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海洋、大氣與全球變化 版權信息
- ISBN：9787030707192
- 條形碼：9787030707192 ; 978-7-03-070719-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
海洋、大氣與全球變化 本書特色
本書適用對象為海洋、大氣等地球科學領域的科研、管理人員以及相 關專業的本科生和研究生。
海洋、大氣與全球變化 內容簡介
在優選變化大背景下，海洋和大氣耦合系統的研究備受關注。《海洋、大氣和優選變化》屬多學科交叉編著，旨在地球系統科學和圈層相互作用視角下，重點闡述海-氣間物質和能量交換、物理與生物地球化學過程耦合對優選變化的影響，以及優選大洋和中國近海對優選變化的響應。同時，特別介紹了熱帶海氣相互作用和氣候突變這兩種優選變化中的特殊過程。本書以構建優選宏觀圖景和多學科交叉理念為目標，為海洋大氣和優選變化領域的初學者奠定基本概念和理論基礎，并輔以介紹國內外關于海氣相互作用和優選氣候變化研究的前沿熱點問題和近期新研究成果。
海洋、大氣與全球變化 目錄
目錄
前言
**章 緒論 1
**節 地球系統科學 1
一、地球系統與地球系統科學 1
二、地球系統科學的構建與進展 2
第二節 地球圈層及相互作用 6
一、地球圈層 6
二、圈層相互作用 12
第三節 全球變化與地球系統 18
一、全球變化與地球系統的主要特征 18
二、全球變化的研究方法 20
三、影響全球變化的自然和人為因素 21
第二章 海洋與大氣之間的物質和能量交換 24
**節 海洋與大氣的基本物理性質 24
一、海水的基本物理特性 24
二、大氣的基本物理特性 30
三、海洋與大氣的區別和聯系 32
第二節 海洋與大氣之間的能量交換 34
一、太陽輻射 34
二、熱量交換 36
三、動量交換 39
第三節 海洋與大氣之間的物質交換 41
一、水汽交換 41
二、氣體交換 42
三、顆粒物交換 43
第三章 熱帶海洋大氣相互作用與主要的氣候變異模態 44
**節 熱帶海洋大氣系統 44
一、熱帶大氣環流 44
二、熱帶海洋環流 47
三、熱帶海洋與低緯大氣環流的相互作用 49
四、熱帶海溫異常對中緯度環流的影響 50
第二節 厄爾尼諾-南方濤動 50
一、厄爾尼諾的確定 50
二、厄爾尼諾發生的頻率、持續時間和強度 51
三、ENSO事件的發展過程和成因 52
四、ENSO與中緯度大氣環流 53
五、ENSO事件的觀測和預報 54
第三節 其他與熱帶大洋海溫變異相關的年際和年代際變化 55
一、印度洋海盆模態和印度洋偶極子模態 55
二、大西洋尼諾和熱帶北大西洋海溫變化異常 58
三、太平洋和大西洋年代際振蕩 60
四、北半球環狀模與南半球環狀模 61
第四章 全球海洋水文動力環境對氣候變暖的響應 63
**節 海洋在全球氣候系統中的重要性 63
一、海洋在氣候系統中的地位 63
二、海洋對減緩全球變暖的可能貢獻 67
第二節 海洋水文動力環境在全球變暖背景下發生的變化 67
一、海洋溫度和熱含量的變化 67
二、海洋熱浪事件的變化 70
三、海洋上層層化強度的變化 74
四、海洋環流的變化 75
五、海浪的變化 79
六、海洋水團的變化 80
七、極地海冰的加速融化 82
八、全球海平面的上升 87
九、臺風活動的改變 90
十、聲音在海洋中傳播速度的變化 96
第五章 海洋與大氣間的化學相互作用 98
**節 全球碳循環 98
一、全球碳循環和碳庫 99
二、碳源-碳匯研究 100
第二節 海水中的溶解氧 102
一、氧的來源與消耗 102
二、海洋中的缺氧事件 103
三、全球海洋含氧量的變化 107
第三節 海洋與大氣氣溶膠 109
一、氣溶膠定義及意義 109
二、大氣氣溶膠的產生機制 109
三、大氣氣溶膠的去除機制 110
四、氣溶膠對全球環境和海洋的影響 111
第六章 海洋、大氣與生物間的相互作用 113
**節 海洋生物的種類和分布 113
一、海洋浮游生物 113
二、海洋游泳生物 114
三、海洋固著生物 114
第二節 氣候變化對海洋生物的影響 115
一、總體影響 115
