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全球变化课程专题之一作业
王祖正，B12166，土壤侵蚀与水土保持方向，博士生
全球变化是地球系统演化过程的客观事实,已成为当前地球科学研究所关注的热点问题之一。全球变化的机制, 主要涉及温室气体的气候效应、CO2 与生源要素循环和气候系统中的水循环三大基础科学问题.全球变暖是客观事实, 但由于多种原因, 全球升温多少存在不确定性。我国在全球变化领域内的研究已经逐步从区域响应拓展到全球问题。全球变化的过程涉及自然、经济和社会各个领域,全球变化的适应研究也不单单是一个自然科学问题,而是自然、经济和社会科学等各个领域均可从各自的角度开展研究。
1、全球变化基础科学问题的实质
1.1温室气体的气候效应
时至今日, 从19 世纪到20 世纪百余年，经过傅立叶(J.Fourier)（1827 年）、廷德(J.Tyndall)（1863 年）、阿伦尼乌斯(S.Arrhenius)（1896 年），等物理学家的努力,作为基础知识的温室效应已经确定无疑.但是，地质历史上CO2 含量与大气温度不是简单的线性关系, 这种关系的揭示, 既要有地球科学的资料、又要求物理科学的理论。温室效应的理论认识上还有着显著的不成熟性。
1.2 CO2 与生源要素循环
地球上的碳循环是表层和深部结合、短期与长期过程交织的产物。碳循环研究中另一个重大问题, 是多种生源要素的相互作用.碳循环不能孤立起来研究, 作为生物地球化学过程, 必然和水循环和N, P, Si, Fe 等其他营养元素的循环密切相关, 其中氮循环尤为突出。
1.3气候系统中的水循环
全球变化中温室气体的气候效应,实际表现为水循环的变化。贯穿全球变化基础科学问题的两大红线,就是穿越地球各大圈层的碳循环和水循环。地球上的气候变化,也正是通过水循环才能实现的。从全球变化的角度看来, 水循环研究中的关键在于其三相转换的过程和影响，以及季风。在更大的时空尺度上，地球的水循环涉及地球的深部过程，是地幔与地球表层系统的相互作用。
2、全球变化研究主要进展与共识
在过去10 余年中,几十个国家众多的科学家投身于全球变化科学的研究,取得了一系列重要进展,这些进展主要包括: ①对地球系统进行了空前的多学科交叉研究。②提出了地球系统中的几个关键性问题。③对地球系统的碳循环有了深入认识,初步找到了所谓丢失的“碳汇”。④热带海洋观测系统(GOOS)的建立。⑤过去全球变化研究(PAGES)。
3、中国全球变化研究进展
中国科学家在全球变化领域做出了具有中国特色的国际性贡献,完成了一批具有国际影响的研究成果: ①中国科学家提出东亚季风系统和季风区域的概念,并建立了季风区域环境演化序列。②青藏高原的气候环境变化研究成为国际关注的学术热点。③在全国范围的气候植被分类,区域蒸散模式与自然植被NPP 与碳储量的空间格局,土壤有机碳库的储量,生态系统的碳密度与收支等方面。④在大气水循环、流域水循环、水循环的生物过程、社会经济与水循环、农业与水承载力等与农业有关的诸多水问题方面取得了重大进展。⑤我国科学家已从积极参与国际计划逐步转向由我国主持在世界上开展了一系列大型全国性科学实验。
4、全球气候变化的影响因素及不确定性
影响气候变化的因素很多, 主要有温室气体、太阳活动、气溶胶、地球轨道变化以及大气和海洋环流等.主要可归为人为和自然因素两类.前者指人类活动引起的温室气体和气溶胶排放, 后者主要包括太阳活动、火山爆发等因素。这两类影响因素的相对重要性直接影响着全球气候谈判以及国际社会应对、适应和减缓气候变化的政策走向和行动取向。
4.1 温室气体的作用
温室气体是指大气圈内能吸收红外辐射使大气温度升高的气体.大气中的主要温室气体包括水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、对流层臭氧(O3)、氟利昂类物质(CFCs)等.温室气体对大气升温的贡献大小取决于其在大气中的浓度(含量)和温室效应强度.综合这两种特性, 主要大气成分水汽、CO2,CH4 及O3 对温室效应的贡献大小分别为36%~72%,9%~26%, 4%~9%和3%~7%。
4.2 气溶胶的作用
气溶胶是大气中的一种微小颗粒, 主要由火山爆发所产生的火山灰、化石燃料排放所产生的大气污染物、生物质燃烧所释放的微粒等组成。气溶胶通过影响大气化学过程、辐射过程和云物理过程的变化而影响近地表辐射平衡和气温。绝大部分气溶胶,对大气产生降温作用;但也有少量的具有增温效果。此外, 气溶胶通过影响水云并引起云反照率效应，产生间接的降温作用。
