第二章-全球变化的主要特征与过程

第二章 全球变化的主要特征与过程

一、全球变化的时空谱特征

全球变化在事件与过程的时空上构成多尺度的耦合系统。

可见，要认识这些事件和过程的性质，就必须在特定的时空尺度上对它们进行研究。

1．全球变化的时间尺度

从时间尺度上看，全球变化可划分为5个时间尺度：

（1）几百万年至几十亿年 （地质历史时期）

该时间尺度的事件受地球行星演化规律与进程的控制，基本为不可逆过程。包括的事件有：S Min Day Year(a) Centary 104a 106a 109a 特征时间尺度log(s) 全球 104 103 102 101 100 局地 特征空间尺度 （公里）

造山造陆导致的地球上沧海桑田的演变、大气圈和水圈的形成的演变、生命的起源等。（2）几千年至几十万年（第四纪的晚期和人类历史时期）

该时间尺度的事件受地球轨道参数（如偏心率、黄赤交角和岁差）等变化的影响。属于可逆事件。包括的事件有：第四纪冰期－间冰期的交替、海面的升降、伴随冷暖干湿的大气成分的改变、古土壤层的发育、生物中的分布、迁移和灭绝，以及人类文明的诞生和发展。（3）几年至几百年（年际、年代际到世纪）

该时间尺度的事件受太阳活动、火山活动、大气环流的长期变化、ENSO等自然因子和大气温室效应的增强等认为因子的控制和驱动。包括的事件有：全球气温的趋势上升、气温、海温、降水量、径流量、植物物候期及生长季节等的准周期性波动和突变，植物群落结构变化和植被带的可能移动。

（4）几天至几个季度（数天到一年之内，本质是季节的更替）

该时间尺度的事件受太阳辐射量输入的年循环驱动。使地球系统中形成以年为变化周期的时间变化事件。

（5）几秒至几小时（一天以内，本质是日变化，周期性十分规则）

该时间尺度的事件受太阳辐射量输入的日循环驱动。包括的事件有：风温压湿的日变化、地表植物冠层与大气界面上的分子扩散和湍流交换、物质交换过程。

2.全球变化的空间尺度

可分为4个特征空间尺度

(1)全球尺度(空间范围在20 000公里以上，地域单元大约为半球至全球尺度)

特征事件有：太阳辐射的分布，大气环流和洋流，温室效应加剧与全球气候变化，臭氧层的破坏，地球和生命的起源等。这些事件对应的时间谱相当宽泛（从年至几十亿年），并且不同时空尺度的过程湿相互影响的。如温室气体和臭氧层的破坏湿近百年的事情，但它们对季节、年际、几十年至上百年的全球和区域气候变化和生态系统演变产生深远的影响。（2）区域尺度（100公里－20 000公里，地域单元为：大陆、大洋、陆地上的自然带和自然区及海区等）

特征事件有：季风、大型天气过程（台风、气旋反气旋）、海流、ENSO、岩石圈板块构造运动与造山运动、冰期－间冰期交替、气候带与地带性植被－土壤的形成。这些事件对应的时间谱相当宽泛（从年至几十亿年），并且不同时空尺度的过程湿相互影响的。如青藏高原

隆起的效应。

（3）地方尺度（10公里－100公里）

特征事件有：地震、流域的水土流失、中尺度天气系统（如雷暴）、植物物候期的水平变化、城市气候与大气污染、河流与水域的污染、成矿作用等。这些事件对应的时间谱可以从小于1天到百万年。事件的个体性增强，彼此间的联系减弱，事件的影响多限于当地。

（4）局地尺度（10公里以下）

特征事件有：火山爆发、小流域地表侵蚀、小尺度天气系统（如龙卷风、山谷风）、植物物候期的随地形的变化、植被冠层的微气象、土壤的养分循环、气体等的点污染。这些事件对应的时间谱短，从几秒到一年内，空间特性明显。

