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全球变化研究：地球科学研究的新兴领域

全球变化研究：地球科学研究的新兴领域. 1.1 全球变化与地理学. 1. 地球观的重大变革 2. 全球变化研究 3. 全球变化与地理学发展的机遇与挑战. 自然地理学. 地貌 — 第四纪. 环境演变. 气候 — 气候系统 / 变化. 全球变化. 地理环境决定论. 地球系统. 自然规律研究. 动 / 植物地理 — 生态系统. 土壤地理 — 土地资源 / 环境污染. 资源环境问题. 水文地理 —— 水资源 / 环境污染. 计量革命 — 经济决定. 可持续发展. 人文因素作用. 资源环境经济. 行为地理 — 行为决定. 人文地理学.

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全球变化研究：地球科学研究的新兴领域

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Presentation Transcript

  1. 全球变化研究：地球科学研究的新兴领域

  2. 1.1 全球变化与地理学 • 1. 地球观的重大变革 • 2. 全球变化研究 • 3. 全球变化与地理学发展的机遇与挑战

  3. 自然地理学 地貌—第四纪 环境演变 气候—气候系统/变化 全球变化 地理环境决定论 地球系统 自然规律研究 动/植物地理—生态系统 土壤地理—土地资源/环境污染 资源环境问题 水文地理——水资源/环境污染 计量革命—经济决定 可持续发展 人文因素作用 资源环境经济 行为地理—行为决定 人文地理学

  4. 1. 地球观的重大变革 • 1.1. 从圈层到地球系统：地球是一个有机整体 • 空间的扩展：地方——区域——全球（麦哲伦环绕地球） • 圈层的解析：近代地球科学体系（19世纪初起） • 地球系统（20世纪60-70年代以来开始转变）

  5. 1.地球观的重大变革 • 1.2.地球是一个以变化为特征的行星，且人类正在成为全球环境变化的驱动力。 • 各组成部分均处在不断演化过程中 • 变化存在与各种时间尺度 • 地球的环境有多种平衡状态 • 从平衡态研究到状态间的转换的研究 • 地球的过程和状态正因为人类活动而改变

  6. 1.地球观的重大变革 • 1.3.人类的生存与发展最终受到地球的有限性和脆弱性的制约，因此在发展观上从决定论变为可持续发展。 • 无限的、稳定的地球观： • 决定一切的力量 • 无限的资源 • 稳定不变且耐用的环境 • 有限的、脆弱的地球观： • 有限的空间 • 有限的资源 • 脆弱的平衡 • 从决定论到可持续发展

  7. 1.地球观的重大变革 1.4.全球变化研究：地球科学革命性变革的表现 • 从以地球圈层研究为主体向以地球系统研究为主体的方向转变； • 从静态的环境形态研究向动态的环境过程研究的转变； • 从不包括人的自然环境向包含人的因素在内的自然环境的转变； • 从均衡态下环境状态的研究向状态之间的变化研究的转变； • 从定性的描述性研究向定量的模式研究的转变。

  8. 1.2 全球变化研究 • 1.2.1. 全球变化的科学内涵 • 1.2.2. 全球变化研究的主要内容 • 1.2.3. 全球变化国际研究计划

  9. Reid & Miller (1989) Vitousek (1994) What is Global Change? 1. Global-scale changes that affect the functioning of the Earth System 2. Much more than climate change 3. Natural as well as anthropogenic changes 4. Socio-economic as well as biophysical • Nitrogen fixation • Temperature • Biodiversity……….. For example, changes in:

  10. U.S. Bureau of the Census Mackenzie et al (2002) Richards (1991), WRI (1990) NASA NOAA What is Global Change? For example, changes in: • Nitrogen fixation • Temperature • Biodiversity • Atmospheric composition • Population • Nitrogen in the coastal zone • Forest cover

  11. Goldewijk and Battjes (1997) IPCC FAO What is Global Change? For example, changes in: • Nitrogen fixation • Temperature • Biodiversity • Atmospheric composition • Population • Nitrogen in the coastal zone • Forest cover • Climate • Land use • Nitrous oxide • Exploitation of fisheries

  12. Global Change International Geosphere-Biosphere Programme and the Earth System

  13. An Integrated Earth System

  14. 2.1. 全球变化的科学内涵 • 第一，以地球系统为基础。 • 在全球变化中，全球的含义包括空间规模上的全球尺度和思想认识上全球观点两个方面。 • 从地球系统的思想出发，集中研究那些把系统中所有部分紧密地联系在一起的、并控制着地球系统变化的过程和机制，而不是孤立地把地球的某一圈层和某一地区的现象或过程作为研究的中心。 • 以地球系统的概念为基础的全球变化显著地有别于那些建立在对地球各圈层研究基础之上的地质学、大气科学等地球科学的传统分支学科，全球变化研究超越了各分支学科的界限，是建筑在各分支学科基础之上的交叉研究。

