全球环境变化研究方法课件.ppt

姓名：李旭祥邮箱：,全球环境变化研究方法,姓名：李旭祥全球环境变化研究方法,内容简介,全球环境变化,1,预测,2,代用指标,3,原理,4,文章,5,问题,6,内容简介全球环境变化1预测 2代用指标 3 原理4文章 5问,全球环境变化(Global Environmental Change, GEC)是由人类活动和自然过程相互交织的系统驱动所造成的一系列陆地、海洋与大气的生物物理变化。 主要全球性环境问题：全球变暖、臭氧层空洞、酸雨、森林破坏与生物多样性减少、荒漠化与水资源短缺、海洋污染与危险物的越境转移。,全球环境变化(Global Environmental Ch,4大全球环境变化计划组成：(1) 世界气候研究计划(World Climate Research Program, WCRP)；(2) 国际地圈生物圈计划(International Geosphere-Biosphere Program, IGBP)；(3) 国际全球变化人文因素计划(International Human Dimensions Program on Global Environmental Change, IHDP)；(4) 国际生物多样性计划(An International Program of Biodiversity Science, DIVERSITAS),4大全球环境变化计划组成：,世界气候研究计划,世界气候研究计划（WCRP）是（WCP）的研究计划部分。该计划旨在协调和寻求对整个系统的科学了解，特别是研究在什么程度上可以预测气候和人类在多大程度上能够影响气候。该计划设立于1980年，由（WMO）、（ICSU）和（UNESCO）下属的政府间海洋委员会共同组建。WCRP是建立在它的前身（GARP）的科学基础上。GARP计划在70年代进行并取得了极大的成功。它通过1979年进行的第一次全球大气观测试验（FGGE）第一次对一年时期内的整个全球大气进行了详细观测和研究，为改进短期数值气候预报和建立中期天气数值预报提供了科学基础。,世界气候研究计划世界气候研究计划（WCRP）是（WCP）的研,研究目标WCRP计划是计划的自然延伸和向前的发展，它涉及的是整个气候系统，即陆面和冰雪、生态及人类活动等。WCRP的长期目标是：改进和扩大对全球和区域气候的认识；设计和实施深入了解重大气候过程的观测和研究计划，包括海气相互作用、云与辐射间的相互作用、陆气相互作用；发展气候系统模式，论证对各种时空尺度的气候的预报能力；研究气候对人类活动引起的变化如大气中CO2增加的敏感性。它的最终目标是为建立月、季、年际以及年代际等气候预测提供科学认识和基础。,研究目标,研究重点WCRP计划是一项跨学科的气候研究计划，如前所述，它的重点在改进对全球气候的了解及其可预报性。这是通过设计和实施一些重大的观测试验和理论研究活动来实现的，特别是发展多种能够模拟气候系统的数值模式，协调和实施外场观测试验，对全球气候观测系统（GCOS）的建立进行科学指导以及评估气候对自然和人为影响的敏感性等。,研究重点,主要活动WCRP主要致力于以下活动：进行全球气候分析、评估；进行数值试验、模式比较，改进物理过程的参数化方案；进行陆面过程、云辐射反馈、边界层及海冰的研究；实施热带海洋与全球大气计划（TOGA）、世界大洋环流实验（WOCE）和全球能量与水循环实验（GEWEX）、过程及其在气候中的作用（SPARC）、气候系统科学（ACSYS）和气候变率及其可预报性计划（CLIVAR）,主要活动,气候变率和可预报性研究计划 WCRP研究大气、海洋、冰雪、路面、生态、人类活动等计划建立在热带海洋全球大气计划（TOGA）的基础上。该计划重点研究变化的大气和缓慢变化的陆面、海洋和冰雪过程，人类的影响以及地球化学和生物物质的变化。