二、氣候變化對浮游植物的影響 118
三、氣候變化對浮游動物的影響 120
四、氣候變化對魚類的影響 123
五、氣候變化對珊瑚的影響 125
六、氣候變化對紅樹林的影響 128
第七章 海洋在地質時期氣候變化中的作用 131
**節 古氣候突變 131
一、古溫度和CO2的觀測 131
二、古氣候變化及其突變事件 138
三、史前時代與工業革命以來全球環境的比較 142
第二節 海洋在古氣候突變中的作用 145
一、經向翻轉環流 145
二、海洋系統在氣候突變中的作用與反饋 146
三、海洋和上個冰川世紀 147
第三節 海洋與未來氣候變化 147
一、海洋大氣預報模式 148
二、CO2的增多以及對未來氣候變化的預測 150
三、氣候變化中的其他影響因子 153
第八章 人類如何應對全球變化 155
**節 科學研究 155
一、近一百多年的全球變暖 155
二、21世紀初的增溫停滯 159
三、全球變化相關組織和計劃 160
第二節 氣候談判 161
第三節 節能減排 164
參考文獻 169
前言
**章 緒論 1
**節 地球系統科學 1
一、地球系統與地球系統科學 1
二、地球系統科學的構建與進展 2
第二節 地球圈層及相互作用 6
一、地球圈層 6
二、圈層相互作用 12
第三節 全球變化與地球系統 18
一、全球變化與地球系統的主要特征 18
二、全球變化的研究方法 20
三、影響全球變化的自然和人為因素 21
第二章 海洋與大氣之間的物質和能量交換 24
**節 海洋與大氣的基本物理性質 24
一、海水的基本物理特性 24
二、大氣的基本物理特性 30
三、海洋與大氣的區別和聯系 32
第二節 海洋與大氣之間的能量交換 34
一、太陽輻射 34
二、熱量交換 36
三、動量交換 39
第三節 海洋與大氣之間的物質交換 41
一、水汽交換 41
二、氣體交換 42
三、顆粒物交換 43
第三章 熱帶海洋大氣相互作用與主要的氣候變異模態 44
**節 熱帶海洋大氣系統 44
一、熱帶大氣環流 44
二、熱帶海洋環流 47
三、熱帶海洋與低緯大氣環流的相互作用 49
四、熱帶海溫異常對中緯度環流的影響 50
第二節 厄爾尼諾-南方濤動 50
一、厄爾尼諾的確定 50
二、厄爾尼諾發生的頻率、持續時間和強度 51
三、ENSO事件的發展過程和成因 52
四、ENSO與中緯度大氣環流 53
五、ENSO事件的觀測和預報 54
第三節 其他與熱帶大洋海溫變異相關的年際和年代際變化 55
一、印度洋海盆模態和印度洋偶極子模態 55
二、大西洋尼諾和熱帶北大西洋海溫變化異常 58
三、太平洋和大西洋年代際振蕩 60
四、北半球環狀模與南半球環狀模 61
第四章 全球海洋水文動力環境對氣候變暖的響應 63
**節 海洋在全球氣候系統中的重要性 63
一、海洋在氣候系統中的地位 63
二、海洋對減緩全球變暖的可能貢獻 67
第二節 海洋水文動力環境在全球變暖背景下發生的變化 67
一、海洋溫度和熱含量的變化 67
二、海洋熱浪事件的變化 70
三、海洋上層層化強度的變化 74
四、海洋環流的變化 75
五、海浪的變化 79
六、海洋水團的變化 80
七、極地海冰的加速融化 82
八、全球海平面的上升 87
九、臺風活動的改變 90
十、聲音在海洋中傳播速度的變化 96
第五章 海洋與大氣間的化學相互作用 98
**節 全球碳循環 98
一、全球碳循環和碳庫 99
二、碳源-碳匯研究 100
第二節 海水中的溶解氧 102
一、氧的來源與消耗 102
二、海洋中的缺氧事件 103
三、全球海洋含氧量的變化 107
第三節 海洋與大氣氣溶膠 109
一、氣溶膠定義及意義 109
二、大氣氣溶膠的產生機制 109
三、大氣氣溶膠的去除機制 110
四、氣溶膠對全球環境和海洋的影響 111
第六章 海洋、大氣與生物間的相互作用 113
**節 海洋生物的種類和分布 113
一、海洋浮游生物 113
二、海洋游泳生物 114
三、海洋固著生物 114
第二節 氣候變化對海洋生物的影響 115
一、總體影響 115
二、氣候變化對浮游植物的影響 118
三、氣候變化對浮游動物的影響 120
四、氣候變化對魚類的影響 123
五、氣候變化對珊瑚的影響 125
六、氣候變化對紅樹林的影響 128
