1、第四章 全球变化研究的主要途径4.1 地球系统过去全球变化的重建 /基本假设/环境属性信息/空间和时间位置信息/重建过去全球变化的主要步骤4.2 全球变化的动态监测 /观测的主要内容/观测的技术手段4.3 全球变化的模拟4.1地球系统过去全球变化的重建/基本假设4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息有孔虫有孔虫是一类具有壳和网状伪足的单细胞动物，大小近似于海边的一粒细砂，身体的直径多不足1毫米，所以也叫微体生物。有有孔虫孔虫的大多数都有矿物质形成的硬
2、壳，壳上多有开口，壳壁上还有许多小孔。有孔虫有孔虫数量丰富，分布广泛，可生活于各种各样的海洋环境，其壳体可反映出非常有用的环境信息，作为环境指示生物可用于许多研究领域。4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息深海沉积物中有孔虫化石氧同位素与全球变化关系（据Moore，1996）根据根据1818O O值的变化，值的变化，不但可以计算出有不但可以计算出有孔虫生存时期的温孔虫生存时期的温度，而且可以对全度，而且可以对全球冰量的变化进行球冰量的变化进行推断推断4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息
3、深海氧同位素记录与中国黄土古土壤序列的对比（据Rutter，1992）4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息红色条带为古土壤红色条带为古土壤 暖湿气候暖湿气候黄色条带为黄土黄色条带为黄土 干冷气候干冷气候渭南黄土剖面4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息 黄土与古土壤的环境信息指标黄土分布范围冬季风影响范围粒度代表冬季风记录、反映风力搬运强度差异，风场运移过程中，我国从南至北粒度逐渐变小磁化率代表夏季风记录、反映成土作用黄土和古土壤序列中其它的信息如孢粉、植物硅酸体、指示性动物、碳酸盐含量、碳酸盐中C同位素、O同位素、10Be等。4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息4
4、.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息孢子和花粉是植物生命过程中极其主要的繁殖器官和传播器官。其形态、构造、特性以及研究方法上两者有很多相似之处。孢子是孢子植物的繁殖细胞，而花粉是种子植物的繁殖细胞。孢子和花粉在孢子囊或花药中发育成熟后常常要借助风媒、虫媒、水媒或兽媒等传播。洒落的花粉和孢子在经过漫长的地质作用，并保存在岩层中，这种孢子和花粉即称为化石花粉。4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息孢粉显微图 孢粉试样每个取约500g，每个试样中应有孢粉400450粒，作出按百分比为基础的孢粉谱，古植被推断的可信度高。绝大多数孢粉化石大多数较难鉴定到种，使得用其推断古气候受到一定的限
5、制。另外，花粉传播方式、搬运距离远近和沉积地点等对推断结论也有影响。4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息典型植物孢粉图谱4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息植物硅酸体（plant opal）简称植硅体，是指高等植物的根系在吸收地下水的同时，吸收了一定量的可溶性二氧化硅，这些二氧化硅经过植物的输导组织输送到了茎、叶、花、果实等处，而后在植物细胞间和细胞内沉淀下来，形成非晶质二氧化硅颗粒。植物硅酸体分析在恢复古气候方面具有很高的分辨率和灵敏性，硅酸体中碳的13C值可用来恢复古气候，是一个极有价值的指标，尤其是在黄土地层中可以弥补花粉分析的不足。4.1地球系统过去全球变化的重建/
6、环境属性信息4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息 冰芯可提取的环境信息氧同位素比率：由18O推断反应温度冰晶生长形态：反应温度变化冰川年净积累量：反应降水量变化冰中气泡：生成时的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4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息4.1地球系统过去全球变化的重建/
