-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)律與進程的控制，基本為不可逆過程。包括的事件有:造山造陸導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）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的增強等認為因子的控制和驅(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)等的準周期性波動和突變，植物群落結構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：風溫壓濕的日變化、 地表植物冠層與大氣界面上的分子擴散和湍流交換、物質(zhì)交換過程。時間尺度幾白萬年至幾十億年地質(zhì)學、地球物理學、地理學和地幾千年至幾十萬年球化學研究的時間尺度幾天至幾個季度大氣科學、海洋科學和生物科學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。這些事件對應的時間譜相當寬泛（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、大型天氣過程（臺風、氣旋反氣旋）、海流、ENSO、巖石圈板塊構造運動與造山運動、冰期-間冰期交替、氣候帶與地帶性植被-土壤的形成。 這些事件對應的 時間譜相當寬泛（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。（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。這些事件對應的時間譜可以從小于1天到百萬年。事件的個體性增強，彼此間的聯(lián)系減弱，事件的影響多限于當?shù)亍＃?）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、山谷風）、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)、氣體等的點污染。這些事件對應的時間譜短，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)濟發(fā)展與生存環(huán)境變化之間的關 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20000公里，時間尺度可達幾十年至百年， 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-變到達大氣頂能量，影響能量收支-導致氣候變化-全球變化。其他大體引力作用-地球運動軌道參數(shù)改變星體對地球的撞擊 - 地球運動軌道參數(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。大氣化學過程、土壤化學過 程、海洋化學過程正因此發(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)中一系列復雜的作用與反饋過程來實現(xiàn)的，反饋是地球系統(tǒng)過程的一個重要特征。由于反饋作用的存在， 驅(qū)動與響應之間存在著復雜的非線性過程，微小的觸發(fā)作用有可能導致巨大的變化，發(fā)生在某一區(qū)域的變化可能導致全球變化。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)生物地球化學循環(huán)的關鍵環(huán)節(jié)，它調(diào)節(jié)著化學元素在大氣、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)物理學和化學的規(guī)律是很難解釋的，必須同時考慮生物學規(guī)律。地球上的生物圈和它的環(huán)境構成一個有機的整體（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