全球變化科學(xué)引論

1、 生物物理過程 地表動量傳輸 水分輸送 蒸發(fā)散 能量傳輸 輻射能 感熱 Zo 反射率 生物化學(xué)過程 光合 呼吸 分解 沉降 發(fā)散 CO2 NO x O3 aerosol biogenic 微粒 動量交換動量交換 Z0 加大，U*加大，增強(qiáng)地表交換水、熱循環(huán)加快 氣候通過光、溫、濕（降水）、風(fēng)等作用于氣候通過光、溫、濕（降水）、風(fēng)等作用于植被植被生理層次：光合、呼吸、物候生態(tài)系統(tǒng)：光、水、營養(yǎng)、競爭與適應(yīng)形成Biome的空間分布和時間演變植被作用于氣候的機(jī)理：改變地表能量和水分平衡分布的不均一性，形成局地環(huán)流和氣候型 綠洲(冷島效應(yīng))、森林小氣候大陸尺度 如改變輻合帶位置，加強(qiáng)季風(fēng)?！吧锏厍蛭?/p>

2、理反饋”改變大氣成分, 微粒 生物物理效應(yīng)生物物理效應(yīng)： 減小反射率，多吸收太陽輻射 加大粗糙度、增強(qiáng)交換強(qiáng)度 增大蒸發(fā)，加速水循環(huán) 生物化學(xué)效應(yīng)生物化學(xué)效應(yīng)： 碳同化、釋放（呼吸） 氮沉降、釋放 相互作用的實(shí)例 a. 城市化熱島效應(yīng) 植被植被 城市城市 蒸發(fā)弱； （ 反射率小/大）徑流大地表干熱 城鄉(xiāng)溫差大 微粒， 氣溶膠 熱對流強(qiáng)，多云 降水 植被在地球水和能量平衡中的作用 城市熱島附近的溫濕分布和局地環(huán)流城市熱島附近的溫濕分布和局地環(huán)流 b. Sahara-sahel 干旱化 土壤濕度低生物量少（LAI） 地球系統(tǒng)表現(xiàn)為一個統(tǒng)一的，由物理的，化學(xué)的，生物的和人類各個部分組成的自我調(diào)控系統(tǒng)

3、。GAIA系統(tǒng)只是地球系統(tǒng)中一個組成部分1. Sahal drought Charney (1975) Biogeophysical feedback過牧 - 荒漠化 - 地表反射率大 - 凈輻射小- 低層大氣冷 - 下沉氣流 - 降水少 - 植被更少- 荒漠化 動量交換動量交換 Z0 加大，U*加大，增強(qiáng)地表交換水、熱循環(huán)加快植被氣候相互作用機(jī)理氣候通過光、溫、濕（降水）、風(fēng)等作用于氣候通過光、溫、濕（降水）、風(fēng)等作用于植被植被生理層次：光合、呼吸、物候生態(tài)系統(tǒng)：光、水、營養(yǎng)、競爭與適應(yīng)形成Biome的空間分布和時間演變植被作用于氣候的機(jī)理：改變地表能量和水分平衡分布的不均一性，形成局地環(huán)流

4、和氣候型 綠洲(冷島效應(yīng))、森林小氣候大陸尺度 如改變輻合帶位置，加強(qiáng)季風(fēng)。“生物地球物理反饋”改變大氣成分, 微粒1. Sahal drought Charney (1975) Biogeophysical feedback過牧 - 荒漠化 - 地表反射率大 - 凈輻射小- 低層大氣冷 - 下沉氣流 - 降水少 - 植被更少- 荒漠化 植被在能量和物質(zhì)循環(huán)中的作用 植被在水，熱平衡中的作用 地球系統(tǒng)輻射能收支地球系統(tǒng)輻射能收支(adapted from Kiehl and Trenberth, 1997, by the CERES Science Team) 地表能量收支地表能量收支 地表水