第七章 海洋在地質時期氣候變化中的作用 131
**節 古氣候突變 131
一、古溫度和CO2的觀測 131
二、古氣候變化及其突變事件 138
三、史前時代與工業革命以來全球環境的比較 142
第二節 海洋在古氣候突變中的作用 145
一、經向翻轉環流 145
二、海洋系統在氣候突變中的作用與反饋 146
三、海洋和上個冰川世紀 147
第三節 海洋與未來氣候變化 147
一、海洋大氣預報模式 148
二、CO2的增多以及對未來氣候變化的預測 150
三、氣候變化中的其他影響因子 153
第八章 人類如何應對全球變化 155
**節 科學研究 155
一、近一百多年的全球變暖 155
二、21世紀初的增溫停滯 159
三、全球變化相關組織和計劃 160
第二節 氣候談判 161
第三節 節能減排 164
參考文獻 169
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海洋、大氣與全球變化 節選
**章 緒論 地球是人類賴以生存的星球，地球環境（包括大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈）的變化對人類現在和未來的生存與發展有直接或潛在的影響，而人類的存在本身也影響著地球環境。 20世紀以來，全球環境以前所未有的速度發生變化。一系列的全球性重大環境問題對人類的生存和發展構成嚴重威脅。 20世紀 70年代，人類學家*早提出了“全球變化”（global change）一詞。 20世紀 80年代，自然科學家借用并拓展了“全球變化”的內涵，將其概念延伸至全球環境，即將地球的大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈的變化納入“全球變化”范疇，用以強調地球系統的變化（曲建升等， 2008）。全球性重大環境問題超越了傳統自然科學分支學科的界限，也超越了自然科學和社會科學的界限，從而衍生出“地球系統”和“地球系統科學”的概念。本章將介紹地球系統科學及各圈層的基本特征和相互作用特點，以及全球變化研究中的地球系統科學理念和方法。 **節 地球系統科學 一、地球系統與地球系統科學 （一）地球系統 “系統”在現代漢語詞典（第 7版）里的解釋是：同類事物按一定的關系組成的整體。這些事物相互連接、關聯或依存，集合或組合形成一個復雜的統一體，或者按某種方案或計劃有序排列組成整體。系統*基本的特性是整體性，其功能是各組成要素在孤立狀態時所沒有的。 Steffen等（2006）指出地球的運作是一個系統，在這個系統里海洋、大氣和陸地以及有生命和無生命的所有一切都相互關聯。地球上的環境條件，包括氣候，是由物理的、化學的、生物的以及人類相互作用對物質和能量的傳輸和轉化而決定（Jickells et al.， 2005）。地球系統就是由相互作用的物理、化學和生物的過程構成，這些過程使得地球上的物質和能量發生運動和變化，從而為地球上的生命提供必要生存條件。地球系統是一個復雜整體，其典型特征是各部分之間存在多種非線性響應和臨界閾值（Stewart，2009）。 （二）地球系統科學 地球系統科學的概念有狹義和廣義兩種解釋（畢思文， 2004）。從狹義角度講，地球系統科學是為了解釋地球動力、地球演變和全球變化，對組成地球系統各組成部分、各圈層相互作用機制進行綜合研究的一門科學。地球系統則是由地核、地幔、巖石圈、大氣圈、水圈和生物圈相互作用而組成的統一體。從廣義角度講，地球系統科學跨越一系列自然科學與社會科學。它把地球看成一個由相互作用的地核、地幔、巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈（包括人類社會）和行星系統等構成的統一系統。 地球系統科學是地球科學各分支深入發展的必然。例如，數十年來大氣科學的發展，就日益介入海氣相互作用、陸氣相互作用、冰川及冰蓋變遷、大氣痕量氣體的化學過程及氣候效應等。海洋與陸地及大氣間淡水交換等過程的重要性及相應研究日益得到重視。地球科學各分支研究越來越多介入其他分支。但需要注意的是，地球系統科學不是各門地球科學的簡單疊加，而是探索其圈層相互作用，將地球作為一個完整系統來研究的學科。 