-全球變化的主要特征與過程

1、第二章全球變化的主要特征與過程一、全球變化的時空譜特征全球變化在事件與過程的時空上構(gòu)成多尺度的耦合系統(tǒng)。Figure 2.3 EARTH SYSTEM PROCESSES: Characteristic spatial and temporal scales.全球104特征空103問尺度102(公里101010局地ACarbon-DioxideQ,obalVationsVeatlieriy Stems ClimateAtmosphericCom positronOrigin ofEarth and Of LifePfate TectonicsSynopticElG,acialMantle Co

2、nvectionMmPeriodsw。SpeciationOcean CirculationMouriiairr Building竺！Extinction Events4*hi.!WeatherSystemsuceanMixing SoilVariationsSoriDevelopment,. .fall出SeasonalEarthquakeVegetationCycleCyclesSoilErosionMetallo genesis_a,Volcanic Erupiion;fAtmosphericConvectiona NutrientCycles心KTAfspnenc Tu巾M 前； -i

3、SMinDayYear(a) Centary 104a106a109a特征時間尺度log(s)可見，要認(rèn)識這些事件和過程的性質(zhì)，就必須在特定的時空尺度上對它們進(jìn)行研究。1.全球變化的時間尺度從時間尺度上看，全球變化可劃分為5個時間尺度：(1)幾百萬年至幾十億年(地質(zhì)歷史時期)該時間尺度的事件受地球行星演化規(guī)律與進(jìn)程的控制，基本為不可逆過程。包括的事件有:造山造陸導(dǎo)致的地球上滄海桑田的演變、大氣圈和水圈的形成的演變、生命的起源等。（2）幾千年至幾十萬年（第四紀(jì)的晚期和人類歷史時期）該時間尺度的事件受地球軌道參數(shù)（如偏心率、黃赤交角和歲差）等變化的影響。屬于可逆事件。包括的事件有：第四紀(jì)冰期一間冰

4、期的交替、海面的升降、伴隨冷暖干濕的大氣成分的改變、古土壤層的發(fā)育、生物中的分布、遷移和滅絕，以及人類文明的誕生和發(fā)展。（3） 幾年至幾百年 （年際、年代際到世紀(jì)）該時間尺度的事件受太陽活動、火山活動、大氣環(huán)流的長期變化、ENSO等自然因子和大氣溫室效應(yīng)的增強(qiáng)等認(rèn)為因子的控制和驅(qū)動。包括的事件有：全球氣溫的趨勢上升、氣溫、海溫、降水量、徑流量、植物物候期及生長季節(jié)等的準(zhǔn)周期性波動和突變，植物群落結(jié)構(gòu)變化和植被帶的可能移動。（4） 幾天至幾個季度（數(shù)大到一年之內(nèi)，本質(zhì)是季節(jié)的更替）該時間尺度的事件受太陽輻射量輸入的年循環(huán)驅(qū)動。使地球系統(tǒng)中形成以年為變化周期的時間變化事件。（5）幾秒至幾小時（一天

5、以內(nèi)，本質(zhì)是日變化，周期性十分規(guī)則）該時間尺度的事件受太陽輻射量輸入的日循環(huán)驅(qū)動。包括的事件有：風(fēng)溫壓濕的日變化、 地表植物冠層與大氣界面上的分子擴(kuò)散和湍流交換、物質(zhì)交換過程。時間尺度幾白萬年至幾十億年地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、地理學(xué)和地幾千年至幾十萬年球化學(xué)研究的時間尺度幾天至幾個季度大氣科學(xué)、海洋科學(xué)和生物科學(xué)研幾秒至幾小時究的時間尺度全球變化研究最感興趣、最復(fù)雜的幾年至幾白年變化尺度2.全球變化的空間尺度可分為4個特征空間尺度全球尺度（空間范圍在20 000公里以上，地域單元大約為半球至全球尺度）特征事件有：太陽輻射的分布， 大氣環(huán)流和洋流，溫室效應(yīng)加劇與全球氣候變化， 臭氧層的 破壞，地球和

6、生命的起源等。這些事件對應(yīng)的時間譜相當(dāng)寬泛（從年至幾十億年），并且不同時空尺度的過程濕相互影響的。 如溫室氣體和臭氧層的破壞濕近百年的事情，但它們對季節(jié)、年際、幾十年至上百年的全球和區(qū)域氣候變化和生態(tài)系統(tǒng)演變產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。（2）區(qū)域尺度（100公里20 000公里，地域單元為：大陸、大洋、陸地上的自然帶和自然區(qū)及海區(qū)等）特征事件有：季風(fēng)、大型天氣過程（臺風(fēng)、氣旋反氣旋）、海流、ENSO、巖石圈板塊構(gòu)造運(yùn)動與造山運(yùn)動、冰期-間冰期交替、氣候帶與地帶性植被-土壤的形成。 這些事件對應(yīng)的 時間譜相當(dāng)寬泛（從年至幾十億年） ，并且不同時空尺度的過程濕相互影響的。如青藏高原 隆起的效應(yīng)。（3）地方尺度

