全球变化

全球变化导论复习材料
1.全球变化的定义及内涵
全球变化：全球环境（包括气候、土地生命力、海洋和其他水资源、大气化学及生态系统等）中的、能改变地球承载生命的能力的变化。

全球变化：是指由于自然的和人为的因素而造成的全球性的环境变化，主要包括气候变化、大气组成变化（如CO2浓度及其他温室气体的变化），以及由于人口、经济、技术和社会的压力而引起的土地利用的变化三个方面。

2.全球变化研究的对象---地球系统
由大气圈,水圈,岩石圈,冰冻圈和生物圈(包括人类圈)所组成的作为整体的行星地球.它是由一系列相互作用过程(包括系统各圈层之间的相互作用,物理,化学和生物三大基本过程的相互作用以及人与地球的相互作用)联系起来的复杂的非线性多重耦合系统。

3.全球变化研究的科学目标
描述和理解人类赖以生存的地球系统运转的机制,它的变化规律以及人类活动对地球环境的影响,从而提高未来环境变化的预测能力,为全球环境问题的宏观决策提供科学依据.
4.全球变化研究的内容
全球变化的过程和驱动力；全球变化在时间和空间上的表现；全球变化对人类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
5.大地女神假说（Gaia Hypothesis)
Gaia假说的主要论点
地球上所有生物都在起着调节作用：只根据物理学和化学规律是很难解释的，必须同时考虑生物学规律。

地球生态系统保持稳定性：地球大气的组成、气温、海水温度、海水pH值等都是由生物圈积极通过自己的影响使地球的气候环境长期保持在适合自己的“稳态”上。

地球生态系统是一种进化系统
地球生态系统是一个整体（大地女神）
具有新陈代谢功能——地球生理学(geophysiology)
6.冰期-间冰期的转换机制
一、地球轨道参数变化
深海氧同位素序列和黄土古土壤序列中可检测出地球轨道参数变化的特征周期。

说明地球轨道参数变化可能是第四纪环境周期变化的驱动力
在不同阶段，起主导作用的周期有明显差别：
1.6-
2.5MaBP期间，以偏心率周期（0.1Ma、0.4Ma）较明显，其它周期不明显
0.9-1.6MaBP期间，以黄赤交角周期(41ka)较明显，其它周期不明显
0.9BP以来，0.1Ma周期成为主要周期
7.米兰柯维奇理论能否完美解释冰期间冰期的转换？
偏心率变化（0.9MaBP以来）引起的太阳辐射变化分量不足以解释温度的大幅度变化
不能解释地球温度变化在时相上落后于太阳辐射变化，以及转换过程的其它时滞现象
不能解释转换过程中的不对称性
不能解释快速变化事件
8.撒哈拉地区畜牧业文化的兴衰
全新世之初，受到季风增强影响的撒哈拉沙漠和亚洲的类似地区，均是巨大的绿色地带，现代的撒哈拉沙漠中曾经是人类活动的场所。

撒哈拉沙漠中的四期岩画反映了该地区气候变化与人类响应的关系
（1）8000年以前的第一期岩画
猎人打猎场景；动物：象、狮、长颈鹿、河马、野牛、鳄鱼、鸵鸟和其它动物，展现了富饶、猎物充足的景象
（2）4000-2000BC的第二期岩画
打猎场景；动物：野羊、羚羊、瞪羚和其它小型动物，而象群和其它大型动物消失了，与气候
（3）1000BC前后的第三期岩画
羊消失了；牧民们消失了；马和马车成为岩画主题（战斗场景），变干相对应。

（4）公元初年以来的第四期岩画
马消失了骆驼成为主题沙漠商队的场景古农业文明兴衰
9. 古农业文明兴衰的原因
兴起：5000aBP左右，气候开始变冷；衰落：4000-3500aBP，全新世暖期结束
古农业文明产生于降水不足或不稳定的河谷之中，文明建立在灌概农业经济基础之上
（2）游牧文化的兴起
4000aBP后兴盛，与4000-3500aBP古农业文明因环境恶化而趋于消亡的时间相同。

