第一讲全球变化科学产生的背景及全球变化研究的主要问题1，全球变化科学产生的背景:1、从硬件上看, 科技的进步。

2．从社会需要角度来看，目前公认人类活动对全球变化主要产生以下十大环境问题的影响，急需国际合作共同解决,即,（1）大气污染,（2）温室效应：（3）臭氧层被破坏：（4）土地沙漠化：（5）水的污染：（6）海洋环境恶化：（7）森林锐减：（8）物种濒危：（9）垃圾成灾：（10）人口增加过快：,2，我国的能源资源储量情况：我国的能源资源非常有限，常规能源仅占世界总量的1/10；●以目前的能源消耗速度：①我国的石油资源将于30年后枯竭；②我国的天然气资源将于50年后枯竭；③我国的煤炭资源也将于150年后枯竭；●我国目前一半以上的石油资源依赖进口，50年后世界主要能源也将逐渐陷入枯竭，3，全球变化（Global Change）：PPT1-294，IGBP(国际地圈-生物圈计划,又称全球变化研究计划)，该计划的酝酿和执行是全球变化科学发展史上的重要里程碑。

IGBP的科学目标。

①分析作为地球系统动力学定义的物理、化学和生物交互过程；②分析在这些动力学过程中发生的变化；③分析人类活动在这些变化中的作用。

4，全球变化科学研究的主要内容：（1) 研究地球系统复杂的多重相互作用的机制，是目前全球变化最主要的研究内容。

（2) 分析地球系统各种尺度的变化规律和控制这些变化的主要因素。

（3) 建立地球系统变化的预测理论方法。

（4) 提出全球资源和环境科学管理的方法。

全球变化科学的精髓是系统地球观。

全球变化科学强调将地球的各个组成部分作为统一的整体来加以考察和研究。

强调将大气圈、水圈、岩石圈和人类与生物圈之间的相互作用，将地球上物理的、化学的和生物的基本过程之间的相互作用，以及人类与地球之间的相互作用联系起来进行综合集成研究。

5，地球系统包括快变化系统和慢变化系统：快变化系统：如大气、陆面、上层海洋。

从气候角度看，这些是最活跃的研究内容，这个系统的变化时间尺度范围从几个月→几年→几百年。

慢变化系统：如深层海洋、冰川冰盖、内地圈。

这个系统主要与地球固体气候发展史有关，该系统变化的时间尺度比较长。

6，全球变化科学：目前学术界是将研究作为整体的地球系统的运行机制、变化规律和控制变化的机理(自然和人为的)，并预测未来变化的科学，称为全球变化科学，它研究的是一个行星尺度的问题。

全球变化研究是以地球系统科学作为指南，从行星地球整体角度出发，将地球的大气圈、水圈、岩石圈和生物圈看成是有机联系的全球系统，把太阳和地心作为两个主要的自然驱动器、人类活动作为第三促动因素，发生在该系统中的全球变化是在上述力的驱动下，通过物理、化学和生物学过程相互作用的结果。

7，全球变化研究的核心计划（PPT1-62）1、国际全球大气化学(IGAC)；2、全球大洋通量联合研究(JGOFS)；3、海岸带陆地海洋相互作用(LOICZ)；4、水循环的生物圈方面(BAHC)；5、全球变化与陆地生态系统(GCTE)；6、过去的全球变化(PAGES)；7、土地利用与土地覆盖变化(LUCC)；8、全球海洋生态系统动力学(GLOBEC)；8，IGBP的3个框架性计划：1）全球分析、解释与建模(GAIM)；针对“如何才能将我们关于地球系统的各个子系统的知识综合起来，提出一个具有预测能力的数值框架？”这个问题而提出来的。

作用是：分析现有的模式和数据；解释现有的模式和实验计划的性能；推进和综合我们对全球生物地球化学循环以及它们与水文循环的联系、甚至与整个物理气候系统的联系的了解。

2）数据与信息系统(DIS)；两个主要内容是：（1)数据管理。

（2)全球数据库的开发，建立陆地覆盖变化的全球综合数据库。

该工作的目标是开发、验证能够监测一系列环境中陆地覆盖特征及其变化的方法、并随后在全球范围推广使用。

3）全球变化的分析、研究和培训系统(START)；它是一个包括世界不同区域研究网络（RRN）的系统，每一个RRN包括一个区域研究中心（RRC）和若干个区域研究站（RRS）。

区域研究中心是本地区的信息中心并起着协调地区内外的作用。

RRN通过RRC相互联系，形成全球系统，通过它进行科学信息的分发，以组织研究和执行国际上主要的核心计划。

9，IGBP PhaseⅡ的概况：2003 年，IGBP正式进入第2个发展阶段。

其核心内容是打破原先按领域设计的核心研究计划界限，重新设计6个研究计划，重点是地球系统的3个主要组分即海洋、陆地和大气从过去→现在→未来三者之间的综合集成研究，并保留PAGES及GAIM使其从整体上致力于地球系统变化机制的分析、理解和把握。

10，全球变化科学的理论和意义主要表现在以下几方面：1）、全球变化研究是人类社会实现可持续发展的科学基础。

2）、有利于深化对地球系统的认识，促进地球科学、应用基础科学和社会科学的共同发展，从学科性质及其与传统地球科学的区别上看，全球变化研究是一门以学科之间交叉地带为主要研究领域、以学科之间相互渗透和结合为主要研究方式的交叉学科。

3）、推动世界科学进步、促进世界和平，它促进了国际性交叉学科队伍的形成，它以世界前沿学科生命力强和交叉学科多生长点的优势促进了国际科学界的交流与合作，也促进了世界的和平与发展。

