1、第二章 全球变化的主要过程与驱动力,主要内容：,第一节 全球变化的主要过程 第二节 全球变化的驱动力 第三节 全球变化的概念模式,第一节 全球变化的主要过程,一、气候系统与水文循环过程 二、固体地球系统与岩石圈循环过程 三、生态系统与生物地球化学循环过程 四、人类生态系统与人类活动过程,一、气候系统与水文循环过程,注意的几个方面,物理气候系统的组成及驱动力 气候形成和维持的物理过程：相关的因素 加热率、输送过程，海-气响应等物理因子 某些生物和化学过程的影响 气候变化：气候系统内部的过程 地球其他子系统过程,地球表面的能量收支平衡与温室效应 决定了气候系统的加热率。影响因素有三： 到达地球的太
2、阳辐射能：太阳辐射强度、地球轨道要素； 地球的行星反射率：云、冰雪、植被等； 进入地球系统中的太阳能在其中滞留的时间：某些微量气体，其与温室效应相联系,大气和海洋环流 地面是大气热机的主要热源； 海洋吸收了到达地面80%的太阳辐射，并将其转化为驱动物理气候系统的动力； 海气间的耦合作用：海洋释放潜热和感热推动大气运动，从而影响气候，而大气通过风应力将动量传送给海洋，影响海洋环流，由此气候系统通过大气和海洋实现了物质和能量的传输与转化。,三圈环流的模式图：平均经圈环流,一月份海平面等压线分布图,亚洲高压,阿留申低压,冰岛低压,七月海平面等压线的分布图,亚洲低压,夏威夷高压,亚速尔高压,大气纬圈环
3、流（沃克环流：Walker Circulation ）：,季风环流（Monsoon circulation）,全球洋流图,温盐输送带理想化图示,环流异常：厄尔尼诺与拉尼娜现象,厄尔尼诺（El Nino）现象 含义溯源：在赤道东太平洋的厄瓜多尔南部和秘鲁北部沿岸，圣诞节前后经常发生的海水异常升温现象。第一次直接记录为1795年。 科学概念：赤道东太平洋海面温度（SST）出现大范围持续异常升高，具有约37年的周期。 空间范围：010S，18090W。 拉尼娜（La Nina ） 指赤道太平洋东部和中部海表温度大范围持续异常变冷（连续6个月低于常年0.5以上）的现象。 恩索（ENSO ）事件 厄尔尼
4、诺现象及拉尼娜现象被统称为厄尔尼诺-南方涛动(El Nio-Southern Oscillation, ENSO)现象,南方涛动指数（SOI）：塔希提岛与达尔文之间的标准海平面气压差。 SOI为负表示东太平洋气压低于印度洋气压； SOI为正表示东太平洋气压高于印度洋气压。,图示,与厄尔尼诺相关联的降水和温度分布型,水文循环与气候系统中的反馈过程,气候与水文系统过程的有机联系 水循环过程：控制地球温度和云层的形成、输送和消散，及其与太阳辐射的关系； 气候过程：控制着陆、海表面和大气的相互关系，引起气候系统中一系列重要的反馈过程。 水汽反馈：总体为正 云辐射反馈：可正可负 冰雪圈反馈：大气热量平衡
5、中的冷却作用，正反馈 海洋的反馈：对大气运动和气候系统有重大影响,二、固体地球系统与岩石圈循环过程,系统的主体 系统的驱动力 主要过程 板块运动过程 陆上风化与侵蚀堆积过程 海洋沉积过程 影响,板块运动过程 板块构造理论：发展历程 板块运动的动力 板块运动的形式,三种板块边界类型,汇聚型之海沟-山脉,汇聚型之海沟-岛弧,平移型之转换板块边缘,离散型：大洋中脊,离散型之大陆裂谷带,张烈运动发展过程： 初期：裂谷 中期：內海 末期：中洋脊,张烈型边界,汇聚型边界,大陆与大陆间：喜马拉雅山脉,离散型（大洋中脊）,东非大裂谷（East African Great Rift Valley ）,平移型边界
