临曼哈顿严重水患及不 断下降的温度。山姆到曼哈顿公共图书 馆避难，尝试由电话联络父亲，分秒必 争的杰克命令山姆，无论如何一定要守 在室内，并尽量保暖。此刻美国正式宣 布民众大规模向赤道方向撤离，杰克只 身北上前往纽约救山姆，但杰克完全无 法想象即将发生在他、他的儿子及地球 上的一切。
Mackenzie et al (2002)
• 大气组成
• 人口 • 海岸带N流通
NOAA
• 森林覆盖
• 渔业开发
FAO
Human influence seen from space
全球变化
气候变化: 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具有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,发生在该系统中的重大全球变化是在上述力的驱动下,通过物理、化学和生物学过程的相互作用的结果。
全球变化的概念模型在此模型中，全球变化可以分为两个过程体系：物理气候系统和生物地球化学循环。
物理气候系统的子系统主要涉及：大气物理/动力学、海洋动力学、地表的水汽和能量循环；生物地球化学循环的子系统主要涉及：大气化学、海洋生物地球化学和陆地生态系统。
每个子系统都直接或间接地同其他子系统发生相互作用。
驱动全球变化的最终能源是太阳能。
能量和水以各种方式贯穿于整个体系。
同时，人类活动也受到全球变化的制约。
全球变化的研究对象,内容及意义：全球变化属近些年来由于时代的发展、科学的进步,社会的需要情况下,已经形成一门全人类共同关注的世界前沿科学。
它具有多学科交叉的特点,是一门具有很强生命力和新生长点的科学。
全球变化研究涉及的内容不仅是各国科学家关心的问题,也是许多国家政府首脑甚至全世界人类共同关心的问题。
政府和科学家对全球变化反映：A.背景：《京都议定书》1997年12月，149个国家和地区的代表在日本召开《联合国气候变化框架公约》缔约方第三次会议，会议通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的《京都议定书》。
B《京都议定书》正式生效,2005年2月16日开始正式生效。
《京都议定书》生效后，二氧化碳减排额还将成为一种商品在世界流通。
C各国对《京都协议》的反映与对策：1表面上是环境问题，实质是经济、能源、政治问题。
2负面影响：·钢铁石化电机冲击巨大：其中电机电子产业中，以发电厂影响最大，电子产业的温室气体排放量并不多。
大型钢铁企业在加入世界钢铁协会时，被要求要进行二氧化碳的削减计划；·半导体产业重大负面：虽排放量相当低，但对地球温暖化的效应，是二氧化碳的数千倍。
第三章 全球变化研究方法
[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？
《环境地质学》考点总结
第一章绪论环境地质学的研究内容：1.全球变化的研究;2.区域环境地质问题的研究;3.资源开发环境地质问的研究;4.地质灾害研究与防治;5.城市环境地质研究;6.重大工程建设的环境地质研究;7.医学环境地质的研究;8.生态环境的地质研究;9.现代科学技术在环境地质学中的应用研究。
环境地质学的任务：是在分析地质环境组成要素的特征和变化规律的基础上，研究人类活动与地质环境的相互关系，揭示环境地质问题的发生、发展和演化趋势，全面评价地质环境质量，提出地质环境合理开发、利用和保护的对策与方法，为实现人类社会、经济的可持续发展提供了科学依据。
环境地质学的研究方法：1.自然历史分析法 2.地球化学法3.系统分析法4.环境地质制图方法5.模型模拟与预测方法6.环境地质评价方法7.现代科学技术方法第二章环境地质学的基本理论问题地质环境：系指岩石圈层及其表层风化产物，包括地球岩石圈层和表层风化层两部分地质体的组成、结构和各类地质作用与现象。
具有一定空间概念的客观实体，它包含物质组成、地质结构和动力作用三种基本要素。
地质环境的基本特征：地质环境的容量、地质环境的质量、地质环境的相容性、地质环境的反馈作用。
地质环境的容量：某个特定地质空间可能承受人类社会经济发展的最大潜能。
地质环境的评价:1.自然地质条件的稳定性；2.原生地球化学背景；3.地质资源的丰富程度；4.抗人类活动干扰的能力；5.受污染或受破坏的程度。
地质资源：地质环境系统内可供人类利用的一切资源。
地质环境的相容性：地质环境对人类施加的某种干扰的适应性。
自然地质条件的稳定性：自然地质条件是决定地质环境质量的主要因素，其中最重要的有：地质构造的稳定性、地形稳定性、地基稳定性、岩层性质以及地质灾害发育情况。
自然地质作用：是地质动力引起的，两种基本类型的作用——内动力地质作用（构造运动、岩浆运动、地震以及变质作用）和外动力地质作用（风化、剥蚀、搬运、沉积以及成岩作用），推动着地壳的运动和发展。
基础生态学-名词解释
基础生态学-名词解释基础生态学-名词解释绪论1)生态学(ecology)：是研究有机体及其周围环境-包括非生物环境和生物环境相互关系的科学。
2)尺度（Scale):某一现象或过程在空间、时间上所涉及到的范围和发生频率。
