01-方修琦-北京师大-全球变化课程与教材

自然
全球环境变化 全球变暖 人为碳排放
地球系统科学——全球变化
国际科学研究计划
减排和适应行为 变暖的影响 人类健康、 道德、安全
气候变化经济学
经济发展
气候变化政治学
经济
低碳Biblioteka Baidu济
社会
气候变化谈判
1.3全球变化（地球系统科学）与自然地理学 地球系统与地球系统科学
• 1983年非正式出现于NASA地球系统科学 委员会(ESSC)的内部文件中。
www.igbp.kva.se
用教师的研究成果作为教学的实证
粮食生产安全 粮食供给安全 粮食消费安全 人口增 长率 饥荒 经 济 兴 衰 财 政 收 支
气 候 变 化
生产 系统
粮食 丰歉
人均粮食 消费量
社会 系统
农民 起义 社会 盛衰
1780-1820气候转冷使华 北社会危机提前20年
垦殖 率
人口系统
Reid & Miller (1989)
Vitousek (1994)
全球变化的科学内涵
• “全球变化”（Global Change）是指由 自然和人为因素引起的、影响地球系统功 能的全球尺度的变化。 全球变化 > 全球气候变化 >全球变暖
人为因素 自然驱动
地球系统 全球尺度
多时间尺度 动态变化
1.2 全球变化科学的特点
•借鉴国内外 相关教材
实理解全球变化的过程及地球系统的整 体性特征”
《全球变化》章节结构图
1基本概念与研究进展 全球变化 研究的原 理与方法 2地球系统与全球变化的过程 和驱动力 4全球变化研究方法 3 全球变化的 影响与响应
全球变化 5全球自然 的过去现 环境的形 在和未来 成与演化 全球变化 与区域环 境演变
DECISION MAKING
综合性
复杂的地球系统过程 变化的协同性
区域性
区域分异/联系的变化与 变化的区域分异/联系
区域差异 区际联系
全球-区域关系 全球变 化的区 域响应
区域对全 球变化的 贡献
2.3 介绍科学研究前沿的窗口
• 教材成熟的知识体系与不断更新的认识的矛盾 • 大学教育的责任：科学研究成果转化为系统化 的知识
– 人类活动作为与太阳和地球内能并列的、能引发地球 系统变化的驱动力——第三驱动因素
地球系统概念孕育于地理学
洪堡（1769－1859）：地球是一 个不可分割的有机整体，一个 由各部分组成的活的整体。
– “局部只能从它与整体的关系去 分析，作为世界现象的一部分区 研究它。” – “毫无疑问，气候一词首先是指 大气的特性，这一特性取决于海 洋与陆地的直接相互作用。
7个博士生，6个硕士生
2项自然科学基金 （东北影响与适应 ，2005, 2014） 4项自然科 学基金 （LUCC）
教学中的科学积累转化为科研成果
教材
科普
学术论文
专著
3.4 教学与科学研究相长的意义
• 有效地保证教学目标的实现，
• 解决高校教师普遍面临的教学与科 学研究相冲突的问题，
• 实现学生培养和学生自身发展的统 一。
提要
1 全球变化科学 2 “全球变化”课程定位
3 “全球变化”课程建设过程
4 《全球变化》教材
4.1《全球变化》（2000版）
• 编写目的：揭示地球表层系统在不同时 间尺度上的变化规律以及人与环境相互
作用的规律，帮助学生从时间维认识地
理环境的过程、区域特征的形成、以及 人地关系等问题，使学生建立起地理科 •教学和研究 积累 • 编写思路：“通过已发生的全球变化事 学是时空耦合的综合科学的观念
通过教学使科 学认识积累、 提炼、升华
民众适应 行为上限
生产系统 适应上限
地理科学，2014
教学触发灵感成为进一步研究的切入点
1996?新闻报 道：黑龙江省 小麦换种水稻 气候变化影响与 适应教学案例 论文
自然科学基金（东 北LUCC，2004)
数十篇论文
自然科学基 金(东北气候 变化影响适 应，2001)
全球变化对地理学的可能影响