北美大平原失踪的农夫
公元900-1400AD期间，在美国现代主要种植玉米的北美大平原存在着米尔河文化，当时河谷阶地与谷底有成片森林。

约900AD，印第安人来到艾奥瓦州西北的米尔河地区。

这些米尔人以猎鹿为主，也种些谷物。

1100AD后，严寒和干旱气候降临，导致草地退化，森林消失，狩猎业衰落，野牛（吃草）替代鹿（吃树叶）成为当地人主要肉食。

在狩猎业衰落的时候农业生产地位得到加强，陶器碎片增加，人口亦没有因而立刻减少。

1400AD，骨头遗存和陶器碎片均不见了，农夫和农庄神秘消失了。

现在这些地区生产的谷物不仅满足本国国内需要，还供应许多其他国家。

原因——艾奥瓦州西北地区位于两种生态群落的过渡地区，向西更干旱、向东雨量增加，因而对气候变化十分敏感。

北欧海盗的兴衰：
大约800AD开始的中世纪暖期，给斯堪的那维亚半岛国家带来繁荣。

由于耕地不能满足增长的人口的需求，且一直冰封的海湾的解冻打开了出海口，北欧人（诺曼人）开始出海探险。

他们最初的扩张具有侵略性，是野蛮的海盗，对中世纪欧洲的历史有深远影响：
8世纪，丹麦人入侵英国达300年之久，1017AD征服英格兰。

9世纪中叶，诺曼人侵袭法国，于10世纪初建立诺曼底公国，
1066AD，征服英国，建立诺曼底王朝
9.人类活动改变大气成分的途径：
通过工农业生产、生活过程中的人为排放：如化石燃料利用、土地利用变化（森林采伐、土地退化等）人为排放到大气中的某些化学物质在大气中产生一系列化学反应，改变大气中原有的平衡。

如氟利昂对臭氧的破坏等
人类活动造成的大气成分变化主要表现在四个方面：
使一些成分的含量增加，如CO2、SO4、CO、N2O、CH4
使另一些大气成分含量减少，如平流层O3
改变一些大气成分性质，如大气中水的酸化
向大气中增添人工合成的成分，如氟氯烃（如氟里昂）
气溶胶的主要气候作用直接辐射强迫作用间接辐射强迫作用
大气气溶胶（aerosols）除水滴外的一切液态和气态微粒构成的悬浮体系(?)。

悬浮在
大气中的细小固体或液体粒子(?) 。

通常说到的气溶胶就是指大气中的颗粒成分(?)。

一次气溶胶（原生气溶胶，自源释放）和二次气溶胶（次生气溶胶，如SO2可转换成硫酸盐气溶胶）。

天然气溶胶和人为气溶胶雾、烟、霾、霭、微尘……
大陆气溶胶和海盐气溶胶（沙尘气溶胶等）
城市气溶胶和非城市气溶胶均相气溶胶和多相气溶胶固态气溶胶和液态气溶胶（不规则形状）（球形）气溶胶的粒径：10-3－102微米
气溶胶的物理化学性质具有高度的时空可变性。