  15. 全球变化： • 发生在全球尺度上的变化：系统性 • 局地尺度上相同的变化，累积性变化

  16. 2.1. 全球变化的科学内涵 • 第二，以发生在各种时间尺度上的动态变化为核心。 • 地表环境的变化自地球诞生以来一直延续至今从不停止，这种变化跨越了不同的时间尺度，这是在过去几十年里人们建立起来的概念。 • 全球变化所关注的不是地球环境的平均状态，而是发生在各种时间尺度上的状态变化，包括变化的主要表现形式、驱动力及关键过程、以及变化所造成的影响。 • 当前国际全球变化研究关注的重点是几十至几百年尺度的变化，在此时间尺度内的自然变化对人类有着重要的影响，而人类活动对全球过程的影响也最为显著。

  17. 黄土发育时间尺度 • 黄土高原的地质基础：千万年 • 黄土堆积：百万年 • 黄土层：十万年 • 古土壤/黄土：万年 • 黄土变化：千年/百年 • 降尘频率变化：年/十年 • 降尘期：季节 • 降尘天气：天

  18. 2.1. 全球变化的科学内涵 • 第三，把人类看作全球变化的驱动力之一。 • 地球系统原本是由太阳能和地球内能启动的，而人类正在成为驱动全球变化的营力之一。由于人类活动的影响的加剧，全球变化过程正以前所未有的速度进行着，狭义理解的全球变化主要是指人类生存环境的恶化。

  19. 人类正在进行一场无计划和无控制的全球性反常试验，其最终影响可能仅次于一场全球性的核战争。人类正在进行一场无计划和无控制的全球性反常试验，其最终影响可能仅次于一场全球性的核战争。 • 环境趋势正急剧地改变者地球和威胁着地球上许多物种，包括人类的生命。 ———《我们共同的未来》

  20. “我们向地球索取得太多，而给予的却太少。当地球被破坏的时候，人类和一切有生命的东西都将消灭。”——澳大利亚前总理霍克。“我们向地球索取得太多，而给予的却太少。当地球被破坏的时候，人类和一切有生命的东西都将消灭。”——澳大利亚前总理霍克。

  21. 消费问题是环境危机的核心，人类对生物圈的影响正在产生着对对于环境的压力并威胁着地球支持生命的能力。从本质上说，这种影响是通过人们使用或浪费能源和原材料所产生的。——《我们的家园－－地球》消费问题是环境危机的核心，人类对生物圈的影响正在产生着对对于环境的压力并威胁着地球支持生命的能力。从本质上说，这种影响是通过人们使用或浪费能源和原材料所产生的。——《我们的家园－－地球》

  22. 森林破坏、臭氧洞、温室效应等均是全球变化的显著表现，但是，全球变化远不只是“温室效应和臭氧洞”，根本的问题是：“人类正在以各种连自己还没能认识得很清楚的方式，根本性地改变使生命得以在地球上存在的各种系统和循环”——国际地圈－生物圈计划（IGBP） 。

  23. 与人类活动有关的自然变化 大气环流变化 温度，降水 大气成分变化 CO2， NH4，CFC， SOx，O3 水循环 海洋环流 海洋化学 生物 土地覆盖 土地利用 生物多样性

  24. 环境污染 环境破坏 环境污染 自然背景 环境破坏 成分变化 过程变化 功能变化 状态变化 环境变化 三种类型的环境问题 • 环境污染 • 环境破坏 • 环境变化

  25. 全球变暖 人类不合理开发利用 内蒙古地区地表裸露 春季温暖干燥 北京沙尘暴

  26. 2.2.全球变化研究的主要内容 • 全球变化的过程和驱动力 • 全球环境变化在时间和空间上的表现形式 • 全球变化的影响与人类的响应 • 全球变化信息的获取、处理与分析技术

  27. 人类的适应：影响与响应 原因：自然的/人为的 如何说明变暖 全球变暖 表现：时间上的/空间上的

  28. 全球变化的过程和驱动力 • 气候系统过程：能量收支与传输/反馈 • 生态系统：生理学-生物量/生物多样性-稳定性 • 水循环 • 生物地球化学循环：C、N、P、S • 固体地球系统循环 • 地球外力：太阳活动、地外天体撞击 • 内力：板块运动 • 人类活动：土地利用/土地覆盖、排放

  29. 全球环境变化在时间和空间上的表现形式 • 全球变化的时间序列 • 全球变化的区域分异

  30. 全球变化的影响与人类的响应 • 影响途径 • 影响方式与层次 • 变化引起的区域承载力的变化（自然） • 造成全球变化而与其它地区产生的冲突（社会） • 承担变化的责任所花费的代价 （经济） • 影响的评估 • 人类对全球变化的响应