6、,陆上风化与侵蚀堆积过程 与板块运动共同塑造地球的地貌形态； 为气候、水文和生物过程提供多样化空间； 主要营力：流水、风、生物等。,岩浆,沉积岩,变质岩,岩浆岩,地壳物质循环示意图,侵入型,喷出型,高温重熔,高温重熔,高温重熔,外力作用,外力作用,冷却凝固,变质作用,变质作用,海洋沉积过程 板块运动决定大洋盆地格局，而侵蚀和沉积作用改造海底地貌； 沉积场所 沉积类型：碎屑、化学沉积 沉积分带（气候和海底地形复杂）： 纬度分带：沉积的物质和沉积速度等因纬度而不同，极地冰川带广泛出现冰川海洋沉积，亚热带褐粘土沉积十分发育，赤道带生物沉积旺盛。 环陆分带：自陆向海，沉积速率和沉积厚度越低，沉积物的颜
7、色从偏灰绿逐渐变为红褐。 大洋沉积是岩石圈物质循环转换的重要环节 碳酸盐补偿深度（Carbonate Compensation Depth：CCD）、缺氧层（Oxygen minimum）,三、生态系统与生物地球化学循环过程,生态系统的结构和功能,功能之一：能量流动,生态系统的运转、生物之间及生物与环境之间的物质和能量交换通过一系列的生理过程实现； 生物量是该过程的最终表现。,生态系统多样性：海陆分异、地貌分异； 生态系统分类 生态系统与全球变化：(Global Change and Terrestrial Ecosystems：GCTE) （1）生态系统生理学：CO2增加的效应；生物地球化学
8、方面的变化；植被变化对水和能量通量的影响；综合研究内容（全球变化条件下生态系统生理学的综合模式；陆地生态系统中的碳储库与碳通量）。 （2）生态系统结构的变化：局地尺度动力学；局地至区域尺度的模式；关于元素循环和气候反馈的区域尺度至全球尺度植被变化模式。 （3）全球变化对农业和林业的影响：全球变化对主要农作物种类的影响；害虫、疾病和杂草的变化；全球变化对土壤的影响；多种（复杂）农业系统的综合实验和模拟计划。 （4）全球变化与生态复杂性：生物多样性和生态复杂性对生态系统功能的影响；全球变化对生物多样性和复杂性的综合影响；全球变化对孤立种群变化性的影响。 IGBP&IHDP:土地利用/覆盖变化（La
9、nd Use/Cover Change:LUCC）,生物地球化学循环过程（生态系统的功能之二：物质循环） 概念：指H、O、C、N、S、P等元素在固体地球、大气圈、水圈和生物圈中的传输转换过程。 类型 水循环：是生态系统中所有物质循环过程的“驱动机”。 气体型循环：储存库是大气和海洋，其循环与大气和海洋密切相联，具有明显的全球性，循环性能最为完善。O、 C、N、Br等； 沉积型循环：储存库是土壤、沉积物和岩石，而无气体形态，其循环的全球性不明显，循环性能也不完善。、Ca、K、Na、Mg、Fe、Si等；,水循环与磷循环示意图,控制生物地球化学循环过程的关键环节：,生命活动过程：Gaia 假说（P4
10、1） 土壤地球化学过程：受陆地生态系统的调控。 海洋化学过程：受海洋生态系统的调控。 大气化学过程：由生物圈（海洋和陆地生态系统）对气体的吸收和排放过程调控。,全球碳循环,人类生态系统的构成 组成：自然生态系统、人化自然生态系统、人工自然生态系统； 发展阶段和类型 采集狩猎系统（最初形态）：以人类能够制造工具并利用工具从自然界捕获和采集食物为标志。 农业系统：导致人类食物来源的根本性变化。 工业城市系统：是以人口高度集中，以人为中心的人工复合生态系统。,四、人类生态系统与人类活动过程,图 人类生态系统的组成,人类生态系统中的物质、能量流动 人类生态系统是建立在人为控制的，大量的物质和能量输入与
11、输出基础之上的人工系统，它的物质和能量转化，迁移都不是闭合的循环过程，需要大量的物质和能量持续不断的输入才能维持系统的正常运转。 人类生态系统的物质和能量的输入和输出过程超越了空间和时间的限制。,第二节 全球变化的驱动力,三类因素：周期性的、非可逆性的、随机性的； 三类驱动力：地球外因素、地球内因素和地球系统自身相互间的影响和反馈。,驱动全球变化的地球外因素 太阳活动：直接驱动了发生在地球表面的各种过程。太阳辐射的变化引起了全球变化。太阳黑子活动在101 102年尺度上存在显著的周期变化,地球轨道参数的变化 偏心率、黄赤交角、岁差这些地球轨道参数随时间变化，引起地球接受太阳辐射的季节和地区分布