也特别研究世界季风环流年循环强度的预报及海洋与其变率。CLIVAR计划的最后完成将使我们对耦合的大气和海洋状况及其变化有新的、更深入的了解，从而使我们对气候系统作出一年或多年的更准确的预测。,气候变率和可预报性研究计划,平流层过程及其在气候中作用的研究计划这个计划研究平流层过程在气候中的重要作用，包括温度的变化趋势，大气成分的变化趋势（如水汽）以及的垂直分布与变化等。具体的内容包括： 过程及中小尺度重力波在全球大气数值模式中作用的参数化，交换，对流层上部/平流层下部的气候问题，O3的变化及其对气候的影响，准两年振荡及其在对流层和平流层耦合中的可能作用，气候变化的平流层指标，包括温度趋势（已确定平流层正在冷却），（水汽与等）的变化等，平流层对气候影响的模式研究，平流层基本气候参数的平均值和变率，辐射活动的监测等。,平流层过程及其在气候中作用的研究计划,全球能量和水份循环计划它研究气候系统中的水文循环及其对全球变化的反应，特别是对增加的反应。在这一计划下进行了大气/水文区域过程研究和试验，并收集了大量气候参数，如云量、水汽、降水和等。GEWEX计划实施了一个重大的联合观测计划，通过这个计划，所有区域性的（大陆和流域）大气和水文研究试验计划于20022003年共同进行观测试验和收集共同的资料集。这将对大陆尺度的热量和水汽源汇对全球气候系统的影响作出独特的评估。1.精确大气辐射传输方案的各通量分量；2.云微物理特性和的定量知识；3.非地转大气环流的组成部分；4.土壤湿度与其它陆面参数问题。GEWEX提出的GEOP观测计划旨在更好地了解大陆水文气候过程对全球大气环流可预报性与水资源变化的影响，并且发展相关的模式和进行数值模拟，特别是重点研究推动和影响气候系统及其异常的热源和热汇区。,全球能量和水份循环计划,世界大洋环流计划该计划重点研究深海结构的作用以及大尺度海洋环流及其在气候系统中的作用。它是通过各种海洋测量、观测和全球海洋模式的研究来实现的。WOCE计划促进了用于各种精确测量海洋水位的等重要技术的发展，此外还改进了预报。这一计划目前正在对所有收集到的资料进行最后的综合。这将使我们对全球海洋有更完整的和动力学上相一致的了解。WOCE的目的：一是发展用于预报气候变化的海洋模式并收集用于检验海洋模式所需要的资料，这包括要了解海洋输送和与大气及冰雪间交换多少热量和淡水；海流怎样被大气强迫驱动，温度和盐度怎么由大气强迫决定；二是海洋是怎样变化的，这包括充满海洋的许多小涡旋在其中起什么作用，由海气相互作用决定的属性怎样围绕海洋运动等。进行了长期的外场观测试验，进行的分析、解释、模式模拟和综合研究.,世界大洋环流计划,北极气候系统研究（ACSYS）和极地气候计划该计划是一个多学科的专门研究水文和调查的研究计划。它揭示了北冰洋欧亚部分的上层海洋有明显增暖这一事实，并可能对该地区永久性冰层的形成有重要影响。ACSYS研究的方面包括南极海冰厚度测量和研究（用8个锚定和（ULS），南极浮标计划，海冰与海洋模式模拟研究以及冰雪圈与气候研究等。目前这个计划已被扩大为研究气候和冰雪圈相互作用的新计划（CLIC），对于CLIC计划主要研究四个方面的科学问题，即：1.改进气候系统内部冰雪圈相互作用的物理过程和反馈机制；2.改进模式中冰雪过程的表征以减少气候模拟和气候变化预测中的不确定性；3.评估和定量分析过去和将来气候变化与变率对冰雪圈各分量的影响及其后果，尤其是对能量和水分收支、条件，海平面变化和北极冰盖的维持；4.加强冰雪圈的观测与监测。,北极气候系统研究（ACSYS）和极地气候计划,热带海洋和全球大气计划这一计划已经成功地完成。它把大气的相互作用与热带海洋环流紧密联系起来。这个计划最突出的成果之一是使我们能够提前一年或更长的时间来预测。