《全球变化科学导论》要点总结
第一篇 全球变化研究的基本问题
第一章 全球变化科学产生的背景及其研究内容及意义
1、 什么是全球变化？其产生背景？
答：全球变化作为一个科学术语和一门交叉学科，是随着全球环境问题的出现和人类对其认识程度的不断深化而提出并发展起来的。全球变化科学的精髓是系统地球 观，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，将大气圈、水圈、岩石圈和生物圈之间的相互作用和地球上的物理的、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。即全球变化科学是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 （自然的和人为的），并预测其未来变化的科学。它研究的首先是一个行星尺度的问题——将大气圈、水圈（含冰雪圈）、岩石圈和生物圈看成是有机联系的全球系统，把太阳和地球内部作为两个主要的自然驱动器，人类活动作为第三种驱动机制。发生在该系统中的全球变化是在上述驱动力的推动下，通过物理、化学和生物学过程相互作用的结果。
全球变化科学是在时代发展、科学进步、人类活动的强烈影响和社会需要的背景下产生的，主要表现在以下几个方面：
（1） 硬件条件。在20世纪末，全球国际性应用的探测器和预测预报系统已有约1000个高空站、10000个气象站、3000个飞行器、7000艘充气船、500个浮标、长期立体动态信息库，还有全球海洋观测系统、全球陆地观测系统、全球气候观测系统。
（2） 由于强烈的人类活动和社会经济的飞速发展，目前在全球范围内产生以下十大环境问题，急需国际社会合作共同解决。主要有大气污染、温室气体排放和气候变暖、臭氧层破坏、土地退化、水资源匮乏和水体污染、海洋环境恶化、森林锐减、物种濒危、垃圾成灾、人口增长过快。
（3） 从人类社会文明发展看，全球变化科学的产生是历史进程的必然。
（4） 从历史发展角度看，全球变化研究有其科学思想的代表。亚里士多德第一次提出支持生命的物理系统；加兰第一次提出地球系统科学的概念；弗里德曼第一次提出“全球变化”概念，从此人类开始从交叉学科角度将地球作为全球系统开展研究。马隆是他第一个将全球变化研究付诸实施。
2、 全球变化研究的主要内容和相关国际计划
答：全球变化研究的主要内容：
（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及方法。
（4） 提出全球资源和环境科学管理的建议。
相关国际计划有以研究物理气候过程为主要内容的“世界气候研究计划”（WCRP）、以研究地球系统中生物地球化学过程为主要内容的“国际地圈-生物圈计划”（IGBP）、以研究人类与地球环境变化相互关系为主要内容的“国际全球环境变化人文因素研究计划”（IHDP）、以地球上生物多样性问题为主要内容的“生物多样性计划”（DIVERSITAS）。
3、 什么是地球系统？
答： 大气圈、水圈（含冰雪圈）、岩石圈和生物圈之间存在能量转换，且受太阳能及地核热能影响，是具有一系列相互作用过程的耦合：一是各圈层之间的相互作用；二 是物理、化学和生物三大基本过程和作用；三是人与地球的相互作用。由这三大相互作用过程耦合的复杂关系称为地球系统。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、上层海洋等。从气候角度看，这些都是最活跃的系统，变化时间尺度范围从秒、分、时到日、月、年，甚至几百年。慢变化系统， 如深层海洋、冰川冰盖、内地圈等。这些系统主要与地球固体气候发展史有关，其变化时间尺度一般在千年以上。
4、 全球变化科学研究的意义？
答：（1） 全球变化研究是人类社会实现可持续发展的新科学举措。当今人类正面临着有史以来最为严重的危机，这种危机不仅是人口爆炸、资源短缺、环境污染，更为严重的 是地球整体功能的失调、紊乱，是人类赖以生存的全球环境的变化。全球变化问题的根源在于地球有限的生命支持系统与爆炸式增长的人口数量和消费需求之间的矛 盾。由于人类活动的影响，全球变化的趋势在未来相当长的时间内将继续下去。可持续发展必须以适应全球变化为基础。因此，开展全球变化研究是人类社会接受目 前环境问题的挑战，实现可持续发展的新科学举措。
（2） 有利于深化对地球系统的认识，促进自然科学和社会科学的共同发展。全球变化科学的研究有助于人类对资源、自然灾害等概念认识的深化。同时全球变化科学也关 注全球变化的环境影响、社会影响，以及对策和政策评估研究，这些研究会促进有关决策科学和应用基础与社会科学的共同发展，提高人类应对全球变化的能力。
