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1、 生物圈生物圈- -气候相互作用气候相互作用(2)(2) 季劲钧季劲钧 大气物理研究所大气物理研究所 气候与生物圈相互作用 的过程和机理 相互作用的过程 生物物理过程 地表动量传输 水分输送 蒸发散 能量传输 辐射能 感热 Zo 反射率 生物化学过程 光合 呼吸 分解 沉降 发散 CO2 NO x O3 aerosol biogenic 微粒 动量交换 Z0 加大，U*加大，增强地表交换 水、热循环加快 气候通过光、温、湿（降水）、风等作用于 植被 生理层次：光合、呼吸、物候 生态系统：光、水、营养、竞争与适应 形成Biome的空间分布和时间演变 植被作用于气候的机理： 改变地表能量和水分平衡
2、 分布的不均一性，形成局地环流和气候型 绿洲(冷岛效应)、森林小气候 大陆尺度 如改变辐合带位置，加强季 风。“生物地球物理反馈” 改变大气成分, 微粒 生物物理效应： 减小反射率，多吸收太阳辐射 加大粗糙度、增强交换强度 增大蒸发，加速水循环 生物化学效应： 碳同化、释放（呼吸） 氮沉降、释放 相互作用的实例 a. 城市化热岛效应 植被 城市 蒸发弱； （ 反射率小/大） 径流大 地表干热 城乡温差大 微粒， 气溶胶 热对流强，多云 降水 植被在地球水和能量平衡中的作用 城市热岛附近的温湿分布和局地环流 b. Sahara-sahel 干旱化 土壤湿度低 生物量少 （LAI） 地球系统表现为
3、一个统一的，由物 理的，化学的，生物的和人类各 个部分组成的自我调控系统。 GAIA系统只是地球系统中一个组成 部分 1. Sahal drought Charney (1975) Biogeophysical feedback 过牧 - 荒漠化 - 地表反射率大 - 净辐射小- 低层大气冷 - 下沉气流 - 降水少 - 植被更少- 荒漠化 动量交换 Z0 加大，U*加大，增强地表交换 水、热循环加快 植被气候相互作用机理 气候通过光、温、湿（降水）、风等作用于 植被 生理层次：光合、呼吸、物候 生态系统：光、水、营养、竞争与适应 形成Biome的空间分布和时间演变 植被作用于气候的机理： 改
4、变地表能量和水分平衡 分布的不均一性，形成局地环流和气候型 绿洲(冷岛效应)、森林小气候 大陆尺度 如改变辐合带位置，加强季 风。“生物地球物理反馈” 改变大气成分, 微粒 1. Sahal drought Charney (1975) Biogeophysical feedback 过牧 - 荒漠化 - 地表反射率大 - 净辐射小- 低层大气冷 - 下沉气流 - 降水少 - 植被更少- 荒漠化 植被在能量和物质循环中的作用 植被在水，热平衡中的作用 地球系统辐射能收支 (adapted from Kiehl and Trenberth, 1997, by the CERES Science
5、Team) 地表能量收支 地表水分收支 地表能量平衡 太阳辐射 342 W/m2 198 W/m2 到达地表，大气吸收67 W/m2 1/6 地表吸收，1/6反射，为LW辐射补偿 植被的作用 降低反照率，增加地表吸收；用于光合 森林 草地 地表水分平衡 降水量2.2mm/d 蒸发1.4 径流0.8 植被增加蒸腾 如:亚马荪河降水 48%蒸腾 28%蒸发, 24%径流 蒸腾 蒸发 径流 亚马荪河流域降水 Surface Water Balance in Semi-arid Grassland 稀疏草地 典型草原 草甸草原 蒸发散 草球 与林球的比较 植被在碳循环中的作用 Global carbo
6、n cycle (Gt C/yr) Carbon storage (Gt C) Pre-ind Present diff Atm 597 762 +165 V + S 2300 2261 -39 F F 3700 3456 -244 O sfc 900 918 +18 O d+I 37100 37200 +100 M b 3 3 0 Sed 150 150 0 Annual NPP of terrestrial ecosystems N p p 3 0 - 5 0 5 0 - 10 0 1 0 0 - 2 00 2 0 0 - 3 00 3 0 0 - 4 00 4 0 0 - 5 00 5
7、0 0 - 6 00 6 0 0 - 7 00 7 0 0 - 8 00 7 0 0 - 8 00 8 0 0 - 9 00 9 0 0 - 1 00 0 1 0 00 - 16 0 0 N o D ata ANNUAL NPP Net Ecosystem Productivity 植被在氮循环中的作用 Nitrogen cycle processes N pool (Tg N), Tg N/yr 植被与气候相互作用的理论 Charney (1975) Sahel-Sahara Lovelock(1983) GAIA （global） Zeng N. (1999,2000 ) Sahara-S
8、ahel Zeng QC (1994,2005 ) grassland Chao (2010) arid area Claussen (1996) Sahara-Sahel 多为半干旱带 气候生态敏感区 地表反射率 水平衡 GAIA假说 地球表面气候和化学成分由生物圈维持在一个 最适宜生物圈的动态平衡中 (Lovelock,1982). 由生物圈担当并为生物圈服务的大气自我平衡 生物群系-环境反馈作用的基础是生命在四 个方面的性质： 1。所有生物都会改变其周围的环境 2。生物的生长和繁殖呈指数增长 3。环境条件抑制了生命的生长 4。自然选择决定了那种生物留下的数量最多，从而控制周围的环境 雏菊
9、(气候）世界 黑 反射率低 白 反射率高 覆盖度 - 行星温度 太阳辐射 植被与气候相互作用的理论 GAIA假说 地球表面气候和化学成分由生物圈维持在一个 最适宜生物圈的动态平衡中 (Lovelock,1982). 由生物圈担当并为生物圈服务的大气自我平衡 生物群系-环境反馈作用的基础是生命在四 个方面的性质： 1。所有生物都会改变其周围的环境 2。生物的生长和繁殖呈指数增长 3。环境条件抑制了生命的生长 4。自然选择决定了那种生物留下的数量最多，从而控制周围的环境 雏菊(气候）世界 黑 反射率低 白 反射率高 覆盖度 - 行星温度 太阳辐射 反GAIA 理论 冰雪地球 22亿年, 6.5-7
10、.0亿年 大气中O2 浓度与林火 自我调控 淡化了人类活动对环境的影响 地球系统表现为一个统一的，由物 理的，化学的，生物的和人类各 个部分组成的自我调控系统。 GAIA系统只是地球系统中一个组成 部分 反GAIA 理论 冰雪地球 22亿年, 6.5-7.0亿年 大气中O2 浓度与林火 自我调控 淡化了人类活动对环境的影响 大气-生物圈运动的层次 层次 气候 生物 秒-天 ; 微米-十米 冠层-地表辐射传输 气孔开合, 光合, 土壤表层,大气近地层 地-气能量,水分,物质 呼吸,气体交换 班块 交换 局地, 生物物理过程 天-月; 百米-十公里 月温,降水,湿度, 积温 碳同化,养分供给 景观,区域 , 小流域 径流土壤温度,湿度 生物量积累,凋落 区域气候 生物地球化学 土壤有机质分解 季-年,更长 季节变化, 生态系统生产力 大陆, 全球 年际,年代际气候变化 生态系统结构和功能 全球变化 气候变迁 ,大气成分 土壤碳库,元素循环