3)生物圈（biosphere）：地球上的全部生物和一切适合于生物栖息的场所。
包括岩石圈的上层、全部水圈和大气圈的下层。
4)景观生态学（landscape ecology）: 研究景观单元的类型组成，空间格局及其与生态学过程相互作用的科学。
(景观是由不同生态系统组成的异质性区域，生态系统在景观中形成斑块（patch))5)全球生态学（global ecology）: 研究全球性的环境问题与全球变化。
其主要理论为：地球表面温度和化学组成受地球所有生物总体的生命活动所主动调节，并保持动态平衡。
第一章生物与环境6)环境（environment）：某一特定生物体或生物群体以外的空间，以及直接或间接影响该生物体或生物群体生存的一切事物的总和。
7)生境或栖息地（habitat): 指特定生物体或群体所处的物理环境。
8)生态因子（ecological factor）：环境中对生物的生长、发育、生殖、行为和分布有直接或间接影响的环境要素。
9)相互作用或交互作用（interaction):生物与生物之间的相互关系。
10)反作用（counteraction）：生物对环境的影响，一般称为反作用。
表现在生物的影响改变了环境因子的状况。
11)利比希最小因子定律（Liebig’s law of the minimum）:植物的生长取决于处于最小量状况的营养物质的量。
即：每一种植物都需要一定种类和数量的营养物，如果其中有一种营养物完全缺失，植物就不能生存。
如果该种营养物数量极微，就会对植物的生长产生不良影响。
12)限制因子（Limiting factor)：在众多的环境因素中，任何接近或超过某种生物的耐受性极限而阻止其生存、生长、繁殖或扩散的因素，叫限制因子。
全球变化复习资料
第一章全球变化：由自然和人为因素引起的、影响地球系统功能的全球尺度的变化。
地球系统科学和全球变化研究变革，四个主要表现：1、地球是一个有机联系的整体2、地球是一个以变化为特征的行星3、人类正在成为全球环境变化的驱动力4、可持续发展观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。
2、深化对地球系统的认识，发展地球系统科学。
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科学内涵体现在三个方面1、以地球系统为基础2、以发生在各种时间尺度上的动态变化为核心3、人类是全球变化的驱动力，也是全球变化影响的承受者主要科学问题变化：地球系统是怎样变化的？驱动力：地球系统变化的主要驱动力是什么？响应：地球系统对自然变化和人类引起的变化是如何响应的？后果：地球系统变化的结果对人类的影响与人类的响应是什么？预测：如何预测地球系统未来的变化？国际全球变化研究的发展趋势①不同尺度的气候变率及其自然与人为原因辨识。
②地球系统各圈层之间及区域之间的相互作用过程。
③人类活动对全球变化的影响。
④全球变化的影响、风险与适应。
⑤全球变化的观测、监测和数据融合。
⑥地球系统模式的研制和改进及全球变化的模拟与预测。
国际全球变化研究的发展趋势①不同尺度的气候变率及其自然与人为原因辨识。
②地球系统各圈层之间及区域之间的相互作用过程。
③人类活动对全球变化的影响。
④全球变化的影响、风险与适应。
⑤全球变化的观测、监测和数据融合。
⑥地球系统模式的研制和改进及全球变化的模拟与预测。
中国的全球变化研究成就：1、建立了一批与全球变化研究相关的研究机构和基地。
2、形成了一支颇具规模的研究力量3、初步构建了全球变化观（监）测网络框架4、发展了气候系统模式及其分量模式5、取得了一批有国际影响的全球变化科学研究学术成果未来我国全球变化研究的方向与任务。
1、全球变化的事实、过程和机理研究。
2、人类活动对全球变化的影响研究。
3、气候变化的影响及适应研究。
北大环境地质学讲义01绪论
第一章绪论第一节环境地质学的研究对象、内容与分科一、环境地质学的研究对象与任务随着地球环境的日益恶化和自然灾害的频繁发生，人们己经意识到所有的环境问题都与地质环境密切相关。
一方面，大地构造循环、岩石循环、地球化学循环、水循环对大陆与海洋的分布和全球性气候变化起着决定性作用，控制着地貌、岩石、矿物、土壤、水体的空间分布；另一方面，人类的生存离不开地质环境，人类活动又在改变着地质环境。
人类与地质环境之间存在着相互作用、相互制约的密切关系。
环境地质学是地质科学中一门新兴的分支学科，也是环境科学的重要组成部分。
它是应用地质科学、环境科学以及其他相关学科的理论与方法，研究地质环境的基本特性、功能和演变规律及其与人类活动之间相互作用、相互制约的关系的一门学科。
其研究对象是人类社会与地质环境组成的复杂系统。
环境地质学的任务是在分析地质环境组成要素的特征和变化规律的基础上，研究人类活动与地质环境的相互关系，揭示环境地质问题的发生、发展和演化趋势，全面评价地质环境质量，提出地质环境合理开发、利用和保护的对策与方法，为实现人类社会、经济的可持续发展提供科学依据。
二、环境地质学的研究内容环境地质学属应用地质学，研究内容十分广泛，一切与人类有关的地质环境问题都属于环境地质学的研究范畴。