4.3 太阳活动的影响
太阳是地球热能的最主要来源, 太阳活动与地球温度变化关系密切.但太阳活动变化对地球温度变化的影响到底有多大还很不确定.4.4 火山活动
火山活动也是重要的自然因素之一, 火山喷发产生的火山灰和气体通过影响大气的辐射传输而降低地球平均气温。目前无法正确定量火山等自然因素对气候变暖的作用。
5、CO2 排放与气温变化的关系
目前人们最关注的是CO2排放.主要原因是CO2 不仅为最大的人为源温室气体, 被认为是影响目前温度上升的最大因素, 而且与其他温室气体相比, 控制其排放的可能性更大。
5.1 全球碳循环与大气CO2 浓度增量的来源
气温升高的响应.对地球自然源和人为源CO2 总排放量以及总吸收量进行概算表明,地球总排放量与吸收量之间收支不平衡, 相差约有20 PgC, 这相当于目前人为活动总排放量的2 倍，可见，增加的大气CO2 浓度是否都是人为排放的, 是一个不确定性的问题.5.2 碳排放与增温的关系
CO2 浓度升高与增温之间的关系是一个有争议的问题.IPCC认为, 目前的升温很有可能是由CO2 等温室气体浓度的增加导致的，对这一物理过程以及逻辑本身, 科学界是达成共识的。但是大气温度的变化除温室气体外, 还受其他因素(如自然过程以及气溶胶等)的影响，把气候变暖简单归结为温室气体浓度升高可能是片面的.6、全球变化研究面临的挑战及应对策略
6.1 全球变化研究面临的挑战
全地球及其各个圈层都是一个复杂巨系统。对于复杂巨系统的全球变化,仅靠建立在牛顿质点动力学基础上的理论体系,难以全面、客观、准确地进行描写,需要在牛顿质点动力学基础上,发展一种描写复杂系统尤其是描写其非线性突变过程的新的理论体系。
6.2 应对策略
全球变化研究是地球系统的复杂巨系统的问题研究。全球变化及其适应研究应采取以下策略来解决:(1)在空间尺度上,应采用整体观方法论(2)在时间尺度上,应该是长短时间尺度环境研究相结合(3)在人地关系方面,应加强地球环境对人类活动的影响及社会经济对全球变化的适应性研究。
7、我国研究全球变化机制问题的重点举措
7.1 开展长期观测—科学和技术的结合我们能够在国际水平上提出自己的科学问题, 能够自己改进、甚至发明仪器进行观测, 就有可能做出新的探测、取得新的突破, 而其中的关键就是科学和技术的结合7.2 穿越时空尺度—不同过程的辨识
全球变化首当其冲的科学难题是人为因素与自然因素的区分, 而其中关键在于不同时间尺度变化的辨别.最近我国学者正在大洋碳循环的研究, 上溯到晚新生代的轨道长周期、中生代的大洋缺氧、和古生代灭绝事件中的碳位移,;研究现代气候学的大气科学家、研究现代微生物的海洋科学家, 也都开始对于地质时期的季风演变、海洋碳循环历史发生兴趣。
7.3 促进学科交叉—发展比较行星学等学科
学科交叉, 在我国基础研究中不断强调, 但在实践中却并不理想, 包括数理科学参加全球变化研究的经历在内.这里面存在着缺乏得力措施、受制于旧有传统等多种原因, 而归根结底都是要求科学工作者对于本身之外的其他学科也能发生兴趣.7.4 设置大型计划—发挥我国自然条件的优势
近年来我国已经采取措施, 制订了战略规划、设置了超过以往规模的较大型计划.结合我国优势设计大型研究计划, 有待于学术界的深入讨论.这类大型计划的组织和实施, 都要求管理体制和研究风格上的革新.8、总结与启迪
全球变化作为科学问题,已经变为探索地球表层系统运作模式的“地球系统科学”, 并进而研究地球内部与表层系统的连接, 探索“行星系统”或者“地球的连接”.同时也进一步揭示了地球系统的复杂性.地球系统里的“温室效应”决不只是物理学的温度变化, 而是引发出一系列的生物地球化学过程, 产生出高度非线性的后果。
气候变暖是客观事实, 但变暖程度存在不确定性，全球到底升温多少存在不确定性。人类活动和自然因素共同影响着气候变化,其相对贡献难以量化无论是自然因素, 还是人为因素, 它们对全球温度变化的影响存在不确定性, 尤其是气溶胶。IPCC 认为CO2 等温室气体浓度的增加是全球变暖的主要因素, 但存在很大的争议.全球变化的基本原因是物质与能量的变化，无论是水循环，碳循环或其因素的循环，其基本原理都是能量与物质循环。因此深入研究地球物质与能量的循环机理是研究全球变化的需求。