5、分收支地表水分收支 地表能量平衡地表能量平衡 太陽輻射 342 W/m2 198 W/m2 到達(dá)地表，大氣吸收67 W/m2 1/6 地表吸收，1/6反射，為LW輻射補(bǔ)償植被的作用 降低反照率，增加地表吸收；用于光合 森林 草地 地表水分平衡地表水分平衡降水量2.2mm/d 蒸發(fā)1.4 徑流0.8植被增加蒸騰如:亞馬蓀河降水48%蒸騰 28%蒸發(fā), 24%徑流蒸騰蒸發(fā)徑流亞馬蓀河流域降水Surface Water Balance in Semi-arid Grassland 稀疏草地典型草原草甸草原蒸發(fā)散 草球 與林球的比較 植被在碳循環(huán)中的作用 Global carbon cycle (Gt

6、 C/yr)Carbon storage (Gt C) Pre-ind Present diffAtm 597 762 +165V + S 2300 2261 -39F F 3700 3456 -244 O sfc 900 918 +18O d+I 37100 37200 +100M b 3 3 0Sed 150 150 0 Annual NPP of terrestrial ecosystems N p p 30 - 5 05 0 - 10 01 0 0 - 2 002 0 0 - 3 003 0 0 - 4 004 0 0 - 5 005 0 0 - 6 006 0 0 - 7 007 0

7、 0 - 8 007 0 0 - 8 008 0 0 - 9 009 0 0 - 1 00 01 0 00 - 16 0 0N o D ataANNUAL NPP Net Ecosystem Productivity 植被在氮循環(huán)中的作用 Nitrogen cycle processes N pool (Tg N), Tg N/yr 植被與氣候相互作用的理論 Charney (1975) Sahel-SaharaLovelock(1983) GAIA （global） Zeng N. (1999,2000 ) Sahara-Sahel Zeng QC (1994,2005 ) grasslan

8、dChao (2010) arid areaClaussen (1996) Sahara-Sahel 多為半干旱帶 氣候生態(tài)敏感區(qū) 地表反射率 水平衡GAIA假說 地球表面氣候和化學(xué)成分由生物圈維持在一個最適宜生物圈的動態(tài)平衡中 (Lovelock,1982). 由生物圈擔(dān)當(dāng)并為生物圈服務(wù)的大氣自我平衡生物群系-環(huán)境反饋?zhàn)饔玫幕A(chǔ)是生命在四個方面的性質(zhì)：1。所有生物都會改變其周圍的環(huán)境2。生物的生長和繁殖呈指數(shù)增長3。環(huán)境條件抑制了生命的生長4。自然選擇決定了那種生物留下的數(shù)量最多，從而控制周圍的環(huán)境 雛菊(氣候）世界黑 反射率低白 反射率高覆蓋度 - 行星溫度 太陽輻射 植被與氣候相互作用的

9、理論 GAIA假說 地球表面氣候和化學(xué)成分由生物圈維持在一個最適宜生物圈的動態(tài)平衡中 (Lovelock,1982). 由生物圈擔(dān)當(dāng)并為生物圈服務(wù)的大氣自我平衡生物群系-環(huán)境反饋?zhàn)饔玫幕A(chǔ)是生命在四個方面的性質(zhì)：1。所有生物都會改變其周圍的環(huán)境2。生物的生長和繁殖呈指數(shù)增長3。環(huán)境條件抑制了生命的生長4。自然選擇決定了那種生物留下的數(shù)量最多，從而控制周圍的環(huán)境 雛菊(氣候）世界黑 反射率低白 反射率高覆蓋度 - 行星溫度 太陽輻射 反GAIA 理論冰雪地球 22億年, 6.5-7.0億年大氣中O2 濃度與林火自我調(diào)控 淡化了人類活動對環(huán)境的影響 地球系統(tǒng)表現(xiàn)為一個統(tǒng)一的，由物理的，化學(xué)的，生物的和人類各個部分組成的自我調(diào)控系統(tǒng)。GAIA系統(tǒng)只是地球系統(tǒng)中一個組成部分反GAIA 理論冰雪地球 22億年, 6.5-7.0億年大氣中O2 濃度與林火自我調(diào)控 淡化了人類活動對環(huán)境的影響 大氣-生物圈運(yùn)動的層次 層次 氣候 生物 秒-天 ; 微米-十米 冠層-地表輻射傳輸 氣孔開合, 光合, 土壤表層,大氣近地層 地-氣能量,水分,物質(zhì) 呼吸,氣體交換 班塊 交換 局地, 生物物理過程 天-月; 百米