在大气中寿命只有几天到几周。

其清除机制是干沉降（从大气中直接降落到地面）和湿沉降（在降水过程中与雨滴一起落到地面）。

10-1－101微米的气溶胶因其稳定性在大气光学、大气辐射、大气化学、大气污染和云物理过程中具有重要作用。

粒径小于1微米的气溶胶粒子，一般通过由气体到微粒的成核、凝结、凝聚等过程生成；较大的气溶胶粒子，一般通过固体或液体的破裂等机械过程形成。

气溶胶的直接辐射强迫
大气气溶胶可作为云的凝结核影响云滴谱，进而影响云的反照率以及云的寿命和降水效率来改变地球气候。

北美和亚洲一些最大的云量增长区位于硫酸盐气溶胶排放源的下风方向。

欧洲、亚洲东部、南美和非洲工业区的上空常存在浓厚的霾。

“霾”主要由平均直径只有0.31微米的细粒子大气气溶胶组成。

虽然证据表明人类活动气溶胶在暖云中产生负的间接强迫，但对此类气溶胶导致的间接辐射强迫的估计，仍然存在问题。

气溶胶的对冰云和冰水混合相的云产生似乎是正的间接强迫效应，但数值尚不清楚。

总体而言，气溶胶产生显著的负的直接辐射强迫。

对太阳辐射和红外辐射的吸收和散射
与温室气体相比较，气溶胶的大气存留时间很短，不能简单地认为对抵销温室效应具有长期意义。

10.平流层臭氧的控制因素和臭氧洞的形成原因
人类活动的影响：CFCs和氮氧化物等臭氧层消耗物质的作用
大气环流平流层的云太阳活动和火山活动对平流层臭氧变化长期趋势的影响
臭氧洞的形成原因
人类活动的影响
CFCs和氮氧化物等臭氧层消耗物质的作用
CFCs等破坏臭氧层的光化学过程（在实验室经过大量实验证明）
大气的运动和化学物质在大气中的混合，使CFCs等臭氧层消耗物质进入平流层。

进入平流层的臭氧层消耗物质的绝大多数来自人类活动。

虽然这些物质的排放有呈减小趋势，但由于氟里昂和含溴化合物哈龙性质较稳定，大气中缺乏其有效的清除机制，因而其对臭氧的破坏将是长期的。

一个氯原子自由基可破坏几万个臭氧分子，一个溴原子自由基其破坏能力是氯的30-60倍。

且两者间还存在协同作用，同时存在时，破坏臭氧的能力大于二者简单的加和。

实际上，上述催化反应并不能解释南极臭氧洞形成的全部过程。

CFCs和哈龙进入平流层后，通常是以化学惰性形态存在（ClONO2和HCl），并无原子态的活性氯和溴释放。

南极冬天极低温度造成的两种重要过程却起了重要作用。

极地涡旋：极地空气受冷下沉，形成一个强烈的西向环流，使南极空气与大气的其余部分隔离，从而使涡旋内部的大气成为一个巨大的反应器。

极地平流层云：尽管南极空气十分干燥，但极低的温度使该地区仍有成云过程，云滴的主要化学惰性物质ClONO2（硝酸氯）和HCl）在平流层云表面会发生下列反应：
ClONO2+HCl=Cl2+HNO3；ClONO2+H2O=HOCl+HNO3
生成的HNO3被保留在云滴中，并将会沉降到对流层，其结果是Cl2和HOCl等组分的不断积累。

Cl2和HOCl在UV照射下极易光解，但在冬天南极的紫外光极少，光解机会很小；当春天来临时，Cl2和HOCl开始发生大量光解，产生破坏臭氧的催化反应。

这是春季南极臭氧洞形成的主要原因。

当更多光到达南极后，南极地区温度上升，气象条件发生变化，南极涡旋消失，南极地区臭氧浓度极低的空气传输到地球的其它地区，造成全球范围的臭氧浓度下降。

成分是HNO3·3H2O和冰晶，称为极地平流层云。

在过去100多年来，全球平均温度上升了0.3-0.6℃。

增温在时间上和空间上都不均匀。

时间上：20世纪前40年和最近20年两时段增暖最明显；
季节上：冬季和春季增暖最多，夏季变暖不明显；在日变化上，夜间变暖大于日间，日较差减小。

空间上：中高纬度陆地地区升温幅度较大，南半球升温比北半球明显。

20世纪60年代以来对流层中下层升温而对流层上部和平流层却变冷。

自1750年至今，太阳辐射变化导致的辐射强迫约为0.12W/M2，据估计主要发生在20世纪的前50年中。

1970年代以来，卫星观测到的太阳辐射没有大的变化。

由于强烈火山喷发产生的平流层气溶胶在过去几年造成了负的辐射强迫效应。

大的火山喷发发生在1880－1920年和1960－1991年期间，近期无强烈火山活动。

在过去20年甚至40年间，火山活动导致的平流层气溶胶含量增加，与很小的太阳辐射变化一起，导致自然辐射强迫的净的负效应。

一些自然变化，特别是1960年以前的温度记录，表现出一些与太阳活动的关系，但在近期增暖时期里，这些关系并不好。

目前尚不能准确给出全球平均温度的自然变化过程的确定幅度。

但一些数值试验结果指出，在排除太阳活动变化后，模拟得到的温度变率似乎小于20世纪观测结果。

11.中国全球变化的三个特性：
青藏高隆起及现代季风的形成演化与自然带调整
在全球冰期-间冰期旋回变化中表现为以冬、夏季风的此消彼长和边缘海的大幅度进、退为特点
上述两个方面共同决定了我国第四纪环境演变的主旋律，并在我国形成一系列突出的、甚至是举世无双的变化事件，如青藏高原隆起、季风的形成、温带沙漠的出现、黄土堆积等人类活动历史悠久，自然环境受人类活动影响强烈
12.中国生存环境的特点
一、典型的季风气候和生态状况
我国东部受东亚季风气候控制，形成了典型的季风气候生态。