• 使地理学的思想成为整个地学界的 共识：
– 整体性 – 相互关联 – 人地关系
• 对地理学新一轮伤筋动骨的瓜分
– 非地理学领域的科学家介入并主导地球系 统科学与全球变化研究领域 – 当今相同的学术空间被占领殆尽，近邻的 火焰也已经在我们周围熊熊燃烧。(哈盖特)
• 自然地理学可能为地球系统科学所 替代或需要进行脱胎换骨的改进
6．新生代 衰落与第四 纪全球变化
7．全新世 及近2000年 的全球变化
8近现 代全球 变化
9．未来 全球变化 及其影响
10 中国的环境演变及影响
4.2 全球变化（第二版）
• 2006年被批准列入普通高等教育“十一 五”国家级规划教材 • 坚持第一版的编写目的和编写思路 • 根据地球系统科学和全球变化研究的基 本思想和最新进展，对各章节的内容进 行了改写， • 保持第一版基本框架的同时，对章节进 行重新编排。
– 对该方程进行微分——包括所有分析该方程随 时间变化因而一种平衡状态被打断并被另一种 平衡状态取代时各种关系的方法的那些研究。
– 第四层次：应用该方程——自然地理学的研究成果被 导向应用问题（管理）。 – 第五层次：鉴赏该方程（文化自然地理学）。
2.2 全面理解地理学的思想传统
人地关系
人地耦合系统
《全球变化》（修订版）章节结构图
1基本概念与研究进展 全球变化 研究的原 理与方法 2地球系统与全 球变化的过程 3全球变化 的驱动力 7全球变化的 影响与响应
4全球变化研究方法 全球变化 的过去现 在和未来 全球变化 与区域环 境演变
5过去全 球变化
6．人类活动与现代 和未来的全球变化
8 全球变化影响 的历史和未来
– 国际地圈生物圈计划（IGBP）的研究计划 如同一部自然地理学大纲。 – 作为全球变化科学基础的地球系统科学的内 涵较自然地理学深刻的多 – 新自然地理学？
提要
1 全球变化科学
2 “全球变化”课程定位
3 “全球变化”课程建设过程 4 《全球变化》教材
2.1建立地理学的时间观念
（全球变化）
变化：驱动力-过程-表现-影响与响应
2000年版
–十多年前，人们认识到：地球是作为一个 系统在运行着。人们对地球作为一个系统 如何运行、该系统的各部分如何链接、甚 至于系统各种组成部分的重要性，知之甚 少；对这个系统的反馈机制理解的不是很 清楚，对控制系统的动力亦如此。 –过去10 年间，对人类如何引发全球变化 的理解有了巨大突破。人们在地球系统变 化的许多方面尝试将自然诱因与人类活动 诱因分开，并获得了成功——IGBP2001
（古地理学） 现代景观遗存
系统/圈层 空间/空间尺度
宇宙 生物圈 地球 生态系统
部门地理
地理要素：
区 域 地 理
有机组织
群落
因子
过程
景观形态
细胞
种群 生物个体
区域： 差异 关联
原子
构建以时间为主线的知识体系
• 自然地理学家研究的层次（格雷戈里， 2006 ）
– 第一层次：研究该方程的要素或组成部分——即研究 组成成分本身（部门自然地理） 。 – 第二层次：平衡该方程——研究该方程在不同尺度上 和自然地理学不同分支中平衡的方式(环境)。
对外战争
经济系统 周边政权
Science China Earth Sciences ，2015
Science China Earth Sciences ，2013
把科学研究的视角和思维带入到教学 • 培养学术敏感性与 科学思维能力， • 了解研究是什么？ • 知道如何做研究？
3.3 通过教学促进科研
大学地球科学课程报告会
全球变化课程与教材建设
方修琦 北京师范大学地理学与遥感科学学院 （xfang@bnu.edu.cn）
2014.11武汉
提要
1 全球变化科学与地理学
2 ―全球变化‖课程定位 3 ―全球变化‖课程建设过程 4 《全球变化》教材
1.1全球变化（Global Change） What is Global Change?