（3） 推动世界科学进步，促进世界和平。全球变化科学确定的对全球系统研究的整体观，使得各国科学家不像从前那样仅从单个角度去研究地球的局部现象，而更多地从 全球和国际合作角度去研究人类的生存环境问题，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。
第二章 全球变化科学的最新进展
5、国际全球变化研究的主要进展体现在哪些方面？
答：（1）多学科交叉研究的深度和广度在加强，如描述物理、化学、生物等多个过程的耦合模式的发展。同时，诸多研究计划的切实开展都取得了众多高质量的研究数据，并发现了一些新的现象和知识。
（2）全球变化区域响应研究取得广泛进展，全球问题与区域问题的结合更加明确，并达成共识：全球性问题的研究需要由区域研究来完成；区域性研究必须体现全球性问题。
（3）提出了地球系统中的几个关键性问题，如全球碳循环、水循环、食物系统等，将全球变化研究推进到集成研究阶段。
（4）TOGA（热带海洋和全球大气计划）的成功，推动了GOOS（全球海洋观测系统）的建立。特别是在赤道太平洋地区建立了比较完整的El Ni
o监测系统，建立和发展了提前半年至一年预报El Nio发生的数值模式。
（5）PAGES（过去的全球变化（Past Global Changes））在认识气候的自然变率、工业化前的全球大气成分、全球温室气体的自然变化及其与气候的关系、陆地生态系统对过去气候变化的响应、过去气候系统的突发性变化等方面作出了重要贡献。大量观测结果和证据表明：
地球正在变暖并伴随气候系统的其他变化，20世纪全球平均表面温度增加了0.6℃左右；
20世纪是过去千年最暖的一个世纪，20世纪90年代是过去千年最暖的一个时期，而1998年是过去千年最暖的一年；
人类活动产生的温室气体和气溶胶改变了大气状况并进而影响气候，过去50年大多数观测到的变暖事实主要由人类活动产生。这些研究揭示出许多人类先前所未知的事实，被国际社会公认为自然科学的重要进步。
（6） 人们在不断深化对地球系统自然规律认识的同时，也越来越多地认识到人类活动已成为推动地球系统变化的另一强迫力，这种强迫力在十到百年尺度上产生的影响已 和自然力的作用相当或过之。近年来，科学界就人类活动对地球系统的作用和两者关系提出了一系列新概念，如“人类圈”和“可持续性发展”等。
第三章 全球变化的主要特征与过程
6、简述全球变化的时空尺度及其联系
答： 全球变化是地球表层系统多种因素相互作用的结果。地球表层系统作为一个开放体系，太阳辐射、大气成分、大气过程、海陆关系、海洋环流、冰盖、陆地地形、地 表组成物质和人类活动等的相互作用，在一个时间序列当中可表现为多层次驱动、响应、反馈、放大等十分复杂的关系。因为全球变化既会表现出某种周期性变化， 又会表现为一些渐变和突变。
从时间尺度看，全球变化可划分为5个特征时间尺度。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，它们受地球行星演化规律与进程的控制。几千年至几十万年。这一时间尺度的变化同样发生在整个地球历史中，不过在最近的一个地质时期——第四纪晚期以来，它们的变化记录保存的最好，被辨识和研究的程度最高。其主要受到地球轨道参数，如偏心率、黄赤交角倾斜率和岁差等变化的影响。几年至几百年。这一时间尺度的事件发生在年际、年代际到世纪际，主要驱动因子包括太阳活动、火山活动、大气环流的长期变化、厄尔尼诺-南方涛动等自然因子和大气温室效应的增强等人为因子。
几天至几个季度。这一时间尺度的事件发生在数天至一年之内，其本质特征是季节的更替，主要驱动因子是太阳辐射量输入的年循环。
几秒至几小时。这一时间尺度的时间发生在数秒至一天之内，其中日变化是它的本质特征，其周期性十分规则，而其他更短时间尺度的事件大多是日变化的一种瞬时表现。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。
上 述几百万年至几十亿年及几千年至几十万年这两种称为长时间尺度，主要是地质学、地球物理学、地理学和地球化学研究的时间尺度；几天至几个季度和几秒至几小 时这两种主要是大气科学、海洋科学和生物科学研究的尺度；几年至几百年则是全球变化研究最为关注的、最复杂的变化尺度。
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。