许多国家的政府和企业界利用这种预报获得了巨大的经济效益。WCRP计划在另一方面的关键活动是发展和改进气候模式。特别有意义的是它组织了国际间的气候模式比较计划和标准化试验，作为识别模式误差的一种手段。并通过改进气候模式来更好地定量计算气候变化和气候变率。,热带海洋和全球大气计划,国际地圈生物圈计划,主要科学目标是：描述和认识控制整个地球系统相互作用的物理、化学和生物学过程；描述和理解支持生命的独特环境；描述和理解发生在该系统中的变化以及人类活动对它们的影响方式。其应用目标是发展预报理论，预测地球系统在未来十至百年时间尺度上的变化，为国家和国际政策的制定提供科学基础。该计划具有高度综合和学科交叉的研究特点，标志着地球科学和宏观生物学的研究跨入了一个新的深度和广度。计划组成：IGBP由8个核心研究计划和3个支撑计划所组成。3个支撑计划为全球分析、解释与建模（Global Analysis，Interpretation and Model，GAIM），全球变化分析、研究和培训系统（Global Change System for Analysis Research and Training，START），IGBP数据与信息系统（IGBP Data and Information Systems，IGBPDIS）。,国际地圈生物圈计划主要科学目标是：描述和认识控制整个地球系统,（1）国际全球大气化学计划（International Global Atmospheric Chemistry Project，IGAC）该计划由IGBP及国际气象和大气科学学会所属的大气化学和全球污染委员会共同支持，它的目标是认识全球大气化学组成、陆地和海洋生物圈过程以及人类活动对它的影响，从而达到在全球尺度上预测自然和人为因素对大气化学组成的影响的目的。（2）全球海洋通量联合研究计划（Joint Global Ocean Flux Study, JGOFS）该计划于1990年3月正式确定并开始实施，主要侧重海洋内部以及海洋边界在海洋生物和化学、海洋循环和相关物理因素以及人为活动的影响下的碳交换过程。它主要分析和预测区域至全球尺度大气洋面洋底系统碳的季节和年际变化，为解释气候变化的成因服务。,（1）国际全球大气化学计划（International Gl,（3）过去的全球变化研究计划（Past Global Changes, PAGES）PAGES的实施计划形成于1991年3月，它通过对历史资料和自然记录(如保存在树木年轮、湖泊和海洋沉积物、珊瑚、冰芯中的自然信息)的研究，并借助于有效的现代物理、化学分析技术恢复过去环境的变化并区分自然因素和人为因素的影响，以此为依据，检验未来全球变化预测模型。PAGES计划目前集中于研究两个时间阶段，一是最近2000年的地球历史；二是晚第四纪的最后几十万年的冰期、间冰期旋回。,（3）过去的全球变化研究计划（Past Global Cha,（4）全球变化与陆地生态系统（Global Change and Terrestrial Ecosystems, GCTE）GCTE旨在分析全球尺度上大气成分、气候、人类活动和其他环境变化对陆地生态系统结构和功能的影响，预测未来全球变化可能带来的农业、林业、土壤和生态系统复杂性的改变。近期的工作主要围绕以下5个方面展开集成研究：全球大气化学是如何发生作用的?在痕量气体的生消中，生物过程起着什么作用?全球变化是怎样影响陆地生态系统的?土地利用、海面升高和气候变化如何改变海岸生态系统，其后果是什么?海洋生物地球化学过程是如何影响和响应气候变化的?过去发生过什么重大的气候和环境变化，原因何在?,（4）全球变化与陆地生态系统（Global Change a,（5）水文循环的生物学方面（Biospheric Aspects of the Hydrological Cycle, BAHC）BAHC主要是研究植被在地表和大气水文过程中的作用。