第二讲全球变化的主要特征、过程与过去全球变化重建1，全球变化的时间尺度：从时间的尺度看，全球变化可以划分为5个特征时间尺度，从大到小分别为：（一）几百万年至几十亿年；这一时间尺度的事件发生在地质历史时期内。

（二）几千年至几十万年；这一时间尺度的事件发生在距今最近的一个地质时期——第四纪的晚期和人类历史时期内，主要受到地球轨道参数如偏心率、黄赤交角和岁差等变化的影响。

(三)几年至几百年；这一时间尺度的事件发生在年际到百年际，主要包括太阳活动、火山活动、大气环流的长期变化和厄尔尼诺—南方涛动等自然现象。

（四）几天至几个季度；如季节的更替，气温、降水和地表径流的季节波动，植物群落季相和农事季节的更替，候鸟的迁徙（五）几秒至几小时：日变化是它的本质特征，太阳辐射量输入的日周期是构成这种变化的主要驱动因子。

2，全球变化的空间尺度：从空间的延展方面，全球变化大致可以划分为4个特征空间尺度，从大到小分别为：（一）全球尺度：空间范围在20 000km以上，大约相当于半球至全球尺度。

特征事件有太阳辐射能的分布，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。

(二)区域尺度：空间范围在100km以上，相应的地域单元有大陆、大洋、陆地上的自然地带和自然地区以及海区等。

特征事件有季风和大型天气过程(台风、气旋、反气旋、锋面)，海流，厄尔尼诺—南方涛动，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—土壤的形成等。

(三)地方尺度：空间范围在10km以上，特征事件有地震，流域的水土流失，中尺度天气系统如中气旋、雷暴等，植物物候期的水平变化，城市气候与大气污染，河流、水域的污染，成矿作用等。

(四)局地尺度：空间范围在数公里以下，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、海陆风，植物物候期随地形的变化，植被冠层的微气象，土壤的养分循环，点源和线源污染事件等。

3，时空尺度的联系性：1）在全球系统中大气是最活跃的部分，大气湍流，大气气旋、反气旋，大气环流和气候变迁的时间尺度可长达几年甚至几千年和上万年。

2）生物圈的变化比较复杂：短尺度的有植被的季节变化，长尺度的有物种的形成、演化和消失。

在空间上植物的变化可从单棵植株到植物群落的演替，生命的起源更是长达几十亿年的尺度。

3）土壤的成土过程从几百到数千年的尺度；土壤的侵蚀过程却很短，仅为几年到几十年甚至一次暴雨冲刷。

4）海洋过程中的中尺度涡旋达几十到几百年尺度5）地质过程中的板块运动、地幔对流、造山运动等往往长达数百万年尺度全球系统中各种事件和过程的时间尺度与空间尺度是相关联的。

一般来讲，较大空间尺度的事件和过程，其时间尺度的范围也较大；较小空间尺度的事件和过程，其时间尺度的范围也较小。

4，冰期与间冰期冰期指由于气温显著变冷，冰川规模扩大和增厚的时期。

在冰期里，高纬度地区的冰盖扩张，向中纬度推进，高山地区的山岳冰川向低地伸展，海面降低，气候和土壤生物带向赤道方向迁移。

间冰期指两次冰期之间由于气候回暖，冰川缩小和消融的时期。

在间冰期里，冰川退缩，海面回升，气候和生物带向两极方向迁移。

5，全球气候波动旋回的级序全球气候的变化有不同的时间尺度，如108～107a、105a、104a、103～102a 和10a等，从而构成了不同的变化级序。

1、108～107a尺度，大冰期和大间冰期，2、105a尺度，具有此尺度的气候变动称为冰期和间冰期。

3、104a尺度，具有此尺度的气候变动称为副冰期和副间冰期，又称冰阶(stadial)和间冰阶(interstadial)，4、103～102a尺度，具有此尺度的气候变动称为小冰期和小间冰期，仅用于冰后期和晚冰期，5、10a尺度，仅用于近代的气候学研究之中。

6，米兰柯维奇理论要点他认为偏心率、黄赤交角和岁差的周期变化改变地表的日照量，足以导致冰盖的大规模进退，是形成第四纪冰期和间冰期更替的主要原因。

米兰柯维奇认为夏半年日照量的减少是冰期形成的主要因素。

米兰柯维奇认为，地球轨道偏心率e值增大，地面接受辐射量减少，气候转冷，出现冰期。

e值变化周期为96.6ka。

他认为地球轨道要素的周期性变化，是更新世气候波动的原因，并计算出北纬45°～70°间（地球上气候敏感区），0.65Ma和百万年来夏季太阳辐射量变化曲线，并将辐射量变化转换为相当的纬度变化（等纬效应），用来解释第四纪冰期历史，这一曲线被称为“米兰柯维奇序列”。

存在问题：首先它不能解释冰期建立的机制，其次，根据地质记录发现，在2.4MaB.P.～0.8MaB.P.期间，41ka的黄赤交角变化周期为主要周期；而在0.8MaB.P.以来却是在三个地球轨道参数中强度最弱的0.1Ma的偏心率周期最为显著；米兰柯维奇理论难以解释为什么会发生主导周期的变化。

7，氧同位素反映的古气侯变化：当水分蒸发时，16O、17O和18O逸出的速度不同，16O为轻同位素，当水汽蒸发时被逸出的量较大，而余下较多的重同位素。

17O含量极微，可以忽略不计。

海水在蒸发过程中，比重轻的同位素首先损耗，使较多较重的18O富集于海水中。

恢复古气侯的依据是：海洋中有分布很广的微体动物——有孔虫(Foraminifera)，其中甲壳层是由CaCO3组成的。

有孔虫生存时，从海水中吸取Ca+2和CO3-2，转化为成介壳，介壳中因而有CO3-2中的氧原子，这些CO3-2在吸收过程中与海水进行同位素交换反应。