另外，20世紀 60年代以來空間技術和信息技術的突飛猛進開闊了人類的眼界，大大提高了人類認識地球的能力（Stewart，2009）。地球系統科學是建立在遙感技術、計算技術和許多觀測實驗基礎上的新學科。全球視野和系統研究是地球系統科學的重要前提和基本思路（汪品先， 2014）。 （三）地球系統科學的研究目標和主要科學問題 地球系統科學的目標是描述地球系統各部分相互作用機理，以及在各種時間尺度上各部分間將如何持續發展，從而在全球尺度上對整個地球系統給出科學的認識（Earth System Science Committee，1986）。 地球系統科學所要回答的主要科學問題是全球如何變化以及全球變化會對地球生物造成什么樣的影響，可概括為五個基本概念（張蘭生等， 2017）。 （1）變化（variability）：地球系統是怎樣變化的？ （2）驅動力（force）：地球系統變化的主要驅動力是什么？ （3）響應（response）：地球系統對自然變化和人類變化是如何響應的？ （4）后果（consequence）：地球系統變化的結果對人類的影響與人類的響應是什么？ （5）預測（prediction）或評估（projection）：如何預測地球系統未來的變化？ 作為研究地球系統整體行為的一門科學，地球系統科學的目的是了解地球系統是如何工作和運轉的，研究其過去、現在和未來的變化規律以及控制這些變化的原因和機制，從而建立地球系統預測的科學基礎，為對策研究提供科學依據（林海， 1988）。 二、地球系統科學的構建與進展 （一）形成背景 1. 古代對環境變化的認識 人類很早就認識到環境是變化的。我國古代有“東海三為桑田”的傳說，《圣經》中有大洪水的描述，這些遠古的神話或宗教信仰在一定程度上反映了人類對環境變化的認識。更多地，人類通過對周圍自然環境的觀察與總結，認識到環境的演變。公元前 8世紀，我國古代**部詩歌總集《詩經》的《小雅 .十月之交》中就有“高岸為谷，深谷為陵”的描述（李仲均， 1998）。公元前 5世紀，古希臘的克塞諾芬尼注意到陸地上存在海洋蚌殼，從而提出海陸變遷思想。亞里士多德也認為海陸是按著一定規律呈周期性變化的（張蘭生等， 2017）。我國古人追求天人和諧、與自然共生，在自然環境變化及人與環境關系方面給出了諸多有借鑒意義的成果。比如被國際氣象界譽為中國第五大發明的“二十四節氣”的系統概念在西漢時已完成，是指導傳統農業生產和日常生活的重要歷法補充。 2. 近代地球科學認識 19世紀以來，與地球科學相關的地質學、氣象學、海洋學、生態學等各學科建立并發展，人們試圖通過逐一解剖地球各圈層的每一細節而認識整個地球。 在地質學、地理學方面， 1830年萊伊爾出版《地質學原理》，提出地質漸變理論； 1837年阿加西提出大冰期理論，將冰川的進退與全球性的氣候變化及生物變化有機地聯系起來；1909年彭克提出四次冰期模式，證明了全球性的氣候變化曾發生多次；1915年，魏格納提出了關于地殼演化的大陸漂移學說，該學說于 20世紀 60年代發展為板塊運動理論；1920年米蘭科維奇提出冰期天文成因理論。 在生物學、生態學方面， 1825年居維葉發表《地球表面災變論》，發現地球發生多次巨變和物種毀滅，提出了環境變化的突變論； 1859年達爾文在其著名的《物種起源》中闡述了以漸變論為指導思想的生物進化論，揭示了生物演化的規律； 1866年海克爾定義了生態學概念， 1935年坦斯利提出了生態系統概念； 1926年，維爾納茨基提出了生物圈的概念，指出地球表層*強的化學營力發生在地球的生物圈內。 在物理、化學方面，1896年，貝可勒爾發現鈾鹽能使封閉的照相底片感光；1898年居里夫婦發現放射性更強的釙元素，在此基礎上發明放射性同位素測年法； 1896年馬可尼發明了無線電； 1901年跨大西洋無線電通信開通； 1924年阿普爾頓證實了高空電離層的存在； 1896年，阿累尼烏斯指出地質年代中的 CO2對地球氣候有調節作用，并從溫室效應的原理出發首次做出了如果大氣 CO2濃度加倍將使得地球溫度升高的氣候預估； 1913年法布里提出臭氧層概念； 1930年卡普曼提出臭氧層學說。 