由于季风气候明显的年际变化特点，这里干旱和洪涝发生频率高。

季风气候热力驱动的性质，季风系统对全球增暖的响应较为敏感。

在全球变化研究中加强对我国区域季风气侯变化和由它驱动的生态环境变化的深入探讨具有特殊的意义。

二、独特的地理景观
地球“第三冷极”青藏高原：
平均海拔达到4000米以上，它对中国、东亚乃至全球气候和环境的形成和变化有十分重大的作用。

同时是末开发的处女地，为有关全球变化中人为和自然因素的研究提供难得的素材。

黄土高原：黄土沉积物记录了近百万年来的气候和环境变化，已成为研究我国气候和环境变化历史的重要资料来源之一。

同时，亦是水土流失、大气气溶胶、风沙尘暴、泥沙淤积等环境问题研究的一个重要区域。

海岸带：中国东部沿海地区和中国海海域是世界上发育最完好的海岸带。

是地球上人口密度最大的地区之一，有著名的湄公河三角洲、珠江三角洲、长江三角洲和黄河三角洲等河口区，特别是在前两个河口区有最高生产力的热带生态资源，这里雨量充沛，河川纵横、年径流量高达13000亿立方米。

我国的海岸带是研究海陆相互作用的理想区域之一。

三、生存环境的脆弱性
人多地少：生存环境受到来自人类活动的巨大压力，生存环境十分脆弱。

自然灾害频繁：地处中纬度地区，受到来自极地和热带两个方面的影响，使该区的季风气候形势复杂而多变，温度、降水和水文状况每年都可能出现较大异常。

加上经济实力有限，对自然灾害的承受能力也低，灾害造成的损失很大。

显然，自然灾害进一步加重了土地的承载量。

这也是我国生存环境脆弱性的一个具体表现。

二、全球变暖与我国未来环境及影响
根据不同GCM模式预测结果，CO2倍增后，我国的可能气候变化如下：
平均而言，冬季变暖幅度为3.1-5.7 ℃，夏季为1.8-5.1℃；冬季降水增加0.1-0.4mm/d，夏季降水变化的范围为-0.1-0.6mm/d。

从变化的区域分布看，中国东北及南方沿海地区有变暖变湿的趋势，而华北、华中、西北大部分地区有可能变干。

冬季东北地区变暖最明显，约4-6℃，华南和西南地区增温较小，大约为2-4℃；夏季增温最明显的地区是西北，大约为3-5℃，华中、华南、华东和西南增温较小，约2-3℃；
东北地区夏季降水可能增加，华北地区冬季降水可能减少；中国北部和中部夏季土壤湿度可能降低。

未来气候变化的可能影响：各自然带北界北移
对农业生产的影响：有效积温增加，种植制度界北移，复种指数增加；北方地区降水降低导致干旱程度加剧，对农业不利。

北方地区水资源短缺加剧，
沙漠化加强，北方农牧交错带南界将南移。

各三角洲地区相对海平面上升将达40-90cm，将使我国成为世界上受海面上升影响最严重国家之一。

13.青藏高隆起及环境效应
世界第三极，高、大、新
大部分海拔超过4500m，拥有世界所有8000m以上和绝大部分7000m以上的高峰，总面积250万平方公里。

主要是在上新世末至更新世才强烈隆起，是世界上最年轻的巨型地貌单元。

一、青藏高原隆起过程与我国现代地貌轮廓形成
欧亚板块和印度板块相互碰撞的结果，促使青藏高原隆起并牵动形成了我国的边缘海，以及地势西高东低阶梯状下降的格局，是决定我国环境演变趋势的主导因素。

