全球变化的区域响应和适应

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1、全球变化的区域响应和适应X符淙斌 董文杰 温 刚 叶笃正(中国科学院大气物理研究所全球变化东亚区域研究中心, 北京, 100029)摘 要20 世纪 90 年代以来, 全球变化研究进入了一个新的时期, 其研究方向发生了重大调整: 从认识地球系统基本规律的纯基础研究为主, 扩展到与人类社会可持续发展密切相关的一系列生存环境实际问题的研究;从研究人类活动对环境变化的影响, 扩展到研究人类如何适应全球环境的变化;在更高层次上进行地球系统的综合集成研究。文中对日益受到重视的全球变化区域响应和适应研究的背景进行了分析, 并着重介绍了一些概念和研究进展:(1) 对全球和区域环境变化的适应同可持续发展之间的

2、关系。两者应存在协调统一的关系。同时, 适应应是对区域和全球环境系统的整体性和系统性适应, 不应是局部的和片面的。(2) / 有序人类活动0的研究框架。介绍了对/ 有序人类活动0的一些基本认识, 以及在虚拟试验研究、 示范区建设和长期监测研究等方面的进展。(3) 集成研究。以东亚区域环境系统和北方干旱化的集成研究为例, 介绍了集成研究的方法和过程。关键词: 全球变化, 区域响应, 适应, 有序人类活动, 可持续发展, 集成研究。1 全球变化研究方向的调整全球变化科学(Global Change Science) 是 20 世纪 80 年代开始提出的一个新兴科学领域。它的科 学目标是, 描述和理

3、解人类赖以生存的地球环境系统运转的机制、 它的变化规律以及人类活动对地球环境的影响, 从而提高对未来环境变化及其对人类 社会发展影响的预测和评估能力 1。在以快速发展的计算机技术和卫星遥感技术为代表的高新技术的支持下, 以地球系统科学的发展为主体, 在过去各学科及其分支长期发展、 不断深入 和细化的基础上, 引入新的科学方法论, 强调学科的交叉和综合, 使人类对地球系统的整体行为的认识达到了以往无法企及的高度。 但是, 在关注地球系统的整体行为的同时, 人们也在愈来愈多地从观测事实2中认识到, 全球变化并非全球一致的变化。地球系统及其各部分的面貌在不同的空间尺度上的表现是多姿多彩的, 在不同

4、时间尺度上的变化是多种多样的, 全球变化总是由一系列过程和现象各异的区域变化构成的。同时, 区域变化不是孤立的, 全球变化也不是区域变化的简单集合。区域变化既可以认为是全球变化的区域表现, 又可以认为是全球变化的区域响应,它们是地球系统内在规律调控下和人类活动影响下 的具体行为, 通过地球系统的运行规律连接成为一个相互作用的整体, 任何一个地区的变化都是地球系统整体行为中的一个部分, 也对其他地区以及整 个地球系统产生影响和控制。20 世纪 90 年代以来, 全球变化研究进入了一个新的时期, 其研究方向发生了重大调整。第一, 认识地球系统基本规律的纯基础研究为 主, 扩展到与人类社会可持续发展

5、密切相关的一系列生存环境实际问题的研究。面对人口、 资源和环境等重大问题的严重压力, 各国政府和民众最关心 的是诸如干旱化和淡水资源、 粮食和食品供应、 能源以及环境变化对人类健康的影响等问题。他们要求科学家把地球环境变化规律的认识转化为可以解决上述种种问题的有用的知识和技术。由于各个国家 所处的地理位置、 生态和社会条件的不同, 全球变化对各国的影响也是不同的。作为制定国家或地区可第 61 卷第 2 期 2003年 4月 气 象 学 报 ACTA METEOROLOGICA SINICAVol. 61, No. 2 April 2003X 初稿时间:2002 年 10 月 20 日, 200

6、2 年 12 月15 日。 资助课题: 本研究得到/ 国家重点基础研究发展规划0项目(编号: G1999043408, G1999043403, G1999043409) 和中国科学院知识创新工 程重大项目(编号: KZCX1- 10- 07)资助。持续发展战略的科学基础, 人们不再仅仅关心全球平均温度升高多少度, 而是更加关注自己的国家和地区将发生那些变化? 决策者、 工农业生产的管理 者和公众更需要知道全球变化对他们所在地域的影响效果以及这些影响在社会经济方面的重要性等。因此, 全球变化的区域响应的研究成为重点领域之一。 第二, 研究人类活动对环境变化的影响, 扩展到研究人类如何适应全球环

