从地理信息系统到地球系统模拟

围绕我国地理信息系统的建设特点和发展脉络,从地理信息系统的概念、结构与功能,从图形数据管理、数据挖掘、空间分析到地理现象或实体空间分布格局、时间演化过程、系统界面间耦合模式及系统间的相互作用分析,再到地球系统模拟的发展历程,回顾分析了陈述彭先生发展我国地理信息系统事业的学术理念、战略思想与科学体系,从中领悟地理信息系统的多维动态、区域综合、系统耦合、过程集成的研究体系。

一种典型的高性能计算：地球系统模拟

文章针对一种典型的高性能计算问题:地球系统模拟问题,简要回顾了地球系统模式发展的国际动态和国内现状,指出了中国在这方面存在的问题,分析了地球系统模式的国家需求,提出了中国地球系统模式发展的未来构想,介绍了地球系统模式中与高性能计算密切相关的关键科学问题和技术问题.通过介绍,作者希望有更多其他领域的科技工作者了解地球系统模式,并参与地球系统模式的发展;同时也希望文章能为中国地球系统模式的发展提供一些有益的帮助和参考.

太阳辐射管理地球工程对海洋酸化影响的模拟研究

研究地球工程对海洋酸化的影响对于评估地球工程对全球气候和环境的影响有重要意义。文中使用中等复杂程度的地球系统模式,模拟了典型CO_2高排放情景RCP8.5下,实施太阳辐射管理地球工程对海洋表面的pH和文石(碳酸钙的一种亚稳形态)饱和度的影响,并定量分析了各环境因子对海洋酸化影响的机理。模拟结果表明,在RCP8.5情景下,到2100年,相对于工业革命前水平,全球海洋表面平均pH下降了0.43,文石饱和度下降了1.77。相对于RCP8.5情景,2100年地球工程情景下全球海洋表面平均pH增加了0.003,而文石饱和度降低了0.16。地球工程通过改变溶解无机碳、碱度、温度等环境因子影响海洋酸化。相对于RCP8.5情景,实施地球工程引起的溶解无机碳浓度的增加使pH和文石饱和度均减小,碱度的增加使pH和文石饱和度均增大,温度的降低使pH增大而使文石饱和度减小。总体而言,太阳辐射管理地球工程可以降低全球温度,但无法减缓海洋酸化。

大西洋热盐环流与气候突变

未来是否会发生由大西洋热盐环流崩溃引起的气候突变是目前极富争议性的全球气候变化问题。首先回顾了过去发生的气候突变事件以及若干成因假说,介绍了McGill地球系统模拟组的有关研究成果,并探讨了过去气候突变事件中的南北半球遥相关,最后讨论了未来是否会发生大西洋热盐环流崩溃引起的气候突变。对过去发生的大西洋热盐环流突变的研究表明,它产生的气候背景与现代气候以及将来进一步变暖的气候截然不同,因此不能凭过去发生过的突变事件来推论将来会发生类似的气候突变。尽管有的气候模式预测全球变暖会导致大西洋热盐环流减弱甚至崩溃而引发气候突变,但是目前全球气候系统的观测有许多不足之处,并且现代气候模式也存在较大的不确定性,因此尚不能确信现在的全球变暖会导致这样的气候突变。

深时重大生物和气候事件与全球变化:进展与挑战

地球自5.4亿年前现代生态系统形成至今,发生了多次与碳循环扰动有关的重大气候事件.这些事件的触发机制、发展过程、环境变化及其伴随的生物响应型式为科学评估当今全球变化背景下生物多样性现状提供重要借鉴.然而,古-今生态系统变化时间尺度大不相同,高分辨率关键环境因子(温度、CO_(2)、降雨量、海洋氧化还原条件等)在深时记录中亦难以获取,深时海陆生物多样性模式尚缺乏高分辨率记录.因此,当今全球变化与深时记录对比存在巨大鸿沟.地球5.4亿年以来大部分时间处于两极无冰的温室状态,期间伴随多次极冷和极热气候事件,但地球深时重大生物演化和气候事件的关系复杂.生物多样性在变冷的奥陶纪早期、晚古生代大冰期、晚新生代大冰期以及中-晚三叠世和白垩纪热室期均呈现稳定增加,而在奥陶纪末冰期快速降温期间和二叠纪末、三叠纪末、白垩纪末火山排气作用导致的快速升温过程中急剧下降.地质时期生物多样性对气候变化的不同响应型式表明,生物多样性变化的根本驱动因素可能不是简单的温度、大气CO_(2)浓度等环境因子的背景值高或低,而是环境因子的变化速率(环境变率).变率较小,环境相对稳定,生物有足够的时间适应环境变化,生物多样性不会丧失,甚至繁盛.反之,若环境因子变率过大,超出了生态系统的承受力,生物来不及适应,生物多样性就会显著降低,甚至引发大灭绝.已有模拟和计算表明,当今地球碳排放的速度有可能超过了地质历史时期任何一次生物大灭绝事件.因此,避免环境突变事件和生物大灭绝的再次发生成为政界、科学界和普通民众关注的焦点.打通地球多圈层界限,开展古-今地质记录、冷-热极端气候、海-陆生态系统和长-短时间尺度的综合对比研究,并通过建立适用于深时的地球系统模型,模拟重大生物和环境事件的背景与发生过程,是地球系统科学未来发展的重要方向.