二、现代季风的形成演变及自然带的调整与三大自然区的出现
现代季风与季风区的形成：
在第四纪，青藏高原隆起达2000m临界高度后，由于高原对大气环流的热力和动力作
用，蒙古、西伯利亚一带冬季不易受暖平流的影响，冷空气因而得以聚集形成强冷高压；位于高原以南的印度次大陆受地形屏障，冷空气影响较小，形成强热低压。

这样，印度季风与东亚现代季风建立，且其强度和影响范围不断随高原的升高而加大。

西北内陆干早区和黄土高原的形成与发展
我国西北内陆本因距大西洋和北冰洋等水汽源地距离遥远、东部夏季风影响微弱而少雨，青藏高原隆起至少从三个方面强化了我国西北内陆地区的干旱程度，在西北内陆盆地形成世界上最干早的荒漠环境：
阻挡西南暖湿气流携带的水汽进入内陆，
高原与新疆干旱区之间所产生的地区性环流使高原以北夏季受下沉气流控制，
高原对冬季风的阻挡作用使干冷空气不能顺利南下而集聚于西北内陆。

西北干旱区形成后，在冬季风的搬运下，黄土物质在东部的半干旱地区沉积形成黄土高原。

14.中国面临的压力与挑战
1、中国CO2排放总量激增，减排压力巨大。

能源结构以煤炭、石油为主，能源技术落后
2、气候变化谈判的不利因素增加
来自发达国家的压力增加；发展中国家之间的利益分化（发展中大国、小岛国联盟、石油输出国组织、非洲）；
⌝从幕后走向前台；
⌝维持负责任大国的国际形象。

三、中国政府在气候谈判中的立场
1、坚持“共同但有区别的责任”原则
2、在可持续发展框架下应对气候变化
努力实现经济发展和应对气候变化的双赢
3、减缓和适应并重
4、依靠科技创新和技术转让
5、全民参与和广泛国际合作
四、对策
一）技术层面
1、节能减排。

总体框架：提高能效，优化能源管理，废热废气利用，减少浪费
途径1：提高能效
途径2：优化能源系统管理
途径3：废热废气利用
途径4：减少能源浪费
2、发展清洁能源
(1)太阳能利用技术(2)风能（3）核能（4）生物能（5）发展清洁能源的瓶颈
新能源成本高，竞争力弱供能不稳、波动性大核心技术仍存瓶颈
3、工业碳捕获与碳封存
1）森林固碳潜力巨大2）森林固碳成本低3）森林固碳有效形式多样
4、林业增汇
（二）政策层面
1、碳税
1)必要性
减缓国内外压力的需要，有利于经济发展方式的转变，完善环境税制的需要
2) 可行性
(1)政策上的可行性：有利于实现节能减排目标和转变经济发展方式，是各国气候变化所应
采取的主要措施。

(2)技术上的可行性：较硫税、废水税等环境税相比，碳税有计量简单、操作容易、便于检测的特点。

2、低碳经济
2003年，英国首先提出“低碳经济”的概念，成为世界第一个公布碳预算的国家。

概念：以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式
目标：能源效率提高、碳汇增加，减缓气候变化
我国发展低碳经济的意义
1、符合科学发展观，有利于生态文明建设。

2、应对气候变化需要，有利于提升我国国际政治地位；
3、降低能耗，提高产品市场竞争力，应对“碳关税”；
15.人类纪的新概念
“人类文明的发展己经改变了传统的根据地层和古生物划分地质年代的格局。

自全新世这个地质时期以来,特别是18世纪后期以来，人类对地球的影响愈来愈大。

为了强调人类的核心作用，应当把现在这个地质时期称为“人类纪”（Anthropocene Era）。

人类纪的概念从新的思路确定了现代人类在全球变化中的作用:人类己经成为地球系统的核心;人类己经成为全球变化的主要驱动力之一;地球未来的命运掌握在人类手中.人类活动对地球环境的影响赶上甚至超过了自然变化
16.过去全球变化的重建意义：重建全球变化历史，了解变化规律；探讨和认识全球变化的成因机制；为模式模拟提供参数或验证；预测未来环境变化
17.一、环境属性信息
观测记录：精度高、规范、时间尺度短最长的气象观测记录亦仅有300年时间。

代用资料：
a、考古及历史文献记载（人类物质文化活动形成的物质和文字记录）
b、古环境感应体（过去某一时期形成并一直保存至今的各种自然体）
代用资料的干扰因素多、精度低、残缺不全，但时间尺度长。