7、环境属性信息树轮记录了丰富的气候、环境信息4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息 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的树种氧同位素：18O碳同位素：13C、14C化学元素含量：反映环境中化学元素变化4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息石笋石笋4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息河姆渡遗址总面积约4万平方米，文化堆积厚度 4 米左右，叠压着 4
8、 个文化层，年代约为公元前 5000-3000 年。其中，第一文化层距今约5000年，第二文化层距今约5600年，第三文化层距今约6000年，第四文化层距今约7000年。河姆渡遗址是我国东南沿海极为重要的新石器时代遗址,其文化特征具有浓郁的江南水乡地域特色,在中华民族远古文化的形成过程中作出了重要的贡献。4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息珊瑚珊瑚Photo by Dean Miller,2002Photo by Jos Hill,2002珊瑚作为海洋环珊瑚作为海洋环境的信息载体，境的信息载体，具有高分辨率、具有高分辨率、记录连续完整、记录连续完整、体系封闭好、代体系封闭好、代用指标
9、多、易于用指标多、易于定年等特点，有定年等特点，有效记录了全球环效记录了全球环境变化的信息，境变化的信息，分辨率可达月。分辨率可达月。4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息硅化木硅化木4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息流流域域输输入入大大气气输输入入地地 下下水水输输入入湖泊沉积记录内内源源 输输入入湖泊沉积湖泊沉积 湖泊是各圈层相互作湖泊是各圈层相互作用的连接点，其沉积物保用的连接点，其沉积物保存了丰富的物理、化学和存了丰富的物理、化学和生物变化的信息。生物变化的信息。4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息4.1地球系统过去全球变化的重建/环境属性信息1 空间位置
10、信息 绝大多数代用资料所赋存的空间位置与其形成时的空间位置大体相同。两种例外的情况：具有很强空间迁徒能力的代用资料易出现易地保存现象。代用资料保存地受后期改造而发生变化。时间载体要求：连续的、不缺失、不停顿；不可逆的。根据时间参照系的不同，可分为绝对年代和相对年代。-14C年代测定 -古地磁测年 -地质年代表2 时间位置信息4.1地球系统过去全球变化的重建/空间和事件位置信息14C年代测定古地磁测年地质年代表4.1地球系统过去全球变化的重建/空间和事件位置信息14C年代测定年代测定 目前14C年代测定的方法有两种，一种是衰变法，利用质谱仪测定样品中的14C所产生的放射性（每分钟每克碳衰变的次数
11、），测定年限小于5万年。另一种是加速质谱仪测量法（AMS）直接测量样品中14C原子的个数，所需样品仅几毫克纯碳，可测量年限达10万年。14C测年的基本假设之一是自古以来大气中14C的含量是不变的，但这一假设不是严格成立的，宇宙射线强度的变化、太阳黑子活动或地磁场的变化都引起大气中14C含量的变化，这种变化势必影响14C测年的准确性。4.1地球系统过去全球变化的重建/空间和事件位置信息古地磁测年古地磁测年 在地球历史上，地球磁场的南极和北极曾颠倒过多次，称极性倒转。其中，105106年长度的极性变化称为极性期，与现代磁场方向相同的时期称正向极性期，反之称反向极性期。在每个正（反）向极性期内，存在
12、着104105年的短暂极性倒转，称反（正）极性事件。如果对每一个极性倒转事件发生的时间进行测定，就可以建立起一个在全球都可对比的古地磁年表，成为全球对比的时间标尺。目前已建立起5MaBP以来较高分辨率的古地磁年表和100MaBP以来较粗分辨率的古地磁年表。4.1地球系统过去全球变化的重建/空间和事件位置信息地质年代表地质年代表 地质年代表是一种用来区分地球历史上各个时期的非固定间距的时间标尺。其基本单位为“代”，其中古生代、中生代、新生代合称为显生宙，最初以地层中生物化石明显增多而与其以前的时期相区别。每个代内可以进一步划分为若干个“纪”，每个“纪”内又划分为若干个“世”。4.1地球系统过去全