全球变暖与变暖停滞
2.4 培养科学思维和创新意识
• 认识问题的角度 与研究论证过程 • 从对数据、曲线 、地图的分析解 读中获得结论 • 确定性与不确定 性，学术争论
图1 1873-2012年中国区域地表气温年 平均距平变化（相对于1971-2000年） 其中T13序列（1909-2010年）基于 Cao et al（2013），TD序列(18732012年）基于唐国利等（2005）， WTG序列（1909-2010）基于王绍武 等（1998）。
– 把地球的各个组成部分作为相互作用的一个 系统加以评述，将透视和理解地球系统随时 间的演化作为地球系统科学的最终目标。
• 1988年NASA 《地球系统科学》正式系统地阐述 了地球系统和地球系统科学的观点。
– 将地球的大气圈、水圈（含冰雪圈）、岩石圈和生物 圈看作是一个有机联系的地球系统，
– 发生在该系统中的各种时间尺度的全球变化 是地球系统各个子系统（圈层）相互作用的 结果，三大基本过程（物理、化学和生物过 程）相互作用的结果。
9 中国的环境演变及影响
《全球变化》第二版突出进步的主要改进
（1）根据全球变化研究所取得的新共识，强化 作为全球变化科学基础的地球系统科学、控制
HUMAN
•INSTITUTIONS (Banking, judicial, Education) •POLICY (Incentives, Conservation, Land tenure) •CULTURE (Perception, values, Ethics) •ECONOMY (valuation, costprofit, discounting) •DEMOGRAPHICS (Number, gender, Consumption, age)
教学目标 • 知识：从时间维认识地理环境的过 程、区域特征的形成、以及人地关 系，使学生建立起地理科学是时空 耦合的综合科学的观念。 • 科学：介绍地理学研究的学术前沿 • 能力：研究性思维
基本思路
• 以时间为主线：构建时间维的地理学视角 • 以地球系统科学思想为基础：区别于单一 要素的部门地理 • 以人地关系为主题：区别于地球科学其他 分支的全球变化 • 从全球的视角理解区域的变化：区别于区 域地理学与古地理学 • 以实证为案例：通过全球变化事实的理解 机理
提要
1 全球变化科学 2 “全球变化”课程定位
3 “全球变化”课程建设过程
4 《全球变化》教材
3.1北京师范大学《全球变化》课程简介
• 历史：
– 1982： 《环境演变》 （张 兰生，方修琦，任国玉，杨 志荣） – 1998：更名 《全球变化》 （方修琦，叶瑜）
• 课程性质：专业选修课 • 学分：2学分 • 教材：张兰生，方修琦， 任国玉. 全球变化. 高等教 育出版社. 2000
动态的人地关系
COUPLED ENVIRONMENT SYSTEM
LAND USE
UTILIZATION
•BioGeochemistry (soil fertility, OM levels, Fluxes) •BioDiversity (Species, community, Landscape, Genetic, Functional) •BioPhysics (albedo, Energy exchange, Structure)
1. Global-scale changes that affect the functioning of the Earth System 2. Much more than climate change 3. Natural as well as anthropogenic changes 4. Socio-economic as well as biophysical
3.2北京师范大学教研相长的的时间维 自然地理学研究与教学传统
周廷儒：古地理学——现代自然地 理环境的历史建构（1960年代）
课 程
古地理学（1962） 环境演变（1982）
张兰生：环境演变——时间为主线 的自然地理环境研究（1980年代）
3.3 依托科研进行课程建设
跟踪全球变化国际研究前沿， 及时更新教学的内容 • 学术论文 • 国际计划网站 • 学术会议报告
科学研究前沿：国际科学计划引领
未来地球 地球科学联盟
世界顶级的科学：21世纪地学革命
19世纪：生物进化论
20世纪：板块运动
21世纪：地球系统科学？ • 世界顶级的科学，21 世纪地球 科学的突破点所在。 • “第二次哥白尼革命”：从 地外看地球的整体
科学经济政治化：国际社会关注热点
科学认识 政治共识 全球行动