现代自然地理学

1、历历史史环环境境变变化研究方法化研究方法现代自然地理学课程介绍课程介绍内容包括：1.历史时期环境变化研究的基本原理;2.历史时期环境变化研究的主要手段与方法；(课程主题)3.历史时期环境变化研究的最新进展.教学方法教学方法教师讲座为主，学生文献阅读为辅，并做口头读书报告要求：无故不可缺席，认真阅读文献教材教材v 龚高法等，历史时期气候变化研究方法，科学出版社，1983v 张兰生等，全球变化，高等教育出版社，1999v R. Bradley, Paleoclimatology-Reconstructing Climate of the Quaternary, Harcourt/Academic

2、Press, 1999.辅助：加强文献阅读（英文）目的： 能够掌握历史时期环境变化研究的基本原理与方法，为今后从事环境变化研究工作打下基础知识，文献阅读，学习能力1.1 历史环境变化研究的意义v环境变化研究是人类社会实现可持续发展的科学基础 “欲知大道，必先为史”。人类预知未来的环境状况，必须首先了解环境变化的历史。目前，除理论模拟外，从历史上认识环境变化的规律是人类适应环境变化，保证人类社会得以可持续发展的途径。 从过去的变化历史 认识产生变化的机理，了解系统 从过去的变化历史 看人类的适应能力-历史相似型 用过去的变化历史 验证模式，提取参数，发展预报1.1 1.1 历史环境变化研究的意义

3、历史环境变化研究的意义v环境变化研究是地理学研究的重要组成部分 地理学是时空耦合的科学，不仅研究地域的空间差异，同时研究地理环境随时间的演变过程，即环境演变。v深化对地球系统时空演变过程的综合认识，促进地理科学的发展 环境变化研究的目标是获取对地球系统时空演变规律的综合的整体的认识，具有强烈的学科交叉特点，对其研究不仅可以促进地理学中各个子学科的交叉，而且还可以推动地理学与其他学科(eg:地球物理学、大气科学、生物学、生态学、社会学等)的交叉，从而促进一综合为核心的地理科学的发展。 1.2 历史环境变化研究的内容目前历史时期环境变化研究涉及整个地球系统及其所有过程，主要包括以下4个方面：v 历

4、史时期环境变化的历史史实重建v 历史时期环境变化的成因与机制研究v 历史时期环境变化对人类社会发展的影响及人类活动对环境变化的作用（人类与环境变化相互作用）研究v 历史时期环境变化模拟。1.3 1.3 环境变化研究的发展过程环境变化研究的发展过程v与地学同步，产生于19世纪。莱伊尔（Charles Lyell, 1797-1875）所发展完善的均变论（Uniformitarianism, Principle of Uniformity）为过去环境变化研究提供了最基本的原则。这一思想被后人概括为“现在是过去的钥匙”(The present is the key to the past)。1.3

5、1.3 环境变化研究的发展过程环境变化研究的发展过程v古脊椎动物学的奠基人居维叶（Georges C.L.P. Cuvier, 1769-1832）于1812年提出的“部分相关法则”为根据残存的环境信息复原环境提供了理论依据。v居维叶在环境变化的方式上持突变的观点，与以莱伊尔，达尔文等为代表的渐变论相对立。但早期的研究主要关注一些敏感环境要素（如气候、冰川、河湖等等）的演变。1.3 1.3 环境变化研究的发展过程环境变化研究的发展过程v1957年国际地球物理年萌发了“地球系统”概念以后，环境变化研究成为地学中的一个重要研究领域。不但研究环境要素变化，而且更关注这些变化的内在联系，以及驱动原因与

6、机理。v20th70年代末至80年代初，地球系统的概念思想正式诞生。环境变化研究也正式发展成为一门科学。vIGBP中的PAGES(Past Global Changes)v1.3 1.3 环境变化研究的发展过程环境变化研究的发展过程v中国环境变化研究与地学发展同步，即产生于20th初，发展大致经过了4个阶段：v 第一阶段（1920s-1960s）：开创阶段 特点：构建框架，拓展领域，探索方法，零星研究v 第二阶段（1970s-1980s中期）：快速发展阶段 特点：手段多样，快速发展，研究较系统全面，但欠深入v 第三阶段（1980s中期-1990s

7、后期）：稳定发展阶段 特点：相对稳定，深入研究，注意理论，综合分析1.3 1.3 环境变化研究的发展过程环境变化研究的发展过程v中国环境变化研究与地学发展同步，即产生于20th初，发展大致经过了4个阶段：v 第四阶段（1990s-）：深入研究阶段 目标： 物理意义明确，高分辨率 手段：数据挖掘（data mining） 多学科集成(interdisciplinary synthesis) 对比分析 （comparison，verification and calibration）关于历史时期的定义v地理学中关于历史时期的传统定义现代地理学词典：历史时期是指人类文明出现以后至现代科学仪器观测体系

8、建立之前的一段时间，其时间的上下界限因地区而异。上限决定于该地区人文文明出现的早晚，下限决定于现代科学仪器观测体系建立时间的早晚。在中国大致是从仰韶文化至19th后期的5000年。在欧洲、埃及等地指4000BC至18th。关于历史时期的定义关于历史时期的定义v观球变化研究计划中对历史时期的定义IGBP（国际地圈生物圈研究计划）的核心研究计划PAGES所确定的主要时间尺度有2个时段（Temporal Streams）:第一个时段：过去2000年；第二个时段：包括数个冰期/间冰期循环的时段，一般是指过去25万年以来。目前，中国学术界一般认为：第一个时段为历史时期（地理学所关注的重点时段）第二个时段