在氣象學、海洋學方面， 1872～1876年“挑戰號”全球航行，為海洋學建立奠定了基礎；1904年皮葉克尼斯嘗試天氣預報； 1922年理查德森開始網格化數值天氣預報； 1950年在馮紐曼牽頭下有了**個成功的數值天氣預報； 1958年查爾斯基林發現了著名的大氣 CO2濃度變化的基林曲線（Keeling曲線）；1960年**張全球衛星圖片誕生，開始利用氣象衛星從太空監測海洋； 1978年發射了海洋衛星。 各分支學科和新技術的發展，為全球變化和地球系統科學研究奠定了基礎。尤其是 20世紀中葉以來，以 1957～1958年的國際地球物理年（international geophysical year， IGY）活動為標志，地球科學開始國際化。同時，科學界和一般公眾對環境問題的認識不斷加強，地球科學研究也受到各國政府的極大重視。 1972年，洛夫洛克提出了“蓋亞假說”，強調生物圈對全球環境的調節作用。科學家也逐漸認識到地球主要組成部分間相互關聯、相互反饋的重要性，地球系統科學開始萌芽。 3. 當前全球性的重大問題 近半個世紀以來，由于人類社會生產力的高速發展及人口數量的急劇增加，人對環境作用的規模也在不斷擴大，由此所產生的各種環境問題也應運而生。其中，大氣污染、溫室氣體排放、氣候變暖、臭氧層破壞、土地退化、海洋環境惡化、森林銳減、物種瀕危、垃圾成災和人口增長過快是目前全球范圍內產生的與環境有關的十大問題（朱誠等， 2017）。這些問題與人類不可持續利用自然資源有關。其中一個主要問題就是 CO2以及其他溫室氣體等向大氣的排放不僅造成了全球污染、酸雨、臭氧空洞，還引起了全球溫度和氣候變化。對自然資源的過度開發，導致森林、水源、生物棲息地被破壞，許多物種滅絕。反過來，不安全的水源和污染的空氣，也造成了人類的疾病和死亡。這些全球性問題，超越了傳統自然科學分支學科的界限，也超越了自然科學和社會科學的界限，亟須從地球系統科學角度通過國際合作共同解決。 （二）地球系統科學的構建 如前所述，地球科學的發展和人類面臨的挑戰促使地球系統科學構建（畢思文， 2003）。1983年，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration， NASA）建立了地球系統科學委員會，并于 1986年將地球系統科學作為一個專有名詞提出。1988年 NASA出版了《地球系統科學》，提出了著名的布雷瑟頓地球系統結構圖。如圖 1.1所示，該圖展示了地球各系統間物理、化學和生物過程的相互作用，一系列復雜的外部條件和反饋將物理氣候系統與生物 —地球—化學循環耦合在一起，人類活動也是該系統的重要驅動力。《地球系統科學》首次將人類作為與太陽和地球內能并列的、能引發地球系統變化的第三驅動力。 圖1.1 布雷瑟頓地球系統結構圖（王斌等，2008；據美國 NASA地球系統科學委員會） 20世紀 90年代地球系統觀點逐漸成為地學界的共識，美國、英國、日本、中國等國家相繼制定研究計劃，更促使了這一學科的蓬勃發展。在 1979年創立的世界氣候計劃（World Climate Program，WCP）和 1987年的國際地圈生物圈計劃（International Geosphere-Biosphere Program，IGBP）基礎上， 1990年和 1991年又分別開展了國際全球環境變化人文因素計劃（International Human Dimensions Programme on Global Environmental Change，IHDP）和國際生物多樣性計劃（DIVERSITAS）。與此同時，多個國家的大學將地球系統科學教育納入課程之內，聯合國的《 21世紀議程》也將地球科學作為可持續發展戰略的科學基礎之一。 進入 21世紀，2001年，WCP、IGBP、IHDP和 DIVERSITAS四大計劃共同主辦了國際性會議“變化中的地球挑戰”，發布了阿姆斯特丹宣言，啟動了地球系統科學聯盟（Earth System Science Partnership，ESSP）。2012年在巴西里約熱內盧召開的聯合國可持續發展大會上，提出了“未來地球計劃”（Future Earth）（2014～2023年）國際科學計劃， 2015年 IGBP、IHDP和 DIVERSITAS合并到 Future Ea
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