7、境的变化。近几十年来,全球环境变化的速率和强度是人类历史上少见的。 例如, 近千年来地球表面温度在经历了几个世纪的缓慢降温过程之后, 于 1920 年代出现了迅速增温,20世纪是近千年来最暖的一个世纪, 90 年代又是20 世纪最暖的 10 a。初步预测, 21 世纪全球增暖的 速率将超过过去一万年来自然的温度变化速率, 对生存环境产生不可忽视的影响; 当前生存环境的恶化也达到了前所未有的程度, 大范围水、 土、 气的污 染, 生物多样性的减少、 土地的退化、 沙漠化和水资源严重短缺等已经成为人类社会可持续发展的障碍。而对这样的形势, 人类将采取什么措施? 一个十分重要的问题是: 人类社会现有

8、的农业、 林业、 畜 牧业的体系, 水资源管理体系, 能源体系以及经济的宏观布局等, 都是根据过去积累的气候和环境状况信息和知识制定出来的。这些体系在全球变化的条 件下是否还能适用? 如何调整这些体系以适应已经发生和未来将可能发生的变化, 以达到趋利避害的目的, 就是人类对全球变化的适应问题。科学地评估全球变化对人类社会的影响是制定适应对策的科 学基础。近百年来全球环境变化的加速和恶化, 在很大程度上是由人类自己的行为造成的。工业化、 城市 化、 不合理的水土资源利用等是环境恶化的主要原因。人类必须调整自身的行为, 包括生活方式、 生产方式和科学技术活动, 才能使环境朝着有利于人类的方向发展。

9、合理地组织/ 有序的人类活动0, 改善 环境条件是人类适应全球变化的一个重要途径。第三, 在更高层次上进行地球系统的综合集成研究。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0(IGBP), 以研究物理 气候过程 为主要内容 的/ 世界气候 研究计划0(WCRP)和以研究人类与地球环境变化相互关系为主要内容的/ 全球变化的人类方面0( IHDP) 这三大 国际计划之间的界限愈来愈模糊, 正在酝酿横跨三大计划的新的研究项目, 诸如全球碳、 全球水和粮食系统等把物理、 生物、 化学过程联系起来, 把自然过程与社会过程结合起来研究的新的大型国际计 划 3。这些计划的制定和实施,

10、 对全球变化的区域响应、 自然过程主导的自然适应过程和人类活动主导的有序人类适应过程的基础理论研究和应用研究, 必将提出新的要求。2 全球变化区域响应中的敏感性、 脆弱性和适应能力全球变化区域响应中的敏感性、 脆弱性和适应能力研究, 作为全球变化区域响应研究的一项主要内容, 已成为制定区域可持续发展政策和指导相关行动所要求的科学基础之一。 在 20 世纪 80 年代初期, 我国科学家在参与制定国际全球变化研究计划的过程中, 就已提出重视全球变化的敏感区和敏感带的问题研究, 并指出地处半干旱和半湿润的气候过渡地带、 植被从森林向 草原和荒漠过渡的植被生态过渡带、 以及农牧交错的人类活动过渡带的我

11、国北方地区, 可能是全球变化区域表现的敏感带 4。政府间气候变化委员会( IPCC)在 2001 年发布 的第三次评估报告中对适应和对气候变化的敏感性、 适应能力和脆弱性等概念进行了定义5。适应是指对生态、 社会和经济系统对现实和预期的气候变化驱动及其作用和影响进行的调整, 为趋利避害 在过程、 实践和结构上进行的改变。敏感性是指一个系统对气候变化因素的响应程度, 其响应可以是不利的, 也可以是有利的, 产生作用的方式可以是直接的, 也可以是间接的。脆弱性是指一个系统容易 受到或不能克服气候变化不利影响的能力。适应能力是指一个系统调整自身以适应气候变化和趋利避害的能力。因此, 系统的敏感性和脆