9、为地质时期（地质学等所关注的重点时段）2.1 2.1 历史环境变化的时空尺度历史环境变化的时空尺度2.2 2.2 变化形式变化形式3. 3. 历史环境变化研究与其他学科的关系历史环境变化研究与其他学科的关系v所有地学的交叉学科v气候学：气候因子是所有自然环境因子中最活跃的一个v地理学：环境变化的结果留在了地理环境中4. 4. 历史环境变化研究的基本原理历史环境变化研究的基本原理4.1 基本假设 有人形容: 重建过去的环境变化就像组装一个没有样图的、部分以残缺不全的、各个部分由不同材料制成的智力玩具。缺失的部分或已真正的丢失，或还没有发现其线索。进行这样的组装工作，所能依靠的那些能够找到的不同部

10、件，相当于重建过去环境变化的各种证据；对各部件的功能与可靠性进行鉴定，相当于对过去环境变化的证据进行标定与校核；最后，根据有限的可靠的零部件复原该“智力玩具”的全貌或主体结构，相当于对过去的环境变化进行复原。 为进行过去环境变化的重建，需要依据以下基本假设或原理：第一：协同性假设第一：协同性假设首先，是指环境过程与其产物之间的协调统一。环境过程决定其形成的产物，产物反过来可指示其生成环境。因此，残留下来的过去环境过程的产物，或对产物的文字记录（如历史记载）均可以作为代用资料用来重建起形成时期的环境。其次，同一环境状态下所形成的不同类型的产物之间存在协同关系，可以彼此参校、替代，共同指示其生成环

11、境。第二：协同性假设第二：协同性假设再次，地区之间的协同性。同一时期形成的自然地理现象，其空间分布是有序的，遵从地理区域分异规律；不同地区的现象可以参校对比，指示其共同的环境背景。最后，时间上的协调性。具有生成联系的地球系统过程，在发生时间上是先后有序的，这种次序性在与各过程相联系的各产物的形成时间上亦有充分体现。第三：全息假设第三：全息假设根据部分可以反映整体的全息学基本观点 环境可以由其可识别的全息源来反映。 在某一空间点上的环境信息可以代表一定的空间范围 某一时段的环境状态可由在此时间区间内的环境信息来表征。 简单化是一切科学研究共同遵循的原则，以上3个基本假设就是简单化原理在环境变化中

12、的具体应用。 在科学研究中选择简单化并不是由于它可能最正确，而是因为从科学的角度看，它在可供选择途径中可能最优。这三个假设告诉人们如何寻找识别环境演变的信息，如何从残缺不全的信息推断当时的环境，以及如何由已知的部分去解释、推测未知的部分。但如果仔细考察，三个假设都不是永远能满足的。因此提出3个假设并不意味着自然过程一定是如此，而是我们希望它如此，否则就可能无法进行过去的环境变化研究。由于假设前提不一定永远正确，因此，在讨论环境演变问题前，就必须首先检验你所假设的前提是否成立。只有在假设成立的情况下，结论才有可能正确。5 5 气候系统气候系统传统的气候学把气候定义为大气的某种统计的平衡状态，用大

13、气的一些场量（如风、温、湿、气压）的统计平均值来描述。那时的气候学的任务是研究气候的静态特征，如气候在地球上的分类。随着近代对气候变化的认识，现代气候学研究气候变化规律，以及预测未来气候变化趋势。5 5 气候系统气候系统气候变化无论是在空间方面还是在时间方面都具有多尺度特征，特别是气候的长期变化绝不是大气本身的行为，而是和海洋、冰雪圈、陆地、生物圈共同作用的总体行为。气候变化具有复杂性。气候系统是大气圈、水圈、冰雪圈、岩石园和生物圈组成的整体。这个整体可以近似地看作与外界只有能量交换的封闭系统。若每个圈层看作为气候系统的一个子系统，则子系统是与其外界有能量和物质交换的开放系统。5 5 气候系统

14、气候系统气候形成和维持的物理过程主要与气候系统的加热率和输送过程有关。有了一定的加热率后，气候状态的形成还取决于大气和海洋如何响应（发展为风和洋流），以后风、洋流和大尺度的涡旋如何通过对物理量的输送到达稳定平衡，维持一定的全球平衡。如果气候系统的能量收支与时空分布的平衡受到破坏，将导致气候系统状态发生改变，及发生气候变化。Milankovitch theoryMilankovitch theory(a): Changes in the tilt (41 kyr); (b): presently earth is closer to (a): Changes in the tilt (41 ky

15、r); (b): presently earth is closer to the sun when N.Hemisphere is in winter; (c) 11 kyr from now,the sun when N.Hemisphere is in winter; (c) 11 kyr from now, earth earth will be closer to sun in July when N. Hemisphere is in will be closer to sun in July when N. Hemisphere is in summersummer气候系统能量的

16、收支平衡气候系统能量的收支平衡到达地球的太阳辐射能： 太阳辐射强度和地球轨道要素地球行星发射率 云量、大气气溶胶、冰雪覆盖面积、陆地 植被地貌形态，以及海陆分布格局进入到地球系统中的太阳能在地球系统中滞留的时间 温室气体：水汽、二氧化碳、氧化亚氮、甲烷和氯氟烃等 （吸收长波，反复加热地球）大气和海洋洋流 地球系统通过大气和海洋的运动实现物质和能量的传输和转化。气候系统的反馈过程气候系统的反馈过程正反馈：导致气候系统不稳定 因素A的增加导致因素B的增加，而B的增加又作用于A使其增加。负反馈：维持系统稳定 因素A的增加导致因素B的增加，而B的增加又作用于A使其减少1水汽反馈 温暖的大气会使更多的水汽从海洋和陆地上蒸发较暖的大气含水量较高，增强大气温室效应。2 云辐射反馈 短波辐射的反射体和红外辐射的良好吸收体 低云以反射为主