12、的变化。 米兰科维奇（Milankovich）理论认为：偏心率、黄赤交角和岁差等地球轨道三要素的变化，造成了到达北半球中高纬度的夏季日射量变化；然后，这种变化通过日射量/地面温度/冰雪覆盖/反照率反馈，造成冰期间冰期旋回。认为夏半年日照量的减少是冰期形成的主要因素。 该理论假说存在的问题：冰期建立机制、反馈放大作用、主导周期变化。,图 偏心率、倾角、岁差的变化及引起的地球接受的太阳辐射的变化,地外物体的撞击作用 撞击引起一系列的物理、化学和地质作用过程； 短期环境影响和深远的影响 导致地球内部物质的重新分配，可能触发海底扩张和大陆漂移等； 大量汽化物质，细微的熔融溅射物质和尘埃等输送到平流层及
13、近地空间，引起降温效应,二、驱动全球变化的地球内力因素,海陆分布变化 高海拔的山地或高原的隆起 火山活动,海陆分布变化（ 106 107年尺度 ） 大陆漂移和海底扩张以及与此相关的海面升降，造成海陆分布格局及海洋和陆地面积对比的变化，陆地的位置和组合关系不同，对全球的温度和降水产生深刻的影响。 洋盆形状与海陆分布格局变化导致大洋环流形式的变化。 海陆分布格局变化对生物进化的影响。,高海拔的山地或高原的崛起 尺度：104 105年 第四纪板块运动：高原山地的强烈隆起和沉积盆地的拗陷； 影响： 提供冰、雪积累的场所 深刻影响全球大气环流 青藏高原在我国乃至全球环境中有重要的地位，高原的隆升增强了亚
14、洲季风，形成了我国西北辽阔的干旱沙漠和举世闻名的黄土高原，对于我国自然环境的形成和分异，自然资源的空间配置，人类活动的区域特点等起了决定性的作用。,火山活动 火山活动与板块边界 影响,三、全球变化中的人文因素,人类生态系统的建立和维持过程：人类活动影响全球变化 形式：土地利用、化石能源与矿物燃料开发使用 表现 地球面貌：LUCC 自然过程：加速或减缓、新的过程 系统成分 结果：导致自然系统的功能失调和变化，并通过累积性或系统性变化导致全球变化。,地球系统科学联盟（ESS-P）：世界气候研究计划（WCRP）、国际地圈生物圈计划（IGBP）、国际人文因素计划（IHDP）和生物多样性计划（DIVER
15、SITAS）等组成。,侧重描述全球变化中的人文因素的影响，研究全球环境变化影响下，土地利用/土地覆盖变化（LUCC）、全球环境变化的制度因素、人类安全、可持续性生产、消费系统以及食物和水的问题、全球碳循环等问题。 http:/www.ihdp.unu.edu/ http:/www.ihdp- （ IHDP：International Human Dimensions Programme on Global Environmental Change）,地球系统内部的反馈作用与全球变化 外力作用下系统自身耦合反馈作用产生短尺度变化，eg.厄尔尼诺； 地球系统自身变化引起长时间尺度上的全球变化，eg
16、.生物进化、地球大气演化过程。,厄尔尼诺,生物进化,第三节 全球变化的概念模式,不同时间尺度上：变化的驱动因素、系统成分、变化的过程、变化的幅度及空间尺度,几十至几百年尺度变化的概念模式 自然变化对人类有重要影响；人类活动对全球变化过程的影响最明显。 决定于两个主要的相互作用系统：物理气候系统和生物地球化学循环系统 。 驱动力：太阳辐射变化； 突出表现及研究计划,几千至几十万年尺度上全球变化的概念模式 因地球轨道变化而产生 主要变化过程 物理气候系统过程 生态系统过程 生物地球化学循环 地貌发育 全球变化的突出表现：冰期间冰期交替、海平面升降、海进海退等,几百万年尺度变化的概念模式 通过对过去发生的事件的解释得到发展； 三类过程： 地核与地幔过程 板块构造过程 太阳驱动过程,谢谢,