  31. 全球变化信息的获取、处理与分析技术 • 动态监测技术 • 过去全球变化复原技术 • 模拟技术

  32. 2. 全球变化研究 • 2.3.全球变化国际研究计划 • 国际地圈－生物圈计划(IGBP：International Geosphere－Biosphere Programme) • 全球变化人文计划（IHDP：International Human Dimansion of Global Environmental Change Programme） • 世界气候研究计划　(WCRP：World Climate Reaserch Programme) • 生物多样性计划（DIVERSITAS）

  33. 研究目标 • 逐步增加人类对地球的气候和环境演变规律（包括自然的和人为的）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的制定提出咨询性建议。

  34. 国际地圈、生物圈计划（IGBP） • 主要以生物地球化学循环子系统及其与物理气候子系统的相互作用为主要研究对象，其科学目标是：了解和阐述控制整个地球系统的关键的物理、化学和生物相互作用过程；了解和阐述支持生命的独特环境；了解和阐述出现在地球系统中受人类活动影响的重大全球变化。特别是那些时间尺度为几十年至几百年，对生物圈影响最大，对人类活动最为敏感，具有可预测性的重大全球变化问题。

  35. Role and Objective IGBP is an international scientific research programme on global change. Its objective is: • to describe and understand Earth System dynamics • focusing on the interactive biological, chemical and physical processes • the changes that are occurring in these dynamics • and the role of human activities in these changes

  36. IGBP的核心计划 • （１）国际全球大气化学计划（IGAC） • （２）全球海洋通量联合研究（JGOFS） • （3）过去的全球变化（PAGES） • （４）全球变化与陆地生态系统（GCTE） • （5）水循环的生物学方面（BAHC） • （６）海岸带海陆相互作用（LOICZ） • （7）全球海洋生态系统动力学（GLOBEC） • （8）土地利用／土地覆盖变化（LUCC）

  37. IGBP的支撑计划 • （１）全球分析、解释与建模（GAIM） • （２）数据与信息系统（IGBP-DIS） • （３）全球变化的分析、研究和培训系统（START）

  38. 全球变化研究十年取得的五点主要共识《阿姆斯特丹全球变化宣言》2001全球变化研究十年取得的五点主要共识《阿姆斯特丹全球变化宣言》2001 • 第一，地球系统是一个由物理的、化学的、生物的和人类等成分组成孤立的、自组织系统。各组成部分之间的相互作用和反馈是复杂的、表现为多时空尺度的变化。近年来对地球系统自然动力过程的认识取得了巨大进展，为评价人类驱动的变化的影响和后果提供了可靠的基础。

  39. 全球变化研究十年取得的五点主要共识《阿姆斯特丹全球变化宣言》全球变化研究十年取得的五点主要共识《阿姆斯特丹全球变化宣言》 • 第二，除了温室气体排放和气候变化，人类活动以多种方式对地球环境造成显著影响。在自然变化之上，能够清楚地识别出人类活动导致的地球的陆地表面、海洋、海岸带、大气的变化，以及生物多样性、水循环和生物地球化学循环的变化。他们在规模和影响上已与某些巨大的自然营力相当。许多在加速变化。全球变化是真实的且目前正在发生。

  40. 全球变化研究十年取得的五点主要共识《阿姆斯特丹全球变化宣言》全球变化研究十年取得的五点主要共识《阿姆斯特丹全球变化宣言》 • 第三，全球变化不能理解为简单的因果关系。人类驱动的变化以多种途径对地球系统产生多重影响，这些影响相互作用造成局地和区域尺度上发生难以理解更难以预测的多种形式变化，令人惊讶。

  41. 全球变化研究十年取得的五点主要共识《阿姆斯特丹全球变化宣言》全球变化研究十年取得的五点主要共识《阿姆斯特丹全球变化宣言》 • 第四，地球系统动力过程的特点是临界域值和反馈。人类活动能够无意地触发这种变化，对地球环境和居民产生严重的后果。在过去50万年中，地球系统经历不同的运行状态，有时不同状态之间发生突然的状态转换（在一个年代或更短）。人类活动具有改变地球系统运行状态潜在可能，结果可能给人类和其他生命造成不利。人类驱动地球环境突变的可能性尚有待证明，但不容忽视。

  42. 全球变化研究十年取得的五点主要共识《阿姆斯特丹全球变化宣言》全球变化研究十年取得的五点主要共识《阿姆斯特丹全球变化宣言》 • 第五，至于地球系统的某些关键环境参数，至少已经超出过去50万年中自然变化的幅度。在地球系统中正在发生的各种变化的性质，变化的幅度和速率均是前所未有的，地球正处在一种没有可类比的运行状态。

  43. 全球变化研究计划呼吁 • 急需建立关于地球系统管理的全球组织和战略的伦理框架。 • 需要建立一个新的全球环境科学体系。

  44. Towards IGBP II 1999-2003: synthesis projects, transition and restructure • IGBP II: new questions, new structure, with focus on: • biogeochemical sciences with relevance to issues of societal concern • interdisciplinarity & Earth System science • regional scale integrated research

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