13、球变化的重建/空间和事件位置信息4.1地球系统过去全球变化的重建/主要步骤地球系统的外部能量：太阳能、紫外线通量等重要微量气体：CO2、O3、N2O、CH4、CFCS、H2O、CO、气溶胶等大气变量：温度、表面压力、降水、风、水汽、云等地表性质：植被指数、土壤湿度、生物范围、生物量、营养物循环、土地利用变化、地表特征、雪被、水体、地表辐射温度等海洋变量：海面温度、海面气压、大洋环流、海洋叶绿素、CO2、海冰、海平面等地球物理变量：重力、大地水准面、地震、地磁、板块运动等4.2全球变化的动态监测 地球观测系统（EOS）对地观测系统（Earth Observing System，EOS）是美国从8
14、0年代开始，为在航天领域对全球变化研究计划作出贡献，采取与欧空间局、加拿大、日本的合作体制，将有关计划合并而于80年代中期提出的一项计划。EOS计划的目的是：通过更深刻地了解地球的各种情况、现象及其相互作用，认识地球系统，并了解地球系统变化的规律。4.2全球变化的动态监测 由WMO、IOC（政府间海洋学委员会）、UNEP及ICSU（国际科学联合会）合办，致力于包括大气、海洋和陆地的气候系统的监测。4.2全球变化的动态监测 全球海洋观测系统(GOOS)由以下4个国际机构发起并组织实施：政府间海洋学委员会(IOC)、世界气象组织、国际科学联合会理事会和联合国环境规划署。GOOS项目办公室设在巴黎I
15、OC总部。致力于获得与分发有关海洋环境现状与未来状态的可靠评估和预报资料，以便有效、安全和持续利用海洋环境；为气候变化预报做出贡献，以便使广大用户获益；为海洋科学各学科的研究、开发和培训指明方向。4.2全球变化的动态监测 全球环境监测系统（GEMS）。根据1972年在斯德哥尔摩召开的联合国人类环境会议的建议于1975年正式成立。地址在肯尼亚首都内罗毕。它系统地收集、分析和评价各种环境状况变化因素的数据和环境在时间和空间上的变化情况，但不直接承担具体的监测工作，而是负责协调国际上有关的监测活动，特别是联合国系统各组织的有关活动。监测系统支持的活动主要有5个方面：气候的观测，污染物远程迁移的监测，
16、人体健康的检验，陆地可更新资源的监测，海洋污染状况的监测。列举的国际监测项目包括4大类：生态监测，污染物监测，自然灾害监测，环境监测研究。我国从1978年起先后参加了大气污染监测、水质监测、食品污染监测、人体接触环境污染物评价点监测等活动。4.2全球变化的动态监测4.3全球变化的模拟4.3全球变化的模拟 建立模型的作用 在子过程基础上正确和重复地模拟地球系统的某些功能，是检验该过程的认识程度的一种有效途径。模型也是综合概括现有知识和明确关键知识空白的必不可少的途径。模式可以帮助把小尺度的观测和试验结果推广到区域乃至全球尺度。4.3全球变化的模拟局地模式区域模式全球模式退藕次生模拟强迫变化4.3
17、全球变化的模拟 气候模式与气候模拟 生态模式与植被和生态系统动力学模拟 碳循环模式 气候变化评价模型4.3全球变化的模拟 气候模式由一组特定的热力学和动力学方程组成的具有一定边界条件和初始条件的“数学-物理”模型，是用数学方法对某些特定时空尺度的气候系统演变的物理描述。气候模拟利用气候模式对气候与气候变化的事实、规律及未来可能发生的变化进行研究，常用来检测气候变化的敏感性。气候模拟的基本步骤物理过程设计数学物理设计资料设计程序设计4.3全球变化的模拟4.3全球变化的模拟 区域模式（静态/平衡）假设现代的植被与气候之间处于平衡状态，以现代气候与植被类型之间的关系为基础，根据气候和环境参数，预测生态群落的空间分布，尤其是大陆尺度至全球尺度生态群落的分布。动态模式建立在斑块尺度上的、用来动态描述生态系统组成和功能的模型。能够预测通过演替和自然扰动，植被的组成和结构的变化，或预测植被对变化的气候的瞬时响应。（林窗模型）4.3全球变化的模拟4.3全球变化的模拟 气候变化评价模型是一种对气候变化问题之下许多自然和社会要素之间关系进行综合评价的工具。当前考虑了影响温室气体排放的情景以及自然系统的统计、政治、经济变量，包括自然和社会模型。政策评估模型政策最优化模型不确定下的决策模型4.3全球变化的模拟