7、（10公里100公里）特征事件有：地震、流域的水土流失、中尺度天氣系統(tǒng)（如雷暴）、植物物候期的水平變化、城市氣候與大氣污染、 河流與水域的污染、 成礦作用等。這些事件對應(yīng)的時間譜可以從小于1天到百萬年。事件的個體性增強(qiáng)，彼此間的聯(lián)系減弱，事件的影響多限于當(dāng)?shù)?。?）局地尺度（10公里以下）特征事件有：火山爆發(fā)、小流域地表侵蝕、小尺度天氣系統(tǒng)（如龍卷風(fēng)、山谷風(fēng)）、植物物候期的隨地形的變化、植被冠層的微氣象、土壤的養(yǎng)分循環(huán)、氣體等的點(diǎn)污染。這些事件對應(yīng)的時間譜短，從幾秒到一年內(nèi)，空間特性明顯。全球變化科學(xué)注重：立足全球、從區(qū)域和地方入手的方法論， 研究各事件和過程的空間聯(lián)系、 空間格局、尺度轉(zhuǎn)化、

8、演變過程及其原因，以及人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生存環(huán)境變化之間的關(guān) 系。3.時空尺度的聯(lián)系性一般說來較大空間尺度的事件和過程，其事件尺度的范圍也較大；反之。如全球氣候變化的空間尺度可達(dá)20000公里，時間尺度可達(dá)幾十年至百年， 而植被冠層微氣象變化的空間尺度 僅為數(shù)厘米到米，時間尺度微秒到分鐘。二、全球變化的驅(qū)動力包括外力因素、地球內(nèi)力因素、人為因素1、外力因素太陽輻射、其他大體引力作用、星體對地球的撞擊太陽輻射直接驅(qū)動了發(fā)生在地球表面的各種過程。太陽輻射變化-變到達(dá)大氣頂能量，影響能量收支-導(dǎo)致氣候變化-全球變化。其他大體引力作用-地球運(yùn)動軌道參數(shù)改變星體對地球的撞擊 - 地球運(yùn)動軌道參數(shù)改變，地

9、貌改變、地球物種的滅絕和產(chǎn)生-全球變化。2、地球內(nèi)力因素地球內(nèi)力因素包括在板塊運(yùn)動中所造成的海陸分布形式的變化、海底地形和陸地地形的改 變、火山活動等。3、全球變化中的人為因素人類既產(chǎn)生于自然，又從自然系統(tǒng)中分離出來， 稱為地球系統(tǒng)的一個重要組分的同時，又影響自然環(huán)境過程。在工業(yè)化以來的200年里，人類活動對全球變化的影響與全球變化對人類 的影響均極為顯著。全球生物地球化學(xué)循環(huán)過程正受到土地覆蓋變化、污染物排放等人類活動的強(qiáng)烈干擾，人類 活動產(chǎn)生的CO2, CH4, N2O, SO4一, PO4一等是重大的擾動因素。大氣化學(xué)過程、土壤化學(xué)過 程、海洋化學(xué)過程正因此發(fā)生變化。4.地球系統(tǒng)內(nèi)部的反

10、饋過程全球變化是通過地球系統(tǒng)中一系列復(fù)雜的作用與反饋過程來實(shí)現(xiàn)的，反饋是地球系統(tǒng)過程的一個重要特征。由于反饋?zhàn)饔玫拇嬖冢?驅(qū)動與響應(yīng)之間存在著復(fù)雜的非線性過程，微小的觸發(fā)作用有可能導(dǎo)致巨大的變化，發(fā)生在某一區(qū)域的變化可能導(dǎo)致全球變化。三、全球變化的三大循環(huán)過程（生物循環(huán)、能量循環(huán)和水循環(huán)）1.全球變化中的生物循環(huán)它與地球表層各圈層、化學(xué)和生命等緊密相連。生物循環(huán)包括：陸地和海洋生物參與的C、N、P、S元素的循環(huán)；上述循環(huán)進(jìn)一步在大氣作用下發(fā)生的循環(huán)；地球表層生物的地球化學(xué)循環(huán)。（不講）從各種元素的循環(huán)過程可知，生物群落是生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它調(diào)節(jié)著化學(xué)元素在大氣、海洋和陸地各儲

11、存庫中的數(shù)量和流動速率，是某些化合物和元素產(chǎn)生的源泉。針對有生命的地球與其它無生命行星的區(qū)別，英國大氣化學(xué)家拉夫洛克提出了大地女神假說。大地女神假說（Gaia Hypothesis）：對于地球的特定屬性，只根據(jù)物理學(xué)和化學(xué)的規(guī)律是很難解釋的，必須同時考慮生物學(xué)規(guī)律。地球上的生物圈和它的環(huán)境構(gòu)成一個有機(jī)的整體（稱為大地女神），地球大氣的組成、氣溫、海水溫度、海水PH等都是由生物圈積極調(diào)節(jié)的，是生物圈通過自己的影響使地球的氣候環(huán)境長期保持在適合自己生存的“穩(wěn)態(tài)”上。這種情況從生命一出現(xiàn)便開始了，一一生命自己創(chuàng)造了它的生存環(huán)境-同時大地女神的自我調(diào)節(jié)作用也是由條件的。2.全球變化中的能量循環(huán)和水循環(huán)（參照已有的PPT）四、冰期一間冰期與米蘭柯維奇理論地球歷史上變化表現(xiàn)維氣候冷暖、干濕的交替變化，即冰期、間冰期。1冰期、間冰期的含義冰期是指由于氣溫顯著變冷、冰川規(guī)模擴(kuò)大和增厚的時期。間冰期是指兩次冰期之間由于氣候回暖、冰川縮小和消融的時期。2全球氣候周期變化的級序（1）10