但迄今对其所应研究的内容尚无统一认识。
概括起来，其主要内容应包括下列几个方面。
1.全球变化的研究全球变化研究是环境地质学研究的基础性研究工作，海洋一大气一陆地相互作用与水循环研究、元素迁移的环境地球化学研究、过去事件和作用过程的高分辨率研究、陆地生态系统对全球变化的响应、地表过程及其环境效应、晚更新世以来地质环境演化与未来生存环境变化趋势预测、人类活动对全球变化的影响等问题的研究已受到国际地学界的普遍重视。
2.区域环境地质问题的研究区域地质环境调查、评价和预测，是环境地质学研究最基本的内容之一，也是环境地质工作服务于国土整治和环境保护的基本手段，主要包括区域地质环境背景值调查、地质环境质量现状综合评价、不同比例尺的环境地质填图、各种环境地质问题的调查与研究。
全球变化之全球变化科学导论(大气所考博真题知识点归纳)
全球变化之全球变化科学导论(大气所考博真题知识点归纳)XXX《全球变化科学导论》要点总结第一篇全球变化研究的基本问题第一章全球变化科学产生的背景及其研究内容及意义1、什么是全球变化？其产生背景？答：全球变化作为一个科学术语和一门交叉学科，是随着全球环境问题的出现和人类对其认识程度的不断深化而提出并发展起来的。
全球变化科学的精髓是系统地球观，强调将地球的各个组成部分作为统一的整体来加以考察和研究，将大气圈、水圈、岩石圈和生物圈之间的相互作用和地球上的物理的、化学的和生物的基本过程之间的相互作用，以及人类与地球之间的相互作用联系起来进行综合集成研究。
即全球变化科学是研究作为整体的地球系统的运行机制、变化规律和控制变化的机理（自然的和人为的），并预测其未来变化的科学。
它研究的首先是一个行星尺度的问题——将大气圈、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，把太阳和地球内部作为两个主要的自然驱动器，人类活动作为第三种驱动机制。
发生在该系统中的全球变化是在上述驱动力的推动下，通过物理、化学和生物学过程相互作用的结果。
全球变化科学是在时代发展、科学进步、人类活动的强烈影响和社会需要的背景下产生的，主要表现在以下几个方面：（1）硬件条件。
在20世纪末，全球国际性应用的探测器和预测预报系统已有约1000个高空站、个气象站、3000个飞行器、7000艘充气船、500个浮标、长期立体动态信息库，还有全球海洋观测系统、全球陆地观测系统、全球气候观测系统。
（2）由于强烈的人类活动和社会经济的飞速发展，目前在环球范围内产生以下十大情况问题，急需国际社会合作共同解决。
主要有大气污染、温室气体排放和气候变暖、臭氧层破坏、土地退化、水资源匮乏和水体污染、海洋环境恶化、森林锐减、物种濒危、垃圾成灾、人口增长过快。
（3）从人类社会文明发展看，全球变化科学的产生是历史进程的必然。
（4）从历史发展角度看，全球变化研究有其科学思想的代表。
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生物放大
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1-5 mg/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。
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。
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。
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。
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
地壳
五、温室效应原理
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。
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.
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。
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。
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（Dissipative Structure）、协同学（Synergertios）、 突变论（Calastrophe Theory）。
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。-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。
第三章 全球变化研究的理论与方法
教学目的
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。