除了大气圈和水圈不具保存全球变化原始信息的能力外，岩石圈、冰雪圈、生物圈和人类圈均可保存信息。

18.（3）冰芯
取自极地冰盖、中纬度高山冰川、青藏高原（中低纬度）。

极地最长冰芯深达 2.5km，山地冰川最长308.7m（青藏高原古里雅冰芯）。

每年积累的雪最终转换成冰，形成一个年层。

冰芯可提取的环境信息
氧同位素比率：δ18O 反应温度
冰晶生长形态：反应温度
冰川年净积累量：反应降水量
冰中气泡：大气成分
冰中化学成分和微粒含量：大气气溶胶状况、地球沙漠化和大气环流强度的状况
冰中有机物质：生物地球化学循环过程
冰中火山灰和强酸信号：火山活动历史
冰中10Be：宇宙射线强度、太阳活动、地磁场强度
19.树木年轮
一般树木每年有一个明显的生长季，从而每年都会长出一个轮圈，称之为树轮或年轮。

气候和环境条件变化可造成年轮的宽窄、密度等变化。

年轮资料可反应逐年乃至逐季的气候变化。

年轮资料的优点是其连续性。

古树一般可上溯几百年甚至上千年。

通过树木残骸化石，可将不同时期树木的年轮资料连接起来形成更长的时间序列。

树轮代用
资料的可信度取决于所取树种对气候变化的敏感性。

应先联系现代气象和植物学知识，得出规律后，再反演历史。

树木年轮可提取的环境信息
年轮宽度：反映气候因子变化
木材密度：适用于年轮不易辨认树种
氧同位素：δ18O
碳同位素：δ13C（13C / 12C ）、δ14C
化学元素含量：环境中化学元素变化。

20. 地质时期、历史时期和近代气候变化主要特点
从时间尺度和研究方法来看，地球气候变化可分为三个阶段：
地质时期：从距今22亿～1万年，温度变化振幅可达10℃。

历史时期：1万年以来（时间尺度102～103年），温度变化幅度1～2℃。

近代（短期）：最近一、二百年有气象观测资料时期：
年代际气候变率，时间尺度101～102年，温度变化幅度0.5～1.0℃；
年际气候变率，时间尺度100～101年，温度变化幅度1.0～2.0℃；
气候异常，时间尺度10−1～100年，温度变化幅度3.5～5.0℃。

21. 第四纪冰期-间冰期转换的特征
一、转换过程的不对称性
从间冰期向冰期的转换过程是缓慢的、阶段性的，持续70-90ka；从冰期向间冰期的转换过程是迅速的，冰川融化只需8ka时间
二、环境要素变化的协同性
冰盖进退、海平面升降、黄土与古土壤交替、沙漠形成、降水量变化、植被带摆动等均呈现出协同性的变化，共同指示相应的环境冷暖干湿变化
大气CO2浓度变化
温度变化
深海δ18O变化
海平面变化
三、状态转换过程中时滞现象
冰期-间冰期转换是一个驱动与响应的复杂非线性过程，不同圈层由于性质不同而呈现不同步变化：东赤道太平洋与南半球海温变化，领先于北半球海温和大陆冰量变化
气候变化最迅速（常表现为突变），植被变化较为迅速，冰盖后退最慢
气候转暖时，欧洲北部树木向北扩展速度为160-200m/a，而格陵兰冰盖后退速率为30m/a 我国冬季风变化先于夏季风变化
四、快速变化事件
D-O事件(Dansgaard-Oeschegar Oscilations)
在最后冰期期间存在数次短期变暖事件，温度在很短时间内增加6-7℃，每次变暖持续时间500-2000a，共23次。

Heinrich事件：在北大西洋末次冰期期间的沉积中普遍存在6次大的冰漂碎屑沉积事件，反映了6次较大的冰山崩塌融化导致海水变冷过程。

Heinrich事件发生在D-O事件中显著寒冷阶段
新仙女木事件（Younger Dryas）
在11kaBP前后，温度在数百年内突然下降6℃，使气候回到了冰期环境。

气候－生态系统相互作用
气候是生态系统的生存环境之一。

生态系统与气候的关系首先是适应，即按照气候状况及变。