12、弱性同系统的适应能 力紧密结合在一起。增强适应能力才能降低脆弱性, 使系统得以存在和发展。适应包括了自然过程主导的自然适应和强调人类活动能动作用的有序人类适应, 通常所说的适应 更偏向于后者。自然适应是指区域环境要素, 特别是生态系统,对全球变化的区域表现产生了自激和自组织的调整 5。例如, 在全球增暖背景下, 低纬度的植被生 态系统将可能北侵, 同时, 高纬度地区的植被生态系246气 象 学 报 61卷 统分布区域向北收缩5。又如, 北半球中高纬度地区受春季温度升高时间提前的影响, 当地植被生长季长度的增加, 植被生长开始时间提前 6。 有序人类适应可以是人类活动干预下的自然恢复过程, 也可

13、以是通过人类活动采取的主动适应。对自然恢复过程, 中国科学院奈曼农业生态试验站的实践表明, 在内蒙古东部地区因过垦或过牧而沙 化的土地上, 只要采取围栏禁牧等措施, 用 5 年左右的时间, 适应当地自然生态条件的草地植被即可自然恢复到接近自然状况的生长和分布水平7。人类活动采取的主动适应, 表现为对土地利用和水利用等 的方式、 种类和时空分布的调整等, 例如, 在全球增暖背景下对农业种植制度和农作物种类的调整。3 对全球和区域环境变化的适应同可持续发展之间的关系目前, 人们在大量研究的基础上已形成共识, 针对已经、 正在或将要发生的全球变化及其区域响应, 地球系统的整体和它的各个部分难以恢复到

14、原有的状态。那么, 全球和区域系统将达到什么样的平衡状态? 在状态转变过程中, 人类社会将付出多大的代价? 新的平衡状态是否适合人类社会的发展? 人 类将因此采取什么行动进行适应? 回答这一连串的问题, 涉及到适应在不同时空尺度上的表现、 系统行为的优化和适应的成本等诸多方面8。难以逆转的全球和区域变化迫使人类采取措施 进行适应, 利用其有利的方面, 减轻和抑制其不利的方面。同时, 可持续发展的概念是以过去和现在的气候背景和环境状况为依据提出的, 还需要考虑对未来全球和区域变化的适应, 从而建立真正意义上 的可持续发展。对全球和区域环境变化的适应同可持续发展之间应存在协调统一的关系。区域乃至全

15、球的适应,无论是趋利还是避害, 都应遵循可持续发展的原则, 而可持续发展也只有在对区域和全球变化的适应基础上才能实现。适应应是对区域和全球环境系统的整体性和系统性适应, 不应是局部的和片面的。可持续发展也 是这样。缺乏协调的局部最优, 往往受到整体资源分配和环境要素的制约, 并损害整体利益, 增加适应成本, 最终可能导致局部适应和可持续发展的失败。在适应和可持续发展中, 可能会牺牲一些局部, 从而 达到整体的、 系统的和稳定的最优。系统性的适应能够通过提高系统的整体适应能力和抗逆水平, 减少系统的脆弱性, 使可持续发展在一个比较稳固的系统平台上展开。 因全球变化的区域响应之间存在差异, 适应和

16、可持续发展之间关系的具体表现在不同国家和地区之间也会不同。4 / 有序人类活动0研究框架的建立/ 有序人类活动0 9是在/ 人类圈0 10和/ 人类纪011概念基础上, 从有序人类适应的角度出发, 对 人在地球系统中的能动作用的进一步认识。Schellnhuber(1999)从人类活动的范围、 作用和影响等多方面出发, 首次把人类从生物圈中分离出来,称为0人类圈0(Anthroposphere) , 确立了人类在 地球系统中的特殊地位 10。在此基础上, Crutzen认为人类文明的发展已经改变了传统的根据地层和古生物划分地质年代的格局, 为强调人类的核心作 用, 把人类文明时期, 特别是 18 世纪后期以来的时间, 称为/ 人类纪011。近期, / 可持续性科学0的概念作 为 可 持 续 发 展 的 科 学 基 础 框 架 被 提 出(Kates) 12。这些概念表明, 人类已认识到, 人类活 动对其生存环境产生着特殊作用, 并希望这种特殊作用具有正向性。我们在/ 国家重点