它的两个主要目的是：通过野外测量，确定生物圈对水文循环的控制，发展从小块植被到大气环流模式(GCM)网格单元尺度上的土壤植被大气系统中能量和水通量模式；建立能用于描述和验证生物圈和地球物理系统间相互作用模拟结果的适当数据库。到2002年底，BAHC的中心任务是为新的陆地大气界面行动的展开以及由IGBP，IHDP和WCRP联合发起的新的有关水问题的联合计划服务。,（5）水文循环的生物学方面（Biospheric Aspec,（6）海岸带的海陆相互作用（Land-Ocean Interactions in the Coastal Zone, LOICZ）LOICZ侧重模拟和预测10年尺度上海岸带对全球气候变化的响应，为沿海地区的长期可持续发展、经济和社会政策服务。研究内容包括：外力或边界条件的变化对近海通量的影响；海岸生物地貌学与海平面上升；碳通量与痕量气体的排放；全球变化对海洋系统的经济和社会影响。,（6）海岸带的海陆相互作用（Land-Ocean Inter,（7）全球海洋生态系统动力学（Global Ocean Ecosystem Dynamics,GLOBEC）GLOBEC于1995年确定，主要目标是认识全球海洋生态系统及其亚系统的结构和功能，提高海洋生态系统对全球变化响应的预测能力。与传统的为渔业服务的种群动态研究不同，它侧重于分析生态系统内部的相互作用。,（7）全球海洋生态系统动力学（Global Ocean Ec,（8）土地利用与土地覆盖变化（Land Use and Land Cover Change, LUCC）进入90年代以来，全球环境变化研究领域逐渐加强了对LUCC的研究。这主要与该领域具有全球影响的两大组织IGBP和IHDP的推动有关。这两个组织自1990年起开始积极筹划全球性综合研究计划，于1995年共同拟定并发表了土地利用/土地覆被变化科学研究计划，提出3个研究重点：土地利用变化的机制。通过区域性个例的比较研究，分析影响土地使用者或管理者改变土地利用和管理方式的自然和社会经济方面的主要驱动因子，建立区域性的土地利用/土地覆被变化的经验模型；土地覆被的变化机制。主要通过遥感图像分析，了解过去20年内土地覆被的空间变化过程，并将其与驱动因子联系起来，建立解释土地覆被时空变化和推断未来1020年的土地覆被变化的经验诊断模型；建立区域和全球尺度的模型。建立宏观尺度的，包括与土地利用有关的各经济部门在内的土地利用土地覆盖变化动态模型，根据驱动因子的变化来推断土地覆盖未来(50100年)的变化趋势，为制定相应对策和全球环境变化研究任务提供可靠的科学依据。在未来50100年的土地覆盖变化中，人类的土地利用活动将起到最主要的作用。因此，对自然和社会经济各种因素作用下的土地使用者和管理者的行为分析，是建立土地利用和土地覆盖变化模型的重要组成部分。这类分析通过区域性个例研究进行，为全球性模型的建立提供依据，并对后者进行验证。,（8）土地利用与土地覆盖变化（Land Use and La,国际全球环境变化人文因素计划,人文因素全球环境变化(Global Environmental Change, GEC)是由人类活动和自然过程相互交织的系统驱动所造成的一系列陆地、海洋与大气的生物物理变化。全球环境变化中的人文因素(Human Dimensions on Global Environmental Change, HDGEC)研究阐明人类-自然耦合系统，探索个体与社会群体如何驱动局地、区域和全球尺度上发生的环境变化？这些变化的影响？如何减缓和响应这些变化？