全球变化科学注重：立足全球、从区域和地方入手的方法论，研究各事件和过程的空间联系、空间格局、尺度转化、演变过程及其原因，以及人类社会经济发展与生存环境变化之间的关系。

3．时空尺度的联系性

一般说来较大空间尺度的事件和过程，其事件尺度的范围也较大；反之。如全球气候变化的空间尺度可达20000公里，时间尺度可达几十年至百年，而植被冠层微气象变化的空间尺度仅为数厘米到米，时间尺度微秒到分钟。

二、全球变化的驱动力

包括外力因素、地球内力因素、人为因素

1、外力因素

太阳辐射、其他天体引力作用、星体对地球的撞击

太阳辐射直接驱动了发生在地球表面的各种过程。

太阳辐射变化改变到达大气顶能量，影响能量收支导致气候变化全球变化。

其他天体引力作用地球运动轨道参数改变

星体对地球的撞击地球运动轨道参数改变，地貌改变、地球物种的灭绝和产生全球变化。

2．地球内力因素

地球内力因素包括在板块运动中所造成的海陆分布形式的变化、海底地形和陆地地形的改变、火山活动等。

3、全球变化中的人为因素

人类既产生于自然，又从自然系统中分离出来，称为地球系统的一个重要组分的同时，又影响自然环境过程。在工业化以来的200年里，人类活动对全球变化的影响与全球变化对人类的影响均极为显著。

全球生物地球化学循环过程正受到土地覆盖变化、污染物排放等人类活动的强烈干扰，人类

活动产生的CO2, CH4, N2O, SO2

4-, PO3

4

-等是重大的扰动因素。大气化学过程、土壤化学过

程、海洋化学过程正因此发生变化。

4．地球系统内部的反馈过程

全球变化是通过地球系统中一系列复杂的作用与反馈过程来实现的，反馈是地球系统过程的一个重要特征。由于反馈作用的存在，驱动与响应之间存在着复杂的非线性过程，微小的触发作用有可能导致巨大的变化，发生在某一区域的变化可能导致全球变化。

三、全球变化的三大循环过程

（生物循环、能量循环和水循环）

1．全球变化中的生物循环

它与地球表层各圈层、化学和生命等紧密相连。

生物循环包括：①陆地和海洋生物参与的C、N、P、S元素的循环；②上述循环进一步在大气作用下发生的循环；③地球表层生物的地球化学循环。

（不讲）

从各种元素的循环过程可知，生物群落是生态系统生物地球化学循环的关键环节，它调节着化学元素在大气、海洋和陆地各储存库中的数量和流动速率，是某些化合物和元素产生的源泉。针对有生命的地球与其它无生命行星的区别，英国大气化学家拉夫洛克提出了大地女神假说。

大地女神假说（Gaia Hypothesis）：对于地球的特定属性，只根据物理学和化学的规律是很难解释的，必须同时考虑生物学规律。地球上的生物圈和它的环境构成一个有机的整体（称为大地女神），地球大气的组成、气温、海水温度、海水PH等都是由生物圈积极调节的，是生物圈通过自己的影响使地球的气候环境长期保持在适合自己生存的“稳态”上。

――这种情况从生命一出现便开始了，――生命自己创造了它的生存环境―――同时大地女神的自我调节作用也是由条件的。

2．全球变化中的能量循环和水循环

（参照已有的PPT）

四、冰期－间冰期与米兰柯维奇理论

地球历史上变化表现维气候冷暖、干湿的交替变化，即冰期、间冰期。

1冰期、间冰期的含义

冰期是指由于气温显著变冷、冰川规模扩大和增厚的时期。

间冰期是指两次冰期之间由于气候回暖、冰川缩小和消融的时期。

2全球气候周期变化的级序

（1）107a－108a尺度，具有此尺度的气候变动称为大冰期和大间冰期。自震旦纪以来，地球历史上至少发生过四次大冰期。

（2）105a尺度，冰期和间冰期。