国际全球环境变化人文因素计划(International Human Dimensions Programme on Global Environmental Change, IHDP)由国际科学联盟理事会(ICSU)与国际社会科学联盟理事会(ISSC)于1996年共同发起，是一个跨学科、非政府的国际科学计划。,国际全球环境变化人文因素计划 人文因素,目的全球环境变化人文因素研究主要是研究由人类活动引起的环境变化的起因和结果，以及人类对这些变化的响应。这种研究是跨学科领域的，全球环境变化研究已经日益的认识到人类作为地球系统中心的重要性。,目的,计划4个关键问题展开： 脆弱性/恢复力面对社会、自然系统的变化，决定耦合系统承受能力的因素是什么？这种变化对可持续性发展的影响是什么？ 阈值/转型当阈值超过后，我们如何认识长期的变化趋势？如何能够确保平稳的转型？ 管理我们如何能够牢牢的掌握耦合系统，使其朝着期望的目标前进？ 学习/适应为了维持稳定的耦合系统的动力学，我们如何激发社会的认知？,计划,IHDP有7个核心科学计划：(1) 土地利用/土地覆盖变化(LUCC，与IGBP共同发起)；(2) 全球环境变化的制度因素(IDGEC)；(3) 全球环境变化与人类安全(GECHS)；(4) 工业转型(IT)；(5) 海岸带陆海相互作用(LOICZ II)；(6) 城市化与全球环境变化(Urbanization and Global Environmental Change)；(7) 全球土地计划(GLP,与IGBP共同发起)。,IHDP有7个核心科学计划：,国际生物多样性计划,国际生物多样性计划（DIVERSITAS）是由ICSU所属的国际生物科学联合会（）、环境问题科学委员会（）及联合国教科文组织（）于1991年共同发起.主要任务:联合生物学、生态学和社会科学，开展与人类社会相关的研究，推动生物多样性科学的集成化发展；为更好地认识生物多样性减少问题提供科学基础，并为制订生物多样性保护和可持续利用的政策提供建议。DIVERSITAS由3个核心计划与几个交互网络（cross-cutting networks）组成。,国际生物多样性计划国际生物多样性计划（DIVERSITAS）,核心计划 生物多样性发现及其变化预测(BioDiscovery)、生物多样性变化的影响评估（EcoServices）、生物多样性保护与可持续利用的科学发展(Biosustainability)。交互网络计划包括全球入侵物种计划（GISP）、全球山地生物多样性评估（GMBA）、农业与生物多样性等（AB）和淡水生物多样性网络（FBN）等。,核心计划,研究领域 （1）生物多样性的起源、维持和丧失； （2）生物多样性的生态系统功能； （3）生物多样性的编目、分类及其相互关系； （4）生物多样性评价与监测； （5）生物多样性的保护、恢复和持续利用； （6）生物多样性的人类因素； （7）土壤和沉积物的生物多样性； （8）海洋生物多样性； （9）微生物生物多样性。,研究领域,全球环境变化,全球环境变化特点多尺度、全方位、多层次,正面影响,负面影响,全球环境变化全球环境变化特点多尺度、全方位、多层次正面影响负,预测, 过去变化特征 记录方式：石笋，珊瑚，湖泊沉积物，树轮 分辨率,预测 过去变化特征,代用指标,方法不同；选用何种指标如何获取数据处理办法,正相关,负相关,代用指标方法不同；正相关负相关,树轮研究原理,均一性原理：是自然科学研究中普遍适用的一个原理，是James Hutton于1785年最先提出，在古气候研究中常被应用。例如，在过去出现过的气候型，现代、今后有可能出现，现在出现过的气候类型必定可以从历史气候中找到相似的类型。这种假设，是根据古今气候有着同一属性原理而定出的。 （如果将这一原理应用到树木年轮气候学中，是据现代气象资料的分析研究，发现年轮生长与气候的关系，有着较密切的物理、生物学过程。这一过程，同样适用于过去。其根本依据是限制树木生长的气候条件在过去和现在是一样的。若均一性被破坏，显然年轮变化就不是气候（水文）要素的变量函数。）,树轮研究原理 均一性原理：是自然科学研究中普遍,原理,限制因子原理：任何一种生物学过程，必须遵守一条生物学定律，即它进行的生物学过程、变化速度都不可能超过主要限制因子所允许的程度。若某个因子发生变化，不起限制作用，则某生物学过程速度就加快，直到出现另一个限制因子，或出现几个限制因子时为止。任何一个生物过程，总受到外部环境或有机内部物理、化学过程的一个或几个（一组）因子的限制。 （限制因子定律对树木气候学及其重要，因为只有在一个或多个环境要素强烈限制树木生长并且持续足够长的时间，造成较大地理范围上许多树木的年轮宽度或其它特征以同一种方式变化时，树木年轮才可以进行交叉定年。）,原理 限制因子原理：任何一种生物学过程，必,原理,生态幅：1.每一种生物对每一种生态因子都有一个耐受范围，即有一个生态上的最低点和最高点，在最低点和最高点（或称耐受性的上限和下限）之间的范围，称为生态幅，例如，鲑鱼对温度这一生态因子的耐受范围是012，最适温度为4。 2.一种生物对每一个环境因素都要求有适宜的量，过多或不足都会使其生命活动受限制，乃至死亡，这种生物对每一个因素的耐受范围，称为生态幅。,原理 生态幅：1.每一种生物对每一种生态因子都,敏感性原理：树木年轮宽度的逐年宽窄变化是衡量气候对年轮生长限制的一项很好的指标，树木年代学研究中把这种宽窄变化作为树木径向生长反映气候变化的平均敏感度。平均敏感度的实际取值范围为0M.S.2。但从实际统计情况来看，该值一般介于0.1-0.6之间。树木年轮气候学研究中，一般M.S.在0.2以上的序列比较适合用于气候分析。平均敏感度度量了相邻年轮之间的轮宽变化情况，在树轮气候学研究中主要反应了气候的短期变化或高频变化。研究表明，平均敏感度大的样本保持的气候信息相对较多，相应的噪声较少，样本与气候变化的关系较密切。,敏感性原理：树木年轮宽度的逐年宽窄变化是衡量气候对年轮生长限,原理,式中：MS 平均敏感度；n 该样本年轮总数；xi 第i轮宽度值；xi+1 第i+1轮宽度值；当Ms 0时，表示年轮宽度变化不大，敏感性较差或无敏感性，气候没有逐年变化；当Ms 2时，表示年轮宽度变化幅度较大，对环境反映极其敏感，实际上这种情况并不存在。,原理 式中：,研究意义,复本原理：复本原理实际上强调的是样本量的问题。即利用大样本量研究来尽可能的消除误差。以树轮研究为例，如果仅仅依靠一棵或几棵树建立起来的年轮序列来分析气候变化，其结果往往是值得怀疑的。如果没有足够的样本量，很难进行交叉定年，无法完全判定出一个采样点存在的缺失年轮及伪年轮。通过大样本量可以消除读数过程中个别样本出现的偶然误差，并判定个别样本或某个时段内可能存在的若干非气候因素造成的异常变化，从而可以将非气候因子的影响减至最小，有利于更准确的推断过去气候变化。,研究意义 复本原理：复本原理实际上强调的是样,同一地点不同生长条件下的样芯轮宽曲线,同一地点不同生长条件下的样芯轮宽曲线,原理,交叉定年原理：主要应用在分辨率高时间序列中。交叉定年原理是年轮分析中一个重要的原理。生长在同一生态环境下的树木，由于受到同样的限制因子作用，其年轮的宽窄变化应该是同步的。若两组以上的序列，甚至同一株树、不同方位采取的样本，所测出年轮序列无法重叠，则将两序列年轮宽度点在坐标带上，画出年轮变化曲线，可明显看出它的错位，若将其中伪、缺轮进行删补，两个或更多序列就能重合起来，即能正确的检查出某序列每个年轮的正确年代。,原理 交叉定年原理：主要应用在分辨率高时间序列